蘭州交通大學(xué)光電技術(shù)與智能控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 焦紅巖

1.引言

在當(dāng)前生產(chǎn)設(shè)備大型化、生產(chǎn)過程自動(dòng)化、生產(chǎn)工藝連續(xù)化、生產(chǎn)速度高速化的現(xiàn)代工業(yè)中，直流電動(dòng)機(jī)等重要設(shè)備故障引起的停工停產(chǎn)造成巨大經(jīng)濟(jì)損失，甚至引發(fā)設(shè)備損毀和人員傷亡事故。如何保證電機(jī)系統(tǒng)安全穩(wěn)定可靠經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，及時(shí)及早發(fā)現(xiàn)異常情況，顯得極為重要。專家系統(tǒng)是人工智能應(yīng)用領(lǐng)域中最活躍的一個(gè)分支，能在某一特定的領(lǐng)域、在給定推理機(jī)制的控制下，運(yùn)用專家豐富的知識和經(jīng)驗(yàn)，對特定的問題進(jìn)行評價(jià)和決策。根據(jù)故障診斷對領(lǐng)域?qū)＜业闹R和經(jīng)驗(yàn)依賴性強(qiáng)等特點(diǎn)，引入模糊控制的方法，能有效的解決由于系統(tǒng)知識的模糊性所引起的不確定性問題，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的狀態(tài)檢測和故障診斷，同時(shí)還可以減少人為因素的主觀影響，使得故障診斷準(zhǔn)確、快速。

2.直流電動(dòng)機(jī)故障機(jī)理分析

直流電動(dòng)機(jī)常見的故障有：軸承故障、換向故障、電樞故障和繞組故障。

2.1 軸承故障

軸承故障經(jīng)常表現(xiàn)為轉(zhuǎn)子不對稱，一般把它劃分到了偏心一類故障。具有早期故障的軸承在負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，缺陷部位與工作表面發(fā)生接觸會(huì)產(chǎn)生沖擊力的作用，激起軸承系統(tǒng)的振動(dòng)。隨著軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)，形成一定頻率的周期性脈沖沖擊。

2.2 換向故障

誘發(fā)換向器故障的主要原因有升高片有開焊、刷粉將換向片局部短路、換向器表面不圓、產(chǎn)生刷火、電刷電流分布不均、電機(jī)定子中心不對、轉(zhuǎn)子不平衡等。直流電動(dòng)機(jī)換向過程中流經(jīng)電樞的電流不是穩(wěn)定不變的，它會(huì)產(chǎn)生上下波動(dòng)。經(jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)行，電機(jī)的電刷由于摩擦作用產(chǎn)生一定磨損，直接增大與換向器的縫隙，電刷和換向器間的彈簧張力變化，導(dǎo)致了接觸電阻增大電樞電流變小。

2.3 電樞故障

電樞常有接地和短路故障。電樞短路故障包含換向片間短路和電樞繞組匝間、層間短路。電樞繞組元件開焊是常見電樞故障。開焊的元件在電機(jī)的旋轉(zhuǎn)過程中，有時(shí)候會(huì)和正常的繞組一起構(gòu)成電樞電流回路，有時(shí)候卻脫離了這個(gè)回路不構(gòu)成完整電路。當(dāng)構(gòu)成正?；芈窌r(shí)電路參數(shù)沒有什么變化。但當(dāng)開焊元件旋轉(zhuǎn)離開這個(gè)回路時(shí)，電樞電阻就會(huì)發(fā)生變化，電樞電阻的等效增大，電樞電流會(huì)變小。這些變化會(huì)隨著電機(jī)的不斷旋轉(zhuǎn)而周期出現(xiàn)。在其他電磁參數(shù)沒有發(fā)生改變，電樞平均電流減小的情況下電機(jī)的轉(zhuǎn)速必然下降。

2.4 繞組故障

定子繞組常見故障有絕緣電阻降低、匝間短路、斷路、接地以及繞組連接極性接反。定子勵(lì)磁繞組絕緣電阻降低的原因有絕緣表面有污垢和碳粉、絕緣受潮、絕緣老化。勵(lì)磁繞組匝間短路較多時(shí)，電機(jī)會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)、繞組發(fā)熱或冒煙、勵(lì)磁電流劇增、絕緣有被燒焦的痕跡。補(bǔ)償繞組和換向極繞組常見故障是匝間短路和對地?fù)舸?/p>

3.模糊推理機(jī)的設(shè)計(jì)

