轉(zhuǎn)子故障數(shù)據(jù)分類方法研究與實驗臺測試信息系統(tǒng)開發(fā)

2012年6月1日2012年機電工程學(xué)院碩士畢業(yè)答辯轉(zhuǎn)子故障數(shù)據(jù)分類方法研究與實驗臺測試信息系統(tǒng)開發(fā)

一、轉(zhuǎn)子故障數(shù)據(jù)分類方法研究立項背景

隨著多通道監(jiān)測技術(shù)的逐步應(yīng)用，傳統(tǒng)的信號處理方法難以高效且全面地描述轉(zhuǎn)子運行狀態(tài)；開展以數(shù)據(jù)集為對象的數(shù)據(jù)分類方法研究對智能故障辨識的新高度發(fā)展具有促進作用；亟待開展故障特征數(shù)據(jù)集呈現(xiàn)出的非線性干擾、維數(shù)過高及線性可分性差的關(guān)鍵科學(xué)問題研究。五種轉(zhuǎn)子運行狀態(tài)數(shù)據(jù)三維模型面臨問題線性分類法二類數(shù)據(jù)的線性分類法算法描述分類功能拓展線性多分類器結(jié)構(gòu)故障診斷流程規(guī)劃轉(zhuǎn)子系統(tǒng)故障診斷流程KPCA降維模型應(yīng)用碰摩不平衡松動不對中碰摩不平衡松動不對中分類問題特征編號準確率%碰摩122251367.5441不平衡154.375214.375383.75444.375松動10258.33362.5460不對中12.5246.25366.25450KPCA-FDA分類模型

提出將KPCA法與FDA法相結(jié)合的數(shù)據(jù)集二次降維方法，并給出了特征值貢獻率與累計貢獻率的定義方法；

推導(dǎo)出PCA與FDA降維準則間存在的定量關(guān)系；

證明了費歇準則建立粒子群優(yōu)化算法適應(yīng)度函數(shù)，從而自動尋求最優(yōu)核參數(shù)過程中存在的等價關(guān)系。理論創(chuàng)新性理論與方案創(chuàng)新性展示

特征值貢獻率定義

特征值累計貢獻率定義

PCA與FDA核心公式定量關(guān)系：

以費歇準則建立粒子群優(yōu)化算法適應(yīng)度函數(shù)中存在的等價關(guān)系：

故障診斷流程設(shè)計：基于KPCA-FDA法的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)故障診斷流程應(yīng)用效果展示適應(yīng)度函數(shù)等價關(guān)系驗證×分類問題最優(yōu)核參數(shù)適應(yīng)度函數(shù)Sw/SbSwSb碰摩6.0308107.01270.4024265.9088不平衡6.1969345.6630.13382582.6108松動6.295332.54460.0853381.6193不對中6.044246.35880.0663699.27=分類問題特征值貢獻率%累計貢獻率%碰摩1.110886.0786.072.22E-162.00E-1686.071.39E-171.25E-1786.076.07E-185.47E-1886.08不平衡0.917688.7488.744.79E-175.22E-1788.744.55E-204.96E-2088.750088.75松動1.910293.293.28.30E-174.35E-1793.21.28E-196.71E-2093.210093.21不對中1.310882.3982.398.98E-186.85E-1882.39-5.61E-194.28E-1982.40082.4特征貢獻情況碰摩

故障特征數(shù)據(jù)集降維效果不平衡松動不對中分類結(jié)果展示分類問題特征編號準確率%碰摩195不平衡196.88松動199.17不對中197.5馬再超,趙榮珍,楊文瑛.轉(zhuǎn)子故障特征數(shù)據(jù)分類的KPCA-FDA方法研究.正等待《自動化學(xué)報》審稿意見。KPCA-BFDA分類模型理論創(chuàng)新性針對FDA法等同考慮兩類數(shù)據(jù)離散度的重要性，導(dǎo)致其計算復(fù)雜度較高的問題，提出偏重分析一類數(shù)據(jù)離散度的BFDA法；

提出采用偏費歇準則建立粒子群優(yōu)化算法中的適應(yīng)度函數(shù)，從而尋求最優(yōu)核參數(shù)的方法；

提出采用KPCA與BFDA相結(jié)合的數(shù)據(jù)集二次降維方法。理論與方案創(chuàng)新性展示

偏費歇判別定義：以偏費歇準則建立粒子群優(yōu)化算法中適應(yīng)度函數(shù)的形式：

故障診斷流程設(shè)計：基于KPCA-BFDA法的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)故障診斷流程應(yīng)用效果展示

BFDA法的實例數(shù)據(jù)集降維驗證BFDA分離效果FDA分離效果偏費歇準則尋求的最優(yōu)核參數(shù)

碰摩不平衡松動不對中偏費歇準則5.98586.29356.23736.0308費歇準則6.03086.19696.29536.0442分類問題特征值貢獻率%累計貢獻率%碰摩16.001186.0786.071.80E-161.17E-1586.071.80E-161.17E-1586.080086.08不平衡2.910688.7488.744.65E-171.60E-1588.741.63E-195.59E-1788.750088.75松動6.988593.293.2-1.03E-161.48E-1593.21-3.89E-169.28E-1893.21-6.49E-195.56E-1593.21不對中8.297582.3982.392.08E-172.51E-1682.399.54E-191.15E-1782.40082.4特征貢獻情況碰摩故障特征數(shù)據(jù)集降維效果不平衡松動不對中分類結(jié)果展示分類問題特征編號準確率%碰摩195不平衡196.88松動1100不對中1100馬再超,趙榮珍,楊文瑛.轉(zhuǎn)子故障特征數(shù)據(jù)分類的KPCA-BFDA方法研究.《振動、測試與診斷》已錄用

