第2章智能故障診斷的構(gòu)成

1、1智能故障診斷技術(shù)智能故障診斷技術(shù) 主講人：沈志熙 重慶大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院重慶大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院2第二章第二章 智能故障診斷的構(gòu)成智能故障診斷的構(gòu)成o 1. 智能故障診斷的基本結(jié)構(gòu)o 2. 智能故障診斷的構(gòu)成原理o 3. 智能故障診斷的構(gòu)成方法o 4. 智能故障診斷的評(píng)價(jià)指標(biāo)*31. 智能故障診斷的基本結(jié)構(gòu)智能故障診斷的基本結(jié)構(gòu)o 兩大部分：故障檢測(cè)與診斷故障檢測(cè)與診斷、故障容錯(cuò)控制智能故障診斷與容錯(cuò)控制的基本結(jié)構(gòu)智能故障診斷與容錯(cuò)控制的基本結(jié)構(gòu)4故障檢測(cè)與診斷模塊的主要任務(wù)故障檢測(cè)與診斷模塊的主要任務(wù)o 故障檢測(cè)與診斷故障檢測(cè)與診斷：就是從監(jiān)控對(duì)象中適時(shí)準(zhǔn)確地檢測(cè)出故障信息，并對(duì)故障產(chǎn)生的原因、部位

2、、類型、程度及其發(fā)展做出判斷。o 其主要任務(wù)主要任務(wù)通常包含以下幾個(gè)方面的內(nèi)容：n獲取故障信息；n尋找故障源，確定故障的位置、大小、類型及原因；n評(píng)價(jià)故障的影響程度，預(yù)測(cè)故障的發(fā)展趨勢(shì)；n對(duì)檢測(cè)診斷結(jié)果做出處理和決策。5故障檢測(cè)與診斷模塊的基本要求故障檢測(cè)與診斷模塊的基本要求o 1）對(duì)故障具有強(qiáng)檢測(cè)能力對(duì)故障具有強(qiáng)檢測(cè)能力n故障檢測(cè)能力的強(qiáng)弱，一方面反映了檢測(cè)診斷模塊對(duì)故障的檢測(cè)能力，另一方面也直接影響故障診斷的效果n對(duì)弱故障信號(hào)和早期故障信號(hào)，故障檢測(cè)能力尤為重要o 2）對(duì)故障具有強(qiáng)診斷能力對(duì)故障具有強(qiáng)診斷能力n能綜合運(yùn)用多種信息和多種診斷方法，以靈活的診斷策略來解決診斷問題；n能通過使用專

3、家的經(jīng)驗(yàn)，而盡量避開信號(hào)處理方面復(fù)雜的實(shí)時(shí)計(jì)算；n能處理帶有錯(cuò)誤的信息和不確定性信息，從而相對(duì)降低對(duì)測(cè)試儀器和工作環(huán)境的要求。6故障檢測(cè)與診斷模塊的基本要求故障檢測(cè)與診斷模塊的基本要求o 3）盡量采用模塊化結(jié)構(gòu)盡量采用模塊化結(jié)構(gòu)n結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)模塊化，使之可以方便地調(diào)用其他應(yīng)用程序n如維修咨詢子模塊、模擬故障診斷子模塊等o 4）具有人機(jī)交互診斷功能具有人機(jī)交互診斷功能n現(xiàn)代設(shè)備的復(fù)雜性，要求綜合運(yùn)用多種知識(shí)源（淺、深知識(shí)）來求解復(fù)雜問題n用戶適當(dāng)?shù)貙?shí)時(shí)參與，將使診斷速度更快、準(zhǔn)確性更高n用戶參與有主動(dòng)和被動(dòng)兩種方式：主動(dòng)參與可干預(yù)和引導(dǎo)推理過程；被動(dòng)參與只回答提問，而不干預(yù)推理過程7故障檢測(cè)與診斷模

