基于RBF神经网络的矿井提升机故障诊断研究.doc

哈尔滨工程大学硕士学位论文基于RBF神经网络的矿井提升机故障诊断研究姓名：周成宝申请学位级别：硕士专业：系统工程指导教师：张仁忠20090601 与 的混合 瓵 猰 哈 尔 滨 程 大 学 硕 七 学 位 论 文 故 障 诊断 理论 发 展 与研究现 状故 障 诊断 始 于 设 备 故 障 诊断 ， 其 全 名 是状态 监 测 与故 障 诊断 。 它 包 含 两 方 面 的内 容： 】一 是对 机器 运行 状态 进 行 监 测 ； 二 是在 发 各 行 业 都 很重视， 在 关 键设 备 上装 备 故 障 诊断 系 统， 特 别 是智 能 化 的故 障 诊断 专 家 系 统， 其 中 突 出 的有 电力 系 统， 石 化 系 统， 冶金系 统， 以 及 高 科技 产业 中 的核动 力 电站 ， 航 空 部门和 载人 航 天 工 程 等 。 一 些 高 等 院 校 已经 培 养 了一 批 以 设 备 故 障 诊断 技 术为选题 的硕 士 研究生和 博 士 研究生。 我 国的故 障 诊断 事 业 正在 蓬 勃 发 展 ， 将在 我 国经 济 建设 中 发 挥 越 来越 大 的作 用 。故 障 监 控 和 诊断 技 术是近 余 年 发 展 起来的一 门新 技 术， 它 不 仅 能 找 出消除 生产系 统中 的事 故 隐 患 ， 而 且 能 及 时发 现 机 器 的故 障 ， 并预 防 恶性事 故的发 生， 从而 避 免 人 员的伤 亡 、环 境 的污 染和 巨 大 的经 济 损 失 。 尤 为重要 的是， 应用故 障 监 控 和诊断 技术， 可 以 改 革 目前 的设 备维 修 制度 定 期 检 修 ，实现 现 代 化 维 修 技术 预 知 维 修 。 这 样 ， 不 仅 节 约了 大 量 的维 修 费 用， 而且 由 于 减 少了 许多不 必要 的维 修 时间 ， 从而 大 大 增 加 了 机 器 设 备 正常运行 的时间 ， 大 幅 度地提高 了 生产效率， 产生了 巨 大 的经 济 效益。 因 此 ， 故 障 监 控和 诊断 已是现 代 工 业 的重要 组成 部分， 故 障 监 控 和 诊断 技 术己 经 成 为自 动 控制领 域 中 的一 个 新 的研究课题 。 而 状态 监 测 和 故 障 早 期 侦 破 技 术 也 是故 障 诊断 领 域 里 的一 个 研究热点。 系 统状态 监 测 是通 过 对 各 种检 测 、测 量 得 到 的信息 进 行 监 视、分析 和 判别 ， 并结合系 统特 性及 历 史 数 据 对 系 统工 作 状态 给 出评价的过 程 。 对 系 统异常状态 给 出 报 警 、提示 及 发 展 趋 势预 报 ， 并尽 早 发 现故 障 ， 从而 实 现 故 障 的早 期 侦 破 。 利 用 故 障 模 式的分类结果 ， 一 方 面 可 以 查清 产生故 障 的原因 ， 即 故 障 诊断 ； 另 一 方 面 可 以 通 过 当 前 系 统运行 状态 的类别 来确定 其 运行 状态 是否正常， 也 就 是进 行 状态 监 测 。 目前 状态 监 测 与故 障早 期 侦 破 技 术已成 为国际 过 程 系 统工 程 学 术界 与工 程 界 的研究热点之一 。 等 人 提出 根 据 过 程 趋 势的模 式识别 方 法用 于 过 程 监 视和 诊断 ，当 前 故 障 检 测 和 诊断 技 术一 个 重要 的研究特 征， 就 是与具体 工 程 技 术领 其二 是用于 构成实时 状态 监 视 系 统 ，或 者 进 而 实现高 性能 的 自 动 控 制 系统 。在 这 类 应 用中 ，故 障 诊 断 系 统 通常 以 在 线方 式运行 ，它 连 续 得 实时 监 视整个 系 统 的 测 量 参 数 ，基于 适当 的 在 线故 障 检 测 与 诊 断 算 法 给 出 系 统 的 故 障信息，包 括 故 障 报 警信息、 故 障 位 置 信息和故 障 程度 信息等 等 。