第 25卷 第 4期 (总 第 116期 ) Vo1．25 No．4(SUM No．1 16) 机 械 管 理 开 发 MECHANICAL MANAGEMENT AND DEVEL0PMENT 2010年 8月 Aug．2010 基于模型的故障诊断方法研究 门吉 芳 ，潘 宏侠 (中北大 学 机 械工 程与 自动 化学 院 ，山 两 太原 030051) 【摘 要】 目前 ，对非线性动 态系统故障诊断 的研 究越 来越深入 ，产生 了多种新方法和新理论 。文章介 绍了非线性动 态系统故 障诊 断方 法之后 ，还分析 了对故障诊 断技 术有待解决的 问题和发展趋势。 【关键词】 解析模型 ；粒子滤波 ；隐马 尔科 夫；强跟踪滤波 器 【中图分类号 】 TP206*．3 【文献标识码 】 A 【文章编号 】 1003—773X(2010)04—0067—02 0 引 言 思 路 。其 中残 差决 策 法 最 为 常用 ，它 利 用 滤波 器估 计 随着静态系统故 障诊断技术研究的逐渐成熟 ，对 出系统 的状 态 ，再 和 系统 实 际输 出相 比产生 残差 ，最后 动态 系统 的研 究成 为热 门课 题 。动态 系统 故 障诊 断技 对残 差 进行 决策 。 术涉及多方面的学科知识 (现代控制理论 ，信号处理 ， 采用粒子滤波 器和残 差决策方法进行故障诊断时 ， 模 式识 别 ，人 工智 能 等 数 学物 理 方 法 的应 用 和发 展 )。 就是 对 系统 的 正常状 态 和每种 故 障状 态分 别构造 粒子 诊 断是指 采用 各种 测试 分析 手段 和故 障状 态 的识别 方 滤 波器 ，然后 与 实 际输 出相 比 ，构 成残差 序 列 。如果 系 法来 确 定 故 障 的性 质 、程 度 的一 门学 科 …。 国际 故 障 统发 生故 障 ，则残 差序 列将 发 生变 化 ，对 残差 序列进 行 诊断 权威 德 国的 P．M．Frank教授 认 为 ，所 有 的故 障诊 分析 处理 ，从 而 实现故 障诊 断 。 断方法可划分为 ：基于解析模型的方法 、基于信号处理 1．2 隐马 尔科 夫 (HMM) 的方 法 、基 于 知识 的方 法 。本 文 主要 介 绍 基 于模 型 的 HMM是 一种 时 间序 列统 计建 模工 具 ，是 由 Markov 故 障诊断 方法 。 链 和 随 机 过 程 两 部 分 组 成 的 。 Markov链 产 生 的输 出 1 基 于解 析模 型的故 障诊 断 方法 为 状 态 序 列 ，随 机 过 程 产 生 的输 出 为 观 测 值 序 列 。 基于解 析模 型 的方 法需 要建 立被 诊断 对象 的较 为 HMM的应用 i分学 习 和推理 两个 阶段 进行 。学 习阶段 精 确 的数 学模 型 。它可 分为 ：状态 估计 方法 、参 数估 计 是 由观 测 到 的样 本 估 计 出 HMM 的 参数 ，从 而 确 定 模 方 法 、等价 空 间方法 。这 三三种 方法 虽然 是独 立发 展 的 ， 型 。概 率 推 理 阶段 是 指 给定 一 组 观测 样 本 和 HMM模 但 是 它们之 间 是有一 定联 系 的 。 型库下 ，计算 观测样本在 各个 HMM下输 出的概率 。 1)状 态 估计 方 法 的思 想是 ：把 通 过状 态 观测 器 或 概率 输 出最高 的模 型作 为 辨识结 果 。 滤波 器 的输 出与 实 际 系统 的输 出之 问 的差 值 ，构 成 残 利 用 HMM进 行 故 障诊 断需 要 对原 始 数 据进 行 预 差序 列 ，再 对 残 差 进 行 分 析 处 理 ，从 而 将 故 障 检测 出 处理 ，提取 特 征值 ，将特 征 值作 为观 测样 本 。对 不 同 的 来 。2)参 数估 计方 法 是根 据参 数 变化 的统计 特性 ，进 行故 障 的检测 和 分 离 ，不 需 要分 析残 差 序列 。3)等 价 故 障模式 建立 HMM，生成 HMM模 型 库 ，然 后将 需要 诊 断的数据送人每一个模 型中计算输 出概率 ，输出相似 空 间法 是先 建 立 系统 的数学 模 型 ，再 根 据 系统 输 人输 概率最大的模型 的状态即为待诊 断信号的状态 ，从而 出 的实 际测 量值 检验 所 建模 型 的等价 性 ，从 而对 故 障 达到 故 障诊 断 的 目的。 进行 检 测 和诊 断 。现 已证 明 ，等 价空 间法 和基 于 观 测 1．3 强 跟 踪 滤 波 器 器 的状态估 计法 在结 构 上是 等价 的 。 强 跟踪 滤 波 器 是基 于 参 数估 计 的 诊 断方 法 ，其 可 基 于解 析模 型 的诊 断技 术 发 展最 早 ，它在 线 性 系 实时 估计 出不 可测 的状 态 和时 变参 数 。