6_第六章机械故障诊断新技术
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智能化，是指开发诊断型专家系统，使数据 处理、分析、故障识别自动完成，能减轻诊 断的工作量，并提高诊断速度及正确性。 标准化，建立检测标准，建立检测机制，设 计制造时考虑到设备的检测问题，传感器安 排台，测压孔等等，方便对设备实施检测。 网络化，网络传输数据，集中专业人员检测， 机器医院。
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例如，被识别目标事件，它可以有很多具体 的样本，这就是说目标事件会有很多不透明 的映射，它将所有这些模式映射到所设定的 类别中。这样，任一或所有这些模式均被识 别并被分类到目标事件的类别中。人类是用 他们的感知和认知器官来处理并实现这一不 透明映射的。 但是，在另一方面，在计算机模式识别中， 必须用清晰的描述方式－透明映射方式来替 代自然界中不透明映射。
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21
小波分析理论 （采用小波族进行变换） 具有多分辨率的特点：
在低频部分具有较高的频率分辨率和较低的 时间分辨率； 在高频部分具有较低的频率分辨率和较高的 时间分辨率； 适合探测信号中的瞬态异常并展示其成分
称为信号分析的显微镜
22
正常泵阀
故障泵阀
知苹果这一目标事件为例。人们通过看、 嗅、触摸、削皮、吃、拿、分选及买苹果等一系列 长期的生活实践学到了认知苹果地能力。但人们并 不能充分又简捷地描述苹果。这一映射过程基本上 是不透明的。 与此不同，对于计算机模式识别，需要涉及到的不 仅仅是透明映射，而且还有选择特征函数的问题。 尽管我们已有极精密的仪器来度量色彩、气味、纹 理等等特性，但是还很难断定哪些特征是最基本的、 有用的，而哪些特征又是多余的、无关紧要的。对 于目标事件描述的特征选择是比较困难的，但又是 计算机模式识别实现过程中最基本的预处理任务。 这里，目标事件可以是概念性的，也可以是物理实 体、或者是局势、情况等。
33
整个过程包括两个不同的步骤。第一步是建 立起按照适当特征来描述被识目标事件的特 殊表现形式。第二部是计算机进行一种显示 处理，以得到透明的映射，实现了分类。 在两种操作中，最难的是第一步的设计。一 旦特征已知，就可以对综合数学变换过程起 理论指导作用，从而获得所需的结果，在不 同程度上满足我们的需要。然而，一般而言 我们并无先验的基础。此外，也并不清楚什 么样的表达方式更适合模式识别过程。
故障活塞
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机械设备故障诊断的发展
机械设备故障诊断技术是建立在多种基本 技术的基础之上，并融合多种学科理论的新 兴综合性学科。因此，该学科具有基础理论 较新、体系边界模糊、实施技术繁多、工程 应用广泛、发展日趋迅速以及与高技术发展 密切相关等特点。
25
1．存在的问题 尽管机械故障诊断已取得了长足的发展， 但它是一门正在发展的新型学科，还远没有 达到完善的水平，主要表现在： ⑴ 发展不平衡，旋转机械的故障诊断理论 和实践都取得了较成熟的效果，而往复式机 械的诊断理论和实践都有待于提高。 ⑵ 测量分析仪器和诊断仪器相脱离。便携 式的多为分析系统，一般为传感器、放大仪、 数据采集系统＋频谱仪。无具体设备的特征 数据并缺乏诊断型系统。而较好的多为专用 的、固定式的系统。一般固定在厂里或设备 上，并专为该设备服务。
35
就上面的讨论，我们可以得到以下的结论： ⑴世界事物是非常复杂的，其特征信息是 多种多样的，人们也有能力识别每一个信息， 但各信息之间的关系却是不透明的，人们还 很难找到这些联系。 ⑵人们虽有能力识别这些信息，但对这些 信息特征的描述是不透明的，即没有一个标 准去统一这些描述。因而就很难进行交流， 也更难让计算机去“懂得”。 ⑶人们根据已知信息得到结论的推理过程是 不透明的，即人们不知道自己的推理过程是 如何进行的，当然也就无法让计算机去有效 的模拟。
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② 简易诊断仪表的检测多数比较单一，且精 度较低， ③ 精密信号分析仪价格贵，一般只对振动信 号进行分析，由于其专业程度较高，现场的 使用人员很难正确使用。 因此，随着对柴油机可靠性要求的日益提高， 油田迫切需要一种集成多种参数的、精密实 用的、能进行智能不解体诊断的系统。
