基于灰色預(yù)測模型的傳感器故障診斷方法

基于灰色預(yù)測模型的傳感器故障診斷方法摘要：發(fā)表于《電氣自動化》2005年第四期敘述了灰色動態(tài)預(yù)測模型的建模原理并將其引入傳感器故障診斷領(lǐng)域，討論了基于灰色預(yù)測模型的傳感器的故障診斷方法的優(yōu)缺點(diǎn)，并進(jìn)一步描述了其前景和意義。關(guān)鍵字：灰色預(yù)測模型傳感器故障診斷故障閥值一、引言隨著自動控制系統(tǒng)的迅速發(fā)展，傳感器得到了廣泛的應(yīng)用。傳感器是測量系統(tǒng)中的一種前置部件，它將輸入變量轉(zhuǎn)換成可供測量的信號(國際電工委員會）。傳感器作為自動控制系統(tǒng)的“感官”，負(fù)責(zé)對系統(tǒng)的各個參數(shù)進(jìn)行采集，在整個設(shè)備系統(tǒng)中起著十分重要的作用，其采集的系統(tǒng)各個參量是設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的控制功能實現(xiàn)的依據(jù)。因而傳感器的故障導(dǎo)致的錯誤輸出可能會導(dǎo)致控制系統(tǒng)的錯誤決策，對系統(tǒng)產(chǎn)生不利的影響。傳感器一旦發(fā)生故障，輕則導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降，重則產(chǎn)生非常嚴(yán)重甚至災(zāi)難性的后果。因此，如何有效迅速的對傳感器進(jìn)行故障診斷便成為控制系統(tǒng)開發(fā)、維護(hù)人員面臨的一個重要問題。傳感器的故障診斷，大多采用基于冗余的方法。所謂冗余，包含兩方面的含義，一方面的含義是對某一物理量的測量數(shù)據(jù)多于一個，這些測量數(shù)據(jù)之間具有冗余關(guān)系，稱為硬件冗余。另一方面含義是多個被測量之間存在相關(guān)關(guān)系，某個被測量可以由其它被測量估計出來稱為軟件冗余。本文將灰色預(yù)測方法應(yīng)用于傳感器的故障診斷，并利用溫度傳感器進(jìn)行驗證，取得了較好的效果。二、灰色動態(tài)預(yù)測模型的建模原理對于一個給定的時間數(shù)據(jù)序列一般不能直接用于建模，因為時間序列多為無規(guī)律的隨機(jī)序列。若將原始數(shù)據(jù)序列經(jīng)過累加生成，可以獲得新的數(shù)據(jù)序列，對生成后的序列分析后再通過累減生成得到預(yù)測值。1.累加生成算法灰色預(yù)測模型以灰色模塊為基礎(chǔ)，通常不直接運(yùn)用含有噪聲的原始序列?；疑A(yù)測系統(tǒng)中采用累加生成模塊，其作用相當(dāng)于控制系統(tǒng)理論中的濾波處理。累加生成符號為AGO(AccumulatedGeneratingOperation)。我們可以將原始數(shù)列計作：(1)一次累加生成序列為其中(2)對一次累加生成序列再進(jìn)行累加可以得到二次累加生成序列其中(3)依次可以得到多次的累加數(shù)列。靈累加算法凈可以將離散的晉無規(guī)律的序列罰轉(zhuǎn)化為單調(diào)增感加得有規(guī)律的哈序列從而起到夫弱化隨機(jī)信號剝的作用。對于振經(jīng)過多次累加寺的生成序列，橡大多可用指數(shù)打函數(shù)擬合，也貸就是說大多可國用微分方程描支述。對應(yīng)的各摧個點(diǎn)的值可以茄近似的作為微廈分方程的解。抹根據(jù)這個微分?jǐn)[方程可以預(yù)測強(qiáng)下一個時刻時捏間序列的值。井2犁.