（电机与电器专业论文）机载音频控制盒acp2788故障诊断系统的研究与设计.pdf

西北工业大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc i v i la i r e m ri n d u s t r yi no u rc o u n t r y , a n d t h ee l e c t r o n i ce q u i p m e n t sw h i c ho n - b o a r da r em o r ea n dm o r ec o m p l e x , t h ew o r k l o a d o ft h em a i n t e n a n c es o l v i c e sb e 沁o m e sm o r ea n dm o r eh e a v y ；t h e r e f o r et h et r a d i t i o n a l m a n u a lw a yt od i a g n o s et h eb r e a k d o w no nt h ea i r c r a f th a ss e r v e dt h ep u r p o s ew i t h d i f f i c u l t y u s i n go ft h ea d v a n c ea u t o m a t i ct e s ts y s t e mo fa o r of a c i l i t i e sb a s e do n c o m p u t e ra n da r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e t h es y s t e mo fa e l oe l e c t r o n i cf a c i l i t i e s 啪b e t e s t e da n dd i a g n o s e di ti sa ni m p o r t a n tm e a l 鹤t or e c o v e rf l e e t l ya n dk e e pt h e r e l i a b i f i t ya n ds e c u r i t yo f t h es y s t e mf o ral o n gt i m e o nt h eb a s eo f t h ef a u l td i a g n o s i ss y s t e mo fa u d i oc o n t r o lp a n e l2 7 8 8w h i c hi s t h em o s ti m p o r t a n tc o m p o n e n t so ft h ea u d i oc o n l x o ls y s t e m b e c a u s et h e r ei sm u c h l e s sr e f e r e n c ea b o u tt h ea u d i oc o n t r o lp a n e l ，瞰t h es a m et i m e ，w i t hl i m i t e df a u l t d i a g n o s i se x p e r i e n c e , h o wt of u l l yu t i l i z ec u r r e n tf a u l tk n o w l e d g et ol o c a t et h ef a u l t a c c u r a t e ，h a sb e c o m eak e yf a c t o ri nt h i sp a p e rf o rs t u d y a tf i r s t , t h i sp a p e ri n 仰o d u c e st h ef i m c t i o n , c h a r a c t e r i s t i c s , g e n e r a lo p e r a t i o n , o p e r a t i n gp r i n c i p l e ，i n s i d ec i r c u i t s ，s o r w a r ed e s o r i p t i o na n ds oo n i nt h ec o n d i t i o no f t h ea n a l y z i n ga n dc o n c l u d i n gt h ep r o d u c t i o ni n l a n da n do u t , i ti sp u tf o r w a r dt h a tt h e w h o l es o l v i n gp r o j e c to ft h es y n t h e t i c a l l yf a u l td i a g n o s i sa u d i oc o n t r o lp a n e l2 7 8 8 a n a l y z i n gt h ec h a r a c t e r i s t i co fa i r b o r n ee l e c t r o n i c sb r e a k d o w n , t h ee x p e r ts