采 用先进 的控 制 系 统 设 计 方 法 可 以 使控 制 系 统 具 有自 动 利 用这 些 故 障 信息、 根 据 系 统 运行 的 不 同故 障 工 况 自 动 调整控 制 方 案 的 能 力 ，其目 标是保证系 统 运行 在 安 全状态 。随 着人 工 智 能 技术的 迅速 发 展，特 别 是知识工 程、 专 家 系 统 、 模 糊 系 统和人 工 神 经 网 络 在 诊 断 领 域中 的 进 一 步应 用，迫使人 们 对 智 能 诊 断 问题 进 行更 加 深入与 系 统 的 研究 。智 能诊 断 技术是当 今 世 界 发 达国家 的 研究 热 点之一 。智 能 诊 断 方 法 现阶 段 包 含 模 糊 诊 断 方 法 、 专 家 系 统 诊 断 方 法 、 神 经 网 络 诊 断方 法 、 混 合智 能 的 诊 断 方 法 。 论文 的 研究 内容 和组织结 构 理 论基础。 哈 尔 滨 丁 程 大 学 硕 七 学 位 论 文入抑制 状 态， 没 有 神经 冲 动 输 出。 哈 尔 滨 程 大 学 硕 士 学 位 论 文 传 递 函数名 称 反向 传 播 网 络 网 络 简 介转 移 函数 均 为 一 般 采 用 单 极性 也 可 以采 用 双 极性 。 哈 尔 滨 工 程 大 学 硕 士 学 位 论 文 网 络 的 学 习 过 程 主要 由四 部 分 组 成 ： 芳且 溲 盗 模 式顺 传 播 与误 差 逆传 播 的 计算 过 程 反 复 交替 循 环 进 哈 尔 滨 工 程 大 学 硕 十 学 僚 论 文时 间。 盗 肥毖 靶 卵 居幸 磐 日样本的 趋 势。 半 径 与 以及 基函数的 输 出 之 间的 关 系 如 图 所 示 哈 尔 滨 工 程 大 学 硕 士 学 位 论 文图 构成 径向 基 函 数 的 基 本 思 想 是： 用 隐 单元实 现输入空 间到隐 含层 空 间的中 心 ， 这 种关 系也 就确 定了 。 出 的线 性 组 合 ， 从而 很 容 易 达 到 从非线 性 输 入 空 间向输 出 空 间映 射 的目 的。好 的逼 近效 果， 并 且 它还 具 有 唯 一 最 佳逼 近点 的优 点 。习的影 响很 大 ， 只要 网络 基 函数 中心选 择 的适 当， 可 以获 得 快 速 的函数 逼 近效 果。 哈 尔 滨 丁 程 大 学 硕 士 学 位 论 文 哈 尔 滨 工 程 大 学 硕 十 学 位 论 文 绲 难 安 问 】图 哈 尔 滨 工 程 大 学 硕 士 学 位 论 文图 雅 可比 信息的 辨识 哈 尔 滨 工 程 大 学 硕 十 学 位 论 文一!狪 一一!瘛 猯 一 一 一 数 逼近 非常成 功 。 哈 尔 滨 下 程 大 学 硕 士 学 位 论 文如 果径 向 基 神 经 元 的 散 布 常数 过 大 ，则 每个神 经 元 都 基 本 相 同 ，那 么 就无 法 进 行 网络设计 了 。 将网 络输 出和 期 望 值 随 输 入 变 化 的 曲 线 绘 制 在一 张图 本 章 小 结 哈 尔 滨 程 大 学 硕 十 学 位 论 文 矿 井 提升设 备 的 组 成 哈 尔 滨 下 程 大 学 硕 士 学 位 论 文工 作 机 构 ：主 轴 装 置和 主 轴 承机械 传动 系 统K蝣 隙 跛倨润滑系 统：润滑油 站图 矿 井 提升机 主 要组 成 部 分制动 系 统：包 括 制动 器 和 液压传动 装 置两 部 分 。制动 器 的 作 用 是 ：在提升机 停 止 工 作 时， 能 可 靠 的 闸 住 机 器 ； 在减 速 阶 段 及 下 放 重 物 时， 参 与 提升机 的 控 制、 紧急事 故情 况量 ， 能 使提升机 安全 制动 ， 迅 速 停 车， 避 免 事 故的扩大 ； 双筒 提升机 在调节 钢丝 绳长度 时， 应能 闸 住 提升机 的 游 动 卷 筒 。