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开发功能强、但操作简单的系统，以适合于 现场人员的使用，是智能型故障诊断系统的 研究方向，也是智能型故障诊断系统的得以 发展的必要条件。 故障诊断技术这一新兴学科的日臻完善， 还远远不是其发展进程的终结，随着计算机 技术、测试技术、信号处理技术、信息论、 控制论、可靠性理论以及系统工程等现代科 学技术的发展，还将大大丰富故障诊断技术 学科的基础理论与实施技术，促进该学科继 续向更高的水平、更深的内涵和更广阔的应 用前景发展。
2．国内外柴油机故障诊断的发展趋势 众多的文献表明，柴油机故障诊断的趋势是不解 体化、高精度化及智能化。不解体检测的研究，其 方向是开发可预埋在发动机内的传感器。美国、日 本等国家已成功的将超薄型传感器安置在发动机内， 对发动机的温度及主要部件的配合间隙进行诊断， 并利用光纤传感器监测发动机的转速波动。 高精度化，是指提高信号分析的信噪比。如利用 相干函数对测点进行选择，利用多段时域平均法提 高当前缸信号强度，利用倒频谱重新编辑法消除其 它缸的影响，利用小波变换消除噪声等等，其目的 都在于去除诊断参数中的干扰，以提高诊断精度。
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3.故障诊断与认识过程 故障诊断这一新兴的学科，近年来获得了非常快的 发展，但也面临着人工智能领域所面临的共同问题。 即知识描述与知识输入的“瓶颈”问题。 模糊数学的创始人Zadeh曾提出模式识别可以被看作 是一种不透明的映射。新的情况或新的模式可由一 个观察者正确地识别和分类。然而，这一把模式映 射为正确类别隶属的过程是不透明的，不仅其详细 的过程旁观者是捉摸不透，而且甚至对识别者本人 而言也很难理解。计算机模式识别的任务是用透明 映射方式来代替这种不透明映射，从而能用计算机 语言对其精确地加以描述。
第六章 机械故障诊断新技术
第一节 故障诊断的模糊数学方法 一、模糊教学的基本概念 1．模糊关系方程 2．隶属函数的定义 3．隶属度函数的确定 4．模糊逻辑运算 5．模糊关系矩阵的确定
1
二、模糊模式识别 1．直接识别方法 按最大隶属原则 进行判别。 2．间接识别方法 按择近原则进 行模式识别。
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⑶ 油田机械设备的诊断专用系统还比较落后。 除高校研制刚刚开始使用的诊断系统外，油 田生产部门对大型柴油机现有的诊断手段主 要有测功台、简易柴油机诊断仪表、精密信 号分析仪等几种。这几种诊断方式，都满足 不了油田对柴油机进行故障诊断的实际需要， 表现为： ① 测功台只能在柴油机解体的情况下对其进 行诊断，且只能在大修厂的台架上进行，满 足不了现场诊断的需要；
1 yi f (ui ) 1 e ui
4
2．神经网络模型 （1）模型
5
（2）算法
B-P网络的输入值是一些特征参数，输出值是 识别结果，学习算法属于有教师学习，通过 不断修改权系数和阈值，使系统的输出误差 {y}与给定的教师样本{t}的误差为最小。
6
Hopfield网络
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1977 年 ， 费 根 鲍 姆 进 一 步 提 出 了 知 识 工 程 (knowledge engineering)的概念,整个80年代， 专家系统和知识工程在全世界得到迅速的发 展。在开发专家系统过程中，许多研究者获 得共识，即人工智能系统是一个知识处理系 统，而知识表示、知识利用和知识获取则成 为人工智能系统的三个基本问题。
11
二、专家系统的结构 （1）知识库（Knowledge Base） （2）推理机（Inference Engine） （3）数据库（Data Base） （4）解释器（程序） （ExplicationProgram） （5）知识获取程序 （Knowledge Ac－quisition Program）
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x(n) h(k )u (n k )
k=0
x(n) ak x(n k ) bk u (n k )
k 1 k 0
p
q
AR 建模参数功率谱模型
MA
