故障診斷的新發(fā)展

第八章：機械故障診斷的新發(fā)展16十一月20222提綱8.1模糊診斷法8.2灰色診斷法8.3機械故障診斷的發(fā)展趨勢結(jié)束語16十一月202238.1模糊診斷法8.1.1模糊的概念

8.1.2模糊數(shù)學(xué)的相關(guān)知識8.1.3模糊控制16十一月202248.1.1模糊的概念

模糊性是指事物本身的概念不清楚，本質(zhì)上沒有確切的定義，在量上沒有確定界限的一種客觀屬性，研究和處理模糊性的數(shù)學(xué)方法主要是模糊數(shù)學(xué)。16十一月20225在機械故障診斷中，模糊性主要表現(xiàn)為：檢測目標(biāo)和外部條件的模糊性、載荷與環(huán)境因素的模糊性。另外，模糊性廣泛存在于結(jié)構(gòu)的材料特性、幾何特征、載荷及邊界條件等方面。16十一月20226基于模糊集理論的模糊邏輯本身并不模糊，而是用來對“模糊”進行處理以達到消除模糊的邏輯。模糊邏輯本身是一種精確的方法，只是其處理的對象是一些不精確、不完全的信息。它的最大特點是能夠比較自然地處理人類的語言信息和知識。16十一月20227模糊實例風(fēng)的強弱人的胖瘦年齡大小個子高低在現(xiàn)實生活中并不是所有的事物都能用清晰的概念來描述，如:16十一月20228

1965年美國加利福尼亞大學(xué)自動控制專家L.AZadeh（扎德或查德）教授發(fā)表論文《模糊集合論》，并提出了模糊集合用以描述模糊概念。模糊集合的背景16十一月202298.1.2模糊數(shù)學(xué)的相關(guān)知識普通集合隸屬函數(shù)模糊集合特征函數(shù)16十一月202210

集合是指具有某種屬性的、確定的、彼此間可以區(qū)別的事物的全體。

普通集合用特征函數(shù)來刻畫，模糊集合用隸屬函數(shù)作定量描述。普通集合與模糊集合16十一月202211在經(jīng)典集合中，某個元素要么屬于該集合，要么不屬于該集合，涇渭分明。在模糊集合中，允許某個元素“部分”隸屬于該模糊集合，“部分”隸屬于另一個模糊集合。元素和集合之間的隸屬關(guān)系不具有清晰明確的界限。16十一月202212經(jīng)典集合的表示方法16十一月202213

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16十一月202214

（1）向量表示法

當(dāng)論域X為有限點集時，X上的模糊集可以用向量A來表示，即：這里

。16十一月202215

（2）Zadeh表示法給定有限論域，A為X上的模糊集合。其中并不表示“分數(shù)”，而是論域中的元素與其隸屬度函數(shù)之間的對應(yīng)關(guān)系。16十一月202216

（3）序偶表示法將論域中元素與其隸屬度函數(shù)構(gòu)成序偶來表示A，則：16十一月2022178.1.3模糊控制模糊控制是用模糊數(shù)學(xué)的知識模仿人腦的思維方式，對模糊現(xiàn)象進行識別和判決，給出精確的控制量，對被控對象進行控制。特點：與經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論相比，模糊控制的主要特點是不需要建立對象的數(shù)學(xué)模型。16十一月202218控制思想：模糊控制事先總結(jié)歸納出一套完整的控制規(guī)則，放在計算機中。+傳感器測量的當(dāng)前值模糊推理判決計算出控制量16十一月202219模糊控制基本思想：首先根據(jù)操作人員手動控制的經(jīng)驗，總結(jié)出一套完整的控制規(guī)則，再根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前的運行狀態(tài)，經(jīng)過模糊推理、模糊判決等運算，求出控制量，實現(xiàn)對被控對象的控制。16十一月202220模糊控制的起源：

1965年美國加利福尼亞大學(xué)自動控制專家L.AZadeh（扎德或查德）教授論文《模糊集合論》。

1974年英國工程師（）馬丹尼將模糊集合理論應(yīng)用于鍋爐和蒸汽機的控制，獲得成功，模糊數(shù)學(xué)走向應(yīng)用，取名模糊控制。16十一月202221模糊控制過程16十一月2022228.2灰色診斷法8.2.1灰色診斷法的概念

