第1章 緒論(智能故障診斷的基本概念)

智能故障診斷技術(shù)主講人：沈志熙

shenzhixi@重慶大學(xué)自動化學(xué)院1第一章緒論1.課程的性質(zhì)和內(nèi)容2.智能故障診斷的基本概念3.智能故障診斷的研究目的和意義4.智能故障診斷的研究內(nèi)容5.智能故障診斷的研究方法6.智能故障診斷的國內(nèi)外研究概況21.課程的性質(zhì)和內(nèi)容課程性質(zhì)——高等院校工科類的一門專業(yè)課智能故障診斷所涉及到的主要學(xué)科內(nèi)容關(guān)系3課程內(nèi)容本課程為選修課（共16學(xué)時），主要講述智能故障診斷技術(shù)的理論基礎(chǔ)部分，內(nèi)容包括：智能故障診斷的基本概念（4學(xué)時）智能故障診斷的構(gòu)成原理及方法（2學(xué)時）智能故障診斷的方案（3學(xué)時）智能故障診斷的控制策略（1學(xué)時）智能故障診斷的實現(xiàn)方法（2學(xué)時）分組討論（2學(xué)時）復(fù)習(xí)總結(jié)（2學(xué)時）4學(xué)習(xí)要點(diǎn)基礎(chǔ)性：重點(diǎn)在于對基本概念、術(shù)語、結(jié)構(gòu)和原理的學(xué)習(xí)和掌握，目的是為以后的學(xué)習(xí)和研究工作打下基礎(chǔ)，具體的知識點(diǎn)和相關(guān)算法不在要求之內(nèi)。實踐性：注意理論與實際應(yīng)用相結(jié)合，在學(xué)習(xí)中思考如何將相關(guān)的理論概念、結(jié)構(gòu)和原理與實際工程應(yīng)用相對應(yīng)。主動性：智能故障診斷正處于日新月異的發(fā)展中，其涉及到的先導(dǎo)知識很多，且新概念、新方法又不斷涌現(xiàn)和豐富，因此必須對相關(guān)知識點(diǎn)、以及當(dāng)前的技術(shù)流派和研究方向進(jìn)行主動學(xué)習(xí)和追蹤。5教材與參考教材：王仲生編.《智能故障診斷與容錯控制》.西北工業(yè)大學(xué)出版社，2005年.參考：吳今培編.《智能故障診斷與專家系統(tǒng)》.科學(xué)出版社，1997年.楊軍編.《裝備智能故障診斷技術(shù)》.國防工業(yè)出版社，2004年.盛兆順編.《設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)及應(yīng)用》.化學(xué)工業(yè)出版社，2003年.62.智能故障診斷的基本概念2.1什么是智能？2.2什么是故障？2.3什么是故障診斷？2.4什么是智能故障診斷？72.1什么是智能？智能：是指能隨內(nèi)、外部條件的變化，具有運(yùn)用知識解決問題和確定正確行為的能力。表現(xiàn)形式：觀察、記憶、想像、思考、判斷智能可分為低級智能和高級智能：低級智能——感知環(huán)境、做出決策和控制行為高級智能——不僅具有感知能力，更重要的是具有學(xué)習(xí)、分析、比較和推理能力，能根據(jù)復(fù)雜環(huán)境變化做出正確決策和適應(yīng)環(huán)境變化8智能的基本要素三個基本要素：推理、學(xué)習(xí)、聯(lián)想推理——從一個或幾個已知的判斷（前提），邏輯地推斷出一個新判斷（結(jié)論）的思維形式學(xué)習(xí)——根據(jù)環(huán)境變化，動態(tài)地改變知識結(jié)構(gòu)聯(lián)想——通過與其它知識的聯(lián)系，能正確地認(rèn)識客觀事物和解決實際問題9智能應(yīng)具備的條件（能力）三個基本能力：感知、思維、行為感知能力——就是能感知外界變化和獲取感性知識的能力思維能力——就是具有記憶、聯(lián)想、推理、分析、比較、判斷、決策、學(xué)習(xí)等能力行為能力——就是對外界刺激（輸入信號）做出反應(yīng)（輸出信息）并采取相應(yīng)動作的能力102.2什么是故障？