CN113533962A - 基于多物理信号传感器决策融合的感应电机健康诊断系统 - Google Patents

基于多物理信号传感器决策融合的感应电机健康诊断系统 Download PDF

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Abstract

一种基于多物理信号传感器决策融合的感应电机健康故障诊断系统，包括：传感器模块、数据采集模块、故障诊断模块和决策融合模块，数据采集模块通过传感器模块采集感应电机的定子电流模拟信号、振动模拟信号、磁漏模拟信号和声音模拟信号，经模数处理后输出至故障诊断模块，故障诊断模块对数字信号进行数据预处理后使用平行的去噪神经网络分别从定子电流、振动、磁漏和声音角度进行故障诊断得到对应的健康状态类别概率分布，决策融合模块根据记忆化可信度和健康状态类别概率分布，基于D‑S证据理论和记忆化可信度的决策算法计算出最终诊断结果。本发明采用平行的去噪神经网络对各个物理信号分别进行故障诊断，得到电机所有健康状态的各个概率，通过基于记忆化可信度的决策融合得到最终的诊断结果。

Description

基于多物理信号传感器决策融合的感应电机健康诊断系统
技术领域
本发明涉及的是一种感应电机设备检测领域的技术，具体是一种基于多物理信号传感器 的决策融合的感应电机健康诊断系统。
背景技术
感应电机应用十分广泛，是现代工业的重要组成部分。对感应电机进行故障诊断关乎工 业生产的效率和稳定。因此对于感应电机的故障诊断，一直是工业界关注的重点。但是目前的 故障诊断基本上都是采用单一传感器或是单一类型的多传感器。相比于采用多物理信号传感器 的故障诊断，损失大量可用的电机运行信息，降低诊断精度和鲁棒性。
另外其他的故障诊断系统也基本上不会考虑在部分传感器失效或是传感器受到噪声干 扰的情况下如何保持诊断的精确性。然而在实际的生产活动中，传感器和生产设备一样有失效 或是在不理想的工况下工作的可能性。那些没有考虑到这一普遍现象的诊断系统很容易会因为 传感器的原因而诊断出错。因此通过使用平行去噪神经网络和基于记忆化可信度的决策融合来 进行故障诊断可以很好地解决此问题。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种基于多物理信号传感器决策融合的感应 电机健康故障诊断系统，采用平行的去噪神经网络对各个物理信号分别进行故障诊断，得到电 机所有健康状态的各个概率，通过基于记忆化可信度的决策融合得到最终的诊断结果。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种基于多物理信号传感器决策融合的感应电机健康故障诊断系统，包括： 传感器模块、数据采集模块、故障诊断模块和决策融合模块，其中：数据采集模块通过传感器 模块采集感应电机的定子电流模拟信号、振动模拟信号、磁漏模拟信号和声音模拟信号，经模 数处理后输出至故障诊断模块，故障诊断模块对数字信号进行数据预处理后使用平行的去噪神 经网络分别从定子电流、振动、磁漏和声音角度进行故障诊断得到对应的健康状态类别概率分 布，决策融合模块根据记忆化可信度和健康状态类别概率分布，基于Dempster-Shafer(D-S)证 据理论和记忆化可信度的决策算法计算出最终诊断结果。
所述的传感器模块包括：电流传感器、振动加速度传感器、漏磁通线圈传感器和声音采 集传感器，其中：电流传感器串联设置于电机的供电电路中，用于采集电机工作时的三相定子 电，三通道加速度传感器设置于感应电机的前端盖上，用于采集电机的x，y,z方向上的振动的信 号，两个磁漏线圈传感器分别放置于电机壳体的轴向和径向，用于采集电机的轴向磁漏和径向 磁漏，声音采集传感器放置于电机外部，用于采集电机的运行声音。
所述的故障诊断模块包括：数据预处理单元和平行去噪神经网络单元，其中：数据预处 理单元对采集的定子电流数字信号、振动数字信号、磁漏数字信号和声音数字信号中进行异常 值剔除和标准化处理，最后将相同物理类型的传感器信号，例如多个振动数字信号，合并成一 个多通道传感器信号；平行去噪神经网络单元通过四个结构相同的子去噪神经网络分别根据定 子电流数字信号、振动数字信号、磁漏数字信号和声音数字信号得到对应每个信号的故障类别 概率分布。
