（控制理论与控制工程专业论文）密闭鼓风炉熔炼过程智能故障诊断系统.pdf

摘要 密闭鼓风炉熔炼过程是一个高度复杂的工业生产过程，传统的故障诊断方法由于需要建立比较 精确的数学模型从而在实际应用中遇到了难以逾越的障碍。因此采用人工智能的理论和技术将 各种先进的诊断理论和检测技术手段结合起来。构成一个有机的统一整体，对整个生产系统进行状 态监测和故障诊断，是行之有效的方法。 论文主要进行了密闭鼓风炉熔炼过程g 口s t o p 专家系统及基于模糊神经网络推理故障诊断系 统的研究。一般的正常生产情况下，采用g 0 s t o p 过程实现当前炉况及其趋势的预报，口j 炉况 发生异常时，则启动模糊神经网络推理机进行故障诊断。g o s t o p 系统比较可靠，推理过程简单， 运算容易可保证系统实时运行速度；故障发生时，详细而有用的诊断结果则依赖于模糊神经网络 推理。文章还重点论述了知识库的建立，采用模糊产生式规则对大量密闭鼓风炉炉况知识进行描述 利用神经网络算法实现专家系统模糊规则的表达与推理这里选用模糊一神经知识获取技术( f n t ) 实现规则隶属函数的自动修改和规则可信度的自学习。 第一章指出了课题的来源和意义，简要介纠了对密闭鼓风炉熔炼过程进行故障诊断存在的问题 及研究方法：第二章介绍了故障诊断基本理论与技术，包括智能故障诊断系统的组成；第三章给 了密闭鼓风炉熔炼过程故障诊断系统的设计方案；第四章进行具体方案实施，详细论述了知识库的 建立及推理过程的实现：第五章介绍了熔炼过程故障诊断系统的软件设计与实现：最后对整个研究 工作进行了总结并提出了下一步要做的工作。 关键词：故障诊断密闭鼓风炉熔炼过程，g o s t o p 专家系统模糊神经网络推理知识库知识 获取，软件实现。 a b s t r a c t l 舶删蝴s m e | 垂垂n gf 糖精粒e s m 一螃n gp c e 话氟瓤神 培溯出x 弘_ 。c e s s 硅瑶t 酬难蛳越 圳td i 越妒0 s i sm 咄0 d sg e 眦粕yn e e d ”l a t i v ea c c u r a t em a t h e m a t i c sm o d e l ，毗c o r d i n g l yt h e i r a 即i i 船l i o n sc o m eu pa g 柚僦m 卸yi 吣u o u n t a b i l i t j 船s oa d o p i i n ga n i f i c j a i i n t e j g c n c et ot h i s 缸kd i a 辨懒i sg s 嘲吐i s 躺e l 融龇t e c h n i q ，b yw h i c h 耐v 蛳dd i a 酣o s 缸n 瑚q 粕d 出自瞅i o n 扭曲l o 霉y 柏譬嘲壤l l o 哇l 瓣o a n l 珏p l 。m 黼| 扭l s f 训l 羲。糙爨硼洳穗毽瓣避 巍鞋l l 蠢驾掣蛹嚣g ， h il 蠢| i sm 髂i s ，g o _ s i pe x p 瞰s y g t e m 柚df a u l td i 4 阱。萌ss y s l e m 弧s 嬲f 证巧n e u 棚 n e i 帅 棚肆i i l 丑i n l ym 辩u 辅e d u i l d 盯t l i c m m p m d u d i o nc 伽d i “o 邶，6 ( 卜s t o pp m s si s a d o m e d 蚺p f e d i np 1 1 嘲i t 内n 眦cc o n d i d o n s 锄dt | - e i r 懈劬m c yo n c em m 瓣c d n i o 雌邪 曲姗a l ，地豁朝抽gb a s 醛靴f u z 辞n 彗轼撩ln e t 粼威i ss 扛娃钯d 。g o s ps y s t e l ni sf e l 毓t l v e l y l e l i a 秘。黼ds i m p l e 陀黼o n i 鲳，w 畦陡c 黼k 艚ps 弹l e m 瑚n n i 拜g 融豫a lt i m e w h 韩ed 嘲秘硝a n d u 辨如id i a g n o s i sr c s u l td e p e n d s 伽f u z 科n e u r a ln e m o r kr e 鹅o n i n gw h e naf 扎l th a p p e n s k n o w i e d 辨* h a b u i i d i n gj 8a l s 0d i s c u s s e di nt h i st | l e s i s l a r g eq u a n t i t yo ff u m a c ek n o w l e d g ei s d e s c d b e db y 如z 碍p 刚u c t l o nn l l 峨w h i c ha r ed e f i v e di n t oal a y e f e dn e t 盯谢n e t w o r k 勰w e i l 舔 壁画r 摊c 辨堍两净鑫臻c t 至珏粥w e 秘。