故障诊断的新发展

第八章：机械故障诊断的新发展学号：姓名：管庆磊日期：2014年5月20日2023/1/161上海交通大学振动、冲击、噪声国家重点实验室提纲8.1模糊诊断法8.2灰色诊断法8.3机械故障诊断的发展趋势结束语2023/1/162上海交通大学振动、冲击、噪声国家重点实验室8.1模糊诊断法8.1.1模糊的概念

8.1.2模糊数学的相关知识8.1.3模糊控制2023/1/163上海交通大学振动、冲击、噪声国家重点实验室8.1.1模糊的概念

模糊性是指事物本身的概念不清楚，本质上没有确切的定义，在量上没有确定界限的一种客观属性，研究和处理模糊性的数学方法主要是模糊数学。2023/1/164上海交通大学振动、冲击、噪声国家重点实验室在机械故障诊断中，模糊性主要表现为：检测目标和外部条件的模糊性、载荷与环境因素的模糊性。另外，模糊性广泛存在于结构的材料特性、几何特征、载荷及边界条件等方面。2023/1/165上海交通大学振动、冲击、噪声国家重点实验室基于模糊集理论的模糊逻辑本身并不模糊，而是用来对“模糊”进行处理以达到消除模糊的逻辑。模糊逻辑本身是一种精确的方法，只是其处理的对象是一些不精确、不完全的信息。它的最大特点是能够比较自然地处理人类的语言信息和知识。2023/1/166上海交通大学振动、冲击、噪声国家重点实验室模糊实例风的强弱人的胖瘦年龄大小个子高低在现实生活中并不是所有的事物都能用清晰的概念来描述，如:2023/1/167上海交通大学振动、冲击、噪声国家重点实验室

1965年美国加利福尼亚大学自动控制专家L.AZadeh

（扎德或查德）教授发表论文《模糊集合论》，并提出了模糊集合用以描述模糊概念。模糊集合的背景2023/1/168上海交通大学振动、冲击、噪声国家重点实验室8.1.2模糊数学的相关知识普通集合隶属函数模糊集合特征函数2023/1/169上海交通大学振动、冲击、噪声国家重点实验室

集合是指具有某种属性的、确定的、彼此间可以区别的事物的全体。

普通集合用特征函数来刻画，模糊集合用隶属函数作定量描述。普通集合与模糊集合2023/1/1610上海交通大学振动、冲击、噪声国家重点实验室在经典集合中，某个元素要么属于该集合，要么不属于该集合，泾渭分明。在模糊集合中，允许某个元素“部分”隶属于该模糊集合，“部分”隶属于另一个模糊集合。元素和集合之间的隶属关系不具有清晰明确的界限。2023/1/1611上海交通大学振动、冲击、噪声国家重点实验室经典集合的表示方法2023/1/1612上海交通大学振动、冲击、噪声国家重点实验室

模糊集合的表示方式（1）向量表示法（2）Zadeh表示法(查德表示法）（3）序偶表示法2023/1/1613上海交通大学振动、冲击、噪声国家重点实验室

（1）向量表示法

当论域X为有限点集时，X上的模糊集可以用向量A来表示，即：这里

。2023/1/1614上海交通大学振动、冲击、噪声国家重点实验室

（2）Zadeh表示法给定有限论域，A为X上的模糊集合。其中并不表示“分数”，而是论域中的元素与其隶属度函数之间的对应关系。2023/1/1615上海交通大学振动、冲击、噪声国家重点实验室