y s t e mi sa s y s t e mw h i c hs i m u l a t e st h ee x p e r t s m e n t a l i t ya n dw o r kf l o wt oc a r r yo nt h e b r e a k d o w nd i a g n o s i s ，a n du n i f i e st h ee x p e r i e n c ek n o w l e d g eo ft h ef f x p a t sw i t ht h e t h e o r yk n o w l e d g ei nt e c h n i c a lm a n u a l t h ei n f e r e n c ef r o mr u i e - b a s e dr e a s o n i n g 诵t l l t h ei n f e r e n c ef r o mt h ed i a g n o s i st r e e w ea n a l y z e dt h ek n o w l e d g ec h a r a c t e r i s t i co ft h i se x p e r ts y s t e m ，c h o s et h e s u i t a b l e k n o w l e d g ee x p r e s s i o nm e t h o d ，a n dt h e ne s t a b l i s h e dt h i se x p e r ts y s t e m k n o w l e d g el i b r a r y o nt h eb a s i so ft h i sw ee l a b o r a t e dt h ei n f e r e n c ep r i n c i p l ea n dt h e m e t h o do ft h i se x p e r ts y s t e mi nd e t a i l ，a n db r o u g h tf o r w a r da d o p ta na r i t h m e t i co f i i 西北工业大学硕士学位论文 英文摘要 f o r w a r dr e a s o n i n gt or e a s o na n dt w i c es e a r c hm e a n st oa d v a n c et h er a t eo ft h e s y s t e m a tt h es a m et i m ec o n d u c t e dt h er e s e a r c ha n dd i s c u s s i o n o nt h es e l f - p e r f e c t i o n a n dt h es e l f - r e n e w a lw a y ，n a m e l ys t u d ym e c h a n i s mi nt h i se x p e r ts y s t e m a l lo f w o r k w i l lh e l pt or e s e a r c ht h o r o u g h f i n a l l y t h et h e s i sw o r ki sc o n c l u d e da n ds o m es u g g e s t i o n sa r ea d v i s e df o rf u t u r e s t u d y k e y w o r d s ：f a u l td i a g n o s i s ，a c p 2 7 8 8 ，f a u l t t r e ea n a l y s i s , e x p e r ts y s t e m 1 1 1 疆悲王监大学 学位论文知识产权声明档 本天完奎了瓣掌校存关谦护知涎产较豹溅定，邵：磷炎生在校攻凌学位期阉论文王律 的知识产权单位属于西北工业火学。学校有权保留并向圜象有关部门或机构送交论文的复 印 = i l ：和电子舨。本人允许论文被查阅和借阉。学校可以将本学位论文的垒酃或部分内容编 入有关数据露避行检索，可戳采用影印、缩印袋扫描等复测手段保存和汇编率学霞论文。 同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章律注明作者单位为西北工北 大学。 保密论文待释密后逶掰率声稿。 学位论文作者签名：毖 毋弓劈；妇 指导教师豁名： 西北王照大学 学位论文原创性声明 秉菇；：学校严谨的学风尊【1 优良的科学道德，本人郑童声明：所导交的学位论文，是本 a 在罨鄹的籀导下述褥疆究：1 俸所致褥豹成采。尽我掰知，除文中已经囊：蹋 l 翊韵蠢容 年| l 致谢的地方外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表域撰写过的研究成 粜，不包含本a 域其他融申请学使或其他用途使用过的成粱。对本文的铆 究做出重襄嚣 献静令人和巢体，筠已在文中戳鹱确方式表明。 本人学位论文1 j 资荆若：仃不实，愿意承担一切相关的法律责任。 