爨af 唿，n 黼穗融h 聃犯掰( 硪po f 妇洲l 稚蓼 a c q u i s 播o n n et l l 临i si so r 鲫i 删f o n o w s i nc h a p t e r lt h e 州g i n 蛐ds i g n i n 湖c eo ft h es u b j c c ti s p f e n t e d + t h ep r o b i e m se x i 蛳n gi nt l l ei m p e r i a is m e l l i 岵p r o c e 嚣( i s p ) 彘l td i 4 9 t o s i s 釉d 忸 s o l 妇嘲蘸豫b 癌：珏yi n f 删l l c 醯。c h p 重e f2i 拜t r o d u e e s 蠹b 牲d a 驴l s 铂e o 搿a 越l e c h n o l o 甄 i n c l 泌堍i n 翻l i g e n l 蚋重td i a g n i ss y 嫩ms 咖e t l l 他c 弧a p 把3d e s c r i b e s | l e 妇磅o fl s p 细轻 d i a g n o s i ss y 啦m 1 nc h a p c e r4t i l ed 嚣i g l i si m p l 咖e n t e ds i e pb ys i e p h e 坞k n o w l e d g c 山e b u i l d i n g 蝴dd i a 印o s i sr c a s o n i n ga md i s c u s s 嘲i nd e t a i lc h a p t e r5g i v c st h es o f t v 唰陀d e s i g n 彻d f e a l i 盟矗o no fl s p 纽i l ld - a 龋o s i ss y s l e m 。a lt h ee n do f 搬et i l 鼯i s w es u m m 埘z et h ew 蛔i e 港a f c h 黼噍dp 印睁妇呔垂。酶c l l 秘醴。 k e yw o r d s ：f 跚l td i 圳i s ，i s fs m e h i i i gp r o c e s s 。g 0 一s t o pe x p e ns y s t e m ，f i l z 纠州c u r a l n e t w 瞅r e a s o n i n 岛k n o w l e d g eb 黜e ，k n o w i e d g ea c q u i s i t i o n ，s o 椭mr 蒯i z a t i 中南大学硕，l 论文 第一章引占 第一章引言 随着计算机科学的发展，自动化装置的规模越来越人，某些微小的故障如果不能及时排除，就 有可能造成灾难性的后果。因此市场的迫切需要是推动故障诊断技术发展的主要动力。研究流程 工业的故障诊断技术对于保证生产的连续性、稳定性切实提高企业的经济效益具有重要意义。本 课题来源丁国家计委高技术产业化计划岭南铅锌集团铅锌生产过程综合自动化集成技术产业化示 范工程 项目子项熔炼过程炉况动态仿真和故障诊断系统。 1 1 密闭鼓风炉熔炼过程 密州鼓风炉铅锌冶炼( i m d e r i a ls m e l tp r o c e s s ，简弓成i s p ) l ：艺为英国帝国熔炼公司推山的弩 利技术是近代火法炼铅锌的先进方法之一。这种方法的i 艺优势以：r 住同一冶炼过程中冶炼钳 锌两种金属，现在已经为世界上十多个国家所采j j 。1 9 5 0 年第一一座密闭鼓风炉在英国阿旺茅斯j i ：式 投产以来，世界上共有1 5 座密闭鼓风炉其中两库住中国的韶芙冶炼厂j 。 韶关冶炼厂是岭南铅锌集团公司f 届的国有人型有色金属冶炼生产企业，生产经验丰富技术 力量雄厚。韶关冶炼厂于1 9 7 5 年正式投产。至今己- 二十多年。在第一座鼓风炉达到设计能力的基础 上，韶关冶炼厂二系统又丁| 1 9 9 6 年投产。其中经多次技术改造，装备水平和生产能力均有很人提高。 特别是在1 9 9 7 年完成技术改造项目以后烧结、鼓风两人士体生产车间均采川了集散型控制系统d c s 和可编程控制器p l c 。其中一系统烧结乍问采刖日本横河的y e w p a c km a r kl i 集散型计算机控制 系统( d c s ) 和美国m o d l c 0 np c 9 8 4 _ 4 8 0 可编程控制器( p l c ) 完成了烧结全过榉的顺序控制、 l ：艺检测及控制：熔炼下问采川y e w p a c k 的挟代产t u l ux ld c s 系统实现对鼓风炉的i 。艺榆测 与控制，并采用p c 9 8 4 6 8 0 完成了鼓风炉全白动上料。在二系统烧结和熔炼1 i 间均采川p x l d c s 系统和p c 9 8 4 系统。这些系统的采用与实施。可为密闭鼓风炉烧结熔炼过程的动态仿真和故障诊断 提供丰富的现场数据。 i s p 熔炼【艺过程在+ 个密闭的鼓风炉内进行，根据铅、锌的熔沸点不同可同时生产山钳、 锌两种金属：烧结过拌生产山具有一定妊度干透气性的烧结块后按一定比例o j 预热过的焦炭 起装入鼓风炉内此外为调整前床炉渣的组份还加入少最的熔剂( 生f i 灰) 。