（3）序偶表示法将论域中元素与其隶属度函数构成序偶来表示A，则：2023/1/1616上海交通大学振动、冲击、噪声国家重点实验室8.1.3模糊控制模糊控制是用模糊数学的知识模仿人脑的思维方式，对模糊现象进行识别和判决，给出精确的控制量，对被控对象进行控制。特点：与经典控制理论和现代控制理论相比，模糊控制的主要特点是不需要建立对象的数学模型。2023/1/1617上海交通大学振动、冲击、噪声国家重点实验室控制思想：模糊控制事先总结归纳出一套完整的控制规则，放在计算机中。+传感器测量的当前值模糊推理判决计算出控制量2023/1/1618上海交通大学振动、冲击、噪声国家重点实验室模糊控制基本思想：首先根据操作人员手动控制的经验，总结出一套完整的控制规则，再根据系统当前的运行状态，经过模糊推理、模糊判决等运算，求出控制量，实现对被控对象的控制。2023/1/1619上海交通大学振动、冲击、噪声国家重点实验室模糊控制的起源：

1965年美国加利福尼亚大学自动控制专家L.AZadeh

（扎德或查德）教授论文《模糊集合论》。

1974年英国工程师（E.H.Mamdani）马丹尼将模糊集合理论应用于锅炉和蒸汽机的控制，获得成功，模糊数学走向应用，取名模糊控制。2023/1/1620上海交通大学振动、冲击、噪声国家重点实验室模糊控制过程2023/1/1621上海交通大学振动、冲击、噪声国家重点实验室8.2灰色诊断法8.2.1灰色诊断法的概念

8.2.2灰色系统8.2.3灰色系统的诊断方法与实例2023/1/1622上海交通大学振动、冲击、噪声国家重点实验室

背景：灰色系统理论是我国华中理工大学邓聚龙教授提出的一种处理动态系统的数学方法。应用范围：工业、农业、社会、经济、能源、地质、石油等众多科学领域，成功地解决了生产、生活和科学研究中的大量实际问题，取得了显著成果。8.2.1灰色诊断法的概念