故障：是指設(shè)備在規(guī)定條件下不能完成其規(guī)定功能的一種狀態(tài)。可分為以下幾種情況：1）設(shè)備在規(guī)定的條件下喪失功能；2）設(shè)備的某些性能參數(shù)達(dá)不到設(shè)計要求，超出允許范圍；3）設(shè)備的某些零部件發(fā)生磨損、斷裂、損壞等，致使設(shè)備不能正常工作；4）設(shè)備工作失靈，或發(fā)生結(jié)構(gòu)性破壞，導(dǎo)致嚴(yán)重事故甚至災(zāi)難性事故。11故障的分類設(shè)備故障通?？煞譃椤獙ο蠊收稀x表故障和系統(tǒng)故障按故障發(fā)生的性質(zhì)分——硬故障和軟故障按故障發(fā)生的時間歷程分——突發(fā)性和漸進(jìn)性故障按故障存在的時間歷程分——間歇性和永久性故障按故障顯現(xiàn)的狀況分——潛在故障和功能故障按故障原因分——內(nèi)在故障和環(huán)境故障……12故障的性質(zhì)1）層次性——系統(tǒng)是有層次的，故障的產(chǎn)生對應(yīng)于系統(tǒng)的不同層次表現(xiàn)出層次性。一般可分為系統(tǒng)級、子系統(tǒng)級、部件級、元件級等多個層次；高層故障可由低層故障引起，而低層故障必定引起高層故障。診斷時可采用層次診斷模型和診斷策略。2）相關(guān)性——故障一般不會孤立存在，它們之間通常相互依存和相互影響，如系統(tǒng)故障常常由相關(guān)聯(lián)的子系統(tǒng)傳播所致。表現(xiàn)為，一種故障可能對應(yīng)多種征兆，而一種征兆可能對應(yīng)多種故障。這種故障與征兆間的復(fù)雜關(guān)系導(dǎo)致了故障診斷的困難。13故障的性質(zhì)3）隨機(jī)性——故障的發(fā)生常常是一個與時間相關(guān)的隨機(jī)過程，突發(fā)性故障的出現(xiàn)通常都沒有規(guī)律性；再加上某些信息的模糊性和不確定性，就構(gòu)成了故障的隨機(jī)性。4）可預(yù)測性——設(shè)備大部分故障在出現(xiàn)之前通常有一定先兆，只要及時捕捉這些征兆信息，就可以對故障進(jìn)行預(yù)測和防范。142.3什么是故障診斷？故障診斷：就是對設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和異常情況做出判斷。具體說來，就是在設(shè)備沒有發(fā)生故障之前，要對設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測和預(yù)報；在設(shè)備發(fā)生故障之后，要對故障的原因、部位、類型、程度等做出判斷；并進(jìn)行維修決策。15故障診斷的實質(zhì)故障診斷的基本思想：設(shè)被檢測對象全部可能狀態(tài)（正常和故障）組成狀態(tài)空間S，它的可觀測量特征的取值范圍全體構(gòu)成特征空間Y若系統(tǒng)處于某一狀態(tài)s時具有確定的特征y，即存在映射 ；反之，一定的特征y也對應(yīng)確定的狀態(tài)s，即存在映射。狀態(tài)與特征空間這一關(guān)系可表述為：因此，故障診斷的目的就是：根據(jù)可測量的特征向量來判斷系統(tǒng)處于何種狀態(tài)，也就是找出映射關(guān)系f故障診斷的基本思想表述特征空間狀態(tài)空間fg16故障診斷的實質(zhì)對于有限狀態(tài)的系統(tǒng)，令正常狀態(tài)為s0，n種故障對應(yīng)的系統(tǒng)狀態(tài)為s1,s2,…,sn；其中，處于狀態(tài)si時，對應(yīng)的可測量特征向量為yi=(yi1,yi2,…,yim)；故障診斷就是由特征向量y=(y1,y2,…,yk)，求出它所對應(yīng)的狀態(tài)s的過程在這種情況下，故障診斷就成為：根據(jù)特征向量對被測系統(tǒng)的狀態(tài)進(jìn)行分類的問題，或者說對特征向量進(jìn)行模式識別的問題結(jié)論：故障診斷的實質(zhì)——模式識別（分類）問題17故障診斷的過程故障診斷的過程有三個主要步驟：第一步是檢測設(shè)備狀態(tài)的特征信號，即信號測取；第二步是從檢測到的特征信號中提取征兆，即征兆提??