第六章故障診斷的基本方法

6.1故障診斷方法的分類（1）基于信號處理的方法（2）基于解析模型的方法（3基于知識的故障診斷方法1（1）基于信號處理的方法所謂基于信號處理的方法，通常是利用信號模型，如相關函數、頻譜、小波變換等，直接分析可測信號，提取諸如方差、幅值、頻率等特征值，從而檢測出故障。基于信號處理的方法主要有：21）小波變換方法小波變換是一種時－頻分析方法。故障診斷時，對采集的信號進行小波變換，在變換后的信號中除去由于輸入變化引起的奇異點，剩下的奇異點即為系統發生的故障點。基于小波變換的方法可以區分信號的突變和噪聲，故障檢測靈敏準確，克服噪聲能力強。32）主元分析方法主元分析是一種有效的數據壓縮和提取方法，該方法可以實現在線實時診斷。主元分析用于故障診斷的基本思想是：對過程的歷史數據采用主元分析方法建立正常情況下的主元模型，一旦實測信號與主元模型發生沖突，就可判斷故障發生，通過數據分析可以分離出故障。43）利用δ算子的故障診斷利用δ算子的故障診斷是基于算子構造Hilbert空間的最小二乘投影向量集，推導出完整的格形濾波器作為故障檢測濾波器，用δ算子描述的后向預測誤差向量的首位元素作為殘差，并采用自適應噪聲抵消技術使殘差對故障敏感。5（2）基于解析模型的方法基于解析模型的方法是在明了診斷對象數學模型的基礎上，按一定的數學方法對被測信息進行診斷處理，可分為狀態估計法和參數估計法。6（3）基于知識的故障診斷方法近年來，人工智能及計算機技術的發展，為故障診斷技術提供了新的理論基礎，產生了基于知識的診斷方法，此方法由于不需要對象的精確數學模型，而且具有智能特性。基于知識的故障診斷方法有：專家系統故障診斷方法、模糊故障診斷方法、故障樹故障診斷方法、神經網絡故障診斷方法、信息融合故障診斷方法。76.2故障診斷的基本方法（1）、傳統的故障診斷方法（2）、專家系統故障診斷方法（3）、故障樹故障診斷方法8（1）、傳統的故障診斷方法首先是利用各種物理的和化學的原理和手段，通過伴隨故障出現的各種物理和化學現象，直接檢測故障．例如：可以利用振動、聲、光、熱、電、磁、射線、化學等多種手段，觀測其變化規律和特征，用以直接檢測和診斷故障．這種方法形象、快速，十分有效，但只能檢測部分故障．其次，利用故障所對應的征兆來診斷故障是最常用、最成熟的方法.以旋轉機械為例，振動及其頻譜特性的征兆是最能反映故障特點、最有利于進行故障診斷的手段。9（2）、專家系統故障診斷方法故障診斷系統的專家系統主要由知識庫、知識處理模塊、診斷推理模塊、人機接口等部分組成，總體結構如下圖：101）專家系統中的知識庫知識庫是專家系統的核心部分,它的完善與否決定了專家系統的工作能力及效率。通常專家系統知識庫的存儲采用鏈表形式，知識庫的擴充、刪除、修改等操作實質上是插入、刪除和修改鏈表的一個節點。112）專家系統知識庫結構圖123）專家系統知識庫的建立例如：受電弓的故障原因結構圖134）規則：規則1:如果弓網接觸力不正常且受電弓電流不正常且弓頭振幅不正常則受電弓離線------受電弓故障規則2:如果受電弓汽缸氣壓不正常且升不起弓則受電弓汽缸故障規則3:如果滑板厚度不正常則受電弓弓頭滑板磨耗及偏磨規則4:如果受電弓升弓時間、降弓時間不正常且受電弓最大升弓高度不正常則受電弓機械部件有損壞145）推理機一個擁有了大量知識的系統仍不能解決專業領域問題，還必須具有應用知識的能力，即推理能力。所以除了知識庫外，推理機也是整個專家系統處理問題的核心模塊，它根據用戶提供的故障征兆，利用知識庫中存儲的知識，按一定的推理策略逐步求解問題。常用的推理策略有正向推理、反向推理和正反向推理。151.正向推理過程：正向推理是：根據在綜合數據庫中給出的己知事實，正向使用規則，即把規則的前件同當前數據庫的內容進行匹配來選取可用規則，若有多條規則可用，則按沖突消解策略從中選擇一條規則執行，將執行規則的結論添加到綜合數據中，直至問題求解或沒有可用規則。162.反向推理過程：反向推理是：根據在綜合數據庫中給出的假設，反向使用規則，即把規則的后件同當前數據庫的內容進行匹配來選取可用規則，若有多條規則可用，則按沖突消解策略從中選擇一條規則，將該規則的前件添加到綜合數據庫中，直至問題求解(假設成立所需要的全部證據和事實在數據庫中)或沒有可用規則。173、專家系統進行故障診斷的過程專家系統工作，就是模擬人類專家進行思維。所以，專家系統進行故障診斷的過程應該如下圖所示：18（3）、故障樹故障診斷方法故障樹分析法是從果到因的分析方法，它以故障模式影響與后果分析法為基礎，對系統故障形成的原因采用從整體到局部按樹技狀逐漸細化分析的過程。故障樹分析法通過分析系統的薄弱環節來實現對機械設備故障的預測和診斷，是一種安全性與可靠性分析技術，對于系統故障的預測、預防、分析和控制效果比較顯著。192）故障樹基本理論故障樹分析法是一種圖形演繹法，需要一些專門表示邏輯關系的門符號、事件符號以及基本術語，表示事件之間的邏輯關系和因果關系。事件：是對系統狀態及元、部件狀態的描述，如正常事件（系統或元部件能夠完成規定功能）和故障事件（系統或部件不能完成規定功能）。部件：凡是能產生故障事件的元件及設備、子系統等，在故障樹中定義為部件。203）故障樹的建立建樹的關鍵要清楚地了解所分析的系統功能邏輯關系以及系統故障原理，建樹的完善程度直接影響故障樹定性分析和定量計算結果，故障應是實際系統故障組合和傳遞的邏輯關系的正確抽象。建樹過程，實際上就是工程技術人員對系統的深入分析思考過程，并且應有系統設計使用和可靠性方面的專家密切合作。21建樹的主要步驟：(1)熟悉系統首先必須對系統功能、結構原理、故障狀態、故障因素及其影響等作深刻透徹的了解，盡可能多地收集被診斷對象的技術資料以及其它基礎工作。(2)確定頂事件選取系統最不希望發生的故障事件為故障樹頂事件，頂事件必須有明確的定義，可以定量評定并且可以進一步地分解頂事件發生中間事件。一個系統可能有多個不希望發生的事件，可以建立多棵故障樹。22建樹的主要步驟：(3)構造故障樹