鼓风炉从1 ；同风1 】向 炉内鼓8 0 0 以上的热风。其中炉底风口的热风温度较高具有一定热苗的氧气与焦炭中的碳反麻 生成一氧化碳井放山人量的热，进一步为氧化物的还原反鹰提供热量。而c o 州丁还原氧化锌和 氧化铅。还原山的液体p b 进入炉缸并定期与炉渣一起放入前床然后金属p b 与炉渣分层：粗铅 电解精炼炉渣进行水碎。锌以气体状态与c o 、c 0 2 和n 2 组成炉气( 亦称低热值煤气) 由炉顺逸 山。炉气由炉子的侧部进入冷凝器通过铅雨冷凝，骠冷到5 0 0 ，使锌从钳液中析山。由丁比重 不同锌液浮丁钳液上面。再经分离就可得到粗锌。同时钳水返同冷凝器。此外从冷凝器山束的炉气 中含有一定量的钳锌通过炉气冷却、洗涤塔平| i 机械洗涤器等净化炉气的方法以监粉泥浆的形式州 收。净化后的炉气送焦炭和空气预热器的燃烧室中。蓝粉与从分离系统和冷凝器取：j j 的炉渣一起返 同烧结乍间。 中南大学硕十论文 第一章引苦 1 2i s p 熔炼过程故障诊断概况 i s p 过程属于典型的复杂流程：t ：业过样。”。其特点是： 1 工艺流程k ，具有大滞后特性； 2 过程机理反应复杂常常伴随着物理化学反应、生化反应、相变反应及物质和能量的转化 与传递过程； 3 生产条件和生产环境十分恶劣和复杂： 4 生产用原料复杂成份不稳定生产边界条件剧烈： 5 生产j ：艺过程所要求的工艺目标，如质龋和产量，往往不易直接测量和控制，造成生产指 标波动性大。 熔炼过程最关键的问题是维持炉况稳定，及时进行故障诊断与预报，然而整个密闭鼓风炉内部反 应很大程度上处丁未知状态，且由r 冶金界对铅锌熔炼炉内部的研究远1 i 如对炼铁高炉研究得那样 透彻，迄今为止对铅辞熔炼炉的操作条仆与过样参数之间、过程参数与生产目标之间以及炉内各反 应进程之间极为复杂的制约关系并无可靠的研究结果能够利州，进行故障诊断的难度相应很人。当 密闭鼓风炉山现异常状况时，面对人晕的米 】现场检测羽l 控制的数据信息仪仪依靠现场操作人员 去迅速分析山导致异常状况的原因并提出止确处理故障的方法已变得越来越不现实。这迫使人们 要研制一个计算机故障诊断信息处理系统根据现场采集的生产过挫数据信息。及时地检测和诊断 出异常状态的故障源并提出正确的处理方法，以保障铅锌冶炼生产交全顺利地进 r 。 由上面的分析可以得知，对鼓风炉熔炼过挫进故障诊断存在的问题是： 1 d c s 系统提供了人量的数据，但是这些数据人多是鼓风炉外部的数据，鼓风炉炉内检测参数 较少，不能充分提供故障诊断的依据。 2 熔炼过程反应复杂各操作参数与状态参数之间的犬系过程反应的约束条什以及l 。艺生 产目标与操作参数之间的关系难以_ l l 】一定的天系表达式描述，冈而难以实现基丁数据模 型的故障诊断。 3 炉况识别的滞后性与调整操作的盲目性难以实现故障预报及炉况的诊断与处理。 密闭鼓风炉熔炼过程常见的故障分为l ：艺故障丰殴备故障两类口】j 艺故障有炉身结瘤风口 故障、水冷设备漏水、漏渣和漏风，炉清过还原、悬j i = 及冷凝分离系统的冷却流 背冻结、渊水、冷 凝器扬铅转子扬铅苗少、铅泵扬铅能力低i u 热前床黄渣结壳等：设备故障有加料设备、铅泵、转 子及供风、供水及供电故障等。各种故障必须以相麻的对策进 r 及时、有效的处理。拖延对故障的 处理或者因判断火误而采取错误的处理办法都将导致故障进一步的恶化，造成巨人的经济损火 例如严重结瘤等i ：艺故障的发生，导致休风停产其损火每次在白万元以上。这些故障的发生给铅 锌生产过程造成了巨人的损失。 韶关冶炼厂铅锌生产目前要消耗人母的人力和物力进行日常的炉况维护。由r 仅仅停留在经验 基础上。维护i ：作缺乏管理决策支持和目标控制由此也造成的休风停产过多。维护成本过高。而 且有芙炉况及炉况处理的各种数据人部分仍以纸质文什为基础，有些甚至只是作为经验保存丁技术 人员的头脑中没有充分应用起来。 1 3 国内外故障诊断技术研究现状 故障诊断理论是在本1 廿纪7 0 年代初期首先从荧国发展起米的。7 0 年代是其发展的初级阶段 中南人学硕士论文 第一章r j l 鲁 出现了一些简单的故障诊断算法如检测滤波器、j i 义似然比、极人似然比，应川实例很少，理论 还不成熟。8 0 年代故障诊断理论得到了蓬勃发展有1 5 种新的理论方法提山( 将庄r 章中详细讨 论) 理论的实际戍也得到了发展pj 。不过技术麻川面还是比较狭窄土要集中在航天、船舶、发 电厂、核电厂等一些专门领域使_ 【i 】的故碲诊断冉法主要是基丁观测器滤波器方法或是系统辨识和 参数估计方法。9 0 年代以后，人们对于故障诊断理论的研究更加深入备种方法相互渗透和融合 理论应用于的领域也有了很人的扩展。参数估计和观测器，滤波器方法仍然是使用得展多的故障诊断 方法，但使_ 【 j 神经网络、模糊逻辑及组合的故障诊断方法在明显地增加对丁非线性系统的故障诊 断也有了更多的研究。 