旋转机械故障诊断专家系统

参考文献： ［ B ］ C7< DE,&(F -&)2G.H6(I% ,J,%(1 1(%72K282L
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部分与推理机部分分开，使其变成一个相对独立的部分。 这样做不仅能较好的满足扩 充 知 识 库 的 需 要 ， 而 且 也 符 合 专家系统各部分相对独立的原则。 考 虑 到 知 识 库 维 护 方 便 ， 在 设 计 中 采 用 了 "##$%%!&&& 来生成知识库。由于故障诊 断 专 家 系 统 的 推 理 机 采 用 了 黑 灰白集合筛选法，而知识库 是 推 理 机 工 作 的 重 要 对 象 。 因
! 引言
在石化、冶金、电 力 等 流 程 工 业 中 ， 大 型 机 组 一 旦 发 生故障，根据监测结果及时 准 确 分 析 出 其 原 因 ， 指 导 维 修 决策和制定防治措施往往是 生 产 中 的 关 键 。 许 多 场 合 对 同 一监测结果，众说纷云，得 不 出 一 致 结 论 。 因 此 研 制 人 工 —专家系统十分必要。 智能机械故障诊断程序—— 近年 来 ， 美 国 %3)%4 、 5$6 公 司 推 出 了 故 障 诊 断 专 家 系统， 789:;< 公司研制出了故障诊 断 工 程师帮助系统，并已在我国推广应用。 除了从国外引进的以外，国内一些高 等院校和单位，如华中理工大学、哈 尔滨工业大学等也开展了这方面工作， 取得了一定的成效。但是在用户实际
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［.］
2 系统设计
（! ）系统结构简要说明 专家系统一般由知 识 库 、 推 理 机 、 人 机 接 口 、 解 释 机 构等部分组成。 知识库主要用来存 放 领 域 专 家 的 专 门 知 识 。 知 识 表 示 要解决的问题是如何用计算 机 能 够 理 解 的 形 式 表 达 和 存 储 知识。知识库是推理机工作 的 重 要 对 象 ， 其 中 知 识 表 示 的
表( 规则编号 规则名称 主导频率为精确同频表结构 状态 故障 ( 故障 ! …… …… 故障 (2 故障 (,
0001( 0001!
转子轴向 * 振动较大 转子轨迹 + 为圆或椭 圆正进动
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主导频率为精确分频表结构 故障 3故障 33
规则编号 规则名称 状态 故障 -& 故障 -! ……
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其 中 #（ ! ） = （% -!’ &） >’ !( 为 动 力 系 统 的 特 征 矩 阵 ， 或称阻抗矩阵。
（编号： " 国家自然科学基金资助项目 0&2+0&!. ） 收稿日期： ’&&0 — &0 — !(
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机电工程技术 !""# 年第 $% 卷第 &! 期
研究与开 发
好坏直接影响着整个系统的工作效率。 推理机用于记忆所 采 用 的 推 理 规 则 和 控 制 策 略 ， 使 整 个专家系统能够以逻辑方式 协 调 地 工 作 。 推 理 机 能 够 根 据 知识进行推理和导出结论，而不是简单地搜索现成的答 案，它包括推理方法和控制 策 略 两 部 分 。 推 理 机 具 体 表 现 在程序中就是整个程序的逻 辑 控 制 算 法 ， 逻 辑 控 制 算 法 是 程序正确运行的先决条件。 因 此 ， 推 理 机 在 故 障 诊 断 系 统 中占有重要的地位，其好坏直接关系到诊断性能的优劣。 由上可知，知识库 和 推 理 机 在 故 障 诊 断 专 家 系 统 中 处 于核心地位。因此，开发一 个 成 功 的 旋 转 机 械 故 障 诊 断 程 序，关键在于知识库部分、 以 及 和 它 紧 密 相 关 的 推 理 机 部 分的设计和实现。 在故障诊断系统中 ， 知 识 库 部 分 利 用 关 系 数 据 库 设 计 实现，推理机部分采用了黑 灰 白 集 合 筛 选 法 。 黑 灰 白 集 合 筛选法是一种比较科学的方 法 ， 在 故 障 诊 断 的 过 程 中 ， 它 可以逐步地排除不可能原因 ， 得 出 真 正 的 原 因 和 个 别 暂 时 难以排除的原因。 系统总体框架如图 ! 所示。 （! ）知识库部分的设计 考虑到将来需要对 知 识 库 进 行 修 改 、 扩 充 ， 将 知 识 库
测试数 据合计 诊断得出唯一 目标故障原因 诊断出包含目标故障原因 诊断出故障原因 在内的 A 个故障原因 为 > 个或以上 表> 测试结果统计
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AS （份） ?SG>V
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识库进行正常的推理工作