基 于强 跟踪 滤 统 中 的应用 比较 成熟 ，但是 实 际 系统 绝 大 多数 是 非 线 波器 的故 障诊 断方 法是 把诊 断 系统 的故 障化 为参数 偏 性 的 ，因此 深 入研 究 非 线性 系 统 的故 障诊 断方 法 更 有 差型 故 障进行 处理 ，如 果扩 展后 的 系统可 辩识 ，则采 用 重要 意义 。 1．1 粒 子 滤 波 器 强跟踪滤波器可 以得到系统状态和参数的联合估计 ， 然后 再 用决 策 分 类 算法 检 验 每个 参 数 估计 值 ，从 而 实 粒 子 滤 波是 通 过 蒙 特 卡 罗 模 拟 来 实 现 状 态 估 计 现故 障诊 断 。 的 ，其 基本 思想 是 ：用 一组 带有 权值 的随机 采样点 集 合 2 结 论 来 表 示 需 要 的后 验 概 率 密 度 ，然后 用 这一 近似 的 表 基于解析模型的方法对于线性系统的研究 比较完 示来计 算 系统 的状态 估计 。基 于 观测器 或 滤波器 用 于 善 ；而对 于非线 性 系统则 比较 肤 浅 ，非 线性 系统 的 内部 故 障诊 断 的方 法 ，一 般包 括 残 差决 策 和 参数 估 计 两 种 (下转 第 69页 ) 收 稿 日期 ：2010—03—12 作 者 简 介 ：门吉 芳 (1984一)，女 ，山 西 朔 州人 ，在 读 硕 士研 究 生 ，研 究方 向 为 ：机 械 故 障诊 断 。 · 67 · 

第 25卷第 4期(总第 1 16期 ) 刘金标 ：提 高零件疲 劳强度 的方法及措 施 对零 件 在 工作 前 使 其产 生 部分 塑性 变形 ，造 成有 利 的 残余 压 应 力 以提 高 疲 劳寿命 ，须 注 意 的是 如 引入 残余 拉应 力 ，则会 使 材料 的疲 劳 强 度下 降 。6)尽 可 能减 小 或 消除 零 件表 面 可 能 发生 的初 始裂 纹 的尺 寸 ，疲 劳破 限 寿命 设 计 ，这 就 要用 可靠 性 理 论准 确 估计 其 疲劳 寿 命期限 ，当易损件达到使用寿命时及时更换 ，设计时采 用 可开 启 式 结 构 ，易 于维 修 于检 查 与 更换 。3)减 荷 设 计 法 ：设计 时尽 量 减少结 构 件 的 内应 力 和应力 集 中 ，采 坏通 常是 从初 始裂 纹开 始并 扩展 开 的 。 3．5 合 理 的振 动设计 对于 高速 运行或做 往复振 动的零部件 ，在设计 阶段 应 注 重 考 虑 其 布 局 的合 理 性 以及 运 动状 态 的情 况 。 1)设 计 时应 通过 与类 似 产 品对 比和 计算 ，装 配完 成后 经 实测 运 动 的 白振 频率 ，以避 免 各个 频 率 在使 用 范 围 内发生 共振 ，造 成零 部 件疲 劳破 坏 。2)对 于 类似 拉杆 等 运动 机 构上 的操 纵 系统 、管 路 系统 在 设 计 时应 考虑 共 振对 其 的影 响 ，设 计 时 在振 动 大 的地 方 加设 支 撑架 或改 变管 路安 装位 置或将 振 动构件 隔离开 等方法 都可 降 系统 的振 动 。3)对 振 动 系 统 中 的板 件 ，如翼 板 、振 动机 械 支撑板 等在设 计 时应 考虑设 置 加强肋 以提 高其 整体 刚度 ，避 免 因高频振 动 而使板 件 出现疲 劳破 坏 。 3．6 可 靠性 设 计 用 物 理方 法 消 除或 降低 其 内的应 力 。4)安 全装 置与 安 全检 测 设计 法 ：采 用 信 号 监控 装 置 ，进 行适 时监控 ，如 采用 白行监 控 与 自行校 正 的闭式 反 馈控 制 系 统 ，这 是 当前 安全 设计 的发 展方 向。5)采 用 多路传 力 结构 或 多 重 受 力结构 件设 计 法 ：当其 中一个 结构 件损 坏后 ，其 它 元 件仍 能继 续 受力 ，保证 构件 具有 继续 承载 能力 ，如多 梁 飞 机 机翼 就 是 一例 ，此外 结 构 的连 接 处 和联 接接 头 疲 劳 设计 也 不 允许 轻 视 ，任 何 结 构件 均 由构 件组 合 而 成 ，实践 证 明疲 劳破坏 常 常在 连接 部位 出现 ，例如 飞行 器设 计 中的连接 件设 计就 是抗 疲 劳设计 的重要 内容 。 4 结束 语 总之 ，在 抗疲 劳设 计 中 ，凡 是有 利于提 高疲 劳强 度 2 的方 法及 相 应措 施 在 设计 阶段 应考 虑 及 应用 ，凡 可 能 会降低疲劳强度的因素在设计时应避免。 1)沉余 设计 法 ：对 薄弱 零 部件 在 设计 阶段 应考 虑 参 考 文 献 备 份有 能 完成 相 同功 能 的结构 ，如在 飞 机设 计 中采 用 平 常不 参 与 受力 的 辅助 机 构 ，当主要 受 力 构件 疲 劳破 坏后 ，辅 助构件 参 与承载 主要 受力 构件 任务 ，保证 其安 全 工作 。2)安 全 使 用 期 限设 计 法 ：对 于 易 损 件采 用 有 [1 J 濮 良贵 ，纪 名 刚．机 械设 计 [M]．