DE29700028U1 - Self-diagnosing device with fuzzy neuro logic diagnostic device - Google Patents
Self-diagnosing device with fuzzy neuro logic diagnostic deviceInfo
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Description
GR 96 Q 5163GR 96 Q 5163
BeschreibungDescription
Selbstdiagnostizierendes Gerät mit Fuzzy-Neuro-Logik-Diagnoseeinrichtung
5Self-diagnostic device with fuzzy neuro-logic diagnostic facility
5
Die Erfindung betrifft ein Gerät (insbesondere ein Gerät mit rotierenden Teilen, die durch eine Welle angetrieben werden), das über eine eigene Fehlerdiagnoseeinrichtung verfügt. Die Fehlerdiagnose erfolgt durch Bewertung von Betriebsgrößen mittels Fuzzy-Logik.The invention relates to a device (in particular a device with rotating parts that are driven by a shaft) that has its own fault diagnosis device. The fault diagnosis is carried out by evaluating operating variables using fuzzy logic.
Schwingungsprobleme und mechanische Schäden an Geräten mit rotierenden Teilen, wie z.B. Großpumpen, lassen leistungsfähige Überwachungssysteme zur Früherkennuncj- mechanischer Veränderungen sinnvoll erscheinen. Zur Ermittlung der für die Diagnosezwecke erforderlichen Meßdaten eignen sich vorzugsweise Vibration problems and mechanical damage to equipment with rotating parts, such as large pumps, make efficient monitoring systems for the early detection of mechanical changes appear sensible. To determine the measurement data required for diagnostic purposes, the following are preferably suitable:
- die Drehzahl der die rotierenden Teile antreibenden Welle 20- the speed of the shaft driving the rotating parts 20
- die aus dem Schwingungsweg der Welle, in zwei Richtungen jeweils um 90a zueinander versetzt gemessenen, ableitbaren Kennwerte Betrag und Phase der ersten bis zur fünften harmonischen Schwingung, Betrag und Frequenz des Whirls, sowie die spektrale Restenergie- the characteristic values derived from the oscillation path of the wave, measured in two directions offset by 90 a from each other, such as the magnitude and phase of the first to the fifth harmonic oscillation, the magnitude and frequency of the whirl, as well as the spectral residual energy
- die aus den Schwinggeschwindigkeiten am Gehäuse, gemessen in jeweils zwei um 90a zueinander versetzte Richtungen, ableitbaren Kennwerte Betrag und Phase der ersten bis fünften harmonischen Schwingung, sowie die spektrale Restenergie.- the magnitude and phase of the first to fifth harmonic oscillations, as well as the spectral residual energy, which can be derived from the vibration velocities on the housing, measured in two directions offset by 90 ° to each other.
Zur Diagnose von Fehlfunktionen eines rotierenden Gerätes ist es erforderlich, die ermittelten Meßdaten mit einer Kenngröße zu vergleichen. In dem DDR-Wirtschaftspatent DD 221 550 Al wird ein Ermittlungsverfahren zur Bestimmung der Diagnosekenngröße angegeben. Die Kenngröße wird dabei als nach einerTo diagnose malfunctions in a rotating device, it is necessary to compare the measured data with a parameter. The GDR industrial patent DD 221 550 Al specifies a method for determining the diagnostic parameter. The parameter is defined as a
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bestimmten Formel berechneter Mittelwert aller Signalanteile im breitbandigen Frequenzbereich normiert.The mean value of all signal components in the broadband frequency range is calculated using a specific formula.
In neuerer Zeit wird es bevorzugt, Maschinenkennwerte mittels Fuzzy-Regeln zu bewerten. Dabei ist bekannt, daß ein Fuzzy-System in ein neuronales Netzwerk überführt und nach einem Lernvorgang zurück überführt wird. Durch diesen Lernvorgang werden die Parameter des Fuzzy-Systems an die Maschinenkennwerte angepaßt. Der Nachteil dieser Vorgehensweise besteht darin, daß der Fuzzy jeweils neu justiert werden muß, wenn sich die Kennwerte des Gerätes gemäß den Betriebsbedingungen ändern. Auch scheint eine Übertragung des Fuzzy-Systems der Diagnoseeinrichtung auf ändere typgleiche Geräte nicht möglich zu sein.In recent times, it has been preferred to evaluate machine parameters using fuzzy rules. It is known that a fuzzy system is transferred to a neural network and then transferred back after a learning process. This learning process adapts the parameters of the fuzzy system to the machine parameters. The disadvantage of this approach is that the fuzzy must be readjusted each time the device's parameters change according to the operating conditions. It also seems impossible to transfer the diagnostic device's fuzzy system to other devices of the same type.
Aufgabe der Erfindung ist es, für ein solches Gerät eine auf Fuzzy-Logik basierende Diagnose- und Zustandsüberwachungseinrichtung bereitzustellen. Diese Aufgabe ist gelöst durch die Merkmale des Anspruchs &Ggr;. Bevorzugte Weiterbildungen sind in 0 den Unteransprüchen angegeben.The object of the invention is to provide a diagnostic and condition monitoring device based on fuzzy logic for such a device. This object is achieved by the features of claim 1. Preferred developments are specified in the subclaims.