所述的子去噪神经网络包括一维卷积神经网络和残差神经网络，该子去噪神经网络的训 练样本中随机添加噪声，使得训练后的各个子网络获得再噪声干扰下依旧可以进行故障诊断的 能力。
所述的神经网络中进一步设有自适应池化层，根据输入的维度，通过输入维度和目标维 度调整池化参数，以适应不同的采样频率下的时序物理信号，从而保证不同的输入维度都得到 相同的输出的维度。
所述的基于Dempster-Shafer(D-S)证据理论和记忆化可信度的决策算法是指：
①计算非冲突信息和冲突信息
Figure BDA0003186011300000021
其中：M(F) 是非冲突信息量，M(X)是冲突信息量表征各个证据冲突的部分，集合Θ＝{F1，F2，...Fn}为电机的 故障诊断中所有的健康状态，各个证据的基本概率分布满足
Figure BDA0003186011300000022
其 中：M(F)表征各个证据不冲突的部分，M(X)表征各个证据冲突的部分。
②通过计算欧拉距离来定义证据之间的相似性，获得相似性矩阵
Figure BDA0003186011300000023
Figure BDA0003186011300000024
通过相似性矩阵得到各个证据的当前可信度
Figure BDA0003186011300000025
其中：相似性矩阵sim(mi，mj)的值的范围是0～1，越高代表两个证据mi和mj之间的相似程度越高。可信 度值credi的范围是0～1，值越高代表证据mi的可靠性越高。
③再根据记忆化可信度
Figure BDA0003186011300000026
获得最终的类别概率分布
Figure BDA0003186011300000027
Figure BDA0003186011300000028
其中：mt(F)为健康状态F的概率，概率最高的类别，即最终诊断 结果，t为第t次诊断。
Figure BDA0003186011300000029
则是根据历史可信度得到的记忆化可信度。
所述的最终诊断结果进一步用于更新数据采集模块采集到的各个物理信号的记忆化可 信度，使得系统在部分传感器失效或传感器受到噪声干扰的情况下具有优越的诊断精准度和鲁 棒性，具体为：通过不断记忆最新的各个证据的可信度同时慢慢遗忘过去的证据的可信度从而 达到不断更新的目的，即
Figure BDA0003186011300000031
其中：r为保留多少过去的记忆化 可信度的预设参数，c为记住多少当前的可信度的预设参数。
优选地，r和c分别设置为0.99和0.1。
所述的部分传感器失效，具体是指传感器损坏完全无法工作或是传感器损坏虽然还能工 作但是得到的信号都是明显的异常值，通过简单的数据预处理就可以排除在外。当遇到这个情 况时，诊断系统会自动将该失效传感器的信号变成幅值为0的时序信号，然后和正常的信号不 加区分地一并处理。
所述的噪声干扰，具体是指：采集的信号中混有大量的噪声，导致信噪比过低。
技术效果
本发明整体解决现有技术无法在多传感器中存在某些传感器信号不可靠的情况下对感 应电机进行健康评估的不足。本发明采用定子电流，振动，磁漏和声音四种不同传感器，进行 测量和诊断，充分合理地利用不同的信号对于不同故障的敏感性，提高诊断的精度；本发明还 利用数据增广的方式训练对应的四个去噪的子神经网络用于提供每个物理信号的诊断的类别 概率分布；同时现有的决策融合常常不考虑时间依赖的修正，而本发明在决策融合中添加时间 依赖的记忆化可信度用于在线更新学习各个物理信号的先验可信度，在证据理论体系中引入时 序依赖的概念，单次诊断的结果不在仅仅依靠当前的样本而是另外综合诊断的历史计算结果， 综合考虑先前的可信度，通过不断的衰退记忆和添加记忆从而更加精准的各个信号的可信度， 更加适应实际生产中经常会出现的某些传感器固定失效或被干扰的情况。通过在线更新方式， 依据遗忘和记忆的基本原则，简单有效，所需的计算量极低，在部分传感器失效或是受到噪声 干扰时具有突出的优势，依旧能够保持非常高的诊断精度。
附图说明
图1为本发明系统示意图；
图2为实施案例的流程图；
图3为平行去噪神经网络的结构图；
图4为决策融合模块的流程图。
具体实施方式