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3"!#4 的模型中容易找到的通用特性。 !"# 是一个可以通
研 究与开发
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旋转机械故障诊断专家系统 "
马 波，高金吉，江志农，杨剑锋
!&&&’( ）
（北京化工大学 #$% 中心， 北京
摘要： 在旋转机械最佳诊断方法理论的指导下，依据基于黑灰白的推理机技术开发了旋转机械故障诊断专家系统。本文着重说明 了故障诊断系统中推理机和知识库这两部分的设计及实现，最后根据工厂实际数据进行验证，列出了验证的结果。 关键词： 故障诊断；专家系统；旋转机械 中图分类号： )*’++ 文献标识码： , 文章编号： !&&(-(.(’ /’&&01 !’-&&2&-&2
过 5"&,6)%$7 和 ’%)*8( 函数访问的 9#: 自动化服务器。 在 ;&,<)8 9== 集 成 开 发 环 境 中 ， 利 用 !"# 技 术 可 以 方便地实现对数据库的操作 。 特 别 是 在 开 发 子 诊 断 模 块 的 过 程 中 ， 通 过 灵 活 运 用 !"# 提 供 的 各 种 接 口 函 数 ， 在 一 定程度上减少了诊断系统源 代 码 数 量 ， 并 使 得 源 代 码 更 易 于理解和维护。 推理机与知识库的总体结构图如图 > 所示。
0001(
润滑油温 * 降低振动 可能明显 下降
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转子轴向 * 振动大且 与振动频 率相同
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此，在建立知识库的过程中 也 充 分 考 虑 到 了 推 理 机 操 作 知 识库的方便性。 按照振动主导频率 的 不 同 ， 构 建 不 同 表 单 ， 因 为 在 不 同主导频率下，推理使用的 规 则 都 不 相 同 。 例 如 ， 振 动 主 导频率为精确同频时的表单 结 构 和 振 动 主 导 频 率 为 精 确 分 频时的表单结构 ’见表 ( 和表 !) 。 其 中 ， “规 则 编 号 ” 列 表 示 规 则 在 系 统 内 部 的 编 号 ， “规 则 名 称 ” 列 表 示 规 则 的 具 体 名 称 ， “状 态 ” 列 表 示 对 ， “故 障 ( ” 到 “ 故 障 (, ” 该 规 则 的 回 答 是 “ *” 或 “ +” 列表示当推理机应用相关规 则 时 ， 是 筛 选 掉 该 故 障 （对 应 “& ”值） ，还是保留该故障 （对应 “( ”值） 。 （- ）推理机部分的设计 在故障诊断专家系 统 中 ， 推 理 机 利 用 知 识 库 中 的 规 则 进行推理诊断。因而推理机 与 知 识 库 是 密 切 相 关 的 ， 知 识 库的设计决定了推理机部分 的 实 现 。 由 于 前 面 在 建 立 知 识 库时对推理机的操作也作了比较充分的考虑，在实现时， 整个推理框架可以很容易建立起来。
图! 诊断—— —逆过程
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故障诊断就是基于 观 测 到 的 征 兆 谱 中 的 某 几 个 征 兆 来 推断上述原因谱中的某个或某几个可能产生故障的原因。
’ 系统实现理论
振动是表征机器运 行 状 态 最 敏 感 的 征 兆 参 数 。 一 台 旋 转机械，如泵、风机、离心 压 缩 机 、 透 平 机 等 ， 在 运 行 中 其转子处于在小间隙约束下 的 动 平 衡 状 态 ， 其 响 应 、 激 励 和系统动力特性三者间关系为
图! 基于黑灰白集合筛选法的旋转机械 故障诊断专家系统总体框架
Hale Waihona Puke 我 们 运 用 面 向 对 象 的 程 序 设 计 方 法 （ ../ ） 设 计 了 整 个推理机。具体的实现就是为图 ( 中的初步诊断、精确
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研 究与开发
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诊断，以及各个原因类别设计出独立的子诊断模块。在 每个子模块中均采用黑灰白集合筛选法进行推理，并将 它们封装在不同的类中。每个封装成类的子模块只做与 自己相关的部分诊断，而且只需要访问数据库中相关的 规则表。 推理机中的各子诊 断 模 块 对 知 识 库 中 相 关 规 则 表 的 访 问 是 通 过 !"# （ !$%&’( ")%) #*+($%,） 实 现 的 。 !"# 是 一 个对象模型，它结合了 #-. "/ 易于使用 的 特 性 以 及 在 诸 如 0(12%( ")%) #*+($%, 3 0"#4 和 ")%) !$$(,, #*+($%,