Insbesondere verfügt das Gerät erfindungscjemäß über Meßeinrichtungen, die z.B. an der Welle angebracht sind und deren Drehzahl und deren Schwingungsweg erfassen. Die durch die 5 Meßeinrichtung gewonnen Meßdaten werden zu Maschinendiagnose- und Maschinenüberwachungszwecken in ein online-betriebenes Diagnose- und Überwachunssystem überführt. Das Diagnose- und Überwachunssystem verfügt über ein Bewertungs- und Normierungssystem, auf der Basis von Fuzzy-Neuro-Logik. Die dem Fuzzy-System zugrundeliegenden Normalwerte des Gerätes werden dadurch erstellt, daß die Maschinenmeßwerte und das Fuzzy-System in ein neuronales Netz überführt werden. Dort werden Normalwerte für die Maschinenkennwerte gebildet und das Fuzzy-System einem Lernvorgang unterzogen. Im Anschluß an den Lernvorgang wird das Fuzzy-System mit den NormaJwerten zurück übertragen. Durch einen Vergleich zwischen den aktuellen Meßwerten und den Normalwerten erhält das Diagnosesystem Hin-In particular, the device according to the invention has measuring devices, which are attached to the shaft, for example, and record its speed and its vibration path. The measurement data obtained by the measuring device are transferred to an online diagnostic and monitoring system for machine diagnostic and monitoring purposes. The diagnostic and monitoring system has an evaluation and standardization system, based on fuzzy neurologic. The normal values of the device on which the fuzzy system is based are created by transferring the machine measurement values and the fuzzy system to a neural network. There, normal values are created for the machine parameters and the fuzzy system is subjected to a learning process. Following the learning process, the fuzzy system is transferred back with the normal values. By comparing the current measurement values and the normal values, the diagnostic system receives information.
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weise auf Abweichungen des Gerätes vom Normalzustand. Wird der Normalzustand des Gerätes etwa durch Geräteumbauten verändert, so erfolgt ein Lernprozeß durch ein neuronales Netz, durch den das Fuzzy-System an die neuen Normalzustandswerte angepaßt wird. Diese Anpassung wird dadurch erzielt, daß ein zweites Bewertungssystem von den ursprünglichen Normalwerten ausgehend untersucht, ob und in welcher Kombination diese vom nunmehrigen Normalzustand abweichen.indicates deviations of the device from the normal state. If the normal state of the device is changed, for example by modifying the device, a learning process is carried out by a neural network, through which the fuzzy system is adapted to the new normal state values. This adaptation is achieved by a second evaluation system, based on the original normal values, examining whether and in what combination these deviate from the current normal state.
Das Fuzzy-Regelsystem kann dadurch optimiert werden, daß ein neuronales Netz die Fuzzy-Regeln des zweiten Bewertungssystems optimiert, indem es aus vorgegebenen Regeln diejenigen auswählt, die während des Gerätebetriebes zur Anwendung gelangt sind.The fuzzy control system can be optimized by a neural network optimizing the fuzzy rules of the second evaluation system by selecting from given rules those that were applied during device operation.
Eine noch größere Kontroll- und Überwachunssicherheit kann dadurch erreicht werden, daß zusätzlich zur Kontrolle der Welle die Schwingungsgeschwindigkeit des Gehäuses durch Meßaufnehmer ermittelt wird. Diese Meßdaten können dann in der Diagnoseeinrichtung mit Hilfe der Fuzzy-Regeln verarbeitet werden.Even greater control and monitoring reliability can be achieved by determining the vibration speed of the housing using measuring sensors in addition to controlling the shaft. This measurement data can then be processed in the diagnostic device using fuzzy rules.
Ein Gerät mit rotierenden Teilen, das mit einem derartigen Fehlerdiagnosesystem ausgerüstet ist verfügt insbesondere über die folgenden Vorteile:A device with rotating parts that is equipped with such a fault diagnosis system has in particular the following advantages:
Es ist eine einfache und direkte Implementierung von Expertenwissen
in unscharfen Regeln auf abstrakter Ebene in das Diagnosesystem möglich.
30A simple and direct implementation of expert knowledge in fuzzy rules at an abstract level into the diagnostic system is possible.
30
Das in das System implementierte Expertenwissen paßt sich durch selbständiges Lernen selbst an das konkrete Gerät an.The expert knowledge implemented in the system adapts itself to the specific device through independent learning.
Das zur Diagnose benötigte Wissen wird in einer Regelbasis mittels Fuzzy-Logik bereitgestellt. Dabei werden die RegelnThe knowledge required for diagnosis is provided in a rule base using fuzzy logic. The rules
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in möglichst allgemeiner Form abgefaßt, damit das Wissen auf gleiche bzw. gleichartige Geräte übertragbar ist.written in as general a form as possible so that the knowledge can be transferred to the same or similar devices.