液压装 置是 矿 井 提升机 整个 控 制系 统的 核 心 部 分 ， 液压传动 装 置的 结 构 自 动对 系 统 进行 保 护 ； 润滑 油欠压 或 超 压 时 自 动对 系 统 进行 保 护 ； 轴 承 温 升过 高 和 制 动油温 升 过 高 时 自 动对 系 统 进行 保 护 ； 闸 瓦 磨损 超 过 规定 值 时 自 动三 哈 尔 滨 工 程 大 学 硕 士 学 僚 论 文摩擦 式 提升 机滑 绳 问 题 就 其 性 质 而 言 分 为 安 全 滑 绳 与继 发裥滑 绳 两种。安 全 滑 绳 是 其 滑 绳 量 是 收 敛的， 而 继 发滑 绳 是 其 滑 绳 量 是 发散 的， 对 于 哈 尔 滨 工 程 大 学 硕 士 学 僚 论 文 哈 尔 滨 工 程 大 学 硕 士 学 位 论 文 哈 尔 滨 程 大 学 硕 士 学 位 论 文 在生产 中 ， 故 障和事 故 是 谁 都不 愿 意 碰 到的 事 ， 但事 实 却 往往不 以人 们的 意 愿 而 转移 。 矿 井 提 升机是 非 常 重 要的 ， 一 旦 提 升机系 统 出 现了 故 障， 后果 将 十分 的 严重 ， 轻 则影响 生产 ， 重 则造 成国 家财 产 的 严重 损 失 ， 甚 至导致人 身 伤 亡 的 重 大 事 故 。 因此关 于 矿 井 提 升机系 统 的 故 障诊 断的 研究 是 十分 必要的 。矿 井 提 升机故 障诊 断系 统 的 总 体构 架衅 莶 杉衅 莶 杉 哈 尔 滨 工 程 大 学 硕 士 学 位 论 文在 用 户交互 界面中 ， 当 前台 操作程 序接 收 到 下 位 机 通 过 因 特网 传 来 的数据后， 便 将 此 实时 数据交给 后台 数据处 理 系统， 通 过 故 障 诊断算 法 对当 前数据进行 诊断， 并将 结 果 传 给前台 界面待用 。用 户通 过 对“对话 框 的操作，选择 对某 个模 块 的实时 诊断。另 一 方面， 故 障 诊断系统将 按 照用 户的要 求，将 接 收 的实时 数据和 诊断结 果 一 并显示 出 来 。 故 障 诊断方案 的确 定控 制 算 法 可 以 有效 地 解 决一 些由于设 备系统知 识 的模 糊 性所引起 的不 确 定 性问 题 ， 但 因 其 设 计 思想 与 专 家 系统类似， 因 此 具有与 专 家 系统类似的缺 点 ；小波 分 析 具有较 好 的时 频局部化 性质， 但 它 是 一 种 基于频率 分 解 的信息处 理算 法 ， 可 以 用 于对设 备某 些振动故 障 的诊 断， 丽对于菲振动故 障 诊断显得 有些吃力 ， 缺乏 故 障 诊断的通 用 性； 遗传 算 法是一 种 信息与 结 构的优 化 算 法，一 般 不 单 独 用 于设 备的故 障 诊断， 而 是 与 神经 网 络 结 合 以 优 化 网 络 结 构。神经 网 络 方法 基于人 脑的组 织 模 式， 将 众 多结 构和 功 能 极其 简单 的神经元通 过 各种 方式连 接 成一 个复 杂的网 络 结 构， 以 实现 复 杂的智能 行 为。神经网 络 具有很强 的自 学 习 能 力 ， 能 够 自 动地 从 训 练样本中 学 习 领域知 识 ， 其 智能活动表 现 为一 种 并行 的联 想 方式。 比 较 慢， 对于一 些复 杂的实际应 用 问 题 ， 算 法 也 存在 收 敛 速 度较 慢， 容易 哈 尔 滨 工 程 大 学 硕 七 学 位 论 文度 快 ， 内 存 消 耗低， 可用 于实 时监 测 和 诊 断 ， 完全符合我 们 的故障诊 断 系 统 苟 吹腂 具 有 强大 哈 尔 滨 下 程 大 学 硕十 学 僚 论 文 与 的混 合 编 程 的实 现程 间 的通 信 机 制 进行 交互 。 譵 譭 琫 木 印 ， 幸 琲 这 个函 数 的作 用 是创 建字 符 缓冲区 以获 取 文本输 出 。 贐 中 使 用 两个目录 路径包 含 了 可供 外 部调 用 的 蚅 文件 。 