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为了对各种谱估计的方法有一个基本的了解， 下面用一已知信号对各种方法进行检验 (N=32)。 所给出的信号为： x n 2 cos2 f 1n 2 cos2 f 2 n 2 cos2 f 3 n z n n 0, 1, 2,..., 31 N 32 (3-13) 式中：f1=0.05，f2=0. 40，f3=0.42； z[n]为噪声的一阶自回归过程：
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一、专出系统的人工智能特点 专家系统所能解决的主要问题有： (1)解决那些只有专家才能解决的实际复杂问题。 (2)用模仿人类专家推理过程的计算机模型来解 决这些问题，并能达到人类专家解决问题的 水平。 比较成功的专家系统一般具有以下几个特点： （1）启发性即能使用判别性知识进行推理； （2）透明性能解释自己的推理过程； （3）灵活性能不断修改和扩充知识。
2
三、模糊聚类分析 1．数据的标准化 2．标定 3．聚类
四、模糊综合诊断 1．模糊综合评判数学模型 2．模糊运算模型
3
第二节 故障诊断的人工神经网络方法 一、神经网络模型 1. 人工神经元模型
si wij x j i
j 1
n
ui g ( si ) si
反馈网络 自组织
解决了著名 的TSP问题。
实时处理
7
第三节 故障诊断的专家系统简介 专家系统是应用大量人类专家的知识和 推理方法求解复杂的实际问题的一种人工智 能计算机程序。它是由一组计算机软件组成 的系统，具有相当数量的权威性知识，具备 学习功能，并且能够采取一定的策略，运用 专家知识进行推理，解决人们在通常条件下 难以解决的问题。一般的计算机软件是由数 据和程序两级组成，而专家系统则有数据、 知识和推理机三级组成。
z n az n 1 u
(3-14)
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其中a为回归系数，u为方差为σ2的高斯白噪声。 这样可以使噪声的功率谱为变化的。选择合 适的a(＝-0.8508)和σ2(＝1.010)值可以使f1附近 的信噪比为15dB，f2、f3附近的信噪比为30dB， 此信号作为比较的基准。也可以直接使用高 斯白噪声信号（令a＝0即可），这时其功率 谱为一条水平线。 图中给出了各信号的理论功率谱。图中横轴 为归一化的频率(-0.5～0.5)，纵轴为功率谱值 (-30～50dB)。
8
被誉为“专家系统和知识工程之父”的费根鲍姆 (Feigenbaum)所领导的研究小组于1968年研究成功第 一个专家系统DENDRAL，用于质谱仪分析有机化 合物的分子结构。1972～1976年，费根鲍姆小组又 开发成功MYCIN医疗专家系统，用于抗生素药物治 疗。此后，许多著名专家系统，如PROSPECTOR地 质勘探专家系统，CASNET青光眼诊断治疗专家系 统、RI计算机结构设计专家系统、MACSYMA符号 积分现定理证明专家系统、ELAS钻井数据分析专家 系统和ACE电话电缆维护专家系统等被相继开发， 为工矿数据分析处理、医疗诊断、计算机设计、符 号运算和定理证明等提供强在力的工具。
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机械故障诊断方法 信号测试采集 振动、油样、声发射、参数、……
信号分析处理 频谱、小波、…………
故障信号识别 模式识别，系统分析 模糊理论 人工智能方法 故障处理决策
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信号分析 经典谱分析法以FFT为代表，广泛用于信号 分析，故障诊断，图像处理等许多方面。国 内外都有大量的FFT软、硬件产品问世，并且 在不断发展。 现代谱分析法采用建模的方法来估计信号 的谱参数，因而速度快运算量小，精度高。 受到越来越多的重视。目前应用的有自回归 法(AR)、滑动平均法(MA)和自回归滑动平均 法(ARMA)。
智能化，是指开发诊断型专家系统，使数据 处理、分析、故障识别自动完成，能减轻诊 断的工作量，并提高诊断速度及正确性。 标准化，建立检测标准，建立检测机制，设 计制造时考虑到设备的检测问题，传感器安 排台，测压孔等等，方便对设备实施检测。 网络化，网络传输数据，集中专业人员检测， 机器医院。
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例如，被识别目标事件，它可以有很多具体 的样本，这就是说目标事件会有很多不透明 的映射，它将所有这些模式映射到所设定的 类别中。这样，任一或所有这些模式均被识 别并被分类到目标事件的类别中。人类是用 他们的感知和认知器官来处理并实现这一不 透明映射的。 但是，在另一方面，在计算机模式识别中， 必须用清晰的描述方式－透明映射方式来替 代自然界中不透明映射。
