基于BP神经网络的故障诊断方法.doc

智能控制基础研究生课程设计报告智能控制基础研究生课程设计报告题 目 基于BP神经网络的故障诊断方法 学 院 机械与汽车工程学院 专业班级 车辆工程 学 号 221601852020 学生姓名 李跃轩 指导教师 武晓莉 完成日期 2016年12月10日 第 16页/共14页目录1 设计概述21.1研究对象介绍21.2设计内容及目标22 设计原理、方法及步骤32.1基于BP算法的神经网络模型32.2 神经网络信息融合故障诊断步骤43 结果及分析63.1数据仿真63.2 结果分析84 设计小结9参考文献10附录程序111 设计概述1.1研究对象介绍信息融合是多源信息综合处理的一项新技术，是将来自某一目标(或状态)的多源信息加以智能化合成，产生比单一信息源更精确、更完全的估计和判决。信息融合所处理的多传感器信息具有更为复杂的形式，可以在不同的信息层次上出现。多传感器信息融合的优点突出地表现在信息的冗余性、容错性、互补性、实时性和低成本性。神经网络是由大量互联的处理单元连接而成，它是基于现代神经生物学以及认知科学在信息处理领域应用的研究成果。它具有大规模并行模拟处理、连续时间动力学和网络全局作用等特点，有很强的自适应学习和非线性拟合能力，从而可以替代复杂耗时的传统算法，使信号处理过程更接近人类思维活动。柴油机故障具有相似性，故障与征兆的关系不明确，具有较强的模糊性，故障特征相互交织，柴油机故障诊断是一个复杂的问题。综合柴油机故障的特点以及神经网络的优势，采用基于BP神经网络的多传感器信息融合技术对柴油机机械故障进行诊断。1.2设计内容及目标设计内容：针对传统故障诊断方法存在的诊断准确性不高的问题，提出了BP神经网络信息融合的方法，实现对柴油机的机械故障诊断。由多个传感器采集信号，分别经过快速傅里叶变换后获得故障频域特征值，再经BP神经网络对柴油机进行故障局部诊断，能够对相应传感器的不同故障类型做出一个准确地分类，最终完成对汽轮机机械故障的准确诊断。实验结果表明，该方法克服了单个传感器的局限性和不确定性，是一种有效的故障诊断方法。采用方法：通过BP神经网络进行局部诊断，最终判定故障及故障类型。基于BP神经网络多传感器信息融合，故障诊断方法是特征层状态属性融合，并利用MATLAB仿真。2 设计原理、方法及步骤基于神经网络多传感器信息融合故障诊断方法是特征层状态属性融合，也就是特征层联合识别方法，多传感器检测系统为识别提供了比单传感器更多的有关目标(状态)的特征信息，增大了特征空间维数。本文运用神经网络多传感器信息融合方法对机械设备运行状态进行诊断识别，是基于这样一种思想：设备运行状态与其各种征兆参数(温度、压力、电压、电流、振动信号等)之间存在着因果关系，而这种关系之复杂是难用公式表达的，由于神经网络所具有的信息分布式存储方式、大规模自适应并行处理、高度的容错能力等是其可用于模式识别的基础，特别是其学习能力、容错能力和高度的非线性映射能力对机械设备运行状态的不确定性模式识别具有独到之处。2.1基于BP算法的神经网络模型本文采用的是3层BP神经网络模型，由输入层、隐层和输出层构成，图1所示为一个典型的三层BP神经网络模型图1 一个简单的BP神经网络模型网络的前馈意义在于每一层节点的输入仅来自前面一层节点的输出。对于输入信号，先前向传播到隐层节点，经过激活函数后，再把隐层节点的输出信息传播到输出节点，最后得到输出结果。（1）输入层节点其输出等于输入，将变量值传送到第二层。 （2）隐层节点其输入，输出分别为： （2-1） （2-2）式中，为隐层节点与输入层节点之间的权值，为隐层节点的偏置，为sigmoid函数，其表达式为： （2-3）（3）输出层节点其输入，输出分别为： （2-4） （2-5）式中，为输入层节点与隐层节点之间的连接权值，为输出层节点的偏置。对于给定的训练样本，为样本数，网络输出与训练目标之间的均方误差可表示为： （2-6） （2-7）其中为样本数，为第个样本的第l个输出单元的目标输出结果，为第个样本的第l个输出单元的网络运算结果。BP网络训练的过程包括网络内部的前向计算和误差的反向传播，其目的就是通过调整网络内部连接权值使网络输出误差最小。对于多层前馈网络中输入层与隐层之间、隐层与输出层之间连接权值利用BP算法调整。2.2 神经网络信息融合故障诊断步骤神经网络知识表示是一种知识的隐式表示，知识表现为网络的拓扑结构和连接权值，采用神经网络技术的专家系统，由于神经网络是一种信息存储和处理统一的网络系统，因此，在采用神经网络技术的专家系统中，知识的存储与问题求解过程中的推理过程均在系统的神经网络模块中进行，是推理机和知识库的统一。首先从已有的设备特征信号提取特征数据，经过数据预处理（归一化处理）后作为神经网络输入，从已知的故障结果提取数据作为神经网络输出，构建BP神经网络，利用已有的特征数据和已知的故障结果数据形成的训练样本集对构建的BP神经网络进行训练和网络自学习，使BP神经网络的权值、阀值与已知的故障结果之间存在对应关系达到期望的故障结果输出。当BP神经网络训练完毕后，就可以利用训练成功的BP神经网络进行故障诊断。故障诊断的过程如下：1)将故障样本输入给输入层各节点，同时它也是该层神经元的输出。2)由式（2-2）求出隐层神经元的输出，并将其作为输出层的输入。