；第三步是根據(jù)征兆和其它診斷信息來識別設(shè)備的狀態(tài)，從而完成故障診斷，即狀態(tài)識別。 ——這是整個診斷過程的核心。18故障診斷的過程故障診斷的過程設(shè)備的狀態(tài)特征信號人的感官傳感裝置征兆提取裝置狀態(tài)識別裝置決策形成裝置狀態(tài)分析裝置設(shè)備檔案工作環(huán)境參考模式能量形式的特征信號物態(tài)形式的特征信號直接的物理狀態(tài)指導(dǎo)診斷信息的進(jìn)一步獲取干預(yù)決策狀態(tài)趨勢狀態(tài)狀態(tài)19故障診斷的任務(wù)故障檢測：采用合適的觀測方式、在合適部位測取特征信號，即信號測??；采用合適的方法，從特征信號中提取狀態(tài)征兆，即征兆提取故障識別：采用合適的狀態(tài)識別方法與裝置，依據(jù)征兆而推理識別出設(shè)備的有關(guān)狀態(tài)，即狀態(tài)識別故障分離與估計（預(yù)測）：采用合適的狀態(tài)趨勢分析法，依據(jù)征兆與狀態(tài)推理出狀態(tài)的發(fā)展趨勢，即狀態(tài)預(yù)測故障評價與決策：采用合適的決策形成方法，依據(jù)有關(guān)的狀態(tài)和趨勢作出調(diào)整、控制、維修等，即干預(yù)決策20故障診斷的分類按診斷方式分——功能診斷與運(yùn)行診斷功能診斷是檢查設(shè)備運(yùn)行功能的正常性，主要用于新設(shè)備調(diào)試運(yùn)行診斷是監(jiān)視設(shè)備運(yùn)行的全過程，主要用于正常運(yùn)行的設(shè)備按診斷連續(xù)性分——定期診斷與連續(xù)監(jiān)控定期診斷是按規(guī)定的時間間隔進(jìn)行，一般用于非關(guān)鍵設(shè)備且為漸發(fā)性及可預(yù)測性故障連續(xù)監(jiān)控是在機(jī)器運(yùn)行過程中自始至終加以監(jiān)視和控制，一般用于關(guān)鍵設(shè)備且為突發(fā)性及不可預(yù)測性故障按診斷信息獲取方式分——直接診斷或間接診斷設(shè)備在運(yùn)行過程中進(jìn)行直接診斷是比較困難的，一般都通過二次的、綜合的信息來做出間接診斷的212.4什么是智能故障診斷？智能故障診斷：是人工智能和故障診斷相結(jié)合的產(chǎn)物，主要體現(xiàn)在診斷過程中領(lǐng)域?qū)＜抑R和人工智能技術(shù)的運(yùn)用。它是一個由人（尤其是領(lǐng)域?qū)＜遥?、能模擬腦功能的硬件及其必要的外部設(shè)備、物理器件以及支持這些硬件的軟件所組成的系統(tǒng)。22故障診斷的智能化能以人類思維的信息加工和認(rèn)識過程為推理基礎(chǔ) ——學(xué)習(xí)能力能有效地獲取、傳遞、處理、再生和利用診斷信息及多種診斷方法 ——自動獲取診斷信息的能力能模擬人類專家，以靈活的診斷策略對監(jiān)控對象的運(yùn)行狀態(tài)和故障做出正確判斷和決策 ——對故障進(jìn)行實時診斷的能力23從傳統(tǒng)故障診斷到智能故障診斷故障診斷技術(shù)經(jīng)歷的三個階段：第一階段對診斷信息只作簡單的數(shù)據(jù)處理第二階段將信號處理和建模處理應(yīng)用于數(shù)據(jù)處理 