4、塊的基本要求故障檢測(cè)與診斷模塊的基本要求o 5）具有多種診斷信息獲取的途徑具有多種診斷信息獲取的途徑n獲取的診斷信息越豐富，則診斷效果越好n首先，應(yīng)具有自動(dòng)獲取狀態(tài)信息（當(dāng)前、歷史）的功能n其次，應(yīng)能通過人機(jī)交互獲取狀態(tài)信息o 6）對(duì)問題求解應(yīng)當(dāng)實(shí)時(shí)和準(zhǔn)確對(duì)問題求解應(yīng)當(dāng)實(shí)時(shí)和準(zhǔn)確n實(shí)時(shí)：一旦發(fā)現(xiàn)故障跡象，應(yīng)立即開始診斷工作n準(zhǔn)確：輸出結(jié)果應(yīng)當(dāng)細(xì)致明了，對(duì)于并發(fā)故障允許輸出多個(gè)診斷解，對(duì)于同一故障則只有一個(gè)診斷解，對(duì)于征兆不完備情況應(yīng)輸出按權(quán)值排序的多個(gè)候選故障解8故障檢測(cè)與診斷模塊的基本要求故障檢測(cè)與診斷模塊的基本要求o 7）具有學(xué)習(xí)功能具有學(xué)習(xí)功能n現(xiàn)代設(shè)備的復(fù)雜性以及新知識(shí)的不斷涌現(xiàn)，導(dǎo)致

5、專家現(xiàn)有知識(shí)的不足n要求系統(tǒng)具有被動(dòng)和主動(dòng)（自學(xué)習(xí)）獲取新知識(shí)的能力o 8）具有預(yù)測(cè)能力具有預(yù)測(cè)能力n應(yīng)能預(yù)測(cè)故障的發(fā)生和發(fā)展，以便在故障沒有發(fā)生之前采取措施，將故障消滅在萌芽狀態(tài)，使損失減為最小o 9）具有決策能力具有決策能力n故障出現(xiàn)前，應(yīng)能提前預(yù)測(cè)故障n故障出現(xiàn)后，應(yīng)能對(duì)故障做出決策并提供維護(hù)方案92. 智能故障診斷的構(gòu)成原理智能故障診斷的構(gòu)成原理o 2.1 故障檢測(cè)與診斷方法o 2.2 故障檢測(cè)與診斷中的信息機(jī)制*o 2.3 故障檢測(cè)與診斷中的機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)102.1 故障檢測(cè)與診斷方法故障檢測(cè)與診斷方法o 1）基于數(shù)學(xué)模型的故障檢測(cè)與診斷方法n特點(diǎn)是必須將故障數(shù)學(xué)模型化，有時(shí)建立模型很

6、困難n不依賴實(shí)例和經(jīng)驗(yàn)，適用于新的沒有成熟經(jīng)驗(yàn)的診斷o 2）基于參數(shù)估計(jì)的故障檢測(cè)與診斷方法n特點(diǎn)是須先確定一個(gè)信任域，當(dāng)參數(shù)超出域時(shí)認(rèn)為故障n適用于故障能由參數(shù)的顯著變化來描述的診斷o 3）基于信號(hào)處理的故障檢測(cè)與診斷方法n通過對(duì)檢測(cè)信號(hào)的分析處理，利用特征信號(hào)對(duì)故障進(jìn)行識(shí)別和診斷。典型方法：小波變換、模態(tài)分解等o 4）基于知識(shí)的故障檢測(cè)與診斷方法n不需精確的數(shù)學(xué)模型，能模擬人的思維過程，具有自學(xué)習(xí)、自組織、自推理能力11o 5）基于實(shí)例的故障檢測(cè)與診斷方法n是一種使用過去的經(jīng)驗(yàn)實(shí)例指導(dǎo)解決新問題的方法n優(yōu)點(diǎn)是不需從實(shí)例中提取規(guī)則，求解快；不足是能搜集的實(shí)例是有限的，求解時(shí)可能出現(xiàn)誤診或漏診

7、o 6）基于模糊理論的故障檢測(cè)與診斷方法n征兆的描述、故障與征兆的關(guān)系往往具有模糊特性，模糊語言變量能更準(zhǔn)確地表示這種模糊性的征兆和故障n問題在于知識(shí)獲取困難：如何確定故障與征兆間的模糊規(guī)則；如何實(shí)現(xiàn)模糊語言變量與隸屬度間的推理轉(zhuǎn)換o 7）基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的故障檢測(cè)與診斷方法n利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)想、推理和記憶能力進(jìn)行知識(shí)處理n適用于復(fù)雜多模式的診斷，有離線和在線診斷兩種方式122.2 故障檢測(cè)與診斷中的信息機(jī)制故障檢測(cè)與診斷中的信息機(jī)制*o 在學(xué)習(xí)和訓(xùn)練中，故障識(shí)別信息來于兩方面：n一是由故障模式類別屬性構(gòu)成的信息源故障模式信故障模式信息源息源：由系統(tǒng)的可能故障及其類別的出現(xiàn)概率所構(gòu)成；n二是由故障

