故障诊断试验系统设计——信号采集【开题报告】.docx

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毕业设计开题报告

测控技术与仪器

故障诊断试验系统设计——信号采集

1选题的背景、意义

利用各种检查和测试方法，发现系统和设备是否存在故障的过程是故障检测；而进一步确定故障所在大致部位的过程是故障定位；要求把故障定位到实施修理时可更换的产品层次的过程称为故障隔离。

故障诊断就是指检测故障和隔离故障的过程。

故障检测与诊断技术的研究与应用对于保障流程工业中设备安全、可靠、高效运行，消除设备以及由设备组成的生产系统的故障隐患，避免事故的发生具有重要理论意义和应用价值。

近几十年来，故障诊断技术一直是十分活跃的研究领域。

随着人工智能、电子技术、计算机网络等新兴交叉学科的发展，故障诊断技术已经取得了重大的进展，各种故障诊断方法层出不穷，如信号分析法、定性趋势分析法、专家系统以及神经网络等方法[1]。

然而，在目前的诊断方法研究中，主要是针对单一设备的诊断，也称为设备级故障诊断。

随着科学技术的不断进步和现代流程工业的迅速发展，系统生产过程变得越来越复杂，不同设备间往往存在关联与耦合，这使单一设备的故障诊断已经不能满足整个系统过程的故障分析。

为了对流程工业系统的生产过程进行故障诊断分析，系统级故障诊断技术的研究已经成为十分重要的课题。

系统级故障诊断通过故障警报分析与诊断，可确定系统中产生根源故障的设备元件，是保证整个系统安全与稳定运行的重要手段。

复杂的流程工业，如电力、石油炼制、化工等行业，它们的生产环境通常处于高温高压或低温真空等极端条件下，一旦操作员操作不当，疏于检测或因不可抗拒的自然界因素，将导致生产中断、发生爆炸等危险。

多年来，汽轮机阀体破坏、锅炉内设备爆炸、反应器升压爆炸等事故常有发生，不仅给生产带来巨大损失，而且严重威胁着人身安全[2]。

据国内石化行业统计，1976至1985年期间，我国化肥五大机组由于系统事故停车造成的直接经济损失就高达四亿七千五百万元[3]。

1979年，美国三里岛核电站由于操作人员失误以及设备的连锁失效导致

放射性物质经贮存罐释放到大气中，经济损失达到十亿美元。

1986年4月，前苏联切尔诺贝利核电站因操作人员违章操作而使4号反应堆内石墨燃烧导致原

子堆芯融化而发生反应堆爆炸，致使20多人死亡，经济损失高达几十亿美元[4]。

2000年6月，科威特明那·阿哈麦迪炼油厂爆炸事件，造成将近一亿美元的损

失。

2005年，山东德州电厂两台70万千瓦发电系统及黄岛电厂一台22万千瓦

发电系统连续因事故停机，造成山东省网供电容量减少近150万千瓦，损失巨大。

据工业统计表明，虽然大型系统复杂的生产过程事故引起的大灾难可能是偶然的，但是小事故却是经常的，它每年也将导致几十亿美元的损失[5,6]。

为了避免重大事故的发生，各国都十分重视在线监测与故障诊断系统的研究。

它不仅可以保障系统和人身安全，还具有显著的经济效益和社会效益。

据有关文献记载，由于缺少故障诊断系统，美国石化工业每年估计将导致大约二百亿美元的损失[7]。

相似的事故每年导致英国二百七十亿美元的经济损失[8]。

综上可见，对于复杂的流程工业系统来说，一旦发生故障，损失是巨大的。

因此，对流程工业生产过程的故障诊断问题已经引起越来越多的关注，建立完善的流程工业故障诊断系统，从大量关联的设备故障中迅速地找出故障的根源，减少系统设备失效导致其它设备连锁失效的发生，避免事故扩大化，保证生产过程安全可靠运行，消除事故，是十分迫切的问题[9]。

