數(shù)據(jù)驅(qū)動的多元統(tǒng)計(jì)故障診斷及應(yīng)用.pdf

1、隨著信息科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，國防和國民經(jīng)濟(jì)各個領(lǐng)域的大型機(jī)械系統(tǒng)、工程系統(tǒng)和自動化系統(tǒng)復(fù)雜性與自動化程度不斷提高，人們迫切需要提高整個系統(tǒng)的可靠性、可維修性和安全性。由于系統(tǒng)在運(yùn)行過程中是一個相互影響的統(tǒng)一整體，其不同設(shè)備之間存在著密切的聯(lián)系且同一設(shè)備不同部分之間也含有緊密的耦合，使得發(fā)生的故障難以準(zhǔn)確的判斷和定位，若不能將其及時診斷并排除就會導(dǎo)致設(shè)備甚至整個系統(tǒng)不能有效正常運(yùn)行，嚴(yán)重的故障會造成災(zāi)難性事故。
　　 由于計(jì)算機(jī)技

2、術(shù)及各種智能儀表在工業(yè)過程中的廣泛應(yīng)用和不斷發(fā)展，反映系統(tǒng)運(yùn)行狀況的海量過程數(shù)據(jù)被采集并存儲下來。如何利用這些積累的海量離、在線運(yùn)行數(shù)據(jù)，在難以建立起系統(tǒng)機(jī)理模型進(jìn)行故障診斷的情況下，通過分析數(shù)據(jù)特征及其內(nèi)在規(guī)律實(shí)現(xiàn)對工業(yè)過程及其相關(guān)設(shè)備的故障診斷，最終到達(dá)提高產(chǎn)品質(zhì)量、保證生產(chǎn)安全、減少經(jīng)濟(jì)損失的目的，成為近年來工程和學(xué)術(shù)界的研究熱點(diǎn)之一。
　　 為此，本文從大型自動化系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)特點(diǎn)和動態(tài)非平穩(wěn)過程的診斷需求分析出發(fā)，利用

3、相應(yīng)的數(shù)學(xué)理論并結(jié)合工程實(shí)際，系統(tǒng)深入地開展了數(shù)據(jù)驅(qū)動的多元統(tǒng)計(jì)故障診斷研究，為進(jìn)一步完善基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的故障診斷理論體系作出一定程度的貢獻(xiàn)，以期實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動的故障診斷在實(shí)際中的良好應(yīng)用。通過采用現(xiàn)有數(shù)據(jù)驅(qū)動的故障診斷體系中的各種方法以及本文所提出的一些新方法，以6135D柴油機(jī)在漏氣故障下的海量數(shù)據(jù)作為診斷的數(shù)據(jù)樣本，分別對該數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行了數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)。數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，本文所開展的各項(xiàng)研究工作及在此基礎(chǔ)上所取得的一些創(chuàng)新性成果，在具有較

4、為廣泛的應(yīng)用前景的同時，還具有較為重要的科學(xué)研究意義。本文所進(jìn)行的主要研究工作如下：
　　 ①通過將含有恒偏差、緩變、突變和和高頻正弦等幾種類型故障的染噪信號在各個尺度下進(jìn)行小波分解并提取出相應(yīng)的細(xì)節(jié)特征，詳細(xì)地分析了動態(tài)非平穩(wěn)過程數(shù)據(jù)的多尺度特征，得到了故障特征在數(shù)據(jù)空間中的分布規(guī)律。針對小波濾波中所出現(xiàn)的邊緣效應(yīng)造成濾波后信號所產(chǎn)生的毛刺和尖峰，結(jié)合Toeplitz矩陣和Gram-Schmidt正交化算法設(shè)計(jì)了邊緣校正濾波器

5、，從而減輕邊緣效應(yīng)對信號濾波造成的不良影響。
　　 ②分析了小波變換檢測信號奇異性的相關(guān)原理。為克服傳統(tǒng)基于小波變換的信號奇異性檢測方法不能克服噪聲的影響，而預(yù)先對信號降噪的同時又容易造成部分故障信息的丟失，提出了一種基于多尺度積的故障奇異性檢測與奇異點(diǎn)定位方法。該方法充分利用了小波變換多尺度積在有效增強(qiáng)信號的細(xì)節(jié)特征的同時又能有效抑制噪聲影響的特性。
　　 ③針對傳統(tǒng)PCA因模型固定、尺度單一不能準(zhǔn)確反映動態(tài)非平穩(wěn)過程

6、數(shù)據(jù)的時變和多尺度等統(tǒng)計(jì)特性的缺陷，通過在線多尺度濾波(OLMS)，結(jié)合遞歸主元分析(APCA)和多尺度主元分析(MSPCA)，并在已設(shè)計(jì)的邊緣校正濾波器基礎(chǔ)上，提出了基于在線多尺度濾波的多元統(tǒng)計(jì)故障診斷方法，實(shí)現(xiàn)了多元統(tǒng)計(jì)方法對過程數(shù)據(jù)的實(shí)時監(jiān)控。
　　 ④針對動態(tài)非平穩(wěn)過程數(shù)據(jù)的時變性和多尺度性導(dǎo)致故障診斷準(zhǔn)確率下降及故障準(zhǔn)確定位難以實(shí)現(xiàn)的不足，提出滑動窗口多尺度主元分析(Moving WindowMulti-scale P

7、rincipal Component Analysis，MW-MSPCA)，通過小波閾值消噪解決統(tǒng)計(jì)模型偏離與數(shù)據(jù)相關(guān)性降低之間的矛盾，并在各個尺度上利用滑動窗口主元分析實(shí)現(xiàn)模型更新，然后借助三維貢獻(xiàn)圖描述反映過程行為變化的各獨(dú)立過程變量對統(tǒng)計(jì)過程的貢獻(xiàn)程度，進(jìn)而對故障準(zhǔn)確定位。
　　 ⑤選取6135D型柴油機(jī)作為研究對象，分析其故障機(jī)理和缸蓋處振動信號特點(diǎn)，以該柴油機(jī)在漏氣故障下的測量數(shù)據(jù)作為樣本，分別采用傳統(tǒng)主元分析(PCA