国外已经将一些典型的故障诊断技术心川丁再个领域如：1 9 8 4 年 尔曼滤波器方法应h | 1 ：精 馏塔nj 其基本思想是由p 尔曼滤波器得到残筹序列h j 残筹加权平方平算法快速检测故障适脚 于非线性系统参数偏差型故障：1 9 9 1 年信号处理方法庸_ l j 丁低j 蕞电动机pj ，其原理是采h | 现代信号 处理技术，对对象进行时域及频域分析聚焦刨奇异信号，即电机故障信号：1 9 9 4 年参数估计方法 应用】i 废水处理i ：厂j ，采_ 【l j 参数估计方法进行参数f 计，当参数有显著变化时，可根据估计值与 正常值之间的偏筹米判定系统的故障情况；1 9 9 6 年鲁棒观测器、1 f 线性和模糊逻辑等方法应川丁机 器人1 机器人是一个十分复杂的多输入多输山非线性系统，它具有时变、强耦台硐r 线性的动力 学特征，鲁棒观测器的指导思想是通过抑制其它故障对系统的影响米确定某一故障是否已发生模 糊逻辑则h j 丁溅差评价：1 9 9 6 年滑动模型观测器川】热力学系统，川一个检测观测器捡测故障的 发生t 利_ 【f j 白适应观测器诊断故障鲁棒性强，且可以给山突变常增益故障或缓变故障的估计值： 1 9 9 9 年人- 】神经网络方法应_ 1 1 j 于卫星姿态测簧系统】人1 神经网络( a n n ) 具有高度并行分布式 计算结构可以学习井进行推理如果将具有特祉的故障向蚓作为a n n 的输入那么殴计完成的 a n n 能够止确对故障进行分类，从而作山诊断，故障诊断的过群就是对故障模式的识别过料。 在黑色冶金方面，高炉的故障诊断技术已经趋t ：成熟。1 9 8 6 年，日本钢铁公司先1 ：世界上其它 国家研制成功了_ i j 于高炉操作控制的b a i s y s 系统及g d s t o p 专家系统，井在实际中得到了应川； 1 9 8 7 年1 1 月川崎钢铁公司将先进的g o s t o p 系统麻h | r 水岛4 # 高炉实现了高炉的稳定性控 制对塌料等故障实现了预报和控制。 我国对故障诊断的研究起始丁8 0 年代初与国外研究水甲相比还有筹距。目前已有一些高炉的 炉况诊断系统在i i 钢、济钢、重钢、包钢、宝铜和鞍钢等企业得到应j i j “h ”i 株洲冶炼j 的锌湿 法冶炼净化过程专家控制系统也采川了故障诊断技术1 2 0 】。 对于复杂有色金属冶炼过程，故障诊断的理论与技术应川在国内外都比较缺乏尚朱见有戈的 报道。 1 4 课题的提出及研究方法 1 4 1 课题提出的意义 流程二i _ = 业实现综合自动化川与离散j ：业不同，流程1 业犬键殴备少而大具有连续生产的特色， 往往一台关键设备或一个生产环肖的细微故障就能够导致全厂的停产带来巨人的经济损火。为保 证流程连续稳定安全生产，故障诊断与设备维护在流稃工业综合自动化中十分重要1 2 “。对流料l ：业 生产过程来说如何降低整体故障率如何提前对可能发生的故障进行预测发山警告，如何尽快对 故障作山诊断及时处理，是具有全局意义的重人课题能够直接产生不可估量的经济，放瓿。而且， 中南人学硕l 论文第一章引言 我国流程1 业在生产规模、经济效益、成本、品种、质鼙以及环保等方面与发达国家相比差距很人， 在国际竞争中面临着严峻的形势，采h j 先进的故障诊断技术能够稳定生产过程、降低生产成本从 而提高企业在市场中的竞争能力。 随着现代自动化水平日益提高系统规模不断扩人，复j 性迅速增加。系统芨生故障的可能性 随之增加，后果也变得愈加严重流程i ：业一i ：艺过稃连续，【：艺流程州定流程f ：业人都伴随着物 理反应、化学反应、相变反应等复杂过程生产数据复杂，处理培人同时数据在线检测凼难这 些都阻碍了日前故障诊断技术在流程一i ：业中的应用。口前来说，故障诊断的研究人部分停留在计算 机仿真或实验阶段，成功应用于实践的实例仍届少数，这是由于在j ：程实际中，系统的复杂性( 包 括系统本身以及四周环境) 和非线性使得一般的故障诊断算法很难发挥作川。冈此进行流程i 业 过程的故障诊断系统及应h 研究变得非常必要。止是在这一前提f ，受国客计委高技术产业化计划 岭南铅锌集团铅锌生产过群综台自动化集成技术产业化示范1 稗的资助，本深题进行i s p 熔炼 过程故障诊断系统的研制开发，期望通过对多种故障诊断技术的智能集成应h ，适应：艺过拌实 施故障检测、诊断与预报从而全面改善设备远行状况和i ? 艺过“状况为韶关冶炼厂获取巨人经 济效黼与礼会效益。对故障诊断技术枉有色冶金领域的戍j i j 起示范意义水l 推动作川，对其它迮续生 产过程起重要借鉴作刚。 1 4 2 研究方法 近年来，随着现代控制理论的发展，许多九进的控制算法的f l j 现为故障诊断理论的发展提供j ， 坚实的理论基础。在许多现代：l 业生产过程中也已经成功的使川了一些故障诊断系统进行生产住线 监控币i 诊断。故障诊断理论与实践的发展已经证明对丁现代人型复杂l ：业生，6 - 过“而言，设备和 系统的故障诊断必须依赖丁快速、高效、有川的故障诊断技术。最有敛的办法是将各种方法结合使 月】，利川备种方法之间所具有的互补性在诊断的置信度上相互补充同时处理定性羊定昔信息 结构化及非结构化的知识。 