故障诊断不仅在流程工业中体现，在航空航天中也有具体表现。

众所周知，航空航天是故障多发且危害极大的领域，也是故障检测与故障诊断技术得到较早使用的领域，包括航天测控、导航控制、轨道监视以及航天器可靠性与安全性等在内的多个分支，都有故障检测与诊断技术成功应用的先例。

近三十年来，航天故障诊断一直是故障诊断方法研究和技术应用的主战场。

这不仅表现在故障诊断的理论与技术中一些有影响的重要分支，其发展过程与航天故障分析技术有着很深的历史渊源，也表现在大量故障诊断方法都曾在航空航天领域中得到了广泛应用，更重要的还在于航天故障的复杂性对故障诊断技术发展不断产生推动作用。

为了避免重大事故的发生，各国都十分重视在线监测与故障诊断系统的研究。

它不仅可以保障系统和人身安全，还具有显著的经济效益和社会效益。

2相关研究的最新成果及动态

滚动轴承是各种旋转机械中应用最广泛的一种通用机械部件，它的运行状态是否正常往往直接影响整台机器的性能[11]，因此对滚动轴承的状态监测和故障诊断具有重要的现实意义。

共振解调法又称高频共振法或包络分析法，是目前滚动轴承故障诊断中最常用的方法之一[12.13]。

它是利用轴承或检测系统作为谐振体，把故障冲击产生的高频共振响应放大，通过包络检测方法变为具有故障特征信息的低频波形，然后采用频谱分析找出故障的特征频率，从而确定故障的类型。

带通滤波器参数的选择对于共振解调来说是个关键问题，通常取决于操作者的经验和历史数据，在获得满意结果之前需要多次尝试，这在包含多个旋转部件的复杂系统中将是非常费时的[14]。

电力系统发展使得电网的规模越来越大，结构越来越复杂，不同区域之间的互联也越来越紧密，能量管理系统和数据采集监控系统在电网调度中心得到了广泛的应用，这就使得系统中所发生的故障对系统本身的影响也随之扩大，因此电力系统故障诊断研究具有重要的现实意义。

专家系统（expertsystem）是发展最早，也是比较成熟的一种人工智能技术。

70年代初期专家系统就引入到电力系统故障诊断研究领域，其所具有的特点与电力系统故障诊断问题有许多切合点，因此基于专家系统的故障诊断研究时间最长、研究最多。

与专家系统相比，基于人工神经网络（artificialneuralnetworkANN）的故障诊断方法具有鲁棒性好、容错能力强和学习能力强等特点。

模糊理论（fuzzytheory）是将经典集合理论模糊化，并引入语言变量和近似推理的模糊逻辑，具有完整的推理体系的智能技术[15]。

另外，还有基于贝叶斯网络的电力系统故障诊断、基于故障录波器信息的电力系统故障诊断等技术。

远程故障诊断工作的随机性和分布式计算、远程信息处理等新技术的应用对远程协同故障诊断的体系结构提出了更高的要求[16]。

对远程故障诊断策略与系统框架相关研究已成为远程故障诊断领域的重点。

在国外相关研究中，影响较大的有美国国家自然科学基金资助的“智能维护系统中心（CenterforIntelligentMaintenancesystems,IMS）”、由澳大利亚联邦政府投资1750万美元建立的“工程设备集成管理研究协作中心（CooperativeResearchCentreforIntegratedEngineeringAssetManagement,CIEAM）”以及由欧盟资助的PROTEUS（aGenericPlatformfore-Maintenance）项目。

此外，许多国际组织，如MIMOSA,MFTP,COMADEM等也纷纷通过网络进行装备故障诊断咨询和技术推广工作并制定了

一些信息交换格式和标准。

从国际方面来看，世界上许多国家的工业界和学术界都投入了巨资对远程故障诊断技术在实际应用中的研究，建立远程故障诊断站点或者在它们的产品中加入了广域网功能。

同时，研究人员也进行了基于广域网的远程故障诊断服务支撑平台软件的研究及远程诊断工具的开发。

可以看出国外对远程故障诊断系统更偏向于实用化的研究，其针对的是具体的设备进行实际的远程维护支持系统的开发与研究，而研究的结果一般都与市场接轨，从而在很大程度上推动了设备故障诊断技术的不断发展，同时也提升了远程故障诊断技术在实际应用中的经济价值