Damit sich die abstrakt gehaltene Regelbasis an das konkrete Gerät anpassen kann, wird ein selbstlernendes System auf Basis
eines neuronalen Netzes verwendet. Dazu werden die Fuzzy-Logik-Regeln
in eine geeignete Topographie eines neuronalen
Netzes überführt und mittels Trainingsmustern das betreffende Gerät angepaßt. Nach dem Lernvorgang im neuronalen Netr: wird
eine Rücktransformation in eine Fuzzy-Logik-Regelbasis vorgenommen
.In order to adapt the abstract rule base to the specific device, a self-learning system based on a neural network is used. For this purpose, the fuzzy logic rules are integrated into a suitable topography of a neural
Network and adapted to the device in question using training patterns. After the learning process in the neural network, a reverse transformation into a fuzzy logic rule base is carried out.
Das neuronale Netz dient ausschließlich der Anpassung der
allgemeinen Fuzzy-Logik-Regelbasen an das konkrete Gerät und ist kein direkter Bestandteil des Fuzzy-Logik-Systems.The neural network serves exclusively to adapt the
general fuzzy logic rule bases to the specific device and is not a direct part of the fuzzy logic system.
Die Fehlerdiagnose mittels Fuzzy-Logik beinhaltet daher zwei Teilschritte:Fault diagnosis using fuzzy logic therefore involves two sub-steps:
- Im ersten Schritt wird das Normverhalten der meßtechnisch überwachten Gerätekomponente festgelegt. Dieses Normverhalten
ist stark abhängig von verschiedenen Betriebsparametern. Eine separate Regelbasis bildet: das Normverhalten
ab.- In the first step, the standard behavior of the device component monitored by measurement technology is determined. This standard behavior
is highly dependent on various operating parameters. A separate rule base represents the standard behavior.
Im zweiten Schritt werden in einer oder mehreren weiteren Regelbasen die Zusammenhänge zwischen den Eigenschaften
der Kennwerte und möglichen Fehlern definiert. Weil die
Abhängigkeiten von Betriebsparametern in der Normalzu-In the second step, the relationships between the properties
of the characteristics and possible errors. Because the
Dependencies of operating parameters in the normal state
0 standsregelbasis enthalten sind, können die Regeln in verallgemeinerter
Form aufgestellt werden. Diese Regelbasen
schließen aus den Abweichungen der Kennwerte von ihrem
Normalverhalten auf mögliche Fehler.0 status rule base, the rules can be set up in a generalized form. These rule bases
conclude from the deviations of the parameters from their
Normal behavior for possible errors.
Hierzu ist es erforderlich, daß das Diagnosesystem den Ma-For this purpose, it is necessary that the diagnostic system
schinenzustand modelliert. Zur Beschreibung des Maschinenzustandes werden die Eigenschaften Größe, Varianz und Trend dermachine condition is modelled. To describe the machine condition, the properties size, variance and trend of the
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betrachteten Kennwerte verwendet. Die Eigenschaften Trend und Varianz der Kennwerte werden nicht als betriebsparameterabhängig behandelt und sind deshalb für jeden Kennwert nur einmal als Eingangsgröße vorhanden· Sie werden direkt in der Regelbasis zur Fehlerdiagnose verwendet.considered characteristic values are used. The properties trend and variance of the characteristic values are not treated as dependent on operating parameters and are therefore only available once for each characteristic value as an input variable. They are used directly in the rule base for error diagnosis.
Die Kenngröße Trend wird mittels mehreren Zugehörigkeitsfunktionen als linguistische Variable beschrieben. Sie wird durch eine Regressionsgerade gekennzeichnet, deren Steigung für das Bewertungssystem einen Hinweis auf sich anbahnende Veränderungen des Gerätezustandes darstellt. Hieraus kann eine Fehlermeldung resultieren, die als linguistische Variable ausgegeben werden kann und durch weitere Zugehörigkeitsfunktionen beschrieben werden kann. Diese Zugehörigkeitsfunktionen können den fuzzyfizierten Wert in ein possibilistisch.es Maß für das Auftreten eines Fehlers verwandeln.The trend parameter is described as a linguistic variable using several membership functions. It is characterized by a regression line, the slope of which indicates to the evaluation system that there are impending changes in the device status. This can result in an error message that can be output as a linguistic variable and described by further membership functions. These membership functions can transform the fuzzy value into a possible measure of the occurrence of an error.
Da selbst baugleiche Maschinen bei gleichen Betriebsbedingungen starke Unterschiede im Schwingungsverhalten aufweisen, ist es erforderlich, daß sich die allgemein aufgestellten Regelbasen an die konkreten Geräte anpassen. Hierzu werden alle möglichen Regeln zwischen den linguistischen Variablen aufgestellt und mit einem Gewicht versehen. Diese formale Fuzzy-Logik-Regelbasis wird in eine Netztopologie transformiert.Since even identical machines exhibit strong differences in their vibration behavior under the same operating conditions, it is necessary that the general rule bases adapt to the specific devices. To do this, all possible rules are set up between the linguistic variables and assigned a weight. This formal fuzzy logic rule base is transformed into a network topology.
