基于人工免疫算法的电机故障诊断系统研究.doc

武汉理工大学硕士学位论文基于人工免疫算法的电机故障诊断系统研究姓名：贾超申请学位级别：硕士专业：控制科学与工程指导教师：胡荣强20100501 琾 研 究生签名：李船日期：么 型生血本 人完 全 了 解 武 汉理 工 大 学 有 关 保 留 、使用 学 位 论 文 的 规定， 即学 校 有 权保 留 并 向 国 家 有 关 部 门 或 机 构送 交 论 文 的 复 印件 和电子版 ，允许 论 文 被查阅 和借 阅 。本 人授 权武 汉理 工 大 学 可 以将本 学 位 论 文 的全 部 内 容 编入有 关 数 据库 进行 检索 ， 可 以采用 影 印、缩 印或 其他复 制手 段保 存 或 汇 编本 学 位 论 文 。同时 授 权经 武 汉理 工 大 学 认 可 的 国 家 有关 机 构或 论 文 数 据库 使用 或 收 录 本 学 位 论 文 ， 并 向 社 会 公 众提供信 息服 务 。 研究 的背景与 意 义 人工 免 疫 系 统 及其 在故 障 诊 断 中 的应 用 本文 的主 要 工作 及章节 安排 断 系 统 的发 展 趋 势进 行 了展 望。 电机 分 类 的 方法很 多 ，依 照不 同 的 分 类 方法，可以把电机 分 成 各 种 类 型 。以电机 的工 作 方式 分 ，可以分 为发 电机 、 电动机 、 转 换 机 、 调 相 机 ； 以电源 种 类 来 分 类 ，可分 为直流 电机 、 交 流 电机 。交 流 电机 又 可分 为同 步 电机 和异 步 电机 ； 按励磁 方式 来 分 类 ，可分 为自 励、 并励、 他 励、 复 励 。不 同 种 类 的 电动机 ，是由 建 立 磁 场 方式 不 同 而区分 的 ：异 步 电机 是一种 交 流 电机 ，也叫感应电机 ，主 要 作 电动机 使 用。异 步 电机 在 运 行 时 ，由 外 部 三 相 电源 向 其供 电，而当 三 相 对 称 的 定子 绕 组 中 流 过 三 相 对 称 的 交 流 电流 时 ，会产 生一个 旋 转 磁 场 ，该 磁 场 与 电网 频 率 同 步 。这 个 旋 转 磁 场 在 异 步 电机 短 路的 转 子 绕 组中 感应电动势 并产 生电流 ，该 电流 与 旋 转 磁 场 相 互 作 用产 生电磁 转 矩 ，输 出机 械 功 率 。而由 于异 步 电机 的 转 子 导 体 和磁 场 之间 必 须 存在 相 对 运 动，才 能产 生感应电动势 和电流 ，进 而产 生电磁 转 矩 ，所以异 步 电机 的 转 子 转 速 不 可能达到与 定子 磁 场 的 转 速 相 等 ，异 步 电机 因 此 而得 名。 转 子 铁 心是电 机 磁路的 一部 分 ， 般 也由 硅钢 片 冲 制 后 叠 压而 成 。转 轴 起支 撑 转 子铁 心和 输出 机 械 转 矩 的 作 用，转 子 绕 组 的 作 用是产 生感 应 电 动势、 流过 电 流和 产 生电 磁转 矩 。其结 构 形式 有两 种： 笼 型 和 绕 线 式 。原因 产 生的 故 障 缱 W硬 黄胶猓 沧安 欢 又 小 恫 痪 鹊 鹊 ，都 是以 轴 承 振 动大的 形式 反 映出 ，因 而 轴 承 往 往 是电 动机 诊 断的 一个重 要部 件 。电 机 中的 轴 承 有两种型 式 ：滚 动轴 承 和 滑 动轴 承 。大型 异步 电 动机 由 于 转 子 重 量较 大，一 般 采用滑 动轴 承 ，因 为这种结 构 形式 的 轴 承 的 承 载 重 量大。中、 小 型 异步 电 动机 轴 承 结 构 一般 采用滚 动轴 承 。本文 中主 要讨论滚 动轴 承 故 障。滚 动轴 承 通 常 由 内 、外轴 承 圈 、滚 珠 和 保持 器 等部 件 组 成 。当 异步 电 机 定 子 绕 组 接 到 三 相电 源 上时 ，定 予 绕 组 中将 流过 三 相对 称 电 流，气隙 中 骸# 一 图 异 步 电机的 机械特 性空 气气隙 应 尽 可 能 小， 空 气隙 大了会增加 空 载 电流， 降低 功 率 因素。 