学位论文作者签名：2 茎盘 2 科：0 年弓跨l 目 r 、夕 年 1，f r 参p 2 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 论文背景介绍 第一章绪论 近年来，随着科学技术的飞速发展，航空技术水平相应地得到提高，民用飞 机在速度、高度及航程提高的同时，飞机内部以及飞机与地面之间的通讯要求也 在不断提高和完善，音频控制系统在飞机中的显得越来越重要，飞机上的音频控 制系统的可靠性、有效性、响应速度等都直接影响到飞机的性能和飞行安全因 此，对民用飞机音频控制系统的核心控制部件机载音频控制盒a c p 2 7 8 8 ( a u d i oc o n u o lp a n e l2 7 8 8 ) 的定期检测维护是保证其可靠工作的最有效措施； 只有定期对其进行检测维护，才能做到故障的及时发现和排除，从而保证音频控 制系统的正常工作和飞机通信系统的可靠运行。目前，国内外投入使用的大部分 民用飞机，如大型的先进民用飞机空中客车、波音客机等均已配备了机载音频控 制系统。因此机载音频控制盒a c p 2 7 8 8 的拥有量是比较大的，如果采用常规的检 测维护手段就是将a c p 2 7 8 8 内部的各元器件全部拆卸下来分别进行检测，不 但工作量大、任务繁重，而且维护质量也难以保证；如果能够采用一种新的故障 检测和诊断的方式对机载音频控制盒a c p 2 7 8 8 从整体上进行定期的检测维护，不 但检测维护工作将会变的方便、快捷，而且对于缩短维修周期，减少维修费用， 降低对维修人员经验的依赖程度，提高系统故障诊断的效率等都具有非常重要的 意义。 机载音频控制盒a c p 2 7 8 8 在飞机上主要实现的功能是用来选择接收哪一路 音频信号和调节机组所接收的音频信号的音量；同时，他还用于完成飞机内部、 飞机与地面之间传输的各种呼叫的显示功能。在民用飞机的音频系统中，起着至 关重要的核心控制作用。目前，随着民航飞机的逐年增多和航空电子系统的进一 步发展，机载音频控制盒a c p 2 7 8 8 的普及率和拥有量将会进一步扩大，因此，常 规的“分拆式”故障诊断的方式势必将被一种新的以计算机为核心的，先进的“整 体式”故障诊断方式所代替，实现机载音频控制盒a c p 2 7 8 8 内部的电路板和电子 器件的自动化检测和故障诊断。 根据中国民航适航管理规定，我国民用航空器或航空器部件的维修工作 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 分类为：校验，改装，修理，翻修，航线维修和定期检修。通常前四类通称为内 场级维修，而航线维修( 包括航前航后和短停) 及部分可在停机坪进行的定期检 修，通称为外场级维修。本论文中所描述的a c p 2 7 8 8 故障测试系统，主要应用于 内场级维修。 外场维修又叫做低级维修，在这一级的故障诊断过程中，对于航行或维护中 发现的故障，一般只能定位到外场可更换单元( u 阿) 级( 系统线路故障除外) ，认 定为有故障的部件由外场进行暂时隔离或更换，有条件时，这些部件都要送到内 场，由内场来做进一步的校验和诊断。内场将故障定位到内场可更换单元，再进 行修理或处理，对处理后的部件进行规定的测试，测试合格方可重新投入使用。 定期检修( 也称高级维修) 是在隔一段规定的时间之后，对飞机各系统进行必 要的检查和测试，以发现和排除存在的故障和缺陷，使飞机恢复其原有的可靠性 来完成另一个周期的飞行任务。 通俗的讲，飞机的维修体制是这样运作的：飞机每隔一段时间就进行定期检 修，此次定检后到下次定检前为一个飞行周期，这段时间内，飞机被认为己恢复 了原有的可靠性，不会发生大的故障。而飞机在飞行周期内执行飞行任务的始终 ( 航前、航后和短停) ，还要进行航线维修，以随时对飞机进行维护并及时隔离或 排除飞行中出现的随机故障。这样就在技术上最大限度的保证了飞行安全。 对于在地面进行机载电子设备a c p 2 7 8 8 的整体检测来说，关键问题之一是故 障信息如何获取。要获取机载音频控制盒a c p 2 7 8 8 故障信息( 如：前面板故障、 灯面板故障、后面板故障、上面板故障、底面板故障等) ，直接从其数据总线获 取测量参数，是一条最简捷且最有效的途径。a c p 2 7 8 8 的数据传输总线为目前航 空电子系统中应用最为成熟的串行传输数据总线a r j n c 4 2 9 总线。因此，该 检测系统必须能够通过a r i n c 4 2 9 总线向a c p 2 7 8 8 发送音频控制参数，同时也能 够反向接收a c p 2 7 8 8 发送出的音频控制参数。对于如何确保发送和接收的总线数 据的准确性；以及准确接收数据后，对于接收和发送参数的识别和解调，是该测 试系统在设计时需要重点关注的另一项关键问题，更是一项十分复杂和艰苦的工 作，需要在大量的搜集国外关于机载音频控制系统如何编码和解码的资料基础 上，进行仔细分析和比较，尽量去完成好的一项工作。此外，由于该故障测试系 统需要存储的数据信息和处理的参数较多，再加上信号的输入和显示功能，因此 2 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 需要借助计算机辅助( c a d ) 进行处理来完成，这时又涉及到该系统设计中需要 解决的另一项重点问题，就是如何与计算机进行通讯。