Durch einen mehrstufigen Lernprozeß mit entsprechenden Lerndaten werden die Regelschlußfolgerungen und die Regelgewichte angepaßt. Verfügt das neuronale Netz über ein Verfahren zur Eliminierung von unbenutzten Gewichten zwischen den Neuronen, so können die unbenutzten Regeln.entfernt werden. Damit entsteht nach der Rücktransformation ein Fuzzy-Logik-Regelsystem zur Beschreibung des Kennwertes in Abhängigkeit des Betriebsparameters .The rule conclusions and rule weights are adjusted through a multi-stage learning process with corresponding learning data. If the neural network has a method for eliminating unused weights between the neurons, the unused rules can be removed. This creates a fuzzy logic control system after the back transformation to describe the characteristic value depending on the operating parameter.
Für die Anpassung des allgemeinen Diagnoseregelbasis an die 5 konkreten Verhältnisse einer Maschine ist ebenfalls eine Fuzzy-Neuro-Transformation einsetzbar. Prinzipiell ist bei Vorhandensein von gesichertem Datenmaterial für einzelneA fuzzy neuro transformation can also be used to adapt the general diagnostic rule base to the 5 specific conditions of a machine. In principle, if secure data material is available for individual
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Fehlerzustände eine automatisierte Justierung der Regelbasis möglich.Error conditions make an automated adjustment of the rule base possible.
Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel für eine Großpumpe angegeben, die mit einem Fehlerdiagnosesystem ausgestattet ist, dessen Funktion auf Fuzzy-Neuro-Logik basiert.The following is an example of a large pump equipped with a fault diagnosis system whose function is based on fuzzy neurologic.
Dabei zeigenShow
FIG 1 den schematischen Aufbau der Diagnose mittels Fuzzy-Neuro-System;FIG 1 shows the schematic structure of the diagnosis using a fuzzy neuro system;
FIG 2 die Zugehörigkeitsfunktionen der linguistischen Variable "Drehzahl";
15FIG 2 the membership functions of the linguistic variable "speed";
15
FIG 3 die Zugehörigkeitsfunktionen der linguistischen Variable "Größe eines Kennwerts" am Ausgang;FIG 3 the membership functions of the linguistic variable "size of a characteristic value" at the output;
FIG 4 die Zugehörigkeitsfunktionen für die linguistische Variable "Trend eines Kennwerts";FIG 4 the membership functions for the linguistic variable "trend of a characteristic value";
FIG 5 die Zugehörigkeitsfunktionen für die linguistische Variable "Varianz eines Kennwerts";FIG 5 the membership functions for the linguistic variable "variance of a characteristic value";
FIG 6 die Zugehörigkeitsfunktionen der linguistischen Variable "Zustand der Maschine";FIG 6 the membership functions of the linguistic variable "state of the machine";
FIG 7 die Zugehörigkeitsfunktionen der linguistischen Variable "Fehler N";
30FIG 7 the membership functions of the linguistic variable "Error N";
30
FIG 8 Beispiel für eine Fehlerdiagnose mit Fuzzy-Regeln;FIG 8 Example of fault diagnosis using fuzzy rules;
FIG 9 Testdaten für Lernvorgang im neuronalen Netz;FIG 9 Test data for learning process in the neural network;
FIG 10 mit neuronalem Netz modifizierte Fuzzy-Logik-Regelbasis; FIG 10 Fuzzy logic rule base modified with neural network;
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FIG 11 mittels angepaßtem Fuzzy-System realisierte Modellierung der Parameterabhängigkeit nach Figur 9.FIG 11 shows modelling of the parameter dependence according to Figure 9, implemented using an adapted fuzzy system.
Bei dem Ausführungsbeispiel soll als Kenngröße ausschließlich die Arbeitsdrehzahl der Maschine betrachtet werden. Bei Maschinen mit veränderlicher Betriebsdrehzahl übt diese meist einen dominierenden Einfluß auf die Schwingungskenngrößen aus. Die Abhängigkeit der weiteren Kennwerte von Betriebsparametern ist zwar wahrscheinlich, soll aber zum Zweck einer einfacheren Darstellung weggelassen werden.In the example, the only parameter to be considered is the working speed of the machine. In machines with variable operating speed, this usually has a dominant influence on the vibration parameters. The dependence of the other parameters on operating parameters is probable, but will be omitted for the sake of a simpler presentation.
Die Welle der Großpumpe ist mit einem Drehzahlaufnehmer ausgerüstet, der seine Daten an das Diagnosesystem weitergibt. Der Aufbau des Diagnosesystems ist schematisch in Fi.gur 1 dargestellt.The shaft of the large pump is equipped with a speed sensor, which transmits its data to the diagnostic system. The structure of the diagnostic system is shown schematically in Figure 1.