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小波分析理论 （采用小波族进行变换） 具有多分辨率的特点：
在低频部分具有较高的频率分辨率和较低的 时间分辨率； 在高频部分具有较低的频率分辨率和较高的 时间分辨率； 适合探测信号中的瞬态异常并展示其成分
称为信号分析的显微镜
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正常泵阀
故障泵阀
知苹果这一目标事件为例。人们通过看、 嗅、触摸、削皮、吃、拿、分选及买苹果等一系列 长期的生活实践学到了认知苹果地能力。但人们并 不能充分又简捷地描述苹果。这一映射过程基本上 是不透明的。 与此不同，对于计算机模式识别，需要涉及到的不 仅仅是透明映射，而且还有选择特征函数的问题。 尽管我们已有极精密的仪器来度量色彩、气味、纹 理等等特性，但是还很难断定哪些特征是最基本的、 有用的，而哪些特征又是多余的、无关紧要的。对 于目标事件描述的特征选择是比较困难的，但又是 计算机模式识别实现过程中最基本的预处理任务。 这里，目标事件可以是概念性的，也可以是物理实 体、或者是局势、情况等。
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整个过程包括两个不同的步骤。第一步是建 立起按照适当特征来描述被识目标事件的特 殊表现形式。第二部是计算机进行一种显示 处理，以得到透明的映射，实现了分类。 在两种操作中，最难的是第一步的设计。一 旦特征已知，就可以对综合数学变换过程起 理论指导作用，从而获得所需的结果，在不 同程度上满足我们的需要。然而，一般而言 我们并无先验的基础。此外，也并不清楚什 么样的表达方式更适合模式识别过程。
故障活塞
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机械设备故障诊断的发展
机械设备故障诊断技术是建立在多种基本 技术的基础之上，并融合多种学科理论的新 兴综合性学科。因此，该学科具有基础理论 较新、体系边界模糊、实施技术繁多、工程 应用广泛、发展日趋迅速以及与高技术发展 密切相关等特点。
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1．存在的问题 尽管机械故障诊断已取得了长足的发展， 但它是一门正在发展的新型学科，还远没有 达到完善的水平，主要表现在： ⑴ 发展不平衡，旋转机械的故障诊断理论 和实践都取得了较成熟的效果，而往复式机 械的诊断理论和实践都有待于提高。 ⑵ 测量分析仪器和诊断仪器相脱离。便携 式的多为分析系统，一般为传感器、放大仪、 数据采集系统＋频谱仪。无具体设备的特征 数据并缺乏诊断型系统。而较好的多为专用 的、固定式的系统。一般固定在厂里或设备 上，并专为该设备服务。
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就上面的讨论，我们可以得到以下的结论： ⑴世界事物是非常复杂的，其特征信息是 多种多样的，人们也有能力识别每一个信息， 但各信息之间的关系却是不透明的，人们还 很难找到这些联系。 ⑵人们虽有能力识别这些信息，但对这些 信息特征的描述是不透明的，即没有一个标 准去统一这些描述。因而就很难进行交流， 也更难让计算机去“懂得”。 ⑶人们根据已知信息得到结论的推理过程是 不透明的，即人们不知道自己的推理过程是 如何进行的，当然也就无法让计算机去有效 的模拟。
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② 简易诊断仪表的检测多数比较单一，且精 度较低， ③ 精密信号分析仪价格贵，一般只对振动信 号进行分析，由于其专业程度较高，现场的 使用人员很难正确使用。 因此，随着对柴油机可靠性要求的日益提高， 油田迫切需要一种集成多种参数的、精密实 用的、能进行智能不解体诊断的系统。
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开发功能强、但操作简单的系统，以适合于 现场人员的使用，是智能型故障诊断系统的 研究方向，也是智能型故障诊断系统的得以 发展的必要条件。 故障诊断技术这一新兴学科的日臻完善， 还远远不是其发展进程的终结，随着计算机 技术、测试技术、信号处理技术、信息论、 控制论、可靠性理论以及系统工程等现代科 学技术的发展，还将大大丰富故障诊断技术 学科的基础理论与实施技术，促进该学科继 续向更高的水平、更深的内涵和更广阔的应 用前景发展。