以上兩個階段，完全基于檢測數(shù)據(jù)處理，沒有利用領(lǐng)域?qū)＜抑R——傳統(tǒng)故障診斷階段第三階段以知識處理為核心，信號處理、建模處理與知識處理相融合——智能故障診斷階段24從傳統(tǒng)故障診斷到智能故障診斷傳統(tǒng)故障診斷的局限性：未引入人工智能技術(shù)前，直接由領(lǐng)域?qū)＜彝瓿蔂顟B(tài)識別任務(wù)，不能有效利用專家的知識和經(jīng)驗；缺乏推理能力，不具備學(xué)習(xí)機(jī)制；對診斷結(jié)果缺乏解釋，診斷程序的修改和維護(hù)性差。智能故障診斷的優(yōu)越性：引入人工智能技術(shù)后，能模擬領(lǐng)域?qū)＜彝瓿蔂顟B(tài)識別任務(wù)（最大差別），人-機(jī)聯(lián)合診斷，達(dá)到甚至超過專家；發(fā)展出基于知識的診斷推理機(jī)制，能模擬人類的邏輯思維和形象思維的推理過程；能解釋自己的推理過程，并能解釋結(jié)論是如何獲得的。253.智能故障診斷的研究目的和意義智能故障診斷的研究意義：研究如何及時發(fā)現(xiàn)故障和預(yù)測故障并保證設(shè)備在工作期間始終安全、高效、可靠地運(yùn)行 ——故障診斷技術(shù)為提高設(shè)備運(yùn)行的安全性和可靠性提供了一條有效途徑故障的隨機(jī)性、模糊性和不確定性，導(dǎo)致一個故障的形成往往是眾多因素造成的結(jié)果，且各因素之間的聯(lián)系又十分復(fù)雜 ——傳統(tǒng)故障診斷方法已不能滿足現(xiàn)代設(shè)備的要求，必須采用智能故障診斷方法26智能故障診斷的研究目的及時發(fā)現(xiàn)故障，給出故障信息，并確定故障的部位、類型和嚴(yán)重程度，同時自動地隔離故障；預(yù)測設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、使用壽命、故障發(fā)生和發(fā)展；針對故障的不同部位、類型和程度，給出相應(yīng)的控制和處理方案，并進(jìn)行技術(shù)實現(xiàn)；自動對故障進(jìn)行削弱、補(bǔ)償、切換、消除和修復(fù)，以保證設(shè)備出現(xiàn)故障時的性能盡可能地接近原來正常工作時的性能，或以犧牲部分性能指標(biāo)為代價來保證設(shè)備繼續(xù)完成其規(guī)定功能；進(jìn)行維修決策，減少維修費(fèi)用，提高設(shè)備利用率。274.智能故障診斷的研究內(nèi)容1）智能故障診斷的結(jié)構(gòu)研究： 結(jié)構(gòu)形式、構(gòu)成原理、構(gòu)成方法、評價內(nèi)容和評價指標(biāo)等2）智能故障診斷的方案研究： 基于狀態(tài)反饋、基于故障補(bǔ)償、基于多模冗余、基于功能模塊、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、基于專家系統(tǒng)等方案及其學(xué)習(xí)方法3）智能故障診斷的控制策略研究： 瞬時故障檢測與消除、多模塊并行診斷與決策、故障自適應(yīng)學(xué)習(xí)、故障自適應(yīng)補(bǔ)償、故障自適應(yīng)重構(gòu)等策略4）智能故障診斷的實現(xiàn)方法研究： 故障檢測、特征識別、狀態(tài)預(yù)測、維修決策等技術(shù)285）智能故障診斷的具體方法研究：（主要依據(jù)知識處理方法進(jìn)行分類）模糊故障診斷專家系統(tǒng)故障診斷神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)故障診斷信息融合故障診斷智能體故障診斷集成化故障診斷網(wǎng)絡(luò)化故障診斷……295.