Eine Möglichkeit zur Modellierung der Betriebsparameterabhängigkeit, hier der Drehzahl, wird im Folgenden dargestellt:One possibility for modeling the operating parameter dependency, here the speed, is shown below:
Der Bereich der Arbeitsdrehzahl der Maschine - z.B. 400 bisThe range of the working speed of the machine - e.g. 400 to
2 000 Umdrehungen pro Minute - wird als linguistische Variable (LV) mit 12 Zugehörigkeitsfunktionen (ZF) aufgeteilt
(Figur 2). Dazu wird der Drehzahlbereich in zehn Drehzahlgruppen eingeteilt. Diese sind:
252 000 revolutions per minute - is divided into a linguistic variable (LV) with 12 membership functions (ZF) (Figure 2). For this purpose, the speed range is divided into ten speed groups. These are:
25
"zu klein" - untere Grenze"too small" - lower limit
"1" bis "10" - z.B. zehn Drehzahlgruppen "zu groß" - obere Grenze."1" to "10" - e.g. ten speed groups "too large" - upper limit.
Der Eingangsbereich jeder linguistischen Variable "Kenngröße eines Kennwertes" am Eingang wird analog zur Drehzahl in einzelne und überlappende Zugehörigkeitsfunktionen aufgeteilt (Figur 2). Dabei überstreichen die Zugehörigkeitsfunktionen den gesamten Wertebereich gleichmäßig. Die Drehzahlgruppen erhalten demnach einen Kennwert bestimmter Größe:The input range of each linguistic variable "characteristic value of a characteristic value" at the input is divided into individual and overlapping membership functions analogous to the speed (Figure 2). The membership functions cover the entire value range evenly. The speed groups therefore receive a characteristic value of a certain size:
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"zu klein" - Meßwert unterhalb der Aufnehmerauflösung
"B 01" bis "B 10" - z.B. zehn Kennwertgruppen "zu groß" - Meßwert über Meßbereichsende oder außerhalb
physikalischer Sinnfälligkeit.
5"too small" - measured value below the sensor resolution "B 01" to "B 10" - e.g. ten characteristic value groups "too large" - measured value above the end of the measuring range or outside of physical sense.
5
Die Eigenschaft "Größe jedes Kennwertes" am Ausgang wird formal mit einer linguistischen Variablen mit fünf Zugehörigkeitsfunktionen beschrieben (Figur 3). Es werden den Kennwerten also Zugehörigkeitsfunktionen zugeordnet, die diese qualitativ bewerten. Diese Zugehörigkeitsfunktionen sind bezeichnet mitThe property "size of each characteristic value" at the output is formally described with a linguistic variable with five membership functions (Figure 3). Membership functions are assigned to the characteristic values, which evaluate them qualitatively. These membership functions are denoted by
"zu klein" - kleiner als untere Grenze "klein" - Meßwert kleiner als der Normalbereich - "normal" - Meßwert im Normalbereich "groß" - Meßwert größer als der Normalbereich "zu groß" - größer als obere Grenze."too small" - smaller than the lower limit "small" - measured value smaller than the normal range - "normal" - measured value in the normal range "large" - measured value larger than the normal range "too large" - larger than the upper limit.
Mit diesen Voraussetzungen sind formal folgende Regeln zur Beschreibung der Abhängigkeit der Kennwerte von einem Betriebsparameter aufstellbar, wobei ein Kennwert jeweils einen Drehzahlbereich repräsentiert:With these prerequisites, the following rules can be formally established to describe the dependence of the characteristic values on an operating parameter, where each characteristic value represents a speed range:
RulelRulel
5 OPTIONS5 OPTIONS
WEIGHT=IOO
IF (KennGrlE IS zu_klein) AND {Drehzahl IS eins) THENWEIGHT=IOO
IF (KennGrlE IS too_small) AND {Speed IS one) THEN
KennGrl = zu_klein
END
30KennGrl = too_small
END
30
Rule2
OPTIONSRule2
OPTIONS
WEIGHT=IOO
IF {KennGrlE IS B_01) AND (Drehzahl IS eins) THEN 5 KennGrl = kleinWEIGHT=IOO
IF {KennGrlE IS B_01) AND (speed IS one) THEN 5 KennGrl = small
ENDEND
GR 96 G 5163GR 96 G 5163
Rule3 OPTIONSRule3 OPTIONS
WEIGHT=50WEIGHT=50
