模糊理論與故障診斷

模糊理論與故障診斷第1頁(yè)/共17頁(yè)引言機(jī)械故障診斷中，故障現(xiàn)象與故障原因之間通常沒有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，一種故障現(xiàn)象可能是由多種原因引起，而一種原因發(fā)生故障可能會(huì)產(chǎn)生多種現(xiàn)象。因此，機(jī)械故障具有一定的模糊性，具體表現(xiàn)為：a．同一故障表現(xiàn)形式呈多樣性．b．幾種故障同時(shí)發(fā)生并互相誘發(fā)；c．故障間的分類具有模糊性，即不同故障具有相似或相近的特征；d．故障的存在程度具有模糊性，不能把故障絕對(duì)識(shí)別為存在與不存在。對(duì)于機(jī)械故障的模糊現(xiàn)象，用傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)工具進(jìn)行定量診斷往往存在一些困難，而模糊數(shù)學(xué)方法則顯示出其優(yōu)越性。模糊診斷法是一種基于知識(shí)的自動(dòng)診斷方法，它是利用模糊邏輯來描述故障原因與故障現(xiàn)象之間的模糊關(guān)系，通過隸屬函數(shù)和模糊關(guān)系方程解決故障原因與狀態(tài)識(shí)別問題。第2頁(yè)/共17頁(yè)模糊診斷原理

若對(duì)論域（研究的范圍）U中的任一元素x，都有一個(gè)數(shù)A（x）∈[0，1]與之對(duì)應(yīng)，則稱A為U上的模糊集，A（x）稱為x對(duì)A的隸屬度。當(dāng)x在U中變動(dòng)時(shí)，A（x）就是一個(gè)函數(shù)，稱為A的隸屬函數(shù)。隸屬度A（x）越接近于1，表示x屬于A的程度越高，A（x）越接近于0表示x屬于A的程度越低。常用的確定隸屬度函數(shù)的方法包括：模糊統(tǒng)計(jì)法，例證法，專家經(jīng)驗(yàn)法，二元對(duì)比排序法。隸屬度與隸屬函數(shù)第3頁(yè)/共17頁(yè)故障原因與故障征兆的數(shù)學(xué)表示

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模糊關(guān)系矩陣第5頁(yè)/共17頁(yè)模糊故障診斷方法

模糊故障診斷方法主要分為純模糊方法和混合模糊方法。純模糊故障診斷方法通過收集數(shù)據(jù)、專家經(jīng)驗(yàn)等，運(yùn)用模糊理論對(duì)這些信息進(jìn)行模糊建模、模糊聚類等處理，得出診斷結(jié)果。它不需要建立精確的系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，能夠模擬人類處理問題的方式。但其缺陷在于很大程度地依賴人的經(jīng)驗(yàn)，本身不具有學(xué)習(xí)能力，系統(tǒng)越復(fù)雜，則診斷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也變得越復(fù)雜，診斷時(shí)間大大增加?；旌夏：椒ò涯：夹g(shù)和其它技術(shù)相結(jié)合，取長(zhǎng)補(bǔ)短，彌補(bǔ)純模糊方法的不足，提高故障診斷的效果，它能夠適用于大型、復(fù)雜的系統(tǒng)。第6頁(yè)/共17頁(yè)基于模糊邏輯的方法只要選擇適當(dāng)?shù)碾`屬函數(shù)、模糊規(guī)則和反模糊化算子，一個(gè)模糊邏輯系統(tǒng)也可以任意精度逼近給定的函數(shù)。由于模糊邏輯系統(tǒng)采用模糊規(guī)則的知識(shí)表達(dá)方式，它除了能夠處理模糊信息，還具有在模糊推理過程中規(guī)則容易解釋的優(yōu)點(diǎn)。有學(xué)者鑒于發(fā)電機(jī)故障大部分是由絕緣損壞后導(dǎo)致短路引起的，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于模糊產(chǎn)生式規(guī)則推理的故障診斷專家系統(tǒng)。首先，建立一個(gè)反映專家經(jīng)驗(yàn)的模糊知識(shí)庫(kù)，其中包含模糊知識(shí)和模糊推理規(guī)則等。