基于MATLABGUIDE的逆变装置故障诊断软件系统设计

所以小波包重构为
dl
j, n
=
6
K
h0 ( l- 2 k) dk
j+1, 2 n
j+1, 2 n
+ h1 ( l- 2 k) dk
j+1, 2 n +1
」=
( 8)
6
K
g0 ( l - 2 k ) dk
+
6
K
g1 ( l - 2 k 3;1
・50・
天 津 理 工 大 学 学 报 第 25 卷 第 3期
( j+1 )
设 Gj f ( t) ∈ U j
Gj f ( t) =
n
6
l
dl ・ j w n ( 2 t - l)
2n 2 n +1
j, n
1 2
- j
( 6)
因为 Gj f ( t) = Gj+1 f ( t) + Gj+1 f ( t) , 所以小波包 系数递推公式为
dk d
j+1, 2 n
D esign of software system of fault d ia gnosis of in verter dev ice ba sed on M ATLAB GU I DE
M EN G Q ing2xue, WAN G Yun 2liang
( School of Electrical Engineering, Tianjin University of Technology, Tianjin 300384, China) Abstract: The softw are system design of fault diagnosis of three 2level inverter device are realized by using these theories of wavelet and wavelet packet analysis, neural network, system identification and so on. The V isual diagnostic system is designed by direct using the GU I D E ( graphical user interface development environment) ofMATLAB. It has realized one design of the Interface and function. The tests results show that the fault diagnosis system hase many advantages of high rate of fault diagno2 sis, diagnosis rap idly, operate simp ly and w ith strong p racticaity . Key words: fault diagnosis; inverter device; interface design; callback p rocedure design
( 66 种故障状态 ) 情况 , 对于 3 个或更多 IGBP 同时
6X = 6 d
k k ( j)
( j) k ( j) k
< jk ( t) ψjk ( t)
( 2) ( 3)
X k 和 dk 的递推公式为 Xk d
( j)
= =
6
n
h0 ( 2 n - k) X n h1 ( 2 n - k) d
基于 M ATLAB GU I D E的逆变装置 故障诊断软件系统设计
孟庆学 , 王云亮
(天津理工大学 自动化学院 , 天津 300384 )
摘 要 : 利用小波及小波包分析﹑神经网络及系统辨识等理论实现了三电平逆变装置的故障诊断软件系统设计 ,诊 断系统是直接利用 MATLAB 自身携带的 GU I D E (图形用户界面开发环境 )完成了可视化设计 ,实现了界面与功能的一 体化设计 . 经试验验证该故障诊断系统故障诊断率高﹑诊断速度快﹑操作简单﹑实用性强 . 关键词 : 故障诊断 ; 逆变装置 ; 界面设计 ; 回调程序设计 中图分类号 : TP277; TP206 + . 3 文献标识码 : A
[1]
. GU I D E 主要是一个界面设计工具集 ,将所有
支持的用户控件都集中在这个环境中并提供界面外 观、 属性和行为响应方式的设置方法 . GU I D E 不但能 够交互式的进行组件界面布局 , 而且能够生成两个 用来保存和发布 GU I的文件 .
收稿日期 : 2008 211 204. 基金项目 : 天津市复杂系统控制理论及应用重点实验室基金资助 . 第一作者 : 孟庆学 ( 1982 — ) ,男 ,硕士研究生 . 通讯作者 : 王云亮 ( 1963 — ) ,男 ,教授 ,硕士 ,硕士生导师 .