IF (KennGrlE IS B_01) AND (Drehzahl IS eins) THEN KennGrl = normal ENDIF (KennGrlE IS B_01) AND (Speed IS one) THEN KennGrl = normal END
RuI e4 OPTIONS WEIGHT=IOO IF (KennGrlE IS B_02) AND (Drehzahl IS eins) THENRuI e4 OPTIONS WEIGHT=IOO IF (KennGrlE IS B_02) AND (Drehzahl IS ein) THEN
KennGrl = normal ENDKennGrl = normal END
Rule5 OPTIONSRule5 OPTIONS
WEIGHT=50 IF (KennGrlE IS B_03) AND (Drehzahl IS eins) THEN KennGrl = normal ENDWEIGHT=50 IF (KennGrlE IS B_03) AND (Speed IS one) THEN KennGrl = normal END
Rule6 OPTIONS WEIGHT=2 IF (KennGrlE IS B_04) AND (Drehzahl IS eins) THENRule6 OPTIONS WEIGHT=2 IF (KennGrlE IS B_04) AND (Drehzahl IS ein) THEN
KennGrl = gross ENDKennGrl = capital END
Rule7 0 OPTIONSRule7 0 OPTIONS
WEIGHT=IO IF (KennGrlE IS B_04) AND (Drehzahl IS eins) THENWEIGHT=IO IF (KennGrlE IS B_04) AND (Speed IS one) THEN
KennGrl = groß END 35KennGrl = large END 35
GR 96 G 5163GR 96 G 5163
R\ile8 OPTIONSR\ile8 OPTIONS
WEIGHT=20WEIGHT=20
IF (KennGrlE IS B_05) AND {Drehzahl IS eins) THEN KennGrl = groß ENDIF (KennGrlE IS B_05) AND {speed IS one) THEN KennGrl = large END
Rule 9 OPTIONS WEIGHT=30 IF (KennGrlE IS B_06) AND (Drehzahl IS eins) THENRule 9 OPTIONS WEIGHT=30 IF (KennGrlE IS B_06) AND (Drehzahl IS eins) THEN
KennGrl = groß ENDKennGrl = large END
RuIel0 OPTIONSRuIel0 OPTIONS
WEIGHT=40 IF (KennGrlE IS B_07) AND (Drehzahl IS eins) THEN KennGrl = groß 0 ENDWEIGHT=40 IF (KennGrlE IS B_07) AND (Speed IS one) THEN KennGrl = large 0 END
Rulell OPTIONS WEIGHT=50 5 IF (KennGrlE IS B_08) AND (Drehzahl IS eins) THENRulell OPTIONS WEIGHT=50 5 IF (KennGrlE IS B_08) AND (Drehzahl IS ein) THEN
KennGrl = groß ENDKennGrl = large END
Rulel2 OPTIONSRule2 OPTIONS
WEIGHT=GO IF {KennGrlE IS B_09) AND (Drehzahl IS eins) THENWEIGHT=GO IF {KennGrlE IS B_09) AND (RPM IS one) THEN
KennGrl = groß END 35KennGrl = large END 35
GR 96 G 516:GR 96 G 516:
• · * &igr; • · * &igr;
Rulel3
OPTIONSRulel3
OPTIONS
WEIGHT=7 0WEIGHT=7 0
IF (KennGrlE IS B_10) AND (Drehzahl IS eins) THEN KennGrl = groß
ENDIF (KennGrlE IS B_10) AND (Speed IS one) THEN KennGrl = large
END
Rulel4
OPTIONS
WEIGHT=IOORulel4
OPTIONS
WEIGHT=IOO
IF (KennGrlE IS zu_gross) AND (Drehzahl IS eins) THENIF (KennGrlE IS too_large) AND (RPM IS one) THEN
KennGrl = zu_groß
ENDKennGrl = too_large
END
Durch diese Regeln wird eine Zuordnung einer konkreten Eingangsgröße des Kennwertes zu einer linguistischen Variablen mit abstrakter Größenbezeichnung, z.B. "normal", durchgeführt (vergl. Rule4). Dabei dient das Regelgewicht dem gleitenden Übergang mehrere Eingangsbereiche zu einem Ausgangsbereich (vergl. Rule7 bis Rulel3). Ebenfalls über die Regelgewichte können Übergänge zwischen verschiedenen Eingangsbereichen auf verschiedene Ausgangsbereiche durchgeführt werden (vgl. Rule2 bis Rule6).These rules are used to assign a specific input value of the characteristic value to a linguistic variable with an abstract value designation, e.g. "normal" (see Rule4). The rule weight is used to smoothly transition from several input ranges to one output range (see Rule7 to Rule13). Transitions between different input ranges to different output ranges can also be carried out using the rule weights (see Rule2 to Rule6).
5 Die Abhängigkeiten von Betriebsparametern werden somit in den Regeln mit ihren Gewichten modelliert. Für jede Zugehörigkeitsfunktion jeder linguistischen Variable "Größe eines Kennwerts" am Eingang ist die Anzahl der aufzustellenden Regeln mindestens gleich der Zugehörigkeitsfunktion der linguistischen Variable "Drehzahl". Zur Beschreibung des Maschinenzustandes werden die Eigenschaften Größe, Varianz und Trend der betrachteten Kennwerte verwendet.5 The dependencies of operating parameters are thus modeled in the rules with their weights. For each membership function of each linguistic variable "size of a characteristic value" at the input, the number of rules to be set up is at least equal to the membership function of the linguistic variable "speed". To describe the machine state, the properties size, variance and trend of the characteristic values considered are used.