我们初步考虑，将被测试 的a c p 2 7 8 8 通 r z 立a r i n c 4 2 9 总线数据通信系统中的p c i 总线和计算机连接起来，将 各种参数和数据送到计算机中记录并显示。最后，将分析的结果与事先通过 a c p 2 7 8 8 的c m m 手册( 器件维修手册) 和维修排故资料，建立起来的a c p 2 7 8 8 常见故障数据库中给定的正常值进行对照比较，从而检测出机载音频控制盒 a c p 2 7 8 8 的故障所在。 1 2 论文研究意义 目前在我国和世界范围内运营的民用飞机大部分产自西方发达国家，相应地 配套维护设备和故障诊断设备也由他们提供，机载音频控制盒a c p 2 7 8 8 的故障检 测设备也是如此。由发达国家提供的检测维护设备相对比较昂贵，一般也是某个 公司对于某一机型专门设计的，针对性较强，多为专机专用；而且国外的故障诊 断设备技术上不透明，所提供的技术资料非常有限，因而在国内使用时其检测可 靠性难以保证；此外，我国目前的民用飞机拥有量较大，对飞机音频控制系统的 检测维护，工作量大、任务繁重，对于发展中国家来说，如何降低飞机在故障检 测和维护方面的费用是具有现实经济意义的。因此，研制我国自行设计的机载音 频控制系统的故障诊断设备是解决该问题比较实际有效的办法。目前，我国进行 该测试设备研制的单位几乎没有，对该设备进行研究是十分有必要和有意义的。 该设备的研制成功不但将使机载音频控制设备的故障检测和维护变的更具有可 靠性和科学性，减少对外送修，大大降低我国民用飞机的故障诊断和维护的费用， 而且将打破发达国家对此项技术的长期垄断，在保证设备性能的前提下，如果价 格又相对西方国家较低，该设备必将受到发展中国家的青睐，而且也可能被一些 西方国家采用，具有广阔的市场前景。 从技术角度来说，预计该故障诊断系统能模拟飞机上的音频控制系统，再现 飞机上的音频控制系统在工作时的各种控制选择及其参数变化，对音频控制盒 a c p 2 7 8 8 的发射通道、接收通道、语音识别的滤波性能、呼叫功能、a r i n c 4 2 9 口的输入输出信号、所有指示灯是否正常指示等各项功能指标进行全面的故障 诊断和检测维护。要完成对这些功能的故障诊断和检测维护，必须彻底搞清楚 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 a c p 2 7 8 8 的内部结构及各电路模块的工作原理和设计初衷，以及数据总线上发送 和接收参数的代码的编码、解码的规律等。如能顺利完成这些工作，不但有利于 机载音频控制系统a c p 2 7 8 8 综合测试台的设计；而且也为我国研制自主知识产权 的机载音频控制系统搜集了资料、奠定了基础，具有较好的实用参考价值；同时 该测试系统的研究将会为其他机载电子设备在故障诊断和检测维护方面的研究 提供了一种可以借鉴的方法。 1 3 论文的主要工作 本论文研究的内容是对民用飞机音频控制系统中的核心控制部件机载 音频控制盒a c p 2 7 8 8 进行整体故障诊断和检测维护的测试系统，用于实现对 a c p 2 7 8 8 的故障诊断、检测、维护、调试和设备互联等工作。 音频控制盒a c p 2 7 8 8 前端面板( 如下图1 所示) 包含其全部的控制按钮和按 键，主要包括：七个矩形的“发射按键”t r a n s m i s s i o nk e y s ，用来选 择发射频道( 每次只能选择一个频道) ；十五个“接收按钮”吨e c e p l l o n k n o b s ，用来控制和调节接收组件；一个“内话无线电选择电门”i n t ，l l a d s w i t c h ，这个电门是一个按压通话电门，由弹簧固定在r a d i o ( 无线电) 位， 用于在使用吊杆话筒或氧气面罩时，进行功能转换；一个“语音过滤器” o n v o i c ek e y ，可以在a d f ( 自动定向仪) 和v d r ( 甚高频话音数据无线电) 图1 一la c p 2 7 8 8 前端控制面板 频道使用，并且当语音过滤器在使用中，绿色的“o n 灯亮，此时只能收听到语 音信号；一个“复位键”器e s e tk e y 用来取消所有的呼叫信号，当该键被 按压时，各类呼叫以及机务人员和乘务员的呼叫信号灯全灭；一个“旅客广播传 4 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 送按键”呻a s s e n g e ra d d r e s s ，用于向机内旅客广播通知和放送音乐， 在整个传送过程中该键需要按压并保持。a c p 2 7 8 8 的内部结构和电路模块比较复 杂，在此不在熬述，将在论文的后续章节中进行详细的分析和介绍 论文研究中拟采用a r i n c 4 2 9 总线及其控制电路作为与机载音频控制盒 a c p 2 7 8 8 进行通信的桥梁，完成信息的收发功能；并通过外部设备互连总线 ( p e r i p h e r a lc o m p o n e n ti n t e r c o n n e g t ，简称p c i ) f l p p c x 总线，和a r i n c a 2 9 总线相 连，实现计算机控制系统与被测试的机载音频控制盒a c p 2 7 8 8 之间的数据交换和 数据通信。 