屑累減生成算法豪經(jīng)過累加宇以后的序列，紅已經(jīng)失去了原丈來的物理意義栗，所以方程的莖求解結(jié)果必須無還原到原序列月，累加算法的勵逆運(yùn)算叫做累攀減算法，記格作件IAGO(I國nverse天Accum賺ulated止Gener濃ating谷Operat帥ion至)糕。柜用新表示次累減運(yùn)鐘算算子，則帖表示不作累減堤，即：(4)邁表示一次累減負(fù)，即刪當(dāng)抽i園≥搞2盾時：;(5)諷一般的，銹若令初則有：…膊其塵中厚j=1,2懲,婚…濕,n曠3.GM(1區(qū),1叫)泡灰色預(yù)測模型款原理俗淋男GM(1,1秋)仙模型是應(yīng)用最叛廣的一類模型戰(zhàn)，是由一個只證包含單變量的剩一階微分方程男構(gòu)成的模型。研其構(gòu)造流程如堡下：像將原始時內(nèi)間序列表示葡為扔X洪(名0)兇斷用州AG尊O泉生成一階累加曾生成模呈塊熊X擺(波1)變用一階灰探色模母塊粒X吩(罰1)船構(gòu)成微分方程才：何；代趣其玩中紀(jì)a笑、野b辯為待定系數(shù)獨(dú)。嚷(6)平根據(jù)離散腐導(dǎo)數(shù)的定義可拳得：(7)四而微分方思程夠中議X糖(婆1)狼的取值撿為際k名和娘k+帝1猜時刻的平均值回，即：(8)香則微分方綢程可以轉(zhuǎn)化為煮：(9)舅膜令旋k=殲1啦，碧2類，棒…娘，屬N-認(rèn)1績得宣捏波k=1,塌融短k=2,素挽艘k=N-1,蹲綢將以上各出式表述為矩陣箏形式為：睛洪吧(10)儉監(jiān)設(shè)闖Y=竊；幼X=達(dá)；雕B=即可記作和閘禾Y=XB(1栗1)厲其筒中匙Y肺和倡X閃為已知量猜，牛B瓣為待定參數(shù)。剃由于變量只摘有癢a時，那b遭兩個，而方程遺數(shù)卻葬有求N-盆1弊個，當(dāng)矩陣的栽秩泡Rank(X柜)>淡2烤時，方程組無素解。但可用最熄小二乘法得到額最小二乘解。秧此時方程可改歡為：(12)些其紫中咳E捉為誤差項。利售用矩陣求解公震式可得：榴衛(wèi)耐(13員)臟回到原來方程鉆，可得：際對上式求老解，可得：(14)臟寫成離散引形式為：域念越傳感器在線故愁障診斷的流程進(jìn)竄圖鑰1國妻傳感器故障診附斷流程圖你由上述的撞流程圖可以看滑出，進(jìn)行傳感堅器故障診斷的換流程如下：知散株1.畜央得到傳感器之凱前賄的提n有個時刻的采樣坦值，以構(gòu)成預(yù)倡測數(shù)章列哄X懇n鹿。得暖到透X煎n妥可以通過兩種鷹方式，通過檢珠索歷史數(shù)據(jù)庫駁獲得傳感器揮的瞧n寇個歷史采樣數(shù)精據(jù)或者在進(jìn)行好故障診斷前預(yù)債先進(jìn)析行聞n仍個采樣。失旺粒2.佳漆對數(shù)棒列在X檢n藍(lán)進(jìn)行建模，得據(jù)出下一時刻傳廚感器輸出的預(yù)變測贈值歡x際’遇；策倉叨3.坑嗽采樣時間到后擊取得傳感器輸蘿出的實際博值騾x屑，計單算必x肆與憤x勺’捕的誤差是否在周規(guī)定的閥鴿值旁e技之內(nèi)；這里所呢說的閥值可以鹽是固定的，也窩可以是變化的杯，具體采取多卻大的數(shù)值，視逐情況而定；雨鋪鉛4.橋隆若賞x員與丈x劇’天之間的誤差超朗過閥值，則記顛錄傳感器超限姐一次，連續(xù)超徹限計數(shù)往器扎coun屢t井加繡1扮，并丈以吹x繪’白刷奏新喊X熄n吵；否則將超限衫計數(shù)器清零，適并言以崗x太刷綢新爸X慨n喚，進(jìn)入下一次董采樣；敘眠茅5.同竟當(dāng)連續(xù)超限計丟數(shù)器超過設(shè)定蘿的超限次忠數(shù)繪m隱時，系統(tǒng)發(fā)出室傳感器故障報爹警。霧三、傳感器灰赤色預(yù)測模型的劇建立與驗證要1恭.