。

二、實驗臺測試信息系統(tǒng)開發(fā)采用變頻電機驅(qū)動，分布了13個通道的電渦流傳感器，其中的CH1～CH12用于采集轉(zhuǎn)子不同截面的振動信號，CH13用于采集轉(zhuǎn)速信號。整套硬件系統(tǒng)的控制與測試功能采用LabVIEW軟件平臺實現(xiàn)。雙跨轉(zhuǎn)子系統(tǒng)雙跨轉(zhuǎn)子系統(tǒng)簡介油泵電機自動開閉控制核心部件—油泵電機一直未解決開閉自動控制的問題，這對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的安全運行與人員操作的便利性產(chǎn)生了巨大影響。

潤滑供油設(shè)備硬件拓展強電控制電路弱電控制電路軟件編程通過點擊“啟動”或“停止”按鈕，則可實現(xiàn)油泵電機對應(yīng)的“啟動”或“停止”功能。油泵電機控制面板原有的分檔調(diào)速功能不僅編程工作量大，且功能有限，嚴重阻礙了實驗的順利進行。故將轉(zhuǎn)速設(shè)定值與變頻器通信命令間建立轉(zhuǎn)換關(guān)系，并封裝為函數(shù)，實現(xiàn)了無級調(diào)速。變頻電機無級調(diào)速

變頻電機無級調(diào)速控制面板狀態(tài)信息監(jiān)測中的若干難題 轉(zhuǎn)子運行轉(zhuǎn)速監(jiān)測實時測量與顯示轉(zhuǎn)子運行的當前轉(zhuǎn)速，對觀察無級調(diào)速指令發(fā)送是否成功及保證轉(zhuǎn)速與振動信號的對應(yīng)關(guān)系等方面都具有不可忽視的作用。

轉(zhuǎn)速信號

當前所有實驗表明，轉(zhuǎn)速計算的誤差范圍維持在-5r/m～5r/m。

轉(zhuǎn)速計算顯示面板濾波器組設(shè)計針對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動信號中存在的噪聲形式主要為白噪聲、脈沖噪聲和毛刺，本項研究將沖激響應(yīng)濾波器、中值濾波器與平滑濾波器集成，且三種濾波器之間為并列邏輯關(guān)系，各濾波器既能獨立完成對應(yīng)的濾波工作，互不干擾，又能以組合連接的方式完成濾波工作。

濾波器組控制面板轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動信號的濾波結(jié)果已接近真實信號振動信號濾波效果振動趨勢圖設(shè)計

針對實驗中，軸心軌跡圖對及時反映轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動狀態(tài)變化趨勢的需求仍存在滯后性、不明確性的問題。研究中設(shè)計了一種奇偶通道振動趨勢對比圖，它能夠?qū)崟r更新顯示轉(zhuǎn)子處于不同運行轉(zhuǎn)速下，各通道位置出現(xiàn)的振動最大值。

通道選擇器奇數(shù)通道振動趨勢

列出的轉(zhuǎn)子由靜止上升至2000r/m的振動趨勢圖可以清晰地看出轉(zhuǎn)子不同部位的當前最大振動狀態(tài)呈現(xiàn)的波動趨勢。

偶數(shù)通道振動趨勢數(shù)據(jù)的資源化保護欲開展基于數(shù)據(jù)庫知識發(fā)現(xiàn)的旋轉(zhuǎn)機械故障知識獲取新方法研究，則需首先解決由此引發(fā)的故障數(shù)據(jù)資源化保護的問題。因此，本項研究將數(shù)據(jù)庫存儲技術(shù)融入軟件平臺，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)子運行過程中具備嚴格物理含義的數(shù)據(jù)自動保存入數(shù)據(jù)庫的功能。數(shù)據(jù)采集器控制面板振動信息存儲效果特征信息存儲效果振動信息與特征信息以時間關(guān)聯(lián)，保證了二者物理涵義的對應(yīng)關(guān)系；

根據(jù)需求采集數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)永久保存入數(shù)據(jù)庫，且數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)可不斷累積更新；

轉(zhuǎn)子系統(tǒng)、信息采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)之間互相獨立，工作時互不干擾，從而避免了因數(shù)據(jù)采集、存儲的等待時間而影響實驗臺運行。綜合平臺功能集成全部通道信號總覽奇偶通道振動趨勢對比各通道信號及其FFT譜顯示各截面軸心軌跡顯示故障辨識界面趙榮珍,胡寶權(quán),馮如只,馬再超,謝小正,鄧林峰.雙跨轉(zhuǎn)子振動實驗的多功能狀態(tài)信息監(jiān)測系統(tǒng)，獲國家發(fā)明專利，公開號:CN102419243A.趙榮珍,馬再超,馮如只,胡寶權(quán),鄧林峰,謝小正.雙跨轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動信息采集與特征數(shù)據(jù)的資源化保護系統(tǒng)，獲國家發(fā)明專利，公開號:CN102426055A.外審質(zhì)疑對于表4.9，“不對中與非不對中”的累計貢獻率在82%左右，明顯低于“碰摩與非碰摩”、“不平衡與非不平衡”，但表4.10顯示“不對中與非不對中”的分類準確率為100%，這是為什么？為何存在累計貢獻率低而分類準確率高的情況？111111111122222222223333333333444444444455555555551010101010101010101020202020202020202020303030303030303030304040404040404040404050505050505050505050累計貢獻率10%案例說明111111111123232323233535353535474747474759595959591010101010101