[2]
图 1 故障诊断系统设计思路
F ig. 1 D esign m ethod of fault d ia gnosis system
. 为了解决 MAT2
LAB 程序执行效率低 , 且无法对硬件底层进行直接
3. 3 信号的小波包分解与重构
2 小波包是一函数族 , 构成 L ( R ) 的标准正交基
3. 4 主界面设计 1 )在 MATLAB 命令窗口中输入 guide 命令 , 回
击实时监测按钮时 , axes 1 ～ axes 6 中将会对应自动 生成 1 ～6 个图形 ,分别为 : 系统正常状态波形 、 系统 实时状态波形 、 正常重构结点信号 、 实时重构结点信 号、 正常状态功率谱和实时状态功率谱 ,并且完成信 号的能量特征提取 . ( 1 )正常状态波形和系统实时状态波形分别指 系统在正常工作状态和系统在实时工作状态下的三 电平逆变器输出端的相电压经过去噪后的波形图 , 其中横坐标表示时间纵坐标表示电压幅值 , 通过对 比波形可以非常直观的看出系统是否发生故障 . 这 里设计提升小波去噪法对采集到的信号进行去噪处 理 ,其实现过程为 : 首先对采集的电压信号进行提升 分解 ; 构造小波分解结构 ; 然后获得噪声方差 ; 最后 获取小波去噪阈值进行去噪 . 结果表明该方法不但 去噪效果好而且还能保留原始信号故障特征 . ( 2 )正常重构结点信号和实时重构结点信号分 别指系统在正常工作状态和实时工作状态下三电平 逆变器输出端的相电压信号经过小波包分解再重构 的重构结点信号 . 通过两个信号波形对比图可以看 出故障信号的突变情况及故障分布情况 . 经过大量 实验验证 ,本系统选取了 db 6 小波进行 6 层小波包 分解 ,然后提取出第 6 层结点 ,最后对其进行重构 . ( 3 )正常状态功率谱和实时状态功率谱是指系 统分别在正常工作状态和实时工作状态下信号重构 结点的功率在各个频率段的分布情况 . 通过对比可 观测到实时状态下逆变装置的工作情况 , 一旦发生 状态突 变 可 以 提 前 预 测 故 障 情 况 并 进 行 及 时 的 维护 . ( 4 )完成信号的能量特征提取设计 . 其能量特征 提取设计步骤如下 : ① 首先对原始信号进行 n 层小波包分解 , 提取 n 第 n 层的 2 个各频带信号特征 (低频系数与高频系 数 X ij ) . ② 对小波包各分解系数进行重构 , 在各自频段 范围内形成重构后的信号 S. ③ 求各频带信号的总能量 . 设 S 表示原始信号 , d 表示小波包分解系数 , S i, j 为重构信号 , S i, j对应的总能量为 E i, j , di, k表示 S i, j的 离散点的幅值 (即小波包重构系数 ) . 则有
16732095x20090320048204基于matlabguide的逆变装置故障诊断软件系统设计天津理工大学自动化学院天津300384利用小波及小波包分析神经网络及系统辨识等理论实现了三电平逆变装置的故障诊断软件系统设计诊断系统是直接利用matlab自身携带的guide图形用户界面开发环境完成了可视化设计实现了界面与功能的一体化设计
库 , 正交小波基是其中的一组 , 是小波函数的推广 . 小波包分析为信号提供了一种比小波分析更加精密 的分析方法 , 它将频带进行多层次划分 , 对多分辨率 分析没有细分的高频部分进一步分解 , 可以根据被 分析信号的特征和分析要求在一定的频域范围内任 意选择分辨率 , 从而进一步提高了时频分辨率 . 2 设信号 f ( t) ∈L ( R ) 为平方可积函数 , pj f ( t) 为 f ( t) 在 V j 中的投影 , 即为 f ( t) 在分辨率 j下的平滑逼 近 , X k 为 f ( t) 在分辨率 j下的离散逼近 . D j f ( t) 为 f ( t) 在小波空间 W j 中的投影 , dk ( j) 为小波变换 W Tf ( j, k ) . 则 f ( t) 的正交小波分解为 ( 1) pj- 1 f ( t) = pj f ( t) + D j f ( t) 其中 :
pj f ( t) = D j f ( t)
( j) ( j)
3 逆变装置故障诊断软件系统设计
3. 1 三电平逆变器故障分析