辣建模序列個數(shù)紫及故障閥值的佳確定三在控制系度統(tǒng)中，常用的末傳感器有溫度疾傳感器、壓序力炮/把壓差傳感器、林電量變送器、賤轉(zhuǎn)速傳感器、歪加速度傳感器需等。下面以溫繡度傳感器為例征來進(jìn)行建立傳碧感器故障診斷屠的灰色預(yù)測?？刃?，并進(jìn)行驗攝證。我們選擇氣的溫度傳感器光傳感器為西門霸子樓宇科技公怕司舒的釘100配0戶歐姆鉑電阻溫杯度傳感器，其糾規(guī)格如下：友浙表糊1錄舍溫度傳感器參雁數(shù)表葵溫度監(jiān)視范圍耗-4濕0愉℉臉——虛24伴0最℉丙輸出信號胸變化的電阻輕3梅2罵℉積(燈0紀(jì)℃拐)固下的標(biāo)定點(diǎn)精絮度妙±0.1%恐元件動鉑線或者相當(dāng)曲的電阻型電線毀3副2欺℉卡(希0犧℃哀)濁下的參考電阻書100調(diào)0序Ω少安裝方式帶液體浸入椅6.4cm派安裝于不銹鋼井探管內(nèi)艇下表為商200美4話年為1逗0束月園1挪1苦日中午茶12:1許5慨到綢1懼0對月咬1必2逐日中午舌12:1狀5恰之忍間企2罰4宏小時內(nèi)該溫度把傳感器輸出溫奇度的折線圖。故她圖左2盤俱溫度傳感器輸航出折線圖冶其工作狀內(nèi)況如下：鑒200洋4消年悠1起0瓶月巧1醫(yī)1癥日記13:3惠2觀時機(jī)組開機(jī)，脊運(yùn)行燕至宅22:5槽2勵分關(guān)機(jī)；堤1蕉0竹月旬1漂2本日尺10:1撤3竹重新開機(jī)運(yùn)行驚。采樣時間間諷隔嘆為教1潑分鐘。來在確定預(yù)界測序列個數(shù)的屈時候需要考慮恢以下兩個因素沉：一是預(yù)測的狐結(jié)果，二是計漁算機(jī)的計算能校力，經(jīng)過比較膠確定森取狂5夏個序列建模較致為合適。根據(jù)愚建模結(jié)果，在粱進(jìn)行傳感器故屯障診斷時選用水雙故障閥值的攀方法進(jìn)行處理悶。在正常情況晃下絲(討包括冷水機(jī)組邀開或關(guān)的平穩(wěn)匠狀哭態(tài)世)帽，故障閥值設(shè)昆定為瞧0.20撒0黨℃雀，而將冷水機(jī)研組含開講/陰關(guān)的情況視為伐非平穩(wěn)狀態(tài)，線故障閥值設(shè)定沃為盟0.50列0正℃染。具體的實現(xiàn)泄方式為將冷水蘆機(jī)組的狀態(tài)變格化作為計數(shù)器它的觸發(fā)器將計共數(shù)器置瑞為分18張(諒這個數(shù)值是根魔據(jù)溫度變化大幫的區(qū)間決定宿的艱)難，以后每經(jīng)過檔一次采樣則計懂?dāng)?shù)器挽減身1鍵，在計數(shù)器非酒零時故障閥值向為湯0.50泉0爭℃虛，歸零后故障蠢閥值降為寇0.20歸0杰℃宰。揀考慮到溫訴度傳感器可能芝因外界的干擾京而造成輸出的災(zāi)變化，而在干辱擾消失后輸出濃又恢復(fù)正常的鞋情況，我們設(shè)始定當(dāng)傳感器輸參出連令續(xù)繳3見次超限時認(rèn)為抱傳感器發(fā)生故復(fù)障，少勸于易3本次時只記錄超診限而并不發(fā)出器傳感器故障信炭號。堡2線.睡傳感器灰色預(yù)陷測模型的驗證喉下表為該形傳感器在脊200羽4腎年慶1鈴0絨月退1淚1薯日捧22:4賺7穗至拿23:1衰4碌之間傳感器輸俗出，采樣周期圈為示1葵分鐘，在澤第乘8鄭個采樣值處冷武水機(jī)組關(guān)機(jī)。仍告表碌2半稀開機(jī)前嗽后產(chǎn)6-1識#早水溫傳感器輸耀出值雄序號誠1尖2衡3豬4內(nèi)5廁6耍7蔬溫成度占℃頑6.010麥6.045盡6.100恢5.920裹5.900漿6.020通6.250湊序號州8糾9捎10彈11裂12僑13渠14估溫菌度蠶℃肌5.950偽6.350歸6.955爽7.750園8.350驗9.300紹10.000微眾序號忽15倆16旬17嚇18安19漏20蠻21另溫球度協(xié)℃壓10.400過妻10.650育監(jiān)10.840賠搶10.950莖具11.110宴霞11.150哭海11.200豎弄序號障22器23鑒24霧25躺26度27貸濤28束溫判度?！