智能故障診斷的研究方法5.1基于信號檢測的研究方法5.2基于數(shù)學(xué)模型的研究方法5.3基于知識的研究方法5.4基于感知行為的研究方法305.1基于信號檢測的研究方法基于信號檢測的方法：就是根據(jù)檢測的故障信號，通過特征提取和故障識別找出故障源。此類方法的關(guān)鍵在于選擇能真正反映設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的檢測參數(shù)，然后采用小波分析、信息融合等方法進(jìn)行故障診斷。315.2基于數(shù)學(xué)模型的研究方法基于數(shù)學(xué)模型的方法：就是把故障定義為實際過程相對于正常模型的改變，然后根據(jù)過程模型的變化范圍和類型，進(jìn)行故障診斷。常用的有參數(shù)估計法和狀態(tài)估計法參數(shù)估計法是根據(jù)觀測數(shù)據(jù)，利用參數(shù)估計方法辨識系統(tǒng)的動態(tài)參數(shù)模型，然后通過系統(tǒng)參數(shù)與模型參數(shù)的比較來判斷故障；或依據(jù)辨識所得模型的參數(shù)和特征構(gòu)造判別函數(shù)，對系統(tǒng)的工作狀態(tài)進(jìn)行識別和分類。狀態(tài)估計法是利用系統(tǒng)的輸入與輸出，采用狀態(tài)觀測器（確定性系統(tǒng)）或狀態(tài)濾波器（隨機(jī)系統(tǒng)）估計系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)，再由系統(tǒng)輸出與觀測器或濾波器輸出構(gòu)成的殘差來進(jìn)行故障診斷。325.3基于知識的研究方法基于知識的研究方法：不需要對象的精確數(shù)學(xué)模型，而是根據(jù)人們長期的實踐經(jīng)驗和大量的故障信息設(shè)計出一套智能計算機(jī)程序，以此來解決復(fù)雜故障診斷問題。知識可分為兩種：淺知識和深知識淺知識即人類經(jīng)驗知識，主要包括領(lǐng)域?qū)＜医?jīng)驗知識和控制者的啟發(fā)性經(jīng)驗知識深知識指對象的模型知識和原理知識，它要求對象的每個環(huán)節(jié)具有明確的輸入/輸出表達(dá)關(guān)系33基于知識的診斷推理方法基于淺知識的診斷推理：通過演繹推理或產(chǎn)生式推理獲取診斷結(jié)果；其診斷能力主要取決于所使用的知識的質(zhì)和量優(yōu)點(diǎn)是知識表達(dá)直觀、模塊性強(qiáng)、推理速度快；缺點(diǎn)是對知識集不完備、及沒有考慮到的問題，易陷入困境基于深知識的診斷推理：先生成被監(jiān)控對象的實際輸出與期望輸出不一致的原因集合；再根據(jù)知識及其約束關(guān)系，得出可能的結(jié)果優(yōu)點(diǎn)是知識獲取方便、維護(hù)簡單，易保證知識庫的一致性和完備性；缺點(diǎn)是推理復(fù)雜，搜索空間大，速度慢基于深、淺知識結(jié)合的診斷推理：淺知識形成診斷焦點(diǎn)，深知識進(jìn)行確認(rèn)，產(chǎn)生精確解釋345.4基于感知行為的研究方法基于感知行為的方法：能夠自動感知環(huán)境變化，并具有自識別、自處理和自適應(yīng)能力。兩種最典型的感知體：智能體（Agent）和智能結(jié)構(gòu)（IntelligentStructures）智能體可以定義為具有感知能力、問題求解能力和與外界通信能力的實體智能結(jié)構(gòu)是將傳感元件、驅(qū)動元件與控制系統(tǒng)融合在基體材料中的一種結(jié)構(gòu)356.智能故障診斷的國內(nèi)外研究概況20世紀(jì)60年代末開始，已歷經(jīng)三個階段：美國從1967年開始，NASA、ONR率先在故障機(jī)理研究和故障檢測、診斷和預(yù)測等方面取得實用性研究成果；此后，在水泵、空壓機(jī)、軸承、潤滑油、內(nèi)燃機(jī)、汽車