3)从式（2-5）求得输出层神经元的输出。4)由阈值函数判定输出层神经元的最终输出结果。 柴油机的故障诊断首先从待诊断的故障信号中提取数据并进行数据预处理，而后将待诊断故障数据输入训练成功的神经网络。利用神经网络信息融合进行故障诊断步骤如图2所示:图2信息融合进行故障诊断步骤3 结果及分析3.1数据仿真以某种柴油机中的4个实际故障样本为例，每个故障样本有5个故障特征值，因此选取网络的输入节点为5。将样本输入到神经网络模型中，每个输出节点代表一种故障类型，则这4种故障类型和一个正常状态共需5个输出节点与之相对应，因此网络的输出节点为5。表3-1训练数据。表3-1 训练数据样本序号故障特征值X温度压力电压电流振动信号1234560.00000.00740.00430.00560.00630.00490.00000.03350.02230.03150.02050.03000.00130.00150.00000.00120.00200.00180.00000.00320.00470.00270.00330.00260.00000.01060.00530.00860.00660.00787891011120.55200.54520.55020.54060.56040.55250.31070.27930.24580.28620.30280.31250.25810.26110.27170.26450.28350.27780.30940.29880.31150.30090.31250.30050.23160.20360.23470.21450.22250.21641314151617180.24620.25350.26650.25560.26280.25620.15080.1061 0.0894 0.14650.14320.09990.09470.09680.09370.09880.308990.09000.09640.09710.09440.10000.09650.09990.09990.08100.09080.10000.08990.09981920212223 240.66150.67380.66650.66890.67000.66230.52510.44130.47490.46520.47480.48320.51950.52250.52550.52000.52350.52680.47100.47320.47690.47560.48250.46691.0000.96670.97580.98991.00000.9887251.00001.00000.98121.00000.820626272829300.97970.98460.98000.99651.00000.97770.97270.98250.99340.99121.00000.98470.98350.98620.99380.99600.98570.98870.98990.99610.82060.76000.80000.78000.8014在表3-1 训练数据中,样本序号16是正常状态；样本序号712是故障1状态；样本序号1318是故障2状态；样本序号1924是故障3状态；样本序号2530是故障4状态。表3-2是测试数据。表3-2测试数据样本序号故障特征值X温度压力电压电流振动信号1234560.54930.00310.99200.67040.25720.98000.26260.02350.98990.49720.10060.98250.26590.00050.99790.52350.09580.98350.30880.00300.99370.47410.09810.98870.22210.00450.79790.97910.08900.8000根据故障诊断的特点建立BP神经网络模型，网络的输入层节点、隐层节点和输出层节点个数分别为5、60和5，设置系统误差为1e-3，学习率为1，最大迭代次数为1000次，其中输入层到隐层之间的激活函数为双曲正切函数，隐层到输出层之间的激活函数设置为logsig的S型传递函数，在输出端设置的阈值为0.85，即网络输出值大于0.85的置1，小于等于0.85的置0来处理，利用MATLAB神经网络工具箱建立BP神经网络模型。3.2 结果分析在本文中将正常状态设置为1 0 0 0 0 ，故障1设置为0 1 0 0 0 ，故障2设置为0 0 1 0 0 ，故障3设置为0 0 0 1 0 ，故障4设置为0 0 0 0 1 ，输出阈值设置为0.85，即在输出值大于0.85即为1，否则为0。根据输出数据的分析判断属于哪种故障，表3-3为仿真输出。