如图1所示，为本实施例涉及一种基于多传感器和决策融合的感应电机健康诊断系统， 包括：传感器模块、故障诊断模块和决策融合模块，其中：传感器模块设置于感应电机的固定 的位置采集数据；数据采集模块连接传感器采集感应电机的定子电流信号、振动加速度信号、 磁漏信号和声音信号，并将这些模拟信号转为数字信号传输给下一个模块；故障诊断模块首先 对各类物理信号进行数据预处理，之后平行去噪神经网络单元使用平行的子网络对各个物理信 号进行故障诊断，得到对应每个物理信号的类别概率分布。最后通过决策融合模块通过计算得 到的当前可信度以及存储的记忆化可信度得到最终的类别概率分布，选取概率最高的类别作为 诊断结果。
如图3所示，为所述的故障诊断模块中的子去噪神经网络，包括一维卷积神经网络和残 差神经网络，最后通过全连接层输出各个类别概率。
如图2所示，为本实施例涉及上述系统的感应电机健康诊断方法，包括：故障诊断过程 和决策融合过程，其中：
故障诊断过程具体包括：数据预处理，对各个信号进行标准化，将明显错误的信号置零。 然后将数据预处理后的同一类型的物理信号拼接成一个多通道的信号输入到平行去噪神经网 络中。在平行去噪神经网络中每种物理信号都有已经训练完毕的对应的去噪子网络来进行故障 诊断。
如图4所示，决策融合过程具体包括：根据平行去噪神经网络输出的每个物理信号的状 态类别概率分布得到证据的基本概率分配矩阵，然后计算冲突信息量和非冲突信息量，冲突信 息量还需要再分配。计算不同证据之间的相似度矩阵，然后通过相似度矩阵得到当前可信度。 依据当前可信度、记忆化可信度和基本概率分配矩阵将冲突的信息量全部分配，得到类别概率， 选择最大概率的类别作为结果。最后更新记忆化可信度。
为验证所述系统的诊断准确度和在传感器失效或是被噪声干扰下的依旧保持良好的性 能的能力，进行具体实际实验。选择由SpectraQuest公司生产的动力传动故障诊断综合试验台 作为实验对象。传感器安装流程为将3个电流传感器置于感应电机的电路中，测量电机的定子 电流，将3通道振动传感器通过磁性底座吸附于电机的前端盖附近，测量电机的X、Y、Z方向 上的振动，将2个磁漏传感器置于电机的轴向和径向用于测量电机的磁漏信号，将声音传感器 置于电机的附近用于采集电机的运行声音。所有信号都是通过CompactRIO进行采集，电流， 振动和磁漏的采样频率为5120Hz，声音的采样频率为44100Hz。CompactRIO采集到的数据集 传输给电脑，电脑通过运行上述的算法模型进行故障诊断。试验台电机以45Hz的匀速进行运 转，对健康、匝间短路、转子偏心、转子不平衡、轴承故障、转子断条和转子弯曲等七种故障 分别进行200秒的实验，对其中180秒的稳定过程作为本实施例的训练集和测试集。
在所有传感器都正常时，本系统的健康状态诊断的准确率为100％。当每个传感器都有 25％的概率失效，25％的概率受到噪声干扰，50％概率正常时，健康状态诊断的准确率在信噪 比为3dB下为99.03％，信噪比为0dB下为98.61％，在信噪比为-3dB下为96.94％。
当两种类型的传感器一直工作正常，其他两种类型的传感器有25％的概率失效，25％ 的概率信噪比变为-3dB时，50％概率正常时，健康状态诊断的准确率高达99.9％以上。
表格1随机失效下的诊断准确率
Figure RE-GDA0003263131350000051
表格2固定失效下的诊断准确率
Figure RE-GDA0003263131350000052
表中F代表失效(fail)，N代表正常(normal)。
综上，本实施例基于多物理信号传感器融合的感应电机健康诊断系统通过平行去噪神经 网络和决策融合的结合，在部分传感器失效输入为0或是信噪比极低的情况下，依旧能够合理 地处理错误信息，保持诊断结果的准确性和可靠性。同时在决策融合中引入记忆化可信度的概 念，帮助系统在线学习各类信号的可信度，在固定部分传感器运行不良时进一步提高系统的准 确度。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本实施例原理和宗旨的前提下以不同的方 式对其进行局部调整，本实施例的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其 范围内的各个实现方案均受本实施例之约束。