2．国内外柴油机故障诊断的发展趋势 众多的文献表明，柴油机故障诊断的趋势是不解 体化、高精度化及智能化。不解体检测的研究，其 方向是开发可预埋在发动机内的传感器。美国、日 本等国家已成功的将超薄型传感器安置在发动机内， 对发动机的温度及主要部件的配合间隙进行诊断， 并利用光纤传感器监测发动机的转速波动。 高精度化，是指提高信号分析的信噪比。如利用 相干函数对测点进行选择，利用多段时域平均法提 高当前缸信号强度，利用倒频谱重新编辑法消除其 它缸的影响，利用小波变换消除噪声等等，其目的 都在于去除诊断参数中的干扰，以提高诊断精度。
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3.故障诊断与认识过程 故障诊断这一新兴的学科，近年来获得了非常快的 发展，但也面临着人工智能领域所面临的共同问题。 即知识描述与知识输入的“瓶颈”问题。 模糊数学的创始人Zadeh曾提出模式识别可以被看作 是一种不透明的映射。新的情况或新的模式可由一 个观察者正确地识别和分类。然而，这一把模式映 射为正确类别隶属的过程是不透明的，不仅其详细 的过程旁观者是捉摸不透，而且甚至对识别者本人 而言也很难理解。计算机模式识别的任务是用透明 映射方式来代替这种不透明映射，从而能用计算机 语言对其精确地加以描述。
第六章 机械故障诊断新技术
第一节 故障诊断的模糊数学方法 一、模糊教学的基本概念 1．模糊关系方程 2．隶属函数的定义 3．隶属度函数的确定 4．模糊逻辑运算 5．模糊关系矩阵的确定
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二、模糊模式识别 1．直接识别方法 按最大隶属原则 进行判别。 2．间接识别方法 按择近原则进 行模式识别。
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⑶ 油田机械设备的诊断专用系统还比较落后。 除高校研制刚刚开始使用的诊断系统外，油 田生产部门对大型柴油机现有的诊断手段主 要有测功台、简易柴油机诊断仪表、精密信 号分析仪等几种。这几种诊断方式，都满足 不了油田对柴油机进行故障诊断的实际需要， 表现为： ① 测功台只能在柴油机解体的情况下对其进 行诊断，且只能在大修厂的台架上进行，满 足不了现场诊断的需要；
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2．神经网络模型 （1）模型
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（2）算法
B-P网络的输入值是一些特征参数，输出值是 识别结果，学习算法属于有教师学习，通过 不断修改权系数和阈值，使系统的输出误差 {y}与给定的教师样本{t}的误差为最小。
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Hopfield网络
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1977 年 ， 费 根 鲍 姆 进 一 步 提 出 了 知 识 工 程 (knowledge engineering)的概念,整个80年代， 专家系统和知识工程在全世界得到迅速的发 展。在开发专家系统过程中，许多研究者获 得共识，即人工智能系统是一个知识处理系 统，而知识表示、知识利用和知识获取则成 为人工智能系统的三个基本问题。
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二、专家系统的结构 （1）知识库（Knowledge Base） （2）推理机（Inference Engine） （3）数据库（Data Base） （4）解释器（程序） （ExplicationProgram） （5）知识获取程序 （Knowledge Ac－quisition Program）
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x(n) h(k )u (n k )
k=0
x(n) ak x(n k ) bk u (n k )
k 1 k 0
p
q
AR 建模参数功率谱模型
MA