表3-3仿真输出样本序号网络输出y正常故障1故障2故障3故障41234560.0006 1.0139 -0.0014 0.0410 -0.0014 -0.00021.0008 0.0007 -0.0019 -0.0090 -0.0020 0.00040.0021 -0.0115 0.0010 -0.0159 1.0039 0.0025-0.0096 0.0021 -0.0019 0.9811 -0.0027 0.00090.0011 -0.0024 0.9923 -0.0144 0.0015 0.9970将表3-2中“样本序号1”的5个故障特征值输给网络的输入层节点，则网络输出层节点与其对应的输出为表3-3中“样本序号1”所在行的5个输出值，其中只有y2=1.00080.85，其他5个输出均远小于0.85，所以，网络故障诊断的结果为故障1；表3-2中“样本序号2”的5个故障特征值输给网络的输入层节点，则网络输出层节点与其对应的输出为表3-3中“样本序号2”所在行的5个输出值，其中只有y1=1.01390.85，其他5个输出均远小于0.85，所以，网络故障诊断的结果为正常状态；表3-2中“样本序号3”的5个故障特征值输给网络的输入层节点，则网络输出层节点与其对应的输出为表3-3中“样本序号3”所在行的5个输出值，其中只有y4=0.99230.85，其他5个输出均远小于0.85，所以，网络故障诊断的结果为故障4，其他类型的故障诊断以此类推。4 设计小结因为学习的专业是车辆工程，因此选择了对柴油机故障诊断这一研究对象。此篇设计经过查阅文献资料，对BP神经网络的故障诊断及Matlab仿真有了一定的认识。柴油机故障诊断是一个非常复杂的过程，其故障与征兆关系不是很明确，存在一种非线性映射关系。BP神经网络具有良好的学习能力，利用BP网络信息融合方法，能够在足够多的样本数目前提下网络保证良好的容错性和鲁棒性是比较好的。所以在故障诊断的过程中，神经网络信息融合发挥其联想记忆和分布并行处理能力，不仅能够诊断出已有的故障还能对故障进行一个预测，从而满足柴油机故障断的要求。人工神经网络信息融合为智能诊断提供了良好的方法，为自适应学习和决策高度智能化控制系统提供了强有力的基础，并具有广泛的应用潜力和发展前景。智能控制基础研究生课程设计报告参考文献1 朱大奇,于盛林基于D-S证据理论的数据融合算法及其在电路故障诊断中的应用J.电子学报,2002, 30(2):221-223.2 王万良.人工智能及其应用(第3版)(附光盘)(BZ)M. 高等教育出版社, 2016.3 朱大奇,于盛林电子电路故障诊断的神经网络数据融合算法J.东南大学学报(自然科学版),2001,31(2):87-90.4 何友,王国宏多传感器信息融合及应用M.北京:电子工业出版社,2000.5 张绪锦,谭剑波,韩江洪基于BP神经网络的故障诊断方法J.系统工程理论与实践,2002,22(6):61-66.6 Y.G. Lei, Z.J. He, Y.Y. Zi, Q. Hu, Fault diagnosis of rotating machinery based on multiple ANFIS combination with GasJ.Mech. Syst. Signal Process.2007(21)22802294.7 V.T. Tran, F. AlThobiani, A. Ball, An approach to fault diagnosis of reciprocating compressor valves using TeagerKaiser energy operator and deep belief networksJ.Expert Syst.Appl.2014(41)41134122.附录程序clcclear%输入训练数据（包括正常数据和故障数据）%训练样本中，每一列分别代表：“温度”，“压力”，“电压”，“电流”和“振动信号”；每一行分别代表一个样本p11=0.0000 0.0000 0.0013 0.0000 0.0000;p12=0.0074 0.0335 0.0015 0.0032 0.0106;p13=0.0043 0.0223 0.0000 0.0047 0.0053;p14=0.0056 0.0315 0.0012 0.0027 0.0086;p15=0.0063 0.0205 0.0020 0.0033 0.0066;p16=0.0049 0.0300 0.0018 0.0026 0.0078; %正常数据p21=0.5520 0.3107 0.2581 0.3094 0.2316;p22=0.5452 0.2793 0.2611 0.2988 0.2036;p23=0.5502 0.2458 0.2717 0.3115 0.2347;p24=0.5406 0.2862 0.2645 0.3009 0.2145;p25=0.5604 0.3028 0.2835 0.3125 0.2225;p26=0.5525 0.3125 0.2778 0.3005 0.2164; % 故障1p31=0.2462 0.1508 0.0947 0.0964 0.0999;p32=0.2535 0.1061 0.0968 0.0971 0.0810;p33=0.2665 0.0894 0.0937 0.0994 0.0908;p34=0.2556 0.1465 0.0988 0.1000 0.1000;p35=0.2628 0.1432 0.0899 0.0965 0.0899;p36=0.2562 0.0999 0.0900 0.0999 0.0998; % 故障2p41=0.6615 0.5251 0.5195 0.4710 1.0000;p42=0.6738 0.4413 0.5225 0.4732 0.9667;p43=0.6665 0.4749 0.5255 