本文采用三电平逆变器 , 主电路由 12 个 IGB T 组成 ,分别为 IGB T1 ～ IGB T12. 根据经验及理论可知 逆变装置的功率开关器件工作在高频开关状态 , 损 耗较大 ,发热严重 , 发生故障的概率最大 , 其中以功 率开关器件的开路故障和直通故障最为常见 . 短路 故障存在时间较短 ,最终表现为开路 . 并且短路故障 很快会导致过流保护 , 如果系统中有电流传感器和 过流保护 ,该故障很快被检测到 . 而开路故障不会导 致过流 ,系统可以 "带病 "运行 , 即使系统有欠压保 护 ,这种故障在系统实际运行中也很难被发现 . 当输 出电压不正常时会导致电机等负载工作不正常造成 负载严重损坏 , 所以对于这种故障需要特别的诊断 措施 . 考虑以上故障特点 ,本文主要研究功率开关器 件的开路故障 . 其故障可分为只有 1 个 IGBT发生故 障 ( 12 种故障状态 )或任意 2 个 IGBT同时发生故障
2009 年 6 月 孟庆学 ,等 : 基于 MATLAB GU I D E 的逆变装置故障诊断软件系统设计
・4 9 ・
2 利用 M ATLAB实现工业现场数据实时采集
利用 MATLAB 能够实现工业现场数据实时采 集 . 其方法如下 : 1 ) 在 MATLAB 图形用户界面环境下可以实现 实时数据采集及控制系统设计
1 M ATLAB 界面设计环境
MATLAB 图 形 用 户 界 面 开 发 环 境 GU I DE ( Graphical U ser Interface Developm ent Environment )
为用户开发图形界面提供了一种方便高效的集成环 境 ,用户界面所有开发工作都能利用 GU I D E 方便地 实现
发生故障情况很少发生 ,故在这里只研究 IGB T发生 的这 78 种故障状态 .
3. 2 故障诊断系统设计思路
=
6
l
h0 ( 2 l- k) dl
j, n
j+1, 2 n +1 k
=
6
l
( 7) h1 ( 2 l- k) dl
j, n
图 1 是故障诊断软件系统设计思路 . 首先将采 集的逆变装置输出端各相电压故障样本进行去噪处 理 ,然后进行故障特征提取 ,最后建立神经网络故障 分类器 ,实现系统的故障监测与定位诊断 .
的 I/O 操作问题 , M athWorks 公司提供了 MATLAB 和 C 的接口函数 ,即 M EX 函数 . 应用 M EX 文件可以 直接调用已经开发的 C 语言程序 , 通过添加入口程 序 mexFunction,可以由 MATLAB 直接调用并可以直 接控制硬件 . 2 )通过 MATLAB 提供的应用编程接口 (AP I) 与 外部连接 ,从而实现在 MATLAB 环境中调用 C 语言 或 Fortran程序 、 输入或输出数据以及与其他软件程 序建立客户 /服务器关系 . 利用 C 语言对 USB 的数 据采集部分进行驱动和控制 , 编译成 M EX 文件 , 然 后在 MATLAB 中直接调用实时数据即可 .
本文利用小波及小波包分析﹑神经网络及系统 辨识等理论实现了三电平逆变装置的智能故障诊断 软件系统设计 . 该系统直接利用 MATLAB 自身携带 的 GU I D E (图形用户界面开发环境 ) 完成了可视化 软件设计 ,无需利用 VB 或 VC + +等外来软件做界 面 , 实现了界面与功能的一体化设计 , 既简便又实 用 . 本文还分析了当今的 MATLAB 不仅仅用于仿真 它还可以完成实际工业现场的实时系统设计 . 最后 对所做诊断系统进行了试验验证 , 结果表明该故障 诊断系统具有故障诊断率高 、 诊断速度快 、 操作简 单、 实用性强等优点 .
第 25 卷 第 3期 2009 年 6 月
天 津 理 工 大 学 学 报 JO URNAL O F T IANJ IN UN IVERS ITY O F TECHNOLO GY
Vol . 25 No. 3 Jun. 2009
文章编号 : 1673 2095X ( 2009) 03 20048 204
( j- 1 )
( j) k
6
n
( 4)
( j- 1 ) n
正交小波的重构公式为
Xn
( j)
=
6
K
h0 ( n - 2 k) X k
( j+1 )
+
6
K
h1 ( n - 2 k) dk
( j+1 )
= ( 5)
6
K n
g0 ( n - 2 k ) X k
n n
( j+1 )
+
6
K
g1 ( n - 2 k ) dk