機電系統故障診斷的理論與應用研究

兗礦集團山東百業設備租賃有限公司 王 可

機電系統故障診斷的理論與應用研究

兗礦集團山東百業設備租賃有限公司 王 可

故障檢測與診斷是一門相對獨立發展的技術，該技術是隨設備管理和設備維修發展起來的，對生產的延續和產品質量的影響意義重大。因此，了解機電系統故障檢測及診斷技術的特點及現狀，研究信號處理方法在機電系統故障檢測診斷中的進展、方法，對增強機電系統故障診斷水平，提升機電系統的穩定性和可用性具有十分重要的意義。

故障診斷；小波理論；機電系統

0 引言

故障檢測與診斷是一門相對獨立發展的技術，該技術主要包括對設備運行狀態監測以及發現異常現象后對系統的故障進行分析、診斷等方面的內容。該技術是在設備管理和維修日益受到重視的過程中發展起來的，對生產的延續和產品質量的影響意義重大。因此，了解機電系統故障檢測及診斷技術的特點及現狀，研究信號處理方法在機電系統故障檢測診斷中的進展、方法，對增強機電系統故障診斷水平，提升機電系統的穩定性和可用性具有十分重要的理論價值和現實意義。

1 機電系統故障診斷核心問題研究

1.1 機電系統故障診斷技術分類

機電系統故障檢測診斷按照采用的方法和思想主要分成兩類，一類是建立被診斷系統數學模型的技術，該技術廣泛應用于電力、化工等有條件獲得機電系統精確數學模型的系統故障診斷中，通過建立機電控制系統包含故障特征的微分方程，采用參數或狀態估計技術，對系統的參數、狀態和特征函數進行預測、估計和判斷；另一類是以觀測數據為基礎的診斷分析技術。該技術以觀測數據與故障信息間存在必然聯系為基本出發點，通過信號處理技術對系統的觀測數據進行綜合分析，從中提取和分析故障相關的特征量，運用模糊數學和統計方法對整個電氣系統的運行狀態進行分析和判斷，了解和把握系統故障的性質、發生位置以及嚴重程度。以觀測數據為基礎的診斷分析技術由于回避了抽取機電系統數學模型的難點，所以適用性強，廣泛應用于各個領域。

1.2 機電系統故障診斷技術核心問題研究

在機電系統故障檢測診斷中，最核心的問題是如何提取故障特征信息。故障特征信息提取的數量和質量直接關系到故障診斷的準確率和故障早期預報的可靠性。但在實際的研究過程中發現，通過傳感器輸出的故障特征信號往往較弱，而非故障信號的強度卻很強，在一定程度上阻礙了故障特征信號的表現，但這些故障特征信號是能夠直接反映系統故障，或是通過加工處理后得到新的模型參數來間接反應系統的故障性質、位置等信息。所以需要采用現代信號處理理論來分析和處理故障信號信息，來處理和解決機電系統故障特征信息提取這一關鍵性問題。雖然不同的機電系統的故障點、故障原理存在差別，但是故障特征的提取方法卻可以相同。例如頻譜分析方法就可以廣泛用于多個領域的機電系統故障診斷中。應用信號處理分析方法對故障特征信息進行提取必須遵循：突出和放大故障特征信號，抑制和降低非故障特征信號強度的原則。

2 機電系統故障檢測與診斷常用方法研究

機電系統故障檢測與診斷技術經過多年的實踐和理論研究，目前已有多種成熟的理論和方法，具體總結如下：

（1）頻譜分析法。因為多數的機電系統的運轉都具有周期性特征，所以頻譜分析方法成為目前最具操作性和特征分析方法。其中，功率譜分析是最常用的頻譜分析方法，傳統的帶通濾波器的模擬譜分析技術已經被逐漸取代。尤其是需要提取或剔除與多個通道有關的特征時，這些方法的使用都能起到很好的效果。

（2）非高斯信號處理法。故障診斷分析中，一般會假定被分析信號服從高斯分布。但實際信號往往否定了假定。所以，在應用中非高斯信號處理方法研究逐漸被重視并在逐步深入。分析非高斯信號的主要數學工具是高階統計量和相應的高階譜。

（3）非線性信號處理方法。當機電系統中的設備發生某類故障呈現某些非線性特性時，基于非線性信號處理理論的特征提取方法就顯得很有必要，而混沌與分形動力系統理論中的新方法恰恰可以解決這個問題。

（4）非穩態信號處理方法。非穩態信號按其普遍性主要可分為3類：諧和變頻信號、寬帶變譜信號、瞬態信號。目前，已有多種針對這三類不同形態的信號分析方法。

（5）診斷推理中的方法。診斷推理過程中采用的方法較多，主要分為5類：基于控制模型的故障診斷方法、基于模式識別的故障診斷方法、基于人工智能的故障診斷方法、基于模糊理論的故障診斷方法以及基于粗糙集理論的故障診斷方法。這五種方法隸屬于不同的學科體系，所以在實際應用中需要根據機電系統的原理和模型分別采用其中的一種或幾種方法，提高診斷推理的科學性和準確性。

3 基于小波理論的故障診斷方法研究

3.1 小波理論的主要思想

小波變換的核心思想是用小波函數系去表示或逼近一個信號或函數，小波函數系是通過一個基本小波函數的不同尺度的平移和伸縮構成。小波函數的最顯著特點就是時寬與帶寬乘積很小，且在時間和頻率軸上都很集中。

3.2 小波理論在故障信號分析中的應用

（1）利用小波變換檢測信號的突變。在故障診斷中，信號的突變點一般都包含重要的故障信息。小波變換具有自動改變窗長的功能，利用小波變換將信號在空間和頻率上局部化，可以突出信號突變的特點，增強信號的局部奇異性。利用小波變換進行故障信號奇異性檢測主要有2個方面的考慮，首先是通過小波變化檢測故障發生時間，其次是通過小波變換區分故障信號不同的突變類型。

（2）利用觀測信號頻率結構的變化進行故障診斷。振動系統的故障通常會導致系統觀測信號的頻率發生變化。離散正交小波變換和連續正交小波變換恰恰能夠描述信號頻譜隨時間變化的情況或信號在某時刻附近的頻率分布，在這種情況下不難檢測出系統故障。

（3）分析噪聲特征進行故障診斷。電氣系統在發生故障前或發生故障時，系統往往表現為輸出噪聲增多的現象。這些增多的噪聲能夠在很大程度上反映故障發生的部位、環節甚至直接顯示出某一器件發生了故障，因此，利用小波變換對噪聲進行特征提取和分析，是一項很有效的技術和方法。對于多個部件或是環節的并發故障，其噪聲或呈現不同的時頻特性，通過小波函數，可以對不同頻率進行信號頻帶通道分離，這樣就可以將多個故障信息分離并一一識別和檢測出來。

（4）瞬態信號檢測。瞬態信號本質上是強時變的短時段信號，針對這類信號處理的原則是獲取樣本信號與實際相符的瞬態頻譜。而小波變化通過多重分辨率刻畫信號局部特性的能力，正好可以用于提取和分析出正常信號中的瞬態反常現象，并通過局部放大等手段展現信號的成分和組成。

4 結論

機電系統故障診斷技術是一項專業技術性很強的復雜系統工程。特別是對大型的機電系統的故障診斷，其結果的準確性和可靠性對整個生產系統的安全有序運行起到至關重要的作用。本文通過對機電系統故障診斷技術核心技術、常用方法以及基于小波理論的故障診斷方法研究，對指導機電系統故障的診斷和維護具有重要現實意義。

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2012－03－15）