常用故障特征提取方法综述

常用故障特征提取方法综述

摘要：随着现代工业及科学技术的迅速发展，生产设备日趋大型化、集成化、高速化、自动化和智能化，设备在生产中的地位越来越重要，对设备的管理也提出了更高的要求，能否保证一些关键设备的正常运行，直接关系到一个行业发展的各个层面。机械故障诊断的基本任务是监视机械设备的运行状态，诊断和判断机械设备的故障并提供有效的排故措施，指导设备管理和维修。在机械故障诊断的发展过程中，人们发现最重要、最关键而且也是最困难的问题之一是故障信号的特征提取。本文就故障诊断的两大类常用方式做了比较说明，并结合实例说明各类方法的优缺点，给读者在实际应用中提供了选择余地。

关键词：故障诊断特征提取

1、故障特征提取方法研究的目的与意义

随着现代工业及科学技术的迅速发展，生产设备日趋大型化、集成化、高速化、自动化和智能化，设备在生产中的地位越来越重要，对设备的管理也提出了更高的要求，能否保证

一些关键设备的正常运行，直接关系到一个行业发展的各个层面[1,2]。现代化工业生产，一旦发生故障，损失将十分巨大，因此，为尽最大可能地避免事故的发生，机械设备状态监测与故障诊断技术近年来得到了极为广泛的重视，其应用所达到的深入程度十分令人鼓舞。目前，机械设备状态监测与故障诊断已基本上形成了一门既有理论基础、又有实际应用背景的

交叉性学科[1-3]。

机械故障诊断的基本任务是监视机械设备的运行状态，诊断和判断机械设备的故障并提

供有效的排故措施，指导设备管理和维修。机械故障诊断主要包括四个步骤[4,5]，即信号测取、特征提取、状态诊断和状态分析。在机械故障诊断的发展过程中，人们发现最重要、最关键而且也是最困难的问题之一是故障信号的特征提取。在某种意义上，特征提取可以说是当前机械故障诊断研究中的瓶颈问题，它直接关系到故障诊断的准确性和故障早期预报的可

靠性[3,5]。

在实际应用中，故障与征兆之间往往并不存在简单的一一对应的关系，一种故障可能对应若多种征兆，反之一种征兆也可能由于多种故障所致，这些给故障特征提取带来了困难，为了从根本上解决特征提取这个关键问题，通常我们必须要借助信号处理，特别是现代信号处理的理论、方法和技术手段，从采集的原始数据中寻找出特征信息，提取特征值，从而保证有效、准确地进行故障诊断，也就是说，信号处理与故障诊断有着极为密切的联系，信号

处理、特征提取是故障诊断中必不可少的一个重要环节[3]。

2、故障诊断技术的发展

设备状态监测与故障诊断是通过掌握设备过去和现在运行中在基本不拆卸的情况下的状态量，判断有关异常或故障的原因及预测对将来的影响，从而找出必要对策的技术。它是一门综合性技术，涉及传感器及测试技术、电子学、信号处理、识别理论、计算机技术以及人工智能、专家系统等多门基础学科，是对这些基础理论的综合应用。世界上最早开展设备故障诊断技术的国家是美国。1961年开始执行阿波罗计划后，发生了一系列由设备故障酿成的悲剧，引起了美国军方和政府有关部门的重视。1967年在美国宇航局和海军研究所的倡导和组织下、成立了美国机械故障预防小组(MFPG)，开始有计划有组织地对诊断技术分专题进行研究。此后很多学术机构如美国机械工程师学会(ASME)，政府部门如国家标准局(NBS)以及一些高等院校和企业公司都参与或进行了与本行业有关的诊断技术研究。在航空运输方面，美国在可靠性维修管理的基础上，大规模地对大型飞机进行状态监测，目前，美国的军用飞机都装备了功能强大的状态监测与故障诊断系统。英国也于70年代初成立了机器保健与状态监测协会(MH&CMA)，1982年曼彻斯特大学成立了沃福森工业维修公司，主要从事状态监测与故障诊断的研究工作和教育培训工作。除此之外，在核电站、钢铁等行业也成立了相应的组织，开展这方面的研究工作[5]。

设备状态监测与故障诊断技术在欧洲其他国家的广泛性虽然不如英美，但都在某一方面具有特色或占有领先地位，如瑞典SPM仪器公司的轴承监测技术，丹麦B＆K公司的传感器制造技术等。日本在70年代开始发展诊断技术，它的做法是密切注视世界各国动向，积极引进和消化最新技术，努力发展自己的诊断技术，日本的诊断技术在民用工业方面占有明显优势，如钢铁、铁路、化工等工业。

我国对设备状态监测与故障诊断技术的认识和发展也经历了与国外同样的过程，1979年以前，一些大专院校和科研单位结合教学和有关设备诊断技术的研究课题，逐渐开始进行机械设备状态监测与故障诊断技术的理论研究和小范围的工程实际应用研究，特别是随着30万吨合成氨等一批大型石化装置的引进，某些装置的机组频繁发生事故，促进了对这项技术研究的重视。从1979年到1983年，设备状态监测与故障诊断技术从初步认识进入到初步实践阶段，以学习别国的先进技术和经验为主，对一些故障机理、诊断方法及简易监测诊断仪器进行研究和研制。目前我国的设备状态监测与故障诊断技术水平与发达圈家的差距己大大缩短，在一些方面，如计算机监测与故障诊断的软件开发等，完全可以满足生产实际的需要，达到同期世界先进水平。

3、故障诊断技术的发展趋势

设备故障诊断技术发展到今天，己成为一门独立的跨学科的综合信息处理技术，它以可靠性理论、信息论、控制论和系统论为理论基础，以现代测试仪器和计算机为技术手段，结合各种诊断现象(系统、设备、机器、装置、工程结构、工艺过程等)的特殊规律而逐步形成的一门新兴学科。它大体上由三部分组成：第一部分为故障诊断物理、

化学过程的研究，例如以电器、机械部件失效的腐蚀、儒变、疲劳、氧化、断裂、磨损等理化原因的研究：第二部分为故障诊断信息学的研究，它主要研究故障信号的采集、选择、处理与分析过程。例如通过传感器采集设备运行中的信号(如振动、转速)，再经过时域与频域上的分析处理来识别评价所处的状态或故障：第三部分为诊断逻辑与数学原理方面的研究，主要是通过逻辑方法、模型方法、推论方法和人工智能方法，根据可观测的设备故障表征来确定下一步的检测部位，最终分析判断故障发生的部位和产生故障的原因[2,3]。