故障診斷的新發(fā)展

故障診斷的新發(fā)展第1頁/共55頁11四月20232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)展趨勢結束語第2頁/共55頁11四月202338.1模糊診斷法8.1.1模糊的概念

8.1.2模糊數(shù)學的相關知識8.1.3模糊控制第3頁/共55頁11四月202348.1.1模糊的概念

模糊性是指事物本身的概念不清楚，本質上沒有確切的定義，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)學方法主要是模糊數(shù)學。第4頁/共55頁11四月20235在機械故障診斷中，模糊性主要表現(xiàn)為：檢測目標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構的材料特性、幾何特征、載荷及邊界條件等方面。第5頁/共55頁11四月20236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。第6頁/共55頁11四月20237模糊實例風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:第7頁/共55頁11四月20238

1965年美國加利福尼亞大學自動控制專家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。模糊集合的背景第8頁/共55頁11四月202398.1.2模糊數(shù)學的相關知識普通集合隸屬函數(shù)模糊集合特征函數(shù)第9頁/共55頁11四月202310

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第10頁/共55頁11四月202311在經典集合中，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系不具有清晰明確的界限。第11頁/共55頁11四月202312經典集合的表示方法第12頁/共55頁11四月202313

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）序偶表示法第13頁/共55頁11四月202314

（1）向量表示法

當論域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

。第14頁/共55頁11四月202315

（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)之間的對應關系。第15頁/共55頁11四月202316

（3）序偶表示法將論域中元素與其隸屬度函數(shù)構成序偶來表示A，則：第16頁/共55頁11四月2023178.1.3模糊控制模糊控制是用模糊數(shù)學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)學模型。第17頁/共55頁11四月202318控制思想：模糊控制事先總結歸納出一套完整的控制規(guī)則，放在計算機中。+傳感器測量的當前值模糊推理判決計算出控制量第18頁/共55頁11四月202319模糊控制基本思想：首先根據(jù)操作人員手動控制的經驗，總結出一套完整的控制規(guī)則，再根據(jù)系統(tǒng)當前的運行狀態(tài)，經過模糊推理、模糊判決等運算，求出控制量，實現(xiàn)對被控對象的控制。第19頁/共55頁11四月202320模糊控制的起源：

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

1974年英國工程師（E.H.Mamdani）馬丹尼將模糊集合理論應用于鍋爐和蒸汽機的控制，獲得成功，模糊數(shù)學走向應用，取名模糊控制。第20頁/共55頁11四月202321模糊控制過程第21頁/共55頁11四月2023228.2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)的診斷方法與實例第22頁/共55頁11四月202323

背景：灰色系統(tǒng)理論是我國華中理工大學鄧聚龍教授提出的一種處理動態(tài)系統(tǒng)的數(shù)學方法。應用范圍：工業(yè)、農業(yè)、社會、經濟、能源、地質、石油等眾多科學領域，成功地解決了生產、生活和科學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

第23頁/共55頁11四月202324幾種不確定方法的比較概率統(tǒng)計、模糊數(shù)學和灰色系統(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)學著重研究“認識不確定”問題。例如：“年輕人”是個模糊概念，第24頁/共55頁11四月202325灰色系統(tǒng)理論著重研究概率統(tǒng)計、模糊數(shù)學難以解決的“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。第25頁/共55頁11四月202326第26頁/共55頁11四月2023278.2.2灰色系統(tǒng)人們只能憑邏輯推理，憑某些觀念意識，憑某種準則對系統(tǒng)的結構，關系進行論證，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)。灰色理論是按顏色命名的，在控制論中，人們常用顏色的深淺形容信息的明確程度。第27頁/共55頁11四月202328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)。第28頁/共55頁11四月202329灰色系統(tǒng)理論的主要內容灰色系統(tǒng)理論作為一門新興學科的結構體系。灰色系統(tǒng)理論體系方法體系分析體系模型體系技術體系第29頁/共55頁11四月202330一切隨機量都看作是在一定范圍內變化的灰色量。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。灰色系統(tǒng)的基本觀點：第30頁/共55頁11四月202331圖灰色診斷計算框圖第31頁/共55頁11四月202332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）第32頁/共55頁11四月2023338.2.3灰色系統(tǒng)的診斷方法與實例第33頁/共55頁11四月202334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？第34頁/共55頁11四月202335第35頁/共55頁11四月202336例：某地區(qū)1998—2004年總收入，工業(yè)收入，農業(yè)收入（單位：億元）年份1998199920002001200220032004總收入18202240444860工業(yè)收入10151624284050農業(yè)收入3251012810第36頁/共55頁11四月202337將表反映在圖上第37頁/共55頁11四月202338分析上圖的基本思想：根據(jù)曲線間相似程度來判斷關聯(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)，而不是農業(yè)。在制定該地區(qū)經濟發(fā)展規(guī)劃時，顯然應著重發(fā)展工業(yè)。第38頁/共55頁11四月202339總結這種因素分析的比較，實質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。第39頁/共55頁11四月2023408.3機械故障診斷的發(fā)展趨勢故障診斷的含義：故障診斷技術是一門了解和掌握設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。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。第40頁/共55頁11四月202341設備診斷技術的研究內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備故障有關的特征信息，與正常信息只進行對比，進行狀態(tài)檢測。第41頁/共55頁11四月202342（3）判斷故障種類：從上一步的結果中運用各種經驗和知識，對設備的狀態(tài)進行識別，進而做出維修決策。第42頁/共55頁11四月2023438.3.1發(fā)展現(xiàn)狀傳感器技術研究：傳感技術是反應設備狀態(tài)參數(shù)的儀表技術。國內先后開發(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)的傳感技術有光導纖維、激光、聲發(fā)射等。第43頁/共55頁11四月202344信號分析與處理技術：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。第44頁/共55頁11四月202345人工智能和專家系統(tǒng)神經網絡：比如旋轉機械神經網絡分類系統(tǒng)等的研究已經得到了應用。第45頁/共55頁11四月202346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構，直至以網絡為基礎的分布式系統(tǒng)的結構，變化形式越來越復雜，要求越來越高。專門化與便攜式診斷儀器和設備的研制與開發(fā)。第46頁/共55頁11四月2023478.3.2發(fā)展趨勢設備故障診斷技術與當代前沿科學的融合是設備故障診斷技術的發(fā)展方向。當今故障診斷技術的發(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，診斷技術的智能化，表現(xiàn)如下：第47頁/共55頁11四月202348與當代最新傳感技術尤其是激光測量技術的融合。近年來，激光技術已從軍事、醫(yī)療。機械加工等領域深入發(fā)展到振動測量和設備故障診斷中，并且已經成功應用與旋轉機械對中等方面。第48頁/共55頁11四月202349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有了新的突破性進展。第49頁/共55頁11四月202350與非吸納性原理和方法的融合。機械設備在發(fā)生故障時，其行為往往表現(xiàn)為非線性特征。如能旋轉機械的轉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法的日趨完善，這類問題必將得到進一步解決。第50頁/共55頁11四月202351與多元傳