模糊推理機(jī)根據(jù)用戶輸入的征兆數(shù)據(jù)，結(jié)合模糊知識(shí)庫(kù)進(jìn)行模糊推理。最后顯示可能性最大的病因，并給出處理意見。第7頁(yè)/共17頁(yè)基于模糊綜合評(píng)價(jià)的方法模糊綜合評(píng)判分為一級(jí)模型和多級(jí)模型，多級(jí)模型是一級(jí)模型的擴(kuò)展。故障診斷的模糊綜合評(píng)判模型包含三要素：因素集、評(píng)判集、單因素決斷(即單征兆診斷結(jié)果)。但模糊綜合評(píng)判方法在進(jìn)行故障診斷時(shí)也存在一些問題，如：不能完全分辨故障的性質(zhì)，不能識(shí)別多故障，不能正確識(shí)別一些征兆量很多的故障等，故只能用于初級(jí)診斷。第8頁(yè)/共17頁(yè)基于模糊模型的方法這種方法不依賴專家經(jīng)驗(yàn)和案例，也無需建立待診斷對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，只需要根據(jù)模糊模型描述的對(duì)于待診斷對(duì)象輸入輸出變量的模糊映射關(guān)系的模糊規(guī)則進(jìn)行診斷。其中，T-S模糊模型是一類典型而又特殊的非線性系統(tǒng)，它將正常的模糊規(guī)則和推理轉(zhuǎn)化成一種數(shù)學(xué)表達(dá)形式，具有良好的逼近性能。其本質(zhì)是將全局非線性系統(tǒng)通過模糊劃分建立多個(gè)簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，對(duì)多個(gè)模型的輸出再進(jìn)行模糊推理和判決，從而表示復(fù)雜的非線性關(guān)系。第9頁(yè)/共17頁(yè)模糊聚類分析模糊聚類故障診斷方法的基本思想是：用當(dāng)前所得的故障征兆群與過去在本機(jī)器設(shè)備(或同類機(jī)器設(shè)備)上各種診斷與故障分析得到的征兆結(jié)果相對(duì)照，找出本次故障與過去己確診的各故障中最相似的結(jié)果，即將相似的結(jié)果聚成為一類。模糊聚類分析方法大致可以分為兩種：一種是基于模糊等價(jià)關(guān)系與相似關(guān)系的模糊聚類算法，它也成為系統(tǒng)分析法。另一種稱為非系統(tǒng)聚類法，主要有所謂的模糊-C劃分方法，它是先把樣品粗略地劃分一下，然后按最優(yōu)原則進(jìn)行分類，經(jīng)過多次迭代直到分類比較合理為止。第10頁(yè)/共17頁(yè)模糊故障樹在模糊故障樹中，采取的主要方法有三類：底事件故障概率的模糊化、門的模糊化、主觀事件的模糊化。前兩種方法只考慮了客觀事件對(duì)系統(tǒng)的影響，沒有考慮到人為因素。由于在實(shí)際操作中，人的操作也可能對(duì)系統(tǒng)造成一定的故障。因此，也可以把底事件劃分為客觀事件和主觀事件,其中客觀事件發(fā)生的概率由歷史數(shù)據(jù)得到，主觀事件用模數(shù)表示，再把兩者綜合到故障樹中。第11頁(yè)/共17頁(yè)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與模糊邏輯系統(tǒng)有五種結(jié)合方式：1)松散型結(jié)構(gòu)。在這樣的結(jié)構(gòu)中，能用“IF-THEN”規(guī)則表示的部分用模糊邏輯系統(tǒng)描述,難以用“IF-THEN”規(guī)則表示的部分則用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)。2)并聯(lián)型結(jié)構(gòu)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊邏輯系統(tǒng)按并聯(lián)方式連接,享有共同的輸入。3)串聯(lián)型結(jié)合。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊邏輯系統(tǒng)按串聯(lián)方式連接，一方的輸出即為另一方的輸入。4)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)型結(jié)合。