8、樣本特征屬性構(gòu)成的信息源故障特征信故障特征信息源息源：由故障特征和特征的概率分布函數(shù)所構(gòu)成。o 故障診斷是一個(gè)完整的信息獲取、處理、再生和利用的信息過程，其技術(shù)正是沿著如何有效挖掘、利用相關(guān)信息的方向發(fā)展的。13故障診斷技術(shù)中的信息發(fā)展過程故障診斷技術(shù)中的信息發(fā)展過程o 直接信號(hào)檢測(cè)方法直接信號(hào)檢測(cè)方法：直接測(cè)量系統(tǒng)I/O信號(hào)或作簡單處理，通過閾值比較或淺層特征量進(jìn)行故障診斷o 信號(hào)分析方法信號(hào)分析方法：基于信號(hào)分析理論獲取較深層特征量進(jìn)行故障診斷，如相關(guān)分析、譜分析、小波分析o 建模估計(jì)方法建模估計(jì)方法：面向過程建模，利用檢測(cè)信號(hào)估計(jì)出參數(shù)或狀態(tài)進(jìn)行診斷，如參數(shù)估計(jì)、狀態(tài)估計(jì)法o 人工智能方

9、法人工智能方法：20世紀(jì)80年代后期，以專家系統(tǒng)為代表，通過引入學(xué)習(xí)機(jī)制學(xué)習(xí)機(jī)制和人機(jī)協(xié)作，對(duì)專家知識(shí)所包含的信息間的因果關(guān)系進(jìn)行推理，讓信息獲取、處理、再生和利用等環(huán)節(jié)成為一種智能活動(dòng)142.3 故障檢測(cè)與診斷中的機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)故障檢測(cè)與診斷中的機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)o 故障診斷的智能化水平與系統(tǒng)的機(jī)器學(xué)習(xí)能力密切相關(guān)，機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)是提高智能故障診斷能力的主要途徑：n 1）知識(shí)獲取技術(shù)n 2）深淺知識(shí)集成表示方法n 3）規(guī)則更新方法n 4）機(jī)器學(xué)習(xí)策略）機(jī)器學(xué)習(xí)策略151）知識(shí)獲取技術(shù)）知識(shí)獲取技術(shù)o 知識(shí)獲取是構(gòu)造智能診斷系統(tǒng)的一個(gè)“瓶頸”問題o 傳統(tǒng)的知識(shí)獲取方法：n通過知識(shí)工程師獲取知識(shí)n通過知識(shí)

10、編輯器獲取知識(shí)n通過學(xué)習(xí)程序獲取知識(shí)o 復(fù)雜設(shè)備的智能故障診斷系統(tǒng)，知識(shí)獲取方法：n從文本文獻(xiàn)資料直接獲取知識(shí)n專家與診斷系統(tǒng)交互獲取知識(shí)n從經(jīng)驗(yàn)或現(xiàn)有知識(shí)中學(xué)習(xí)獲取知識(shí)162）深淺知識(shí)集成表示方法）深淺知識(shí)集成表示方法o 一般說來，淺知識(shí)（人類專家的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)）的知識(shí)表達(dá)直觀、形式統(tǒng)一、模塊性強(qiáng)、推理速度快，但對(duì)于復(fù)雜過程，很難完整地表示診斷對(duì)象的領(lǐng)域知識(shí)，此時(shí)只有使用深知識(shí)（診斷對(duì)象的模型、原理知識(shí)）進(jìn)行診斷，因此必須將深淺知識(shí)結(jié)合起來。o 深淺知識(shí)的集成表示模型樹形知識(shí)結(jié)構(gòu)樹形知識(shí)結(jié)構(gòu)n從縱向看，每種設(shè)備、部件和零件都具有一定的繼承性n從橫向看，體現(xiàn)了同層相關(guān)的屬性n易于用面向?qū)ο蟮姆椒▽?shí)