电 机 在 运 行 时 ，向 周围 空 间 发 散 热 量 和噪声 ，环 境 温度 、 湿 度 、 海 拔 高度 以及 电 机 负 载 机 械 振 动电 网 电 压 缓 慢 波动操 作 过 电 压高 次 谐 波不 对 中高 湿 度 失 效 时 发 生 ，其主 要 特征 是 电 磁 噪 声 增 加 ，特别是 在 起 动 过 程 时 的 电 磁 噪 声 ，振 动 大是铁 心 松动 的 另 一 个 特征 ，铁 心 松动 故 障 不 但使 电 机 的 噪 声 使 人 难 以 忍 受 ，长期 存 在 将 导致 绕 组 绝 缘因 振 动 而大大缩 短 寿 命 。 转 子 本 体 的 故 障 轴承 故 障 用于 电机诊 断 的 方 法 有 ： 图 用数据 采 集器 和 计算机 实 现的 电机 振 动 诊 断 系统 土图 绝 缘诊 断 的 程序图 定 子 电流 诊 断 系 统 原理 图 铁 谱 分 析技 术是利 用高梯 度 磁 场， 将 油 内的 摩 屑 与油 液 及 杂质 分 离 ， 并使 其按 照一铁 谱 技 术测 定 结果 可 以 得到 以 下 结论： 的 检 测 ， 绝 缘 材 料 温 度 检 测 等 。因 为 声 发射 的 信 号 比较 微 弱， 必须 通过 灵敏的 检 测 仪表才 能 检 测 出 来 。声 发射 测 量发射 现 象检 测 原 理 图 。 武 汉 理 大学 硕 士 学 位 论文密诊 断 的 内 容 。 可以用 传 感 器采 集 电 机 运 行 时的 各 种 状 态 信 息 ， 并 用 各 种 分 析 仪器对 这些 信 息 进 行 数 据 分 析 和 信 号处 理 ， 从 这 些 状 态 信 息 中 分 离 出与故 障 直 接 有 关的 信 息 来 ，以确定 故 障 的 状 态 和 部 位 。 武 汉 理 大学 硕 士 学 位 论文设备 早 期 “健 康”检 查进行 精密 诊断图 武 汉 理 一 大 学硕 七 学位 论 文免疫 学基 础 体 就会 结 合 这些 抗 原 ， 然后依靠自 己 或 借 助 免疫 系 统 其 他元素 清 除 这些 抗 原 ， 消除 对人体 的伤 害 。上匆 抗 原 ； 前 向 比 率常数 亓 ； 武 汉 理 丁 大学 硕 十 学 位 论文 免 瘦 系 统 的 主 要 机 制主 要 有以下 几种 ：免疫疾病 。 武 汉 理 一 大学 硕 士 学 位 论文 赴 蚑 细胞 的 克 隆 扩 增 能 力 ，产生 足 够 多 的 抗 体 。 免 疫 系 统 通过 学 习和识别 保 持对抗 原 的 记 忆 性。克 隆选 择 算 法 是一种 基 于 克 隆选 择 理 论设计的 免疫算 法 。 该 算 法 常 用于 优 化、 分 类、特征值选 择 、 调度 、 关 联 规 则等 工 程问 题 。 利用克 隆选 择 算 法 快 速 收 敛 于 全 局优 的特性，可以实 现 加 快 搜 索到最优 特征子 集速 度 。 同 基 于 遗传 算 法 的 特征选 择 结 果相比 较 ，在 有限 代 数内 ，该 算 法 可以收 敛 到更 优 的特征子 集。 珿 ， 珺， 厂 ， 琈 ， 剩 为 了 叙述算法 方便 ， 定 义 曰 为 输 入抗 原 ；彳 为 包含 有 个 网络单 元 固 的集 合 ； 乖 淙 耄菏 淙 氪 馕 侍 饪 乖 话 憬 勘旰 透 髦 衷 际 魑 K惴 目 乖 瑽 。 且 湎赴 只 焊 录 且 涞 Q駀 与 抗 原 的亲合 性 高 的抗 体 加 入到 记 忆 单元中。 由于记 忆 单 元数 目 有 限， 清 除 那 些与 抗 原 亲合 力 低 于 记 忆 较 大密 度 的记 忆 单元 固 宓 淖 匀 凰 劳 。要 对 抗 体 进行 编 码 ， 并 且 遵循 完 备性 、健 全 性 和非冗 余 性 要 求 。 