Die Eigenschaften Trend und Varianz der Kennwerte werden nicht als betriebsparameterabhängig behandelt und sind deshalb für jeden Kennwert nur einmal als Eingangsgröße vorhan-The properties trend and variance of the characteristic values are not treated as dependent on operating parameters and are therefore only available once as an input variable for each characteristic value.
GR 96 G 5163GR 96 G 5163
den. Sie werden deshalb gemäß Figur 1 direkt in der Regelbasis zur Fehlerdiagnose verwendet.They are therefore used directly in the rule base for error diagnosis as shown in Figure 1.
Die Kenngröße Trend wird mittels fünf Zugehörigkeitsfunktionen als linguistische Variable beschrieben (Figur 4). Anstiege der Regressionsgeraden um ± 0 werden als Zugehörigkeitsfunktion "gleichbleibend" und damit als unauffällig gewertet. Anstiege bis ± 1 werden mit den Zugehörigkeitsfunktionen "steigend" bzw. "fallend" bewertet und können als Hinweise auf sich anbahnende Veränderungen gewertet werden. Anstiege über ± 1 sind als starke Veränderungen des Kennwertes zu interpretieren und werden mit den Zugehörigkeitsfunktionen "stark steigend" bzw. "stark fallend" bezeichnet.The trend parameter is described as a linguistic variable using five membership functions (Figure 4). Increases in the regression line by ± 0 are considered a "constant" membership function and are therefore considered unremarkable. Increases up to ± 1 are evaluated using the "increasing" or "decreasing" membership functions and can be considered as an indication of impending changes. Increases over ± 1 are to be interpreted as strong changes in the parameter and are described using the "strongly increasing" or "strongly falling" membership functions.
Die Varianz eines Kennwertes (Figur 5) kann als normierter Wert zwischen null und eins betrachtet werden, wobei null keine Varianz und eins große Varianz bedeutet.The variance of a parameter (Figure 5) can be considered as a standardized value between zero and one, where zero means no variance and one means large variance.
Der Zustand des Gerätes wird in fünf Zugehörigkeitsfunktionen aufgeteilt (Figur 6) und bezeichnet mit:The state of the device is divided into five membership functions (Figure 6) and denoted by:
"keine Aussage" - Defaultbereich wenn keine Regel zutrifft "normal" - Normalbereich in Drehzahlgruppe N "auffällig" - ein oder mehrere Kennwerte haben ihren Normalbereich verlassen und befinden sich im Bereich "klein" oder "groß""no statement" - default range if no rule applies "normal" - normal range in speed group N "suspicious" - one or more parameters have left their normal range and are in the "small" or "large" range
"außer Bereich" - ein oder mehrere Kennwerte haben ihren Normalbereich verlassen und befinden sich im Bereich "zu klein1' oder "zu groß""out of range" - one or more parameters have left their normal range and are in the range "too small 1 ' or "too large"
- "unzulässig oben" - Bereich wird zur Zeit nicht verwendet.- "invalid above" - area is currently not used.
Die Beschreibung der linguistischen Variablen "Fehler N" für die betrachteten M Fehler (Figur 7) wird in einfacher Form durch zwei Zugehörigkeitsfunktionen "unwahrscheinlich" und "wahrscheinlich" beschrieben. Damit ist der defuzzyfizierte Wert als possibilistisches Maß für das Auftreten des Fehlers verwendbar.The description of the linguistic variable "error N" for the M errors considered (Figure 7) is described in a simple form by two membership functions "unlikely" and "probable". The defuzzified value can thus be used as a possibilistic measure for the occurrence of the error.
GR 96 G 5163GR 96 G 5163
1313
Somit ist das Aufstellen von formalen Regeln zur Beschreibung des Maschinenzustandes und den betrachteten Einzelfehlern in folgender Weise möglich:It is therefore possible to establish formal rules to describe the machine condition and the individual errors considered in the following way:
RulelRulel
IF {KennGrl IS gross) AND (KennGrl_Trend IS steigend) THENIF {KennGrl IS large) AND (KennGrl_Trend IS rising) THEN
Fehlerl = wahrscheinlich END
10Error = probably END
10
Rule2Rule2
IF (KennGr2 IS klein) AND (KennGr2_Trend IS konstant) AND (KennGr2_Varianz IS konstant) THENIF (KennGr2 IS small) AND (KennGr2_Trend IS constant) AND (KennGr2_Variance IS constant) THEN
Fehlerl = unwahrscheinlich ENDError = unlikely END
Rule3Rule3
IF (KennGrl IS normal) AND {(KennGrl_Trend IS stark_steigend) OR {KennGrl_Trend IS stark_fallend)) THENIF (KennGrl IS normal) AND {(KennGrl_Trend IS strongly_increasing) OR {KennGrl_Trend IS strongly_decreasing)) THEN
Fehlerl = wahrscheinlich Fehler3 = wahrscheinlich END
25Errorl = probably Error3 = probably END
25
Die konkrete Formulierung der Regelbasis geschieht im Entwicklungsprojekt des Systems (z.B. Figur 8). Während der Lern- und Testphase in einem Feldversuch wird die Regelbasis hinsichtlich der verwendeten Kennwerte und der aufgestellten Regeln modifiziert.The concrete formulation of the rule base takes place in the development project of the system (e.g. Figure 8). During the learning and testing phase in a field test, the rule base is modified with regard to the parameters used and the rules established.