该测试台的系统总体原理框图如下图2 所示，硬件电路从大的方面来看，主 要包括被测试的机载音频控制盒a c p 2 7 8 8 、a r i n c 4 2 9 总线、a r i n c 4 2 9 总线接 口和控制电路、p c i 总线、p c i 总线接口电路、计算机。 图1 2 系统总体框图 该测试系统的性能指标根据机载音频控制盒配有零配件插图的元器件检测 维护手册( a u d i oc o n t r o lp a n e l ( a c p ) c o m p o n e n tm a i n t e n a n c e m a n u a lw i t hi l l u s t r a t e dp a r t sl i s t ) 确定。 具体指标如下： 1 、绝缘检测：所有绝缘检测应大于2 0m q 。 2 、电源消耗检测：电流消耗小于1 2 0 m a 。 3 、发射通道检测：发射通道包括：3 个甚高频发射通道v h f l 、v h f 2 、v h f 3 ： 2 个高频发射通道h f l 、h f 2 ；1 个内部通信系统发射通道i n t ；1 个驾驶室通信发 射通道c a b 和1 个乘客广播扩音器发射通道p a 。操作面板上的相应发送键及旋 钮，检测从a r i n c 4 2 9 口返回的数据是否符合c m m 手册3 ( c ) 的相应数据。 4 、接收通道检测：接收通道包括：3 个甚高频接收通道v h f l 、v h f 2 、v h f 3 ； 2 个高频接收通道h f i 、h f 2 ：1 个内部通信系统接收通道i n t ；1 个驾驶室通信接 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 收通道c a b ；1 个乘客广播扩音器接收通道p a ；2 个甚高频全向无线电信标接收 通道v o r i 、v o r 2 ；1 个仪表着陆系统接收通道i l s ( 霁j a c p 2 7 8 8 a b 0 5 来说，为 着陆系统通道l s ) ；2 个自动无线电测向仪接收通道a d f l 、a d f 2 ；1 个微波着 陆系统接收通道m l s ( ；! e a c p 2 7 8 8 a b 0 5 和a c p 2 7 8 8 a c * * 里没有该通道) ；1 个 无线电指点信标接收通道m k r 。操作面板上的接收键及旋钮，检测5 ia r 烈c 4 2 9 口返回的数据是否符合c m m 手册3 ( f ) 的相应数据。 5 、无线电通信系统内部通信系统选择键“r a d i n t ”按下讲话检测：操作 面板上的相应选择键，检测产品功能是否符合c m m 手册3 ( d ) 的相应要求。 6 、语音识别的滤波性能检测：操作面板上的相应键“v o i c e d e n t ” 检测产品功能是否符合c m m 手册3 ( e ) 的相应要求。 7 、“呼叫一重置”测试：分别按下前面板上的5 个呼叫键“c a l l ”，给产 品通过a r i n c 4 2 9 1 3 发送呼叫信息，检测产品相应的被呼叫灯是否闪亮。分别按 下呼叫键“c a l l ”后，通汹c 4 2 9 1 3 发送呼叫信息的同时按重置键“r e s e t ”， 检测产品是否可以取消相应的呼叫。 8 、用示波器观察a r i n c 4 2 9 e 的输出信号，其指标应符合c m m 手册3 ( k ) 的相应要求。检测a r 矾c 4 2 9 口的短路电流应小于3 0 m a 。 9 、发射操作的指示灯显示检测：做各种发射操作时，其相应的指示灯应 随之而亮。发送键的3 个绿灯亮时，5 v 电源总电流消耗为6 9 1 1 4 m a 。 1 0 、前面板灯测试：5 v d c 供电其电流消耗在0 8 8 1 3 2 a 之间。 11 、所有灯测试：在测试台上启动l i g h tt e s t 开关，所有面板灯应亮，电 流总消耗为a c p 2 7 8 8 a a 0 1 ：2 8 4 2 a ，其他：1 5 2 2 2 8 a 。 6 西北工业大学硕士学位论文第二章故障诊断与专家系统 第二章故障诊断与专家系统 设备故障诊断技术是上世纪6 0 年发展起来的一门新学科，它是适应各种工程 需要而形成的多学科交叉的综合学科。现代控制理论、信号处理、模式识别、最 优化方法、决策论、人工智能等学科领域的发展为故障诊断技术的发展提供了有 力的理论基础和广阔的发展空间。 2 1 故障诊断的基本理论与方法分类 2 1 1 故障诊断的基本原理 所谓故障诊断，是指鉴别系统和设备的工作状态是否正常，若系统不正常则 进一步确定故障的性质，发现故障的部位，寻找故障的起因，并提出排除故障的 相应策略。 故障诊断的基本思想可以这样描述：设被诊断对象全部可能发生的状态( 包 括正常和故障状态) 组成状态空间s ，它的可观测特征的取值范围的全体构成特 征空间y ，当系统处于某一状态s s 时，系统具有确定的特征y e y ，即存在映 射g ：s - - 9 y ；反之，一定的特征也对应确定的状态，即存在映射，：y 专s 。故 障诊断的目的即在于：根据可测特征量来判断系统所处的状态。