武 汉 理 工 人学 硕 士 学 位论文该 一 般 免 疫 算 法仅 体 现免 疫 网 络 理 论； 若 通 过变 异 和交叉 新的 抗 体 ， 则是 进 化 算 法的 改力测 量 的 递增 函 数。成 熟的 抗 体 群 体 产 生 。 ， 确 定 亲 合 力 武 汉 理 工 人学 硕 士 学 位 论文 与 亲 合力 成比 例 ， 克 隆 选 择 是 生物 免疫 系 统获 得 多 样 性的 主要 机 制 之 一 ， 即 有 选 择 地 产生能够有 效 评价 桓龀跏糂 细 胞集 合 抗原 提星 运 衋 痓 扑 愠 煌指 救 纭 口， 亲 合力 成熟 痓厂 嘲 翩 册 冢 厶 咖 冢 ， 其 中 ， 煌殖 銎 觯築 阴性 选 择算法 的组 成 包 括 数 据 空间 表 示、 检 测 器表 示、 规则匹 配、 检 测 器产 生 清 除机 制 。数 据 表 示是 多数 此 类 模型和 算法 之 间 的基 本区别 ， 它 决定 和 限 制 可 能 的匹 配规则、检 测 器的产 生机 制 以 及检 测 过 程 。匹 配规则对 阵一 个 数 据 如 何 被认为发生匹 配或 者被检测 器识别 的问 题 给 出 定 义 ， 反 过 来 使 用 是 何 种 匹 配规则又 依 靠 数 据 项 和 检 测 器的表 示法 。阴性 选 择 算法 的关 键是 要 能 产 生足 够的覆盖非 己空间 的检 测 器。免疫 系 统 只 利 用 和病 原 体种 类 相 比很少的免 疫 细 胞 就 可 以 达到 目的， 这正 式 该 类 方 法 说 期 望 达到 的。基 本阴性 选 择 算法 实际 上可 分 为三 个 阶 段 ：定 义 自 己、 产 生检 测 器、 检 测 异常 的发生。但 一 般 将定 义 自 己与产 生检 测 器阶 段 看作 一 个 阶 段 ， 因 此 大 致 分 为两 个 阶 段 ：产 生阶 段 和 检 测 阶 段 。在 产 生阶 段 ， 给 定 一 个 称 为自 己集合 囊 阎 D 郊 希 馐 詒 细 胞受 体识别 和 结 合 自 己模式 的能 力 。如 果丁 细 胞 受 体识别 来 自 自 己集合 的字 符 串 ， 则忽 略它 ； 否 则， 作 为一 个 竞 争 细 胞 进入 检 测 器集合 。检 测 器可 用 于 检 测 系 统 的异常 变化 。设 W约 杭 希 珽为亲合 力 阈 值 ， 为检 测 器总数 ， 为字 符 串 长 度， ， 为检 测器集合 为保 护 数 据 集合 ， 则基 本阴性 选 择 算法 可 描 述 为： 武 汉 理 一 【 人 学硕 十 学位 论 文给 定 阈 值 ， 则认为该 字 符 串 识别 一 个 自 己模式 ， 必 须 被清 除跣 匝； 否 则， 字 符 对 每 个 脑K兀 琣 ， 决定 亲合 力图 阴性 选 择 算法 该 算法 的关 键是 决定 两 个 模式 之 间 的相 似 性 的匹 配规则的选 择 ， 可 以 在 自 己 非 己如 果阈 值 太 小 ， 不 太 可 能 产 生合 理 的检 测 器集合 ， 因 此 需 要 调 节 阈 值 ， 提高检 测 器可 靠通 常 需 要 处理 的数 据 包 括 数 据 型数 据 、 类 别 数 据 、 布 尔 数 据 、 文本数 据 等， 可 以 用字 符 串 和 实数 值 向 量形式 来 表 示。 球 痰 防 糩 蘯 猯 尘 耄 ： 瑂 ， 随 机 实数 值 阴性 选 择 算法 伪代 码 狪 工 一 锄， 改 进覆盖非 己空间 优 化 检 测 器算法 簕 本章 小 结 基于 人 工 免疫算 法的 故 障诊 断方 法描 述随 着人 工 免疫系 统 研究 的 深 入 ， 其 在 不同领域 的 应用 日 益 广 泛 ， 其 中 众多的 人 工 免疫系 统 开 发 和 与 应用 都 是 试 图实 现免疫系 统 对病 毒等 病 原 体的 识 别 和 抵御 ， 在 各 类 人 类甚 至 自然系 统 中 实 现对异 常 现象的 自动 发 现、及时 处 理 。 典型 的 有 计算 机安 全 、设 备 的故 障诊 断等 。免疫系 统 的 能 力 之 一 是 区分自己 和 非己 物 质 。 