系統(tǒng)由模糊邏輯系統(tǒng)表示，但模糊邏輯系統(tǒng)的隸屬函數(shù)或模糊規(guī)則是通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)來生成和調(diào)整。5)結(jié)構(gòu)等價(jià)型結(jié)合。將模糊系統(tǒng)用等價(jià)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)表示，使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)所有節(jié)點(diǎn)和參數(shù)對(duì)應(yīng)模糊系統(tǒng)的隸屬函數(shù)或推理過程。前三種結(jié)合稱為淺結(jié)合,都可以將系統(tǒng)簡(jiǎn)單分為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)和模糊邏輯子系統(tǒng)兩部分；后兩種結(jié)合稱為深結(jié)合，在研究和應(yīng)用上有更重要的意義，特別是網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)型結(jié)合方式已成為當(dāng)前神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與模糊理論結(jié)合的研究與應(yīng)用熱點(diǎn)。第12頁(yè)/共17頁(yè)模糊遺傳算法在故障診斷中，模糊理論和遺傳算法結(jié)合有兩種方式：一種是用遺傳算法處理非精確環(huán)境下的模糊信息,如優(yōu)化模糊集合的隸屬函數(shù)或模糊關(guān)系模型等；另一種是用基于模糊邏輯的方法來處理現(xiàn)有遺傳算法中的問題，以改善其性能。第13頁(yè)/共17頁(yè)模糊專家系統(tǒng)模糊專家系統(tǒng)具備一般專家系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn),它相比于一般專家系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)在其對(duì)不確定知識(shí)的處理上。它有兩種結(jié)構(gòu)形式:一個(gè)基于規(guī)則的模糊專家系統(tǒng)通常由輸入輸出模塊、模糊數(shù)據(jù)庫(kù)、模糊知識(shí)庫(kù)、模糊推理機(jī)、學(xué)習(xí)模塊和解釋模塊構(gòu)成；而一個(gè)基于事例的模糊專家系統(tǒng)解決問題的全過程可分為：事例表示、事例獲取、事例重用、事例修改、和事例保留(或?qū)W習(xí))。模糊專家系統(tǒng)由于采用模糊數(shù)學(xué)理論來進(jìn)行規(guī)則或事例的模糊化，比如規(guī)則或事例閾值、規(guī)則可信度、征兆權(quán)重等都是人為設(shè)定的，所以推導(dǎo)出的結(jié)論可能客觀性稍微差一些，存在較多的主觀性。設(shè)置更客觀的參數(shù)值或?qū)ふ腋m合的理論支持是完善專家系統(tǒng)的一個(gè)發(fā)展方向。第14頁(yè)/共17頁(yè)總結(jié)由于模糊理論的模型算法本身固有的一些缺陷，目前所提出的一些改進(jìn)算法仍無法徹底解決陷入局部極小值和收斂性能差的問題。現(xiàn)在的智能診斷技術(shù)向著更迅速、精確、可靠、穩(wěn)定的方向發(fā)展，出現(xiàn)了綜合多種算法單一優(yōu)點(diǎn)的更復(fù)雜的診斷系統(tǒng)，如前面介紹的混合模糊診斷方法。第15頁(yè)/共17頁(yè)參考文獻(xiàn)楊國(guó)忠，吳碧仁，辛少菲.《模糊理論在系統(tǒng)故障診斷中的應(yīng)用》.計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程，Vol.43,No.52015吳吉平，吳運(yùn)新，隆志力.《基于模糊數(shù)學(xué)的故障診斷專家系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)》.包裝工程，Vol.24,No.42003