2023/1/1623上海交通大学振动、冲击、噪声国家重点实验室几种不确定方法的比较概率统计、模糊数学和灰色系统理论是三种最常用的不确定系统研究方法。概率统计研究的是“随机不确定”现象。例如：像抛硬币、弹着点在大量重复实验和观察中呈现出固有的规律性称之为统计规律性。模糊数学着重研究“认识不确定”问题。例如：“年轻人”是个模糊概念，2023/1/1624上海交通大学振动、冲击、噪声国家重点实验室灰色系统理论着重研究概率统计、模糊数学难以解决的“小样本，贫信息”不确定性问题。灰色理论是解决不确定问题的工具之一。2023/1/1625上海交通大学振动、冲击、噪声国家重点实验室2023/1/1626上海交通大学振动、冲击、噪声国家重点实验室8.2.2灰色系统人们只能凭逻辑推理，凭某些观念意识，凭某种准则对系统的结构，关系进行论证，然后再建立某种模型。这累抽象系统我们称为灰色系统。灰色理论是按颜色命名的，在控制论中，人们常用颜色的深浅形容信息的明确程度。2023/1/1627上海交通大学振动、冲击、噪声国家重点实验室灰色系统理论的基本概念定义1信息完全明确的系统称为白色系统。定义2信息未知的系统称为黑色系统。定义3部分信息明确，部分不明确的系统称为灰色系统。2023/1/1628上海交通大学振动、冲击、噪声国家重点实验室灰色系统理论的主要内容灰色系统理论作为一门新兴学科的结构体系。灰色系统理论体系方法体系分析体系模型体系技术体系2023/1/1629上海交通大学振动、冲击、噪声国家重点实验室一切随机量都看作是在一定范围内变化的灰色量。比如大气气温的变化是随机量，气温高低，可将它当作是在±50℃范围变化的灰色量。对灰色量的处理不是找概率分布、求统计规律，而是用数据处理的方法来找数据间的规律。灰色系统的基本观点：2023/1/1630上海交通大学振动、冲击、噪声国家重点实验室图灰色诊断计算框图2023/1/1631上海交通大学振动、冲击、噪声国家重点实验室灰色系统常用的生成方式有三类：累加生成简记AGO（AccumulatedGeneratingOperation）累减生成简记IAGO（InverseAccumulatedGeneratingOperation）映射生成简记NGO（NappingGeneratingOperation）2023/1/1632上海交通大学振动、冲击、噪声国家重点实验室8.2.3灰色系统的诊断方法与实例2023/1/1633上海交通大学振动、冲击、噪声国家重点实验室问题：对该地区总收入影响较直接的是养猪业还是养兔业？怎么评判？2023/1/1634上海交通大学振动、冲击、噪声国家重点实验室2023/1/1635上海交通大学振动、冲击、噪声国家重点实验室例：某地区1998—2004年总收入，工业收入，农业收入（单位：亿元）年份1998199920002001200220032004总收入18202240444860工业收入10151624284050农业收入32510128102023/1/1636上海交通大学振动、冲击、噪声国家重点实验室将表反映在图上2023/1/1637上海交通大学振动、冲击、噪声国家重点实验室分析上图的基本思想：根据曲线间相似程度来判断关联程度曲线2的形状与曲线1的形状相近，而曲线3与曲线1相差较大。因此，该地区对收入影响较直接的可以说是工业，而不是农业。在制定该地区经济发展规划时，显然应着重发展工业。2023/1/1638上海交通大学振动、冲击、噪声国家重点实验室总结这种因素分析的比较，实质上是几种曲线间几何形状的分析比较，即认为几何形状越接近，则发展变化态势越接近，关联程度越大。因此按这种观点作因素分析，至少不会出现异常的。2023/1/1639上海交通大学振动、冲击、噪声国家重点实验室8.3机械故障诊断的发展趋势故障诊断的含义：故障诊断技术是一门了解和掌握设备运行过程中的状态，进而确定其整体或者局部是否正常，以便早期发现故障、查明原因，并掌握故障发展趋势的技术。其目的是避免故障的发生，最大限度的提高机械地使用效率。2023/1/1640上海交通大学振动、冲击、噪声国家重点实验室设备诊断技术的研究内容主要包括以下三个环节：（1）特征信号的采集：这一过程属于准备阶段，采集如速度、湿度、噪音、压力、流量等特征值。（2）信号的提取与处理：从采集到的信号中提取与设备故障有关的特征信息，与正常信息只进行对比，进行状态检测。2023/1/1641上海交通大学振动、冲击、噪声国家重点实验室（3）判断故障种类：从上一步的结果中运用各种经验和知识，对设备的状态进行识别，进而做出维修决策。2023/1/1642上海交通大学振动、冲击、噪声国家重点实验室8.3.1发展现状传感器技术研究：传感技术是反应设备状态参数的仪表技术。国内先后开发了各种类型的传感器，如电涡流传感器、速度传感器、加速度传感器和温度传感器等；最近开发的传感技术有光导纤维、激光、声发射等。2023/1/1643上海交通大学振动、冲击、噪声国家重点实验室信号分析与处理技术：从传统的谱分析、时序分析和时域分析，开始引入了一些先进的信号分析手段，如快速傅立叶变换器，Winger谱分析和小波变换等。2023/1/1644上海交通大学振动、冲击、噪声国家重点实验室人工智能和专家系统神经网络：比如旋转机械神经网络分类系统等的研究已经得到了应用。2023/1/1645上海交通大学振动、冲击、噪声国家重点实验室诊断系统的开发与研究：从单机巡检与诊断到上下位机式的主从机结构，直至以网络为基础的分布式系统的结构，变化形式越来越复杂，要求越来越高。专门化与便携式诊断仪器和设备的研制与开发。2023/1/1646上海交通大学振动、冲击、噪声国家重点实验室8.3.2发展趋势设备故障诊断技术与当代前沿科学的融合是设备故障诊断技术的发展方向。当今故障诊断技术的发展是传感器的精密化、多维化，诊断理论、诊断模型的多元化，诊断技术的智能化，表现如下：2023/1/1647上海交通大学振动、冲击、噪声国家重点实验室与当代最新传感技术尤其是激光测量技术的融合。近年来，激