免疫系 统 的 这个核 心 机制 在 人 工 免疫系 统 中 经 常 用 于 异 常 检 测。 这里异 常 检 测是 一 个广 义 的 概念 ， 泛 指对偏 离 各 类 不同系 统所定 义 的 正常 状 态的 现象和 行 为 的 检 测、发 现和 处 理 ， 包括故 障与 错误检 测、故 障耐 受 、故 障诊 断、异 常 变 化 检 测等 。 图 给 出 了基于 人 工 免疫系 统 的 异 常 检 测方 法 实 现的 基本 思路。人 工 免疫系 统 异 常 检 测实 现思路 故 障 诊断 过程 在 免 疫 学 中 的 目的 是识 别问 题空 间中 的 一个元 素 为自 己或 非 己。 问 题覆 盖 效 果 越好 克 隆优化方 法 的原 理 图如 图 所示 ： 跏 蓟 固寮 圪 打 渲邪 且 湎 赴 蛹 兰 跴集合中 个 体的亲 合力。 谰 菁 螩 ， 产 生 一 个 变 异的抗体集 ， 每 个 抗体的变 异几 率 与 它 的亲 合 武 汉 理 火 学 硕十 学 位 论 文的抗体 集 中 元 素相 似。通过 这 样 一 个 多 样 化 的抗体 集 ， 克 隆 优化 方 法 能 避 免 落 入局 部 极小值 。与 传 统 的遗 传 算 法 相 比 ， 遗 传 算 法 通常 是 用 整 代 染 色 体 来 达到 最 佳 选 择 ， 而 克 隆优化 方 法 能 有效 地 处理 多 面性优化 任务 。因此 ， 我 们接 下来 使用 这 种 克 隆 优化 方 法 来 优化 阴 性选 择 算 法 检 测器 。基于 克 隆 优化 阴 性选 择 算 法 的电 机故障诊 断原 理 图如 图所 示 。它 主 要 包含 二个 阶 段： 检 测器 优化 阶 段和 故障诊 断阶 段。在检 测器 优化 优化 阶 段， 首 先 采集 正常 和 故障电 机的特征 信 号 ， 然后 将这 些信 号 输 入到 信 号 预处理 单元 ， 以 检 测器 输 入的形 式表 示 。依据阴 性选 择 算 法 和 正常 电 机的特征 信 号 ， 就 可 以 产 生 一 批 合 适的候 选 检 测器 。然后 ，我 们使用 克 隆 优化 方 法 对候 选 检 测器 进行 优化 ， 只有那 些具 有最 佳 故障诊 断率 的检 测器才 被 选 择 ， 这 里， 一 个 检 测器 被 视 为一 个 抗体 ， 而 每 个 检 测器 的故障诊 断率 是 它 的优化匹 配度辞 缀隙 故障诊 断率 是 用 正常 和 故障电 机的特征 信 号 来 计算 的。比 如 说 ： 在 、故 障 诊断 阶 段图 基 于 克隆优化的阴性 选择算法 电机故 障诊断 原理 图 本章 小 结 山工 盘玎 甲奢 宽 蓿 痉 轔 讯 舯， 武 汉 理 工 大学 硕 士 学 位 论文 。 。！唬籰壁。鏘 ： 武 汉 理 工 人学 硕 士 学 位 论文眇一 等 皂。 选 择了内 滚道 故 障和 外滚道 故 障。 也 就 是指 ， 克 隆 优 化程 序 对这 两 种 故 障的 诊断 结 果。图 优 化后的 双 故 障检 测器集 武 汉 理 工 大学 硕 士 学 位 论文 地 解决多 故障 诊 断的 问 题， 而且 可 以 实 现不 同 故障 诊 断率 之 间的 优化 平衡。 本章 小 结在本章 ， 我们首 先 采 集了 正常 电 机 、 内滚道 畸 变电 机 、 外 滚道 畸 变电 机 和 滚珠 畸 变电 机 的 轴 承 振动信 号 。 基于 这些 特征信 号 和 基本 嘶 綨 检 测 器集， 并用该检 测器集对 随 后输 入的 电 机 轴 承 特征信 号 进行故障 诊 断仿 真 实 验 。 然后， 对 基本 觳馄鹘 种 不 同 的 克 隆 优化 ， 产 生 鲇 呕 觳馄骷 谜 个 优化 检 测 器集对 电 机 轴 承 单 故障 、 双 故障 和 三故障 诊 断进 行 仿 真 实 验 。 仿 真 结 果表 明 ， 无 论是 单 故障 、 双 故障 还 是 三故障 情 况 下 ，