铅锌生产过程属丁复杂l ：业过程，具_ ! r 规模人、结构复杂、人滞后特性以及现场环境恶劣等 特点- 考虑前面分析的对鼓风炉熔炼过料进行故障诊断所存n 的问题，检测数据少及难以建立数学 模型等，本课题采用基丁人j ：智能技术( 专家系统、模糊摊理、神经网络) 集成的方法实现熔烁 过群的故障检测与诊断。故障诊断对已经产生或即将产生的故障进j i 诊断、报警或预报，) r 给小上l 确的处理和操作指导而且可以进一步对当前的炉况进行综合评判。 锚锌密闭鼓风炉智能故障诊断系统由数据预处理、知识库、数据库、智能推理决策、人机接i 等几大模块组成。 数据预处理分为两个阶段：对数据的平滑处理即数据除噪、修补希f 根据数据作复台参数计算判 断生产状况所需的参数。前一阶段由韶荚冶炼厂已有的d c s 系统完成，数据预处理模块土要进行后 一阶段的计算。 知识库j j 丁存放诊断所需要的知识、样本事实( 诊断案例) 平解释机制可为模糊专家推理和 神经网络模型提供规则知识及训练，能将每次诊断的案例或从外界录入的诊断案例的信息进行处理 升建成诊断规则知识库。它由知识库、知识学习和嘲j 识管理维护- 二个r 模块块组成。知识学习培开 发和丰富知识库通过诊断学习不断改善诊断系统的性能。故障诊断系统中的机器学习包括简单学 习、交互学习和独立学习。知识管理维护子模块能对知识进行一致性校验，其士要功能是为获取知 识和维护知识库提供各种操作，为知识i ：程帅、专家羊j h 户提供便利的知识库的扩充羊完善手段 中南人学顾r 论史 第一章j 1 高 还能检查其中的知识是否正确、是否存在矛盾、是否存在冗余等问题。 数据库模块分为实时数据库利历史数据库两部分。实时数据库存放现场采集来的实时数据井 每隔一定时间刷新一次，使实时数据库中的数据始终反映生产系统的晟新动态。历史数据库保存一 段时问实时数据库刷新的数据，诊断模块诊断结聚的数据既保存了跟踪生产系统的躁始数据，义 保存了集成智能故障诊断系统进行状态监测_ j 故障诊断的信息，以便有关人员及时了解生产系统的 运行状态，分析发生故障的原因、部位、严重样度等，升及时采取相应措施，排除故障，使生产系 统始终保持良好的运行状态。历史数据席每隔一段时间( 如一天，一周等) 刷新一次。 智能决策模块是故障诊断系统的核心，采川混合智能的方法实现在线的炉况诊断功能。以诊断 型专家系统为核心，结合在高炉炉况诊断方面已成熟的故障诊断技术g o s t o p 推理方法及基丁模 糊神经网络的推理方法既能实现当前炉况及其趋势的预报，义能在故障发生时根据故障现象、祉 兆迅速准确而详细地诊断出故障原因、给u 处理意见，升相麻地对知识库中知识的调川进行协调。 人机接口模块也称为任务管理模块，是整个诊断系统管理o ，挖制的中心。山输入、输出、显示 二部分组成。输入功能使j l 】户或专家可以实时的输入一些诊断信息，方便的向知识阵添加新知识戏 对知识序加以管理维护，包括深层利浅层知识的录入。输出功能是收集各个模块的诊断信息，输u ； 故障信息向显示模块提供诊断过程中川户想要知道的各种信息也包括保护措施的启动，通过执 行机构完成。此外还有数据的报表输出及打印苗功能。相麻的时间、送行状态、诊断结果、诊断路 径、故障征兆、处理意见等内容分别以文字或嘲表的方式在终端显示器上显示山米。 ! 塑查兰婴二! 堡苎 兰三皇垫堕堡堑堡堡! ! ! 兰查 第二章故障诊断理论与方法 故障诊断有两种涵义。一种指利用某些专川的仪器米检测某些机械设备的运转是否止常；另一 种是指由计算机利用系统的解析冗余，完成j ：况分析，对生产是否三常和是什么原凼引起故障、故 障的程度有多大等问题进行分析、判断，得出结论。我们目前所说的故障诊断技术一般都是指后者， 是本世纪7 0 年代初期以来首先从美国芨展起来的。这项技术诞生以后逐渐引起了学术界的关注，并 且在近十年来得到了迅速的发展已取得了许多应 j 成果。 2 1 故障诊断技术 故障诊断技术是一门综合性技术，它的_ 丌发涉及多门学科如现代控制理论、可靠性理论、数 理统计、模糊集理论、信号处理、模式识别、人i ：智能等学科理论。故障诊断的任务，由低级剑高 级，可分为四个方面的内容j j ： 1 故障建模。按照先验信息和输入输关系，建立系统故障的数学模型，作为故障检测。j 诊断 的依据。 2 故障检测。从可测或不可测的估计变鼙中判断运行的系统是否发生故障一口系统发生意 外变化，应发出报警。 3 故障的分离与估计。如果系统发! 了故障给出故障源的位置，区别故障原冈足执行器、 传感器和被控对象等或者是特人扰动。故5 i ：；什计是在卉清故障性质的同时，计算故障的拌度、 人小及故障发生的时间等参数。 4 故障的分类、评价与决策。判断故障的严重程度，以及故障对系统的影响平发展趋势，什对 不同的 ：况采取不同的措施，其中包括保护系统的启动。 故障诊断技术发展至今已提出了人量的方法，按照国际故障诊断权威德国f m n k 教授的观点 ”，所有的故障诊断方法可以划分成基r 数学模型的方法、基于信号处理的方法、基于人f 智能的 力法三种。f 面分类加咀介绍1 2 ”： 1基丁数学模型的方法 ( 1 ) 参数估计诊断法基本思想是当故障山参数的显并变化来描述时，可利川已有的参数什计 方法来检测故障信息，根据参数的f 计值与i r 常值2 问的偏芹情况来判定系统的故障情 况。 ( 2 ) 状态估计诊断法，通过被控过程的状态直接反映系统的运行状态井结合适当的模犁则可进 行故障诊断。首先重构被控过程状态，并构造残差序列，残著序列中包含各种故障信息及 基本残差序列，然后通过构造适当的模删并采j _ j 统计检验法，把故障从中检测出来， 作 进一步分离、估计及决策。通常可 l l u e n b e r 窖e r 观测器及仁尔曼滤波器进行状态估计。 ( 3 ) 等价空间方法，其基本思想是利川系统的输入输山的实际测晕值榆验系统数学模型的等价 性( 即一致性) 以检测和分离故障。与基丁观测器的状态估计法等价。 2 基于信号处理的方法 ( 1 ) 直接测量系统的输入输出方法。在“：常情况r ，被控过程的输入1 0 输山在止常范围内变化 当此范围被突破时，可以认为故障已经发生或将要发生。另外。还可以通过测量输入输f 1 1 的变化率是否突破范围来判别故障址否发生。 中南大学硕1 。论文 第一帝故障诊断理论j 方法 ( 2 ) 基于小波变换的方法，其基本思路是首先对系统的输入输出信号进行小波变换，利用该 变换求出输入输出信号的奇异点。然后除去由于输入突变引起的极值点则其余的极值点 对应于系统的故障。 ( 3 ) 输出信号处理法，系统的输出在幅值、相位、频率及相关性上与故障源之间会存在一定的 联系这些联系可以用一定的数学形式( 如输山量的频谱) 表达，在发生故障时，则可利 用这些量进行分析与处理，米判断故障源的所在常i i 的方法有谱分忻法、概率密度法、 相关分析法及互功率谱分析法等。 ( 4 ) 信息匹配诊断法。此方法引入了类似矢量、类似矢量空间、一致性等概念，将系统的输出 序列在类似空间中划分成一系列的子集分析各子集的一致性，并按一致性强弱进行排列， 一致性最强的一组子集的鲁棒性也最强，而一致性最荠的子集则可能已发生故障通常类 似矢量值很小，而当故障发生时，类似欠苗将在此故障相应的方向上增人冈此类似久苗 的增加表明了故障的发生，而其方向给出了故障传感器的位置。 ( 5 ) 基于信息融合的方法，故障诊断实际上足根据检测茸：所获得的某些故障表征以及系统故障 源与故障表征之间的映射大系找山系统故障源的过程。为r 充分利川检测量所提供的信 息，在可能的情况下，可以对每个检测量采埘多种诊断方法进行诊断，这一过程称为局部 诊断，将各诊断方法所得结果加以综台得到系统故障诊断的总体结果称为全局诊断融台， 对局部一全局融合方案的实现可j i 】模糊推理的方法或用m a r y 理论进行决策。 ( 6 ) 信息校核的方法，在许多控制系统的故障诊断中，都没有考虑信息校核的方法，实际上 系统的信息校核是进行故障诊断的比较简单有效的方法冈为信息是进行系统过样捡测的 依据利川错误的信息士进行计算和推理址徒劳无镛的，m 且会得错误的结论。可依据 物料平衡与能昔守恒定律等物理化学规律及数理统讨知识来进行信息的校核。信息的矛盾 一般意味着信号获取上的故障或矛盾。 3 基于人1 ：智能的故障诊断方法 ( 1 ) 基于专家系统的故障诊断方法专家系统是人i 。褶能领域中晟活跃的一个分支，已r 泛腌 1 1 j 丁过程监测系统。这种方法1 i 依赖丁系统的数学模型而是根据人们长| 埘的实践经验平 人餐的故障信息知 = i ，设计出套智能计算机程序，以此米解猷复杂系统的故障诊断题。 ( 2 ) 基丁神经元网络的故障诊断方法h j 一神经元网络具有处理复杂多模式及进行联想、推测 和i 记忆功能，它非常适合应川丁故障诊断系统。它具有白纰织自学习能力，能克服传统专 家系统当启发式规则未考虑到时就无法l 。作的缺陷。冈此将神经元网络应用丁过程检测 系统己成为一个非常合适的研究领域并有不少成功的麻凡j 实例。 ( 3 ) 基r 图论的模型推理方法，基丁网络幽论方法的故障诊断技术，实质上是根据一个实际系 统中各个元什之间所存在的1 | 常普遍的故障传橘关系构成故障诊断网络利川搜索取l 测 试技术进行故障定位。这种方法已柏：人型1 业生产过拌和窄问e 行器等领域中得到了府 。 ( 4 ) 基于模糊数学的诊断方法其本质是在分析系统异常现象的基础上，由症状推断山故障的 原因。 ( 5 ) 基r 定性模型的方法，它用表示系统物理参数的定性变昔和表示并参数问相互关系的定性 微分方程构成约束模型描述并模仿系统的结构以确定从给定的初始状态出发得剑的 系统状态。 ! 堕；苎堂竺堡塞 一 塑三主垫堕堡堑里堡皇! ! 塑 2 2 智能故障诊断系统 2 2 1 故障诊断专家系统 由于智能技术无须建立系统精确数学模型适州于比较复杂的被控过程- 因此随着人工智能技 术的发展，故障诊断系统正朝着智能化的方向迈进叫1 。智能诊断系统的核心是诊断型专家系统。 专家系统是一种问题求解的智能软件，在某一专业领域内起该领域人类专家的作用。它把人类 专家的经验和知识表示成计算机能够接受和处理的符号形式，采 用专家的推理方法和控制策略，解决该领域内只有专家才能解决 的问题并达到专家级水平。它的主要组成部分是知识库、推理机、 工作存储器、人机接口，其结构简图如图21 所示”“： 故障诊断专家系统在工作方式上与其它类型的专家系统有较 大的差异这主要表现在诊断对象的复杂性、诊断任务的零散性、 诊断理论的不成熟性、诊断知识的难获取性、诊断结果的不确定 性等。