Die allgemein aufgestellten Regelbasen passen sich an das konkrete Gerät an. Dabei wird die Regelbasis für die Modellierung der Betriebsparameterabhängigkeit an dem Gerät mittels neuronalem Netz modifiziert. Hierzu werden formal alle möglichen Regeln zwischen den linguistischen Variablen "Größe eines Kennwertes" am Eingang der linguistischen VariableThe general rule bases adapt to the specific device. The rule base for modeling the operating parameter dependency on the device is modified using a neural network. For this purpose, all possible rules between the linguistic variables "size of a characteristic value" are formally defined at the input of the linguistic variable
5R 96 G 51635R 96 G 5163
"Drehzahl" und der linguistischen Variable "Größe eines Kennwertes" am Ausgang aufgestellt und mit dem Gewicht 100 versehen (vergl. die nachfolgende RuIeXX)."Speed" and the linguistic variable "Size of a characteristic value" at the output and assigned the weight 100 (see the following RuIeXX).
RuIeXX
OPTIONSRuIeXX
OPTIONS
WEIGHT=IOO
IF (KennGRlE IS „ZFE") AND {Drehzahl IS „ZFD") THEN KennGrl = normal.
ENDWEIGHT=IOO
IF (KennGRlE IS "ZFE") AND {Drehzahl IS "ZFD") THEN KennGrl = normal.
END
mitwith
„ZFE" = „zu_klein", „B_01",.., „B_10", „zu_gross" „ZFD" = „zu_klein", „eins",.,, „zehn", „zu_gross"„ZFE" = „too_small", „B_01",.., „B_10", „too_big" „ZFD" = „too_small", „one",.,, „ten", „too_big"
Diese formale Fuzzy-Logik-Regelbasis wird in eine Netztopographie transformiert. Durch einen mehrstufigen Lernprozeß mit entsprechenden Lerndaten (z.B. Figur 9) werden die Regel-Schlußfolgerungen und die Regelgewichte angepaßt {Figur 10).This formal fuzzy logic rule base is transformed into a network topography. Through a multi-stage learning process with corresponding learning data (e.g. Figure 9), the rule conclusions and the rule weights are adapted {Figure 10).
Da das neuronale Netz über ein Verfahren zur Eliminierung von unbenutzten Gewichten zwischen den Neuronen verfügt, können die unbenutzten Regeln (Gewicht = 0) entfernt werden.Since the neural network has a procedure for eliminating unused weights between neurons, the unused rules (weight = 0) can be removed.
Damit entsteht nach der Rücktransformation ein Fuzzy-Logik-Regelsystem zur Beschreibung des Kennwertes in Abhängigkeit des BetriebLparameters (Figur 11).This creates, after the reverse transformation, a fuzzy logic control system to describe the characteristic value depending on the operating parameter (Figure 11).
Für die Anpassung der allgemeinen Diagnoseregelbasis an die konkreten Verhältnisse eines Gerätes wird ebenfalls eine Fuzzy-Neuro-Transformation eingesetzt. Prinzipiell ist bei Vorhandensein von gesichertem Datenmaterial für einzelne Fehlerzustände, z.B. aus' Simulationsrechnungen oder Versuchen, eine automatisierte Justierung der Regelbasis denkbar (Figur 8) .A fuzzy neuro transformation is also used to adapt the general diagnostic rule base to the specific conditions of a device. In principle, if secure data material is available for individual error states, e.g. from simulation calculations or tests, an automated adjustment of the rule base is conceivable (Figure 8).
Claims (6)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE29700028U DE29700028U1 (en) | 1997-01-02 | 1997-01-02 | Self-diagnosing device with fuzzy neuro logic diagnostic device |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE29700028U DE29700028U1 (en) | 1997-01-02 | 1997-01-02 | Self-diagnosing device with fuzzy neuro logic diagnostic device |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE29700028U1 true DE29700028U1 (en) | 1997-03-20 |
Family
ID=8034177
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE29700028U Expired - Lifetime DE29700028U1 (en) | 1997-01-02 | 1997-01-02 | Self-diagnosing device with fuzzy neuro logic diagnostic device |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE29700028U1 (en) |
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WO1999044106A1 (en) * | 1998-02-27 | 1999-09-02 | MTU MOTOREN- UND TURBINEN-UNION MüNCHEN GMBH | System and method for diagnosing the conditions of a powerplant |
-
1997
- 1997-01-02 DE DE29700028U patent/DE29700028U1/en not_active Expired - Lifetime
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