北 京 ：高等 教 育 出版 社 ， 2001． ． [2] 成 大先 ．机械设计手册[M】．北 京 ：化学T业Ⅲ版社 ，2002． [3】 徐 灏 ．疲劳强度设计[M]．北京 ：机械工业 『叶f版社 ．1981． The M ethods and M easurem ents of Im proving the Fatigue Strength of Parts (Yichang Testing Feehnique Research Institute，Yichang 443003，China) LIU Jin—biao [Abstractj Improving the fatigue strength of parts is an attention problem in the mechanical structure design．In the papers，according to the influence factors of the fatigue strength of parts and combing with the actual working experience，The methods and measurenlents that how to improve the fatigue strength of parts is simply formulated and related analyzed．Aimed at the problems arisen in engineering，the correspon— dent control methods and solutions is proposed． [Key words] Fatigue strength；Stress concentration；Reliability (上 接 第 67页 ) 机理 比较 复杂 ，建立 较精 确 的模型 比较 困难 ，因此需 要 进一 步完 善和探 究 。怎样 快速 准确 地跟 踪辨 识和识 别 系 统 的故 障 ，怎样 诊 断 和 隔离 南于故 障 导致 的系统 模 型 结 构 的 变 化 等 ，这 些 问 题 都 需 要 深 入 地 研 究 和 解 决 。随着 模式 识 别 、智 能技 术 的发 展 ，把 神 经 网络 、小 FRANK P M．Fault diagnosis in dynamic systems using analyt— ical and knowledge—based redundancy-a survey and some new results… ．Automatica，1990，26(3)：459—474． 周东华 ，叶银忠 ．现代 故障诊断与容错控 制【M]．北京 ：清 华 大 学 出 版 社 ，2000． 袁 泽剑 ，郑南 宁 ，贾新春 ．高斯 一厄米特粒子滤波器【J1．电 波 变换 等 最新 的研 究成 果 用 于 系统 建模 中 ，将 为非 线 子学报 ，2003，31 f7)：970—973． 性 系统故 障诊 断 的研 究提 供新 的想 法 。 葛哲学 ．滤波方 法及其 在非线性 系统故 障诊 断 中的应 用 参考 文献 研 究 fD1．北 京 ：中 国博 士 学 位 论 文 全 文 数 据 库 ．2006：6． 【1】 沈 庆 根 ，郑 水 英 设 备 故 障 诊 断 [M]．北 京 ：化 学 T 业 版 冯 长 建 ．HMM动 态 模 式 识 别 理 论 一 方 法 以及 在 旋 转 机 械 社 ，2006． 故 障 诊 断 中的 应 用 fD1．杭 州 ：浙 江 大 学 ．2002：14． Research on M odel-Based M ethods for Fault Diagnosis M EN Ji-fang，PAN Hong-xia (North University of China，Taiyuan 03005 l，China) [AbstractJ The research of fault diagnosis for nonlinear dynamic systems is more and more in—depth．A variety of new methods and new theory is produced．This paper introduces fault diagnosis methods based on nonlinear dynamic systems．Finally，the future problems and de— velopment trends to be studied in fault diagnosis are pointed out． 【Key wordsj Analytical model；PF；HMM；Strong tracking filter · 69 ·