故障诊断专家系统除了需要具备一般专家系统的几个基本 特点以外，还应具备以下的一些功能和特点口q ： _ j 户 图2 1 专家系统结构简图 1 诊断系统能综合利用各种信息和各种诊断方法，以灵活的诊断策略来解决诊断问题。能通 过使用专家的经验而尽量避开信号处理方面复杂的实时计算，为设备的实时监控和故障诊 断在时日j 上提供有利的条件。能处理带有错误的信息卡u 不确定性信息从而相对降低对测 试仪器和工作环境的要求。 2 诊断专家系统应具有人机交互诊断的功能。由丁现代设备极具复杂性，其故障诊断时除了 需要一般的经验和知识外还需要许多方面的深层知识。只有综合运_ f _ f j 多种知识源才能 求解比较复杂的诊断问题。因此 止州户适当地参与实时诊断，会使诊断的速度更快，准确 性更高。用户参与诊断的方式可以分为主动方式和被动方式2 种。主动参时用广可以 干预系统的诊断推理过程，并引导系统的推理方向；被动参与时，川户不干预系统的诊断 推理过程只回答系统提出的有关问题或根据系统的提示去完成某项任务。 3 诊断系统应具有多种信息获取的途径。对1 诊断系统来说，其所获得的诊断信息越丰富， 则诊断的效果也就越好。诊断系统首九心具有自动获取诊断信息的功能包括诊断对象当 前的运行状态信息和历史状态数据。前者可以通过各种传感器和数据采集装置来得到后 者可以通过查询有关的数据库来获取。其次应能通过人机诊断信息，因为这类信息大多是 难以直接观测又难于通过自动方式获取的，只有通过专家的参与才能确定。 4 诊断系统的问题求解应当实时和准确。诊断系统应具备实时诊断的功能，即一旦发现故障 的迹象就应立即开始诊断j ：作。而且输的结果应当细致、明了，能说明在哪一层次或 元什发生了何种故障。对于，f ：发放障，允许系统输山若干个诊断解但对同一故障1 i 允许 有多个诊断解。在征兆不完备的情况r 应能输出若下个候选故障m 早，并合理地赋于权值 对其排队，以便进行进一步的诊断，不允许以权重晟高的解作为诊断解。 一个故障诊断专家系统一般结构如图2 2 所示”。人机接口是整个诊断系统管理与控制的中心， 它负责初始信息的输入与处理，各功能模块2 问的信息传递与控制，把被诊断对象的相关知 _ 与数 据分别送入知识库与数据库：知识库h | 于存放来自奉领域专家的各种有关故障诊断的知识。包括故 8 中南大学硕士论文 第二章故障诊断理论与方法 障征兆、故障原因、解决方案、经验知识等，这些知识是由领域专家和知识工程师合作获取的，井 以一定的知识表示形式存到知识库中：知识获取模块负责对知识更新库进行管理和维护：数据采集 模块是把信息通过各种手段采集到系统的数据库这些信息反映被诊断对象的各种状态这样便于 诊断专家系统对故障及设备的运行状态进行判别和诊断；数据库是按照一定的格式以文件的形式把 诊断对象的各种状态信息( 问题求解的初始数据、求解状态、中间结果、假设目标以及最终求解结 果等) 存储起来：t ：作存储器用来存放推理的初始信息、中间结聚和用户交互地提供的各种信息或 知识的一个存储区：推理机是诊断专家系统的核心，它根据知识库中的知识和动态数据库库中的实 时数据进行推理得出系统中是否发生故障，发生什么故障，然后对诊断结果进行评价和决策，故 障丰| 除后再重复上述过程。 2 2 2 模糊诊断方法 图2 2 故障诊断专家系统的一般结构图 由于复杂系统的故障在很多情况r 带有一定的模糊性，因而_ f ! e 故障诊断过程中引入模糊数学的 理论和方法可使诊断结果更加切台实际，更加准确。模糊诊断不需要建立精确的数学模型适当 运用隶属函数和模糊规则，进行模糊推理就可以实现模糊诊断的智能化。但是对丁复杂的诊断系统， 要建立正确的模糊规则和隶属函数是非常困难的，而且需要花费很k 的时间岬】。对于更人的模糊规 则和隶属函数集合而言，难以找出规则与规则间的关系，也就是说规则有“组合爆炸”现象发生。 另外由于系统的复杂性、耦合性，由时域、频域特征空间至故障模式空间的映射芙系往往存在着较 强的非线性此时隶属函数形状不规则，只能利h j 规范的隶属函数形状来加以处理，如用二角形、 梯形或直线等规则形状来组合予以近似代替也就使得非线性系统的诊断结果不够理想。 2 2 3 神经网络在故障诊断中的应用 模拟人脑结构的人1 _ 神经网络方法是一种全新的、有前景的敞障诊断方法。在知识获取上神 经网络的知识不需要由知识工程师整理、总结以及消化领域专家的知识，只需要用领域专家解决问 题的实例或范例来训练神经网络【2 ”。神经网络系统的知识获取与专家系统相比既具有更多的时间 效率义能保证更高的质量。在知识表示中神经网络采取隐式表示它在知识扶取的同时自动 o 中南大学硕 ”论文 第二辛故障诊断理论0 方法 产生的知识由网络的结构及权值表示，! f = 将某一问题的若干知识表示在同一网络中，通用性强便 于实现知识的自动获取和并行联想推理。神经网络的知识推理是通过神经元之间的相互作_ l j 实现的。 网络同一层的推理是并行的，不同层的推理是串i j 的。由1 同层内神经元的数目远人丁层数，此 从总体上来讲，神经网络的推理是并行的速度快。