通 过 上 述 方 法 来 实 现 下 应 用 程序 对 的 调 用 ， 可 以 充分 利用 强大 的 科 学 计 算功 能 和 丰 富的 工具箱 ， 而且具有 方 便高效 的 优 收 险锒 舷 低 尘哂 醒 暗 墓 堋 收 险锒 舷 低 巢 捎 肦 神 经 网络作 为主要 的 诊 断 算法 ， 这 一 算法 的 特 点 是 通 过 用 各 类 的 例 子 来 训练 网络， 产 生网络的 内 部表示 ， 并 用 来 识 别其 他 输 入 例 子 。 它 的 学 习 主要 表现 在 调 整网络的联接 权值上 。 因此 ， 我 们的 故障 诊 断 系 统 可 以 不断 的 从新 的 知识 领域 中 学 习获 取 新 的 诊 断 知识 ， 通 过 学 习 不断 地 提 高诊 断 系 统 的 性 能 。 闸 瓦磨偏 本 章 小 结师 型 的 学 习 算 法 ， 具 有 很 好 的 推 广 能 力，用于故 障 模 式识 别的 效 果 比 较好 。 哈 尔 滨 工 程 大 学 硕 士 学 位 论 文输入 层的 神 经 元 数可 以 根据 需要 求解 的 问题和 数据 的 表示方 式确 定。 如果 输 入 的 是 模 拟 信号 波形， 那输 入 层 可 以 根据 波形的 采 样 点数目 确 定输 入 单元 的 维 数， 也 可 以 用 一 个 单 元 输 入 ， 这时 输 入 样 本 为 采 样 的 时 间 序 列 ； 如果输入 为 图 像 ， 则 输入 单 元 可以 为 图 像 的 象 素 ， 也 可以 是 经 过处 理的 图 像 特 征 。隐层 的 神 经 元 数目 的 选 择是 一 个 十分 复 杂的 问 题， 往 往 需要 根据 设 计 者的 经 验和 多次 实 验来 确 定。 因 而 不存 在 一 个 理 想 的 解 析 式来 表示。 隐层 神 经元 的 数目 与问题的 要 求， 输入 腧 出 层神 经 元 的 数目 都有 着直 接 的 关 系 。 隐层神 经 元 数目 太 多会 导致 学 习 时 间 过长 ， 误差不一 定最 佳 ， 也 会 导致 容 错 性差，不能 识别 以 前 没 有 看到的 样 本 。输出 层的 维 数可 以 根据 使用 者 的 要 求确 定。出 ， 故输 出 层的 神 经 元 的 个 数为 挥 靡貉拐 镜 种主 要 参数作 为 特 征 量 ， 一 训 练的 数据样 本 。 !U帧 !瘛 !J怼!觥 !觥 !觥 觥 觥 瘛 !觥 !狪 哈 尔 滨 丁 程 大 学 硕 十 学 位 论 文 图 基 于 神经 网 络模式 识 别功 能 的诊断 系统 结构得 到期 望的诊断 网 络；其次 ， 根 据 当 前诊断 输 入对 系统 进 行 诊断 ， 诊断 的过程 即 为利 用 神经 网 络进 行 前向计 算 的过程 。在学 习和 诊断 之 前， 通 常 需 要对诊断 原 始 数 据 和训练样 本数 据 进 行 适 当 的处理 ， 包括 预 处理 和特 征选择 提 取等 ， 目 的是为诊断 网 络提 供 合适 的诊断 输 入和训练样 本。此 外 ， 尽 管神经 网络和 传 统 的故 障 诊断 是两 种 不同 的诊断 方 法 ， 但两 者是紧 密 联 系在一 起的。如 采 用 小 波分 析等 数 据 处理 方 法 ， 可 以 为神经 网 络诊断 提 供 可 以 利 用 的特 征向量 。网 络进 行 故 障 诊断 的一 般步 骤和 注 意 事 项如 下 。 哈 尔 滨 工程 大 学 硕 七 学 位 论 文 ； ； ； 人机 交 互 界 面 的开 发 甊 神经网 络 的训练 譙 一 ； 定 义 在 中用到的指 针 变量 ；组 变量 簟 木 ， ； 进 行 变量拷 贝 拿 拳 ， ； ， “ ， ； 皀 ， ， 弧 ； 哈 尔 滨 工 程 大 学 硕 七 学 位 论 文 ；故 障诊 断 结 果 初 步 判 断 设备状态束 ， 将 测 试 结 果 回传 给 ， 后 者 将 测 试 结 果 以 编 码 的形 式 显 选择 是 否 查 看建 议 。 序号 故障 哈 尔 滨 工 程 大 学