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为了对各种谱估计的方法有一个基本的了解， 下面用一已知信号对各种方法进行检验 (N=32)。 所给出的信号为： x n 2 cos2 f 1n 2 cos2 f 2 n 2 cos2 f 3 n z n n 0, 1, 2,..., 31 N 32 (3-13) 式中：f1=0.05，f2=0. 40，f3=0.42； z[n]为噪声的一阶自回归过程：
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一、专出系统的人工智能特点 专家系统所能解决的主要问题有： (1)解决那些只有专家才能解决的实际复杂问题。 (2)用模仿人类专家推理过程的计算机模型来解 决这些问题，并能达到人类专家解决问题的 水平。 比较成功的专家系统一般具有以下几个特点： （1）启发性即能使用判别性知识进行推理； （2）透明性能解释自己的推理过程； （3）灵活性能不断修改和扩充知识。
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三、模糊聚类分析 1．数据的标准化 2．标定 3．聚类
四、模糊综合诊断 1．模糊综合评判数学模型 2．模糊运算模型
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第二节 故障诊断的人工神经网络方法 一、神经网络模型 1. 人工神经元模型
si wij x j i
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ui g ( si ) si
反馈网络 自组织
解决了著名 的TSP问题。
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第三节 故障诊断的专家系统简介 专家系统是应用大量人类专家的知识和 推理方法求解复杂的实际问题的一种人工智 能计算机程序。它是由一组计算机软件组成 的系统，具有相当数量的权威性知识，具备 学习功能，并且能够采取一定的策略，运用 专家知识进行推理，解决人们在通常条件下 难以解决的问题。一般的计算机软件是由数 据和程序两级组成，而专家系统则有数据、 知识和推理机三级组成。
z n az n 1 u
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其中a为回归系数，u为方差为σ2的高斯白噪声。 这样可以使噪声的功率谱为变化的。选择合 适的a(＝-0.8508)和σ2(＝1.010)值可以使f1附近 的信噪比为15dB，f2、f3附近的信噪比为30dB， 此信号作为比较的基准。也可以直接使用高 斯白噪声信号（令a＝0即可），这时其功率 谱为一条水平线。 图中给出了各信号的理论功率谱。图中横轴 为归一化的频率(-0.5～0.5)，纵轴为功率谱值 (-30～50dB)。
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被誉为“专家系统和知识工程之父”的费根鲍姆 (Feigenbaum)所领导的研究小组于1968年研究成功第 一个专家系统DENDRAL，用于质谱仪分析有机化 合物的分子结构。1972～1976年，费根鲍姆小组又 开发成功MYCIN医疗专家系统，用于抗生素药物治 疗。此后，许多著名专家系统，如PROSPECTOR地 质勘探专家系统，CASNET青光眼诊断治疗专家系 统、RI计算机结构设计专家系统、MACSYMA符号 积分现定理证明专家系统、ELAS钻井数据分析专家 系统和ACE电话电缆维护专家系统等被相继开发， 为工矿数据分析处理、医疗诊断、计算机设计、符 号运算和定理证明等提供强在力的工具。
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机械故障诊断方法 信号测试采集 振动、油样、声发射、参数、……
信号分析处理 频谱、小波、…………
故障信号识别 模式识别，系统分析 模糊理论 人工智能方法 故障处理决策
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信号分析 经典谱分析法以FFT为代表，广泛用于信号 分析，故障诊断，图像处理等许多方面。国 内外都有大量的FFT软、硬件产品问世，并且 在不断发展。 现代谱分析法采用建模的方法来估计信号 的谱参数，因而速度快运算量小，精度高。 受到越来越多的重视。目前应用的有自回归 法(AR)、滑动平均法(MA)和自回归滑动平均 法(ARMA)。