若系统可能发生 的状态是有限的，例如可能发生订种故障，把系统正常情况下的状态记为s o ，不 同的故障状态记为毛，j ：，曲，；当系统处于状态j ，时，对应的可测特征向量为 巧= ( y 。y 。y 。) ，求出其对应系统状态的过程。因此，故障诊断实质是一类 模式识别问题，即根据诊断特征向量对系统的状态进行识别。由此可见，故障诊 断的过程包括两个必要的环节：一是从系统的特征空间中选择合适的特征信号作 为征兆用于诊断；二是寻找映射f ，即寻找合适的诊断方法对系统进行诊断，从 而确定系统当前的状态。 故障诊断的任务，由低级到高级，可分为四个主要方面的内容： ( 1 ) 故障建模：按照先验信息和输入输出关系，建立系统故障的数学模型， 7 西北工业大学硕士学位论文第二章故障诊断与专家系统 作为故障检测与诊断的依据。 ( 2 ) 故障检测：从可测或不可测的估计变量中检测故障。 ( 3 ) 故障分离与估计：如果系统发生故障，给出故障的原因，故障源的位 置，确定故障的程度，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 的影响和发展趋势，针对不同的工况采取不同的措施。 实际系统可能发生的故障是多种多样的，从故障发生的部位，可分为仪表故 障、传感器故障、执行器故障和元部件故障；根据故障的性质可分为突发性故障 和渐进性故障；从建模角度出发，又可分为乘性故障和加性故障等。 2 1 2 故障诊断方法的分类 所谓故障，广义地讲，可以理解为任何系统的异常现象，使系统表现出所不 期望的特性。故障诊断技术主要包含三方面的内容：故障检测、故障隔离、故障 辨识。所谓故障检测是判断系统中是否发生了故障及检测出故障发生的时刻；故 障隔离就是在检测出故障后确定故障的位置和类型；故障辨识是指在分离出故障 后确定故障的大小和时变特性。本质上，故障诊断技术是一个模式分类与识别问 题。即把系统的运行状态分为正常和异常两类，判别异常的信号样本究竟又属于 哪种故障，这又属于一个模式识别的问题。 系统故障的多样性决定了故障诊断的复杂性和故障诊断方法的多样性。近几 十年来，故障诊断技术得到了深入广泛的研究，基于各种不同的原理，提出了众 多可行的方法。 现有的故障诊断方法，总结起来，大致起来可分为以下三大类( 如下图2 1 所示) ： 8 西北工业大学硕士学位论文 第二章故障诊断与专家系统 图2 1 现有故障诊断方法分类 l 、基于解析模型的故障诊断方法。 基于解析模型的故障诊断方法是发展的最早、研究最系统的一种故障诊断方 法。它可以进一步分为等价空间法、参数估计法、状态估计方法。参数估计的故 障诊断方法指通过对系统模型参数的辨识来达到故障诊断的目的，即由参数的显 著变化来描述故障；由于被控过程的状态直接反映系统的运行状态，因此通过重 构和估计系统的状态，并结合适当的模型也可以进行故障诊断。但不论是等价空 间法、参数估计法还是状态估计法，这种诊断方法首先需要建立诊断对象较为精 确的数学模型，而这一点对于诸如非线性系统等复杂大系统的诊断问题来说则是 一个难以逾越的障碍。 2 、基于信号检测与处理的方法。 当难以建立诊断对象的解析数学模型时，基于信号检测与处理的故障诊断方 9 西北工业大学硕士学位论文 第二章故障诊断与专家系统 法是十分有用的。此方法不依赖于系统的数学模型，可以直接利用信号模型，如 相关函数、高阶统计量、频谱、自回归滑动平均、小波变换等对系统的相关信号 进行检测，从中提取诸如方差、幅值、频率等相应的故障信息进行诊断，从而检 测出故障。近年来，出现的基于信号处理的方法主要有以下几种： ( 1 ) 小波变换方法：小波变换是一种“时一频”分析方法，具有多分辨分 析的特性，非常适合非平稳信号的奇异性分析。故障诊断时，对采集的信号进行 小波变换，在变换后的信号中除去由于输入变化引起的奇异点，剩下的奇异点即 为系统发生的故障点。基于小波变换的方法可以区分信号的突变和噪声，赦障检 测灵敏准确，克服噪声能力强，但在大尺度下会产生时间延迟，且不同小波基的 选取对诊断结果有影响。该方法随着小波理论研究的深入而发展较快。近年来， 将小波变换与模糊集合论、神经网络理论相结合，提出了模糊小波和小波网络的 故障诊断方法。 ( 2 ) 主元分析法：主元分析( p c a ) 是一种有效的数据压缩和信息提取方 法，该方法可以实现在线实时诊断，一般应用于大型的、缓变的稳态工业过程的 监控。主元分析用于故障诊断的基本思想是：对过程的历史数据采用主元分析方 法建立正常情况下的主元模型，一旦实测信号与主元模型发生冲突，就可以判断 故障发生，通过数据分析可以分离出故障。主元分析对数据中含有大量相关冗余 信息时故障的检测与分离非常有效，而且还可以作为信号的预处理方法用于故障 的特征量提取。 ( 3 ) 利用艿算子和利用k u l l b a c k 信息准则的故障检测：利用万算子的故障诊 断是基于构造h i l b e r t 空间的最小二乘投影向量集，推导出完整的格形滤波器作为 故障检测滤波器，用占算子描述的后向预测误差向量的首位元素作为残差，并采 用自适应噪声抵消技术使残差对故障敏感。该方法可以在线实时检测，具有灵敏 度高、计算量小、抗噪声能力强的优点。但有时其无限宽数据窗使故障信息难以 消除；基于k u l l b a e k 信息准则的故障检测，是利用k u l l b a c k 信息准则度量系统的 变化，在不存在未建模动态时将其与阀值比较可以有效检测故障。 