11、現(xiàn)，易于實(shí)現(xiàn)知識(shí)管理和維護(hù)173）規(guī)則更新方法）規(guī)則更新方法o 系統(tǒng)運(yùn)行過程中，規(guī)則集通常需要不斷更新n新模式或已有模式的新成員確定n數(shù)據(jù)庫中規(guī)則更新的評(píng)價(jià)函數(shù)和屬性統(tǒng)計(jì)方法o 粗糙集理論是一種處理模糊和不精確信息的新方法基于粗糙集理論的規(guī)則更新方法184）機(jī)器學(xué)習(xí)策略）機(jī)器學(xué)習(xí)策略o簡單學(xué)習(xí)：簡單學(xué)習(xí)：n文獻(xiàn)、專家和資料所描述的關(guān)于診斷對(duì)象的結(jié)構(gòu)、功能、運(yùn)行約束條件等知識(shí)，機(jī)械學(xué)習(xí)機(jī)制為主；n主要用于元知識(shí)學(xué)習(xí)階段智能故障診斷中的機(jī)器學(xué)習(xí)策略結(jié)構(gòu)圖智能故障診斷中的機(jī)器學(xué)習(xí)策略結(jié)構(gòu)圖o交互學(xué)習(xí)：交互學(xué)習(xí)：n知識(shí)工程師或診斷對(duì)象處理過的知識(shí)，講授學(xué)習(xí)機(jī)制為主；n主要用于領(lǐng)域知識(shí)學(xué)習(xí)和知識(shí)庫豐富階

12、段o獨(dú)立學(xué)習(xí)：獨(dú)立學(xué)習(xí)：n推理策略面對(duì)的新知識(shí)，歸納學(xué)習(xí)機(jī)制為主；n主要用于診斷能力改善階段193. 智能故障診斷的構(gòu)成方法智能故障診斷的構(gòu)成方法o 智能故障診斷的構(gòu)成可通過以下三步實(shí)現(xiàn)：n 1）建立系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)；n 2）設(shè)計(jì)智能故障診斷處理機(jī)構(gòu)；n 3）根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)對(duì)所作的設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)價(jià)。如果滿足目標(biāo)則設(shè)計(jì)成功，否則返回第二步重新進(jìn)行設(shè)計(jì)，直到滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)要求。203.1 確立系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)確立系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)o 一個(gè)系統(tǒng)一般具有多個(gè)設(shè)計(jì)目標(biāo)，其中最重要的三個(gè)目標(biāo)是：性能性能、成本成本和可靠性可靠性o 建立設(shè)計(jì)目標(biāo)的首要任務(wù)建立設(shè)計(jì)目標(biāo)的首要任務(wù)：是確定所要設(shè)計(jì)的系統(tǒng)（稱為目標(biāo)系統(tǒng)），在這個(gè)三

13、維參數(shù)空間中應(yīng)處的位置o 其中，各目標(biāo)通常相互矛盾，應(yīng)分階段、折衷考慮21智能故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求智能故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求智能故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，一般應(yīng)滿足以下要求：o 1）滿足故障診斷的實(shí)際需要滿足故障診斷的實(shí)際需要；n主要指標(biāo)有故障診斷率、診斷結(jié)果準(zhǔn)確率、系統(tǒng)可靠性和投資效益比等，一般需分階段實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)目標(biāo)。o 2）建立適應(yīng)不同診斷對(duì)象的知識(shí)庫建立適應(yīng)不同診斷對(duì)象的知識(shí)庫；n智能故障診斷系統(tǒng)是基于知識(shí)的，以知識(shí)處理為研究內(nèi)容，知識(shí)庫的建立是保證診斷結(jié)果正確性的前提。o 3）能自動(dòng)獲取征兆能自動(dòng)獲取征兆；n征兆的自動(dòng)獲取是實(shí)現(xiàn)故障診斷智能化的重要環(huán)節(jié)。將征兆獲取從用戶交給計(jì)算機(jī)，既可減少人