Claims (8)

1.一种基于多物理信号传感器决策融合的感应电机健康故障诊断系统，其特征在于，包括：传感器模块、数据采集模块、故障诊断模块和决策融合模块，其中：数据采集模块通过传感器模块采集感应电机的定子电流模拟信号、振动模拟信号、磁漏模拟信号和声音模拟信号，经模数处理后输出至故障诊断模块，故障诊断模块对数字信号进行数据预处理后使用平行的去噪神经网络分别从定子电流、振动、磁漏和声音角度进行故障诊断得到对应的健康状态类别概率分布，决策融合模块根据记忆化可信度和健康状态类别概率分布，基于D-S证据理论和记忆化可信度的决策算法计算出最终诊断结果；
所述的传感器模块包括：电流传感器、振动加速度传感器、漏磁通线圈传感器和声音采集传感器，其中：电流传感器串联设置于电机的供电电路中，用于采集电机工作时的三相定子电，三通道加速度传感器设置于感应电机的前端盖上，用于采集电机的x，y，z方向上的振动的信号，两个磁漏线圈传感器分别放置于电机壳体的轴向和径向，用于采集电机的轴向磁漏和径向磁漏，声音采集传感器放置于电机外部，用于采集电机的运行声音。
2.根据权利要求1所述的感应电机健康故障诊断系统，其特征是，所述的故障诊断模块包括：数据预处理单元和平行去噪神经网络单元，其中：数据预处理单元对采集的定子电流数字信号、振动数字信号、磁漏数字信号和声音数字信号中进行异常值剔除和标准化处理，最后将相同物理类型的传感器信号合并成一个多通道传感器信号；平行去噪神经网络单元通过四个结构相同的子去噪神经网络分别根据定子电流数字信号、振动数字信号、磁漏数字信号和声音数字信号得到对应每个信号的故障类别概率分布。
3.根据权利要求1所述的感应电机健康故障诊断系统，其特征是，所述的子去噪神经网络包括一维卷积神经网络和残差神经网络，该子去噪神经网络的训练样本中随机添加噪声，使得训练后的各个子网络获得再噪声干扰下依旧进行故障诊断的能力。
4.根据权利要求3所述的感应电机健康故障诊断系统，其特征是，所述的神经网络中进一步设有自适应池化层，根据输入的维度，通过输入维度和目标维度调整池化参数，以适应不同的采样频率下的时序物理信号，从而保证不同的输入维度都得到相同的输出的维度。
5.根据权利要求1所述的感应电机健康故障诊断系统，其特征是，所述的基于D-S证据理论和记忆化可信度的决策算法是指：
①计算非冲突信息和冲突信息
Figure FDA0003186011290000021
其中：M(F)是非冲突信息量，M(X)是冲突信息量表征各个证据冲突的部分，集合Θ＝{F1，F2，...Fn}为电机的故障诊断中所有的健康状态，各个证据的基本概率分布满足
Figure FDA0003186011290000022
其中：M(F)表征各个证据不冲突的部分，M(X)表征各个证据冲突的部分；
②通过计算欧拉距离来定义证据之间的相似性，获得相似性矩阵
Figure FDA0003186011290000023
Figure FDA0003186011290000024
通过相似性矩阵得到各个证据的当前可信度
Figure FDA0003186011290000025
其中：相似性矩阵sim(mi，mj)的值的范围是0～1，可信度值credi的范围是0～1；
③再根据记忆化可信度
Figure FDA00031860112900000210
获得最终的类别概率分布
Figure FDA0003186011290000026
Figure FDA0003186011290000027
其中：mt(F)为健康状态F的概率，概率最高的类别，即最终诊断结果，t为第t次诊断；
Figure FDA0003186011290000028
则是根据历史可信度得到的记忆化可信度。
6.根据权利要求1或5所述的感应电机健康故障诊断系统，其特征是，所述的最终诊断结果进一步用于更新数据采集模块采集到的各个物理信号的记忆化可信度，使得系统在部分传感器失效或传感器受到噪声干扰的情况下具有优越的诊断精准度和鲁棒性，具体为：通过不断记忆最新的各个证据的可信度同时慢慢遗忘过去的证据的可信度从而达到不断更新的目的，即
Figure FDA0003186011290000029
其中：r为保留多少过去的记忆化可信度的预设参数，c为记住多少当前的可信度的预设参数。
7.根据权利要求6所述的感应电机健康故障诊断系统，其特征是，所述的部分传感器失效，具体是指传感器损坏完全无法工作或是传感器损坏虽然还能工作但是得到的信号都是明显的异常值，通过简单的数据预处理就排除在外；当遇到这个情况时，诊断系统会自动将该失效传感器的信号变成幅值为0的时序信号，然后和正常的信号不加区分地一并处理。
8.一种根据权利要求1～7中任一所述的感应电机健康故障诊断系统的感应电机健康诊断方法，其特征在于，包括：故障诊断过程和决策融合过程，其中：
故障诊断过程具体包括：数据预处理，对各个信号进行标准化，将明显错误的信号置零；然后将数据预处理后的同一类型的物理信号拼接成一个多通道的信号输入到平行去噪神经网络中；在平行去噪神经网络中每种物理信号都有已经训练完毕的对应的去噪子网络来进行故障诊断；
决策融合过程具体包括：根据平行去噪神经网络输出的每个物理信号的状态类别概率分布得到证据的基本概率分配矩阵，然后计算冲突信息量和非冲突信息量，冲突信息量还需要再分配；计算不同证据之间的相似度矩阵，然后通过相似度矩阵得到当前可信度；依据当前可信度、记忆化可信度和基本概率分配矩阵将冲突的信息量全部分配，得到类别概率，选择最大概率的类别作为结果；最后更新记忆化可信度。
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