由頂事件出發，逐級找出各級事件的全部直接原因，并用故障樹的符號表示各類事件間的邏輯關系，直至分析到底事件止。(4)簡化故障樹

故障樹構成后，必須逐級寫出上級事件與下級事件的邏輯關系式，直至頂事件，結合邏輯運算算法作進一步的分析運算，刪除多余事件。23例DK-1電空制動機故障樹的建立DK-1制動機故障主要分為控制電路故障、閥類部件故障以及空氣管路故障，根據故障樹分析理論，可以分別定義為：控制電路故障事件、閥類部件故障事件以及管路連接故障事件。根據故障樹理論可以按故障部件類別構造一個簡單的故障樹。24控制電路故障事件DK-1型機車電空制動機操縱與轉換控制系統是采用電控方式，控制電路部分可能出現各種各樣故障。包括：控制電路接線不良、插座插頭虛接、電子元器件虛焊、二級管和壓敏電阻的擊穿都將造成控制指令失效；而繼電器卡位、繼電器觸頭接觸不良、繼電器線圈短路，電空閥線圈斷路以及控制導線短路、接地則會造成執行部件不動作或動作錯誤。25閥類部件故障事件閥類部件故障直接影響氣路作用。此類故障一般發生在閥類部件的內部滑體上。如：缺少油脂潤滑造成分配閥的滑閥，節制閥也將出現卡滯而造成風路不能勾通；由于動作頻繁和老化等原因，彈簧件會失效,影響閥類部件正常動作；橡膠件龜裂將造成串風或漏風，使閥體不能動作或性能下降；同樣，閥類部件內的小孔堵塞將影響閥類控制功能。26管路連接故障事件故障表現為管路堵塞或泄漏，包括：具有排水、濾清作用的部件因有污物或冬天積水結冰出現堵塞，管道內部混合的機械雜質可能在管道彎曲部分或者空氣管路異徑接口處造成堵塞。27基于部件類型故障樹28將制動機運行在不同工況下，可能出現的故障歸納為十四種工況故障事件：大閘運轉位小閘運轉位故障事件；大閘中立位小閘運轉位故障事件；大閘制動位小閘運轉位故障事件；大閘緊急制動小閘運轉位故障事件；大閘過充位小閘運轉位故障事件；大閘重聯位小閘運轉位故障事件；大閘運轉位小閘制動位時故障事件；大閘運轉，小閘中立位時故障事件；檢查按鈕故障事件；空電聯合制動時故障故障事件；(空氣位)大閘運轉位，小閘制動位時故障事件；(空氣位)大閘運轉小閘運轉位故障事件；(空氣位)大閘運轉，小閘緩解故障事件；(空氣位)大閘運轉，小閘保壓故障事件。29基于制動機工況故障樹模型306.5故障診斷的知識構成知識是以各種方式把多個信息關聯在一起的信息結構．是人類在長期的生產和實踐活動中所積累的認識和經驗的總結．研究知識的構成實質上是對知識進行分類處理和合理的形式化描述．診斷知識具體可分為：故障征兆、背景知識、經驗知識、模型知識、過程知識、決策知識和控制知識．311.故障征兆故障征兆屬于事實性知識，它是對故障各種特征屬性值表現為異常時的一種定性或定量描述．

2．背景知識背景知識分為兩類：

(1)第1類背景知識主要是指來自理論分析、故障機理研究、模型實驗的實測數據、故障可能引起的后果分級等．(2)第2類背景知識主要是指設備在運行時所發生故障的情景描述，包括故障類型、故障現象、處理措施等．323．經驗知識經驗知識是指領域專家在長期的設備故障診斷實踐中積累起來的關于如何進行故障診斷的啟發式知識，是一種淺知識．經驗知識的最大特點在于其啟發式，因而求解效率很高，這對實時性有嚴格要求的情況是一個很大的優點；

4．模型知識模型知識是指基于設備的結構、行為和功能描述的診斷知識．這類知識屬于深層知識，與經驗知識不同，它能夠對未曾預料到的故障進行診斷.335．過程知識過程知識常常反映一個動態的具有時序的過程．如果一個過程能用數學模型來描述，則過程知識能用一段計算機程序來描述．6．決策知識決策知識是指設備及其各分系統、部件和元件出現異常發生故障時是否應該或采取怎樣的處理措施，針對各類故障可采用的檢測和維修方案，以及故障再現對策和故障排除對策．