该诊断方法虽然不依赖于系统的数学模型，但在实际应用中也存在以下缺 点： 依赖于对信号的检测和处理，因此往往会受信号噪声的影响： i o 西北工业大学硕士学位论文 第二章故障诊断与专家系统 通常只限于用特定信号诊断特定的故障，未能考虑各种故障间的相互影 响； 当诊断对象变得庞大复杂时，通常需要增加检测手段和计算量； 诊断系统往往限于具体故障的诊断，很难扩充或应用于不同的诊断对象。 3 、基于知识的故障诊断方法( 也称人工智能的方法) 基于知识处理的诊断方法与基于信号处理的方法一样，也不需要系统的解析 数学模型，但它克服了基于信号检测与处理的诊断方法的缺点，能够模拟人类专 家对复杂系统进行故障诊断，做到既能充分利用专家知识与经验进行快速推理和 诊断，又能很方便的推广应用于各种不同的诊断对象，具有较强的诊断鲁棒性和 系统扩充能力。基于知识的诊断方法还可以分为基于症状的方法和基于定性模型 的方法。基于症状的方法包括：专家系统故障诊断方法、模糊故障诊断方法、故 障树故障诊断方法、神经网络故障诊断方法、信息融合故障诊断方法和基于a g e n t 故障诊断方法等；基于定性模型的方法包括定性观测器、定性仿真和知识观测器 等。 ( 1 ) 专家系统故障诊断方法 专家系统是一种智能计算机程序，这种计算机程序运用知识与推理过程，求 解那些需要人类专家才能解决的复杂问题。为了完成专家系统最基本的功能，一 个专家系统起码要包含三个组成部分：知识库、推理机和人机接口。其基本结构 如图2 2 所示。 图2 2 专家系统基本结构图 专家系统基本的工作原理：在知识库创建和维护阶段，领域专家与知识工程 师通过人机接1 ：3 对操作知识库进行操作；在系统诊断阶段，用户通过人机界面或 者信息采集模块将征兆信息传送给推理机，推理机根据诊断过程的需要，检索知 西北工业大学硕士学位论文 第二章故障诊断与专家系统 识库中的各条知识并进一步向用户索取新的征兆信息，最终诊断结果与诊断解释 信息通过人机接口返回给用户。 专家系统应该具备以下三个显著特性： 1 ) 启发性：不仅能使用逻辑性知识，也能使用启发性知识。它运用规范的 专门知识和直觉的判断知识进行判断、推理和联想、实现问题求解。 2 ) 透明性：能向用户解释它的推理过程，还能回答用户提出的关于它自身 的问题。解释能力是衡量一个专家系统水平的重要因素。 3 ) 灵活性：推理机与知识库相互独立，使知识库具有良好的可扩充性和维 护性。 专家系统故障诊断其根本目的在于利用专家的领域知识、经验为故障诊断服 务。目前在机械系统、电子设备及化工设备故障诊断等方面已有成功的应用。但 专家系统的应用依赖于专家的领域知识获取。知识获取被公认为专家系统研究开 发中的“瓶颈”问题。另外，在自适应能力、学习能力及实时性方面也都存在不 同程度的局限。 ( 2 ) 模糊故障诊断方法 故障诊断是通过研究故障与征兆( 特征元素) 之间的关系来判断设备状态。由 于实际因素的复杂性，故障与征兆之间的关系很难用精确的数学模型来表示，随 着某些故障状态模糊性的出现，就不能用“是否有故障”的简易诊断结果来表达， 而要求给出故障产生的可能性及故障位置和程度如何。此类问题用模糊逻辑能较 好的解决，这就产生了模糊故障诊断方法。其典型方法是模糊故障向量识别法， 诊断过程如图2 3 所示。 l 萎篓鍪薹卜廿 解关系 i 统计数据l“i 方程 l 试验数据f 判诊 定 断 + 原 结 则论 陌司仆 y = x * r 图2 - 3 模糊故障诊断方法 根据经验、统计和实验数据，建立故障与征兆之间的模糊关系矩阵r ( 隶属 度矩阵) 。矩阵中的每个元素的大小表明了它们之间的相互关系的密切程度。 r = p r ( x i ，y i ) ；x x ；y i y ) ( 2 - 1 ) 1 2 西北工业大学硕士学位论文 第二章故障诊断与专家系统 式中，y = y l ，y 2 ，y 3 ，y 。) = ( y 。i i = l ，2 ，1 3 表示可能发生故障的集合， n 为故障总数。x = “，x 2 ，x 3 ，x ) = x ，i f = 1 ，2 , - - - m ) 表示由上面这些故障所 引起的各种特征元素( 征兆) 的集合。m 为各种特征元素( 征兆) 总数。 根据待诊断对象的现场测试数据，提取特征参数向量x 。 求解关系矩阵方程y = x * r ，得到待检状态的故障向量y ，再根据一定的判 断准则，如最大隶属度原则、阐值原则或择近原则等，得到诊断结果 模糊故障诊断方法是利用模糊集合论中的隶属函数和模糊关系矩阵的概念 来解决故障与征兆之间的不确定关系，进而实现故降的检测与诊断。这种方法计 算简单，应用方便，结论明确直观。在模糊故障诊断中，构造隶属函数是实现模 糊故障诊断的前提，但由于隶属函数是人为构造的，含有一定的主观因素：另外， 对特征元素的选择也有一定的要求，如选择得不合理，诊断结果的准确性会下降， 甚至造成诊断失败。 ( 3 ) 故障树故障诊断方法 故障树f t ( f a u l tt r e e ) 模型是一个基于被诊断对象结构、功能特征的行为 模型，是一种定性的因果模型，以系统最不希望事件为顶事件，以可能导致顶事 件发生的其他事件为中间事件和底事件，并用逻辑门表示事件之间联系的一种倒 树状结构。它反映了特征向量与故障向量( 故障原因) 之间的全部逻辑关系。