8.2.2灰色系統(tǒng)8.2.3灰色系統(tǒng)的診斷方法與實例16十一月202223

背景：灰色系統(tǒng)理論是我國華中理工大學(xué)鄧聚龍教授提出的一種處理動態(tài)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)方法。應(yīng)用范圍：工業(yè)、農(nóng)業(yè)、社會、經(jīng)濟、能源、地質(zhì)、石油等眾多科學(xué)領(lǐng)域，成功地解決了生產(chǎn)、生活和科學(xué)研究中的大量實際問題，取得了顯著成果。8.2.1灰色診斷法的概念

16十一月202224幾種不確定方法的比較概率統(tǒng)計、模糊數(shù)學(xué)和灰色系統(tǒng)理論是三種最常用的不確定系統(tǒng)研究方法。概率統(tǒng)計研究的是“隨機不確定”現(xiàn)象。例如：像拋硬幣、彈著點在大量重復(fù)實驗和觀察中呈現(xiàn)出固有的規(guī)律性稱之為統(tǒng)計規(guī)律性。模糊數(shù)學(xué)著重研究“認識不確定”問題。例如：“年輕人”是個模糊概念，16十一月202225灰色系統(tǒng)理論著重研究概率統(tǒng)計、模糊數(shù)學(xué)難以解決的“小樣本，貧信息”不確定性問題?；疑碚撌墙鉀Q不確定問題的工具之一。16十一月20222616十一月2022278.2.2灰色系統(tǒng)人們只能憑邏輯推理，憑某些觀念意識，憑某種準(zhǔn)則對系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，關(guān)系進行論證，然后再建立某種模型。這累抽象系統(tǒng)我們稱為灰色系統(tǒng)?；疑碚撌前搭伾模诳刂普撝?，人們常用顏色的深淺形容信息的明確程度。16十一月202228灰色系統(tǒng)理論的基本概念定義1信息完全明確的系統(tǒng)稱為白色系統(tǒng)。定義2信息未知的系統(tǒng)稱為黑色系統(tǒng)。定義3部分信息明確，部分不明確的系統(tǒng)稱為灰色系統(tǒng)。16十一月202229灰色系統(tǒng)理論的主要內(nèi)容灰色系統(tǒng)理論作為一門新興學(xué)科的結(jié)構(gòu)體系。灰色系統(tǒng)理論體系方法體系分析體系模型體系技術(shù)體系16十一月202230一切隨機量都看作是在一定范圍內(nèi)變化的灰色量。比如大氣氣溫的變化是隨機量，氣溫高低，可將它當(dāng)作是在±50℃范圍變化的灰色量。對灰色量的處理不是找概率分布、求統(tǒng)計規(guī)律，而是用數(shù)據(jù)處理的方法來找數(shù)據(jù)間的規(guī)律?；疑到y(tǒng)的基本觀點：16十一月202231圖灰色診斷計算框圖16十一月202232灰色系統(tǒng)常用的生成方式有三類：累加生成簡記AGO（AccumulatedGeneratingOperation）累減生成簡記IAGO（InverseAccumulatedGeneratingOperation）映射生成簡記NGO（NappingGeneratingOperation）16十一月2022338.2.3灰色系統(tǒng)的診斷方法與實例16十一月202234問題：對該地區(qū)總收入影響較直接的是養(yǎng)豬業(yè)還是養(yǎng)兔業(yè)？怎么評判？16十一月20223516十一月202236例：某地區(qū)1998—2004年總收入，工業(yè)收入，農(nóng)業(yè)收入（單位：億元）年份1998199920002001200220032004總收入18202240444860工業(yè)收入10151624284050農(nóng)業(yè)收入325101281016十一月202237將表反映在圖上16十一月202238分析上圖的基本思想：根據(jù)曲線間相似程度來判斷關(guān)聯(lián)程度曲線2的形狀與曲線1的形狀相近，而曲線3與曲線1相差較大。因此，該地區(qū)對收入影響較直接的可以說是工業(yè)，而不是農(nóng)業(yè)。