[10]。

另外，近十年来，基于多信号模型的故障诊断技术在美国航空航天领域得到了广泛的应用。

1998年美国QualtechSystem公司（QSI）与NASA-Ames中心合作对UH-60通用直升机的健康监控与故障诊断进行研究，并将多信号建模技术与TEAMS-RT实时故障诊断技术应用于发动机和传动系统;1999年，NASA-ARC的线路集成研究小组（WIRe），与QSI合作，对航天飞机的线路系统进行多信号建模，并开展基于多信号模型的故障诊断研究；2000年，QSI与NASA-ARC合作，对国际空间站（ISS）上的1553总线系统建立了多信号模型，并研究了基于多信号模型的远程诊断服务器（RDS）。

2004年QSI推出了综合诊断虚拟测试平台VirtualTestBench（VTB），将TEAMS整体工具应用于系统在计算机工作环境下的建模和精确分析。

2006年，QSI在JSF项目中将实时故障诊断推理机TEAMS-RT应用于F135发动机的在线状态监控与故障诊断中。

目前，QSI是Honeywell航天系统研究小组的关键成员之一，该研究小组承担了NASA的第二代可重复使用运载器（RLV）减少风险方案，即运载器集成健康管理（IVHM）系统的合同[17]。

3课题的研究内容及拟采取的研究方法（技术路线）、研究难点及预期达到的目标

复杂分布式设备

子系统n

MFM

目标模型

子系统2

模型

子系统3

功能模型

子系统1

监测与诊断 监测与诊断 监测与诊断 监测与诊断

单元 单元 单元 单元

传感器

在线故障诊断

局域网

诊断方法1

单元

诊断方法3

单元

领域1

诊断方法2

单元

用户接口

单元

领域2

领域3

图1技术路线

技术路线如图1所示。

故障诊断研究的是对象故障或其功能异常、动作失败等问题，寻求发现故障和甄别故障的理论与方法。

无论是设备故障诊断、系统故障诊断还是过程故障诊断，都有着广泛的研究对象、实在的问题背景和丰富的研究内容。

多级流模型是一种基于目标的层次化建模方法，它对真实的物理系统以物质流、能量流、信息流的角度进行抽象，通过使用一些特定的图形符号来描述系统过程的目标、功能以及设备元件，从而对系统的生产过程进行建模。

多级流模型的目标、功能、设备元件间通过一定关系联系在一起。

这些关系主要有：

达成关系、条件关系、实现关系等等。

除了这三种MFM层次间的关系以外，在网络节点的内部，功能节点间通过连接关系联系在一起。

多级流模型的建模思想是把整个

生产过程抽象成广义的“流”，以系统目标与实现目标的功能为模型主体，建立复杂流程工业系统的抽象层次模型。

在建模过程中，“流”是建模的主线，它主要可分为：

物质流、能量流、信息流，其中物质流是指物质之间的互相转化、转换、传递过程，比如火力发电系统水与蒸汽的互相的转化过程；能量流是能量的转化和传递过程，比如热传递，做功等；信息流是指对信号或信息的认识、决策、传播的过程，比如控制信号管理。

单片微型计算机简称单片机，是典型的嵌入式微控制器（ MicrocontrollerUnit），常用英文字母的缩写MCU表示单片机，它最早是被用在工业控制领域。

单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。

单片机比专用处理器更适合应用于嵌入式系统，因此它得到了最多的应用。

单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。

相当于一个微型的计算机，和计算机相比，单片机只缺少了I/O设备。

概括的讲：

一块芯片就成了一台计算机。

它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。

同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。

温度传感器是利用物质各种物理性质随温度变化的规律把温度转换为电量的传感器。

这些呈现规律性变化的物理性质主要有体。

温度传感器是温度测量仪表的核心部分，品种繁多。

按测量方式可分为接触式和非接触式两大类，按照传感器材料及电子元件特性分为热