图 2 - 4 即为一个简单的故障树。图中顶事件：系统故障，由部件a 或部件b 引发，而 部件a 的故障又是由两个元件1 ，2 中的一个失效引起的，部件b 的故障是在两个 元件3 ，4 同时失效时发生。 图2 _ 4 简单故障树 西北工业大学硕士学位论文 第二章故障诊断与专家系统 在利用故障树进行故障搜寻与诊断时。根据搜寻方式不同，又可分为逻辑推 理诊断法和最小割集诊断法。更详细的内容见本文第5 章。 ( 4 ) 神经网络故障诊断方法 对于故障诊断而言其核心技术是故障模式识别，而人工神经网络由于其本身 信息处理特点，如并行性、自学习、自组织性、联想记忆功能等，使其能够出色 解决那些传统模式识别方法难以圆满解决的问题，所以故障诊断是人工神经网络 的重要应用领域之一。目前神经网络是故障诊断领域中的一个研究热点，已有不 少应用系统的报道。 神经网络在设备诊断领域的应用研究主要集中在两个方面：一是从模式识别 的角度应用它作为分类器进行故障诊断；二是将神经网络与其它诊断方法相结合 而形成的复合故障诊断方法。模式识别的神经网络故障诊断过程，主要包括学习 ( 训练) 与诊断( 匹配) 两个过程。其中每个过程都包括预处理和特征提取两部分。 具体诊断过程如图2 5 所示。 诊断过程 图2 5 神经网络故障诊断过程 学习过程：在一定的标准模式样本的基础上，依据某一分类规则来设计神经 网络分类器，并用标准模式训练； 诊断过程：将未知模式与训练的分类器进行比较来诊断未知模式的故障类 别。 预处理：首先对映射得到的样本空间数据进行预处理，主要是通过删除原 始数据中的无用信息得到另一类故障模式，由样本空间映射成数据空间。在数据 空间上，通过某种变换( 如对模式特征矢量进行量化、压缩等) 使其有利于故障诊 断。 特征提取：将从诊断对象获得的数据看作一组时间序列，通过对该时问序 1 4 西北工业大学硕士学位论文第二章故障诊断与专家系统 列的分段采样，可以将输入数据映射成样本空间的点这些数据可能包含故障的 类型、程度和位置等信息。但从样本空间看，这些特征信息的分布是变化的，因 此，一般不能直接用于分类，需经合适的变换来提取有效的故障特征。而所提取 的这些特征对于设备的参数应具有不变性。常用的特征提取方法有：傅立叶变换、 小波变换、分形维数等。 网络分类器：常用于故障诊断分类的神经网络有：b p 网络、双向联想记 忆( b a m ) 网络、自适应共振理论( a j 和b 样条网络等。 利用各种诊断方法的优点，将其它诊断方法与神经网络相结合，可以得到效 率更高的复合故障诊断方法。如将神经网络与专家系统相结合的诊断方法，模糊 神经网络故障诊断系统和神经网络信息融合故障诊断系统等，都显示出其特别的 诊断特性 神经网络故障诊断虽然有它独特的优越性，但也存在一些困难，主要表现在 三方面：一是训练样本获取困难；二是忽视了领域专家的经验知识；三是网络权 值的表达方式难以理解。 ( 5 ) 信息融合故障诊断方法 信息融合就是利用计算机对来自多传感器的信息按一定的准则加以自动分 析和综合的数据处理过程，以完成所需要的决策和判定。目前信息融合在军事领 域中己有广泛的应用，但在设备故障诊断中的应用还是近年来的事情。信息融合 应用于故障诊断的起因有三个方面：一是多传感器形成了不同通道的信号；二是 同一信号形成了不同的特征信息；三是不同诊断途径得出了有偏差的诊断结论。 融合诊断的最终目标是综合利用各种信息提高诊断准确率。 目前，信息融合故障诊断方法主要有b a y e s 推理、d s 证据推理及神经网络信 息融合等。 ( 6 ) 基于a g e n t 故障诊断方法 a g e n t 理论与技术研究源于2 0 世纪8 0 年代中期的分布式问题求解，它是当今 人工智能与软件工程中的研究热点。a g e n t 是一个具有自主性、反应性、主动性 和社会性的基于硬件或软件( 更多情况) 的计算机系统，通常还具有人类的智能 特性，如知识、信念、意图和愿望等。 故障诊断的a g e n t 系统，是将多个a g e n t 组合起来工作，设计出一组分工协作 西北工业大学硕士学位论文 第二章故障诊断与专家系统 的多a g e n t 系统，不仅使诊断系统准确率得以提高，而且增强环境的适应性。使 系统在运行过程中发现和挖掘知识，提高学习能力，实现诊断系统性能的自我完 善、发展和提高。 一般的a g e n t 故障诊断系统需要解决的关键问题有：故障信号的检测，特 征信息的提取；故障诊断a g e n t 的刻画；管理控常l j a g e n t 及数据挖掘a g e n t 的 设计；各a g e n t 之间的通信与协作。 近年来，人工智能和计算机技术的飞速发展，为基于知识的故障诊断方法提 供了强有力的理论基础，使得该种方法具有很强的生命力，成为目前故障检测与 诊断方向研究的热点和重点。但在实际的检测中，依靠单一的基于知识的故障诊 断方法很难满足日益复杂的系统的全部诊断要求，将多种不同的故障诊断技术和 基于知识的故障诊断方法结合起来，组合智能诊断系统是智能化故障诊断方法研 究的一个新趋势。常见的有：模糊神经网络故障诊断法、神经网络专家系统故障 诊断法、模糊神经网络专家系统故障诊断法等等。 2 2 智能故障诊断的概念与方法 故障诊断技术发展至今已经历了三个阶段。第一阶段，诊断结果在很大程度 上取决于领域专家的