在制定該地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃時，顯然應(yīng)著重發(fā)展工業(yè)。16十一月202239總結(jié)這種因素分析的比較，實質(zhì)上是幾種曲線間幾何形狀的分析比較，即認為幾何形狀越接近，則發(fā)展變化態(tài)勢越接近，關(guān)聯(lián)程度越大。因此按這種觀點作因素分析，至少不會出現(xiàn)異常的。16十一月2022408.3機械故障診斷的發(fā)展趨勢故障診斷的含義：故障診斷技術(shù)是一門了解和掌握設(shè)備運行過程中的狀態(tài)，進而確定其整體或者局部是否正常，以便早期發(fā)現(xiàn)故障、查明原因，并掌握故障發(fā)展趨勢的技術(shù)。其目的是避免故障的發(fā)生，最大限度的提高機械地使用效率。16十一月202241設(shè)備診斷技術(shù)的研究內(nèi)容主要包括以下三個環(huán)節(jié)：（1）特征信號的采集：這一過程屬于準(zhǔn)備階段，采集如速度、濕度、噪音、壓力、流量等特征值。（2）信號的提取與處理：從采集到的信號中提取與設(shè)備故障有關(guān)的特征信息，與正常信息只進行對比，進行狀態(tài)檢測。16十一月202242（3）判斷故障種類：從上一步的結(jié)果中運用各種經(jīng)驗和知識，對設(shè)備的狀態(tài)進行識別，進而做出維修決策。16十一月2022438.3.1發(fā)展現(xiàn)狀傳感器技術(shù)研究：傳感技術(shù)是反應(yīng)設(shè)備狀態(tài)參數(shù)的儀表技術(shù)。國內(nèi)先后開發(fā)了各種類型的傳感器，如電渦流傳感器、速度傳感器、加速度傳感器和溫度傳感器等；最近開發(fā)的傳感技術(shù)有光導(dǎo)纖維、激光、聲發(fā)射等。16十一月202244信號分析與處理技術(shù)：從傳統(tǒng)的譜分析、時序分析和時域分析，開始引入了一些先進的信號分析手段，如快速傅立葉變換器，Winger譜分析和小波變換等。16十一月202245人工智能和專家系統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)：比如旋轉(zhuǎn)機械神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類系統(tǒng)等的研究已經(jīng)得到了應(yīng)用。16十一月202246診斷系統(tǒng)的開發(fā)與研究：從單機巡檢與診斷到上下位機式的主從機結(jié)構(gòu)，直至以網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的分布式系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，變化形式越來越復(fù)雜，要求越來越高。專門化與便攜式診斷儀器和設(shè)備的研制與開發(fā)。16十一月2022478.3.2發(fā)展趨勢設(shè)備故障診斷技術(shù)與當(dāng)代前沿科學(xué)的融合是設(shè)備故障診斷技術(shù)的發(fā)展方向。當(dāng)今故障診斷技術(shù)的發(fā)展是傳感器的精密化、多維化，診斷理論、診斷模型的多元化，診斷技術(shù)的智能化，表現(xiàn)如下：16十一月202248與當(dāng)代最新傳感技術(shù)尤其是激光測量技術(shù)的融合。近年來，激光技術(shù)已從軍事、醫(yī)療。機械加工等領(lǐng)域深入發(fā)展到振動測量和設(shè)備故障診斷中，并且已經(jīng)成功應(yīng)用與旋轉(zhuǎn)機械對中等方面。16十一月202249與最新信號處理方法相融合。傳統(tǒng)的基于快速弗利葉變換的信號分析技術(shù)有了新的突破性進展。16十一月202250與非吸納性原理和方法的融合。機械設(shè)備在發(fā)生故障時，其行為往往表現(xiàn)為非線性特征。如能旋轉(zhuǎn)機械的轉(zhuǎn)自在不平衡外力的作用下表現(xiàn)出的非線性振動。隨著混沌與分型幾何方