模糊控制作為智能領(lǐng)域中具有實(shí)際意義的一種控制方法，已經(jīng)在工業(yè)控制領(lǐng)域、家用電器自動(dòng)化領(lǐng)域和其他很多行業(yè)中解決了傳統(tǒng)控制方法無法或者是難以解決的問題，取得了令人矚目的成效，引起了越來越多的控制理論研究人員和相關(guān)領(lǐng)域廣大工程技術(shù)人員的極大興趣。

推理機(jī)是專家系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分，實(shí)質(zhì)上是一組計(jì)算機(jī)程序，其主要功能是協(xié)調(diào)控制整個(gè)系統(tǒng)，決定如何選用知識庫中的有關(guān)知識，對用戶提供的證據(jù)進(jìn)行推理，以最終對用戶提出的特定問題作出回答。模糊推理機(jī)是針對設(shè)備故障信息的模糊性而設(shè)計(jì)的。

采用加權(quán)模糊邏輯推理機(jī)制，具體推理過程如下：

（1）把已知事實(shí)及其發(fā)生程度放進(jìn)中間數(shù)據(jù)庫。已知事實(shí)從知識庫中抽取出。

（2）設(shè)計(jì)估價(jià)函數(shù)。如果中間數(shù)據(jù)庫中的事實(shí)至少有一條在第1條知識的事實(shí)中，則對第1條知識的估價(jià)值為1；否則為0。如果估價(jià)函數(shù)值為1，則對第1條知識進(jìn)行匹配，否則不進(jìn)行匹配。

（3）對第1條知識進(jìn)行匹配時(shí)，如果這條知識中有n個(gè)事實(shí)，則逐條檢查每個(gè)事實(shí)是否已在中間數(shù)據(jù)庫中已記載；若某一事實(shí)已在其中，則取出相應(yīng)的發(fā)生程度，并計(jì)算其真度T（Pi）。如若事實(shí)不在中間數(shù)據(jù)庫中，記T（Pi）=0。對于事實(shí)在中間數(shù)據(jù)庫中的，真度T（Pi）具體的計(jì)算方法如下：

①檢查此事實(shí)在第1條知識中所記錄的發(fā)生程度，根據(jù)表1所示，得到區(qū)間值[a1,b1]，并記 p1= (a1+ b1)/2。

②檢查此事實(shí)在中間數(shù)據(jù)庫中所記錄的發(fā)生程度，根據(jù)表1所示，得到區(qū)間[a2,b2]，并記 p2= (a2+ b2)/2。

③計(jì)算語義距離：

可結(jié)合實(shí)際使用情況。

u1，u2，u3為三個(gè)權(quán)系數(shù)，且 u1，u2，u3≥0，u1+u2+u3=1。

(4)對第1條知識所有事實(shí)如(3)所述檢查完畢，按下列公式計(jì)算這條知識前提的真度

結(jié)論的真度：

式中：CF稱為規(guī)則的置信度 。為了方便工程操作，可結(jié)合實(shí)際使用情況選定一些表示可信度的模糊量詞及其量化表示，如表2所示。

表1 一些常見模糊量詞的區(qū)間值

表2 可信度模糊量詞的數(shù)值表示

（5）若 T(P )≥t（t為閾值，0＜t≤1）則認(rèn)為這種故障可能發(fā)生，發(fā)生的可能性為T(Q)，并將結(jié)果放入中間數(shù)據(jù)庫。

（6）對所有估價(jià)函數(shù)為1的知識都按（3）、（4）、（5）所述進(jìn)行匹配。將所有可能發(fā)生的故障類型記錄在中間數(shù)據(jù)庫。

（7）如果對應(yīng)多個(gè)診斷結(jié)果，則通過對眾結(jié)論，真度T(Q)取最大值，與最大真度相對應(yīng)的故障即為所求。

4.結(jié)論

推理控制機(jī)制是以Zadeh提出的模糊數(shù)學(xué)理論和模糊推理方法為基礎(chǔ)的，通過以上的理論分析，可以發(fā)現(xiàn)

(1)模糊控制故障診斷能有效地處理由于知識的模糊性所引起的不確定性問題。它將不確定性看做是一種隸屬度和可能性，定義了適合推理機(jī)的模糊算子以反映各類不確定性傳播規(guī)律，運(yùn)算靈活性強(qiáng)且富于針對性，實(shí)現(xiàn)了直流電機(jī)的狀態(tài)檢測和故障診斷。

(2)在編制計(jì)算機(jī)程序時(shí)，由于能夠把許多維修專家的經(jīng)驗(yàn)綜合考慮，各種故障原因可分得很細(xì)，所以判斷結(jié)果可能比單個(gè)專家更為理想。

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