在神经网络中，允i ，i = 输入偏离学习样本，只要 输入模式接近于某一样本的输入模式，则输出也会接近学习样本的输出模式，这种性质使神经网络 具有联想记忆能力。神经网络的不足之处在于术能充分利用许多特定领域中专家积累起来的宝贵经 验，只利用一些明确的故障诊断事例，而且需要有足够的学习样本，才能保证诊断的可靠性。由丁 神经网络从故障事例中学到的知识只是一些分布权重，而不是类似领域专家逻辑思维的产生式规则， 因此，诊断推理过程不能够解释，缺乏透明度。 对应神经网络的知识获取与知识表示，神经网络在故障诊断中的应用有j 种情况，神经网络预 测住故障诊断中的应用，即根据以往的系统信息，预测卜i 一时刻系统的状态；神经网络j 模糊诊断 方法的结合，将神经网络的学习机制引入模糊摊理通过神经网络的学习来生成和调整模糊系统的 隶属函数；神经网络作为一种白适应的模式识别技术，对诊断对象可能发生的故障模式进行分类 把诊断对象的当前状态归入到某一类中去，其利j 】白身的学习机制通过对案例样本的学习，白动 形成相对应的决策区域。而且当样本变化时，如案例增加神经网络训练所获得的映射关系可以白 适应，达到对对象的进一步逼近。 2 2 4 混合智能故障诊断系统 目前为了克服现有的智能诊断方法的局限性，人们止致力丁研究更强人的混合智能诊断系统 m j 。将a n n 与专家系统相结合。刚神经网络柬解决专家系统的知识获取川2 】；将模糊理论1 。a n n 相结合，采用模糊方法来处理a n n 的输出以显示展后结果并且对推理作“j 解释，而且模糊系统 能够给操作人员提供语言量的输出：将模糊理论与专家系统相结合，利用模糊数学中模糊变换原理 构成一个专家系统其优点是模糊矩阵本身已经包含了产生式规则，而且矩阵系数还反映了闪果关 系的强弱程度；将模糊理论、专家系统和i 神经刚络量首相结合【”1 其实i j 价值很难评估。由以卜可 以看j 当前将模糊理论应用在a n n 和专家系统中来解决1 ；确定性问题，已得到， 识，将会雨 很好的应川l 订景。此外，还有其它的混合钳能诊断方法，如基j 多种模型平多种知识的混台钳能诊 断系统。近年来遗传算法在故障诊断叫1 的研究义成了个新的热点“m ”，例如，在神经网络方法 故障诊断中多采用前馈型b p 网络由丁b p 网络存在收敛速度慢，易陷入局部极小和全局搜索能力 差等方面的缺陷，因此，采用遗传算法优化b p 网络的权值可进一步将基1 ：遗传算法的遗传进化 和基于梯度f 降的反训练结合，利用遗传算法的全局搜索能力和b p 算法的局部搜索能力，以最伙 速度获得网络的最优连接权值。 2 3 通用故障诊断系统的设计方案 通用故障诊断系统m 1 ，不针对任何具体对象与模型进行设计町咀适_ l i jr 儿乎所有复杂系统的 故障诊断和趋势预报。对丁不同的用户而高，只需按照要求，输入必要的芙丁不同诊断对象的l j j 窬， 就町以方便的使刚。因此不仅要考虑如何确定系统的结构与层次，使它具有通刚性从而玎i 与任何 特殊的对象有所关联( 不依赖于对象的具体特祉) ：同时它又足有效的，能够对新对象有效地进行诊 断知识模型的获取。 n 中南夫学硕士论文 塑三主垫堕堡堑型堡! ! 查鲨 2 3 1 系统总体结构 2 3 2 知识模型库 圈2 j 通用故障诊断系统的结构简图 中南人学硕上论文 第二章故障诊断理论j 方法 分四层组织：第一层描述了最一般的诊断知识由诊断对象模型组成。运行模型描述了诊断对象正 常工作时的形态故障模型描述了诊断对象在故障时的形态，它们被用于基于模型的诊断、真值维 护和解释。第二层描述了一般的诊断知识由根据诊断对象的领域知识和专家诊断经验归纳出的诊 断规则组成用丁基于规则的诊断。第三层烛根据类似诊断事例经训练构造的人。i ：神经网模型，h 】 于基于神经网模型的诊断。第四层由案例一子案例等级框架表示( c e s u b c e h i e m r c h y ) 组成它描述 了关于各诊断案例的最特殊的诊断知识用于基于案例的诊断。 上述知识层次从一般到特殊划分很严密且对任何诊断对象都是适应的，十分符合通用软件 的要求。然而其理论应用于实际中时难以覆盖各种故障现象的发生。因此按照上述层次对人机对 话界面所提供的诊断对象的信息进行具体地组织、细化，形成不同的诊断知识模型子库，以适应各 种故障诊断的要求： 1 对于可由定量信息描述的故障情形，一般包括参数描述和状态描述两种，参数描述指由参 数的显著变化来描述故障的发生；状态描述指由被控过程的状态_ ) | 描述所包含的故障信息。 直接建立对象的运行模型和故障模型，形成知识模型库的第一层：对象模型子库，它支持 基 ：模型的故障诊断方法，参数估计诊断法和状态估计诊断法。住进仃故障检测、故障分 离与估计、故障分类评价和决策时，参数估计诊断法根据在线所测参数的估计值与i l 常值 之间的偏差情况与对象模型库中相应的模型相匹配来判定系统的故障情况：状态估计诊断 法通过估计出系统的在线状态首先重构被控过程状态，升构造残差序列，残筹序列中包 含各种故障信息，需要结合对象模型库中相应的模型对基本残差序列采川统计检验法，把 故障从中检测出来，井作进一步分离、估计