14、為差錯(cuò)、提高診斷準(zhǔn)確率，又可減輕操作要求、提高系統(tǒng)可接受性。22智能故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求智能故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求o 4）診斷和推理方法應(yīng)符合故障診斷要求診斷和推理方法應(yīng)符合故障診斷要求；n應(yīng)從征兆出發(fā)去診斷故障，征兆對(duì)故障的肯定和否定程度，是故障診斷的根本依據(jù)。因此，知識(shí)表示和不精確推理應(yīng)當(dāng)充分反映故障診斷的特點(diǎn)。o 5）能實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)自動(dòng)診斷能實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)自動(dòng)診斷；n完成系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)后，用計(jì)算機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)的實(shí)際開發(fā)，可以使故障診斷易于實(shí)現(xiàn)，并獲得最佳效果。o 6）系統(tǒng)要經(jīng)過嚴(yán)格的測(cè)試和考核系統(tǒng)要經(jīng)過嚴(yán)格的測(cè)試和考核。n一方面，開發(fā)進(jìn)度的加快導(dǎo)致測(cè)試時(shí)間減少；另一方面，系統(tǒng)一般是由缺少現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)

15、的人員研制的。n經(jīng)實(shí)驗(yàn)室模擬測(cè)試、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試后，才能投入實(shí)際應(yīng)用。233.2 設(shè)計(jì)智能故障診斷處理機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)智能故障診斷處理機(jī)構(gòu)*智能故障診斷處理機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)通常包括內(nèi)容：o 1）分析環(huán)境因素分析環(huán)境因素；n即弄清使用環(huán)境對(duì)設(shè)備可靠性的影響和約束，可以幫助減少設(shè)計(jì)的選擇范圍。o 2）確定故障處理層次確定故障處理層次；n設(shè)備及其故障處理通?？梢园茨撤N層次結(jié)構(gòu)來組織，某層上的故障診斷一般可覆蓋該層及下層故障，為防止故障影響擴(kuò)大，應(yīng)盡可能在最近的層次上將故障覆蓋。o 3）確定故障限制區(qū)確定故障限制區(qū)。n必須充分考慮故障的傳染問題，把任意故障的影響限制在預(yù)定區(qū)域內(nèi)（限制區(qū)）。故障限制區(qū)的大小通常依據(jù)可重組或

16、可修復(fù)（替換）的部件來確定。243.3 確定智能故障診斷的評(píng)價(jià)內(nèi)容確定智能故障診斷的評(píng)價(jià)內(nèi)容*智能故障診斷系統(tǒng)可從以下兩方面進(jìn)行評(píng)價(jià)：o 1）可靠性評(píng)價(jià)可靠性評(píng)價(jià)：n可靠性評(píng)價(jià)包括智能故障診斷的可靠度、失效率等。o 2）綜合性能評(píng)價(jià)綜合性能評(píng)價(jià)：n綜合性能評(píng)價(jià)主要是智能故障診斷對(duì)故障的識(shí)別能力，即設(shè)備發(fā)生或即將發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)是否能準(zhǔn)確地對(duì)故障進(jìn)行定位和定性。254. 智能故障診斷的評(píng)價(jià)指標(biāo)智能故障診斷的評(píng)價(jià)指標(biāo)*o 檢測(cè)性能指標(biāo)：n1）故障檢測(cè)率故障檢測(cè)率 Dr ：檢測(cè)出的故障占實(shí)際出現(xiàn)故障總數(shù)的比率。Dr 大好。n2）故障檢測(cè)靈敏度故障檢測(cè)靈敏度 Ds ：故障檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)早期或輕微故障檢測(cè)的敏感程度。Ds 大好。n3）故障檢測(cè)及時(shí)性故障檢測(cè)及時(shí)性 Dt ：發(fā)生故障后，系統(tǒng)在盡可能短的時(shí)間內(nèi)檢測(cè)到故障的能力。Dt 大好。n4）故障誤檢率故障誤檢率 Wr 、錯(cuò)檢率錯(cuò)檢率 Zr 和漏檢率漏檢率 Lr ：誤檢指沒有故障而誤判為故障；錯(cuò)檢指實(shí)際故障A錯(cuò)判為故障B；漏檢指出現(xiàn)故障而沒有檢測(cè)出來。Wr 、Zr 、Lr 小好。26o 診斷性能指標(biāo)：n1）故障分離能力故障分離能力 Zl ：診斷系統(tǒng)對(duì)不同故障的區(qū)分能力。Zl 大好。n2）故障分辨能力故障分辨能力 Zf ：