嫒?1.300么儲11.450金躺11.650未11.700里給11.680咽援11.740耳焦11.740佩采標(biāo)用柏5惕個時間序列建乒模，得到徹第籌6女個采樣的預(yù)測舞值為快5.83肯9算℃符，與實際采樣撇值濕6.02扎0等℃童之差為蘿0.18糞1茅℃仇，小于閥值性0.20啄0置℃敘，故認(rèn)為在授第亞6量個采樣時刻傳犬感器無故障。畝用怎第伍2澤至它第政6哄個時刻的采樣片值建模，得到柏第哲7筑個時刻的采樣存的預(yù)測值制5.92緞0歸℃輛，與實際采樣咬值之差為股0.33矩0債℃敵，大于此時刻潛的閥值蠢0.20哄0忌℃嘩，此時記錄傳慈感器輸出超饅限輩1筆次，在進(jìn)行以富后采樣時刻預(yù)救測時用則第宋7夾個時刻的預(yù)測參值拿5.92防0詞℃抵代替實際采樣資值屆6.25量0勒℃忌。以準(zhǔn)第差3綱、座4談、扛5差、魯6撐時刻的采樣值坦加上宗第弊7棚時刻的預(yù)測值乘進(jìn)行建模預(yù)測炊第替8奴個時刻的值為砍5.96崗7伴℃邊。與實際采樣插值的誤差為腰0.01休7籠℃季小于閥值恩0.20摧0環(huán)℃駱?？梢哉J(rèn)為傳疑感器在受第磁7私個采樣時刻發(fā)摔生了暫發(fā)性故愁障，而后又自宴動恢復(fù)。買以蘆第死4妄、彎5拾、課6囑時刻的采樣值員加上樸第輪7話時刻的預(yù)測值助、葬第汁8繁個時刻的采樣邁值進(jìn)行建模，杏得到桶第異9缺個時刻預(yù)測值挪5.96嚴(yán)0腦℃籌，與采樣值誤繳差為蜓0.39抱0春℃例。由于在臘第磨9睜個采樣時刻之幟前有關(guān)機(jī)信號釋，故閥值變?yōu)橥?.50蘿0胖℃青，認(rèn)為此時刻腹傳感器正常。搖由以上分凝析可以看出，半基于灰色預(yù)測率模型的傳感器壽故障診斷方法豎是有效的。四、小結(jié)雖隨著控制匙系統(tǒng)控制精度刮要求的提高，號傳感器的故障那診斷技術(shù)也得交到了迅速的發(fā)絮展。相對于其個余的傳感器故音障診斷方法，前基于灰色預(yù)測命模型的傳感器濱故障診斷方法扮具有以下優(yōu)點(diǎn)晃：臂軌曠(1)露.秋相對于一件冗常余法來說，基戰(zhàn)于灰色預(yù)測模昌型的傳感器故悟障診斷方法具虹有硬件投資少圾的特點(diǎn)，僅僅夢需要增加一臺臟故障診斷計算弟機(jī)或者直接采扛用控制系統(tǒng)的介計算機(jī)即可；鈴禽牛(2)雨.絨相對于解析冗盾余來說具有不厭需要對傳感器份進(jìn)行深入分析過易于建模的特墨點(diǎn)。非伍懼(3)貫.篩相對于基于概駐率統(tǒng)計的方法聽來說具有預(yù)測鑰精度高，預(yù)測尼誤差小的特點(diǎn)來。邀當(dāng)然，基鹽于灰色預(yù)測模弄型的傳感器故震障診斷方法也兩存在缺點(diǎn)，主字要就是該方法蛇只能檢測出傳款感器突發(fā)性故帝障，而對于傳瓦感器的漸發(fā)性理故障（如零點(diǎn)駝漂移故障）就楚無能為力了。騾這個缺點(diǎn)可以欣通過結(jié)合其余搖的診斷方法或注者定期對傳感議器進(jìn)行零點(diǎn)校蜻正來克服。巴總的說來遙，基于灰色預(yù)岡測模型的傳感寫器故障診斷方爺法具有投資少知，精度高易于籌建模與編程等叨特點(diǎn)，結(jié)合其短它的方法，可男以建立比較完敬善的傳感器故鈔障診斷系統(tǒng)。參考文獻(xiàn)：璃副〔繪1謎〕鄧聚龍，灰勁色系統(tǒng)基本方假法，華中工學(xué)緣