0.4769 0.9758;p44=0.6689 0.4652 0.5200 0.4756 0.9899;p45=0.6700 0.4748 0.5235 0.4825 1.0000;p46=0.6623 0.4832 0.5268 0.4669 0.9887; %故障3p51=1.000 1.0000 0.9812 1.0000 0.8206;p52=0.9797 0.9777 1.0000 0.9960 0.7759;p53=0.9846 0.9727 0.9847 0.9857 0.7600;p54=0.9800 0.9825 0.9835 0.9887 0.8000;p55=0.9965 0.9934 0.9862 0.9899 0.7800;p56=1.0000 0.9912 0.9938 0.9961 0.8014; %故障4p=p11 p12 p13 p14 p15 p16 p21 p22 p23 p24 p25 p26 p31 p32 p33 p34 p35 p36 p41 p42 p43 p44 p45 p46 p51 p52 p53 p54 p55 p56; %将所有的数据：包括正常数据和异常数据放在一个数据集中，将该数据集设置为输入神经网络的特征值%对被检测对象类别进行编码（设置目标值，即标签，用二进制类型表示）t11=1 0 0 0 0;t12=1 0 0 0 0;t13=1 0 0 0 0;t14=1 0 0 0 0;t15=1 0 0 0 0;t16=1 0 0 0 0; % normalt21=0 1 0 0 0;t22=0 1 0 0 0;t23=0 1 0 0 0;t24=0 1 0 0 0;t25=0 1 0 0 0;t26=0 1 0 0 0; % fault1t31=0 0 1 0 0;t32=0 0 1 0 0;t33=0 0 1 0 0;t34=0 0 1 0 0;t35=0 0 1 0 0;t36=0 0 1 0 0;% fault2t41=0 0 0 1 0;t42=0 0 0 1 0;t43=0 0 0 1 0;t44=0 0 0 1 0;t45=0 0 0 1 0;t46=0 0 0 1 0;% fault3t51=0 0 0 0 1;t52=0 0 0 0 1;t53=0 0 0 0 1;t54=0 0 0 0 1;t55=0 0 0 0 1;t56=0 0 0 0 1;% fault4t=t11 t12 t13 t14 t15 t16 t21 t22 t23 t24 t25 t26 t31 t32 t33 t34 t35 t36 t41 t42 t43 t44 t45 t46 t51 t52 t53 t54 t55 t56;p, s1 = mapminmax(p);%输入样本归一化 归一化的范围是（-1,1），s1 记录归一化的参数net=newff(minmax(p),60,5,tansig,purelin,trainlm);%新建BP网络，p为样本输入：p=martric(5*30) 分别表示5个传感器，30个样本% 隐层神经元个数为60，根据输出目标t确定输出层神经元个数为5，% 从输入层到隐层的激励函数为双曲正切，隐层到输出层的激励函数为线性函数，训练方法利用LM（Levenberg-Marquardt）算法进行网络参数sita=W,b的更新%设置网络训练参数 net.trainParam.show=10; %设置数据显示刷新频率，学习次刷新一次图象net.trainParam.epochs=1000; %最大 训练次数net.trainParam.goal=1e-5; % 设置训练误差net=init(net);%网络初始化net tr=train(net,p,t);%训练网络%testingp1=0.5493 0.2626 0.2659 0.3088 0.2221;p2=0.0031 0.0235 0.0005 0.0030 0.0045;p3=0.9920 0.9899 0.9979 0.9937 0.7979;p4=0.6704 0.4972 0.5235 0.4741 0.9791;p5=0.2572 0.1006 0.0958 0.0981 0.0890; p6=0.9800 0.9825 0.9835 0.9887 0.8000;%测试数据pp= p1 p2 p3 p4 p5 p6;pp = mapminmax(apply,pp,s1);%测试样本归一化 result_test=sim(net,pp)%测试样本仿真 result_test( result_test0.85)=1; result_test( result_test=0.85)=0; disp(网络输出:) result_test pp_lab=2 1 5 4 3 5;% 测试样本标签（正确类别） res=vec2ind(result_test)%向量值变索引值 strr = cell(1,6);for i=1:6 if res(i) = pp_lab(i) strri = 正确; else strri = 错误; endenddiag = 正常,故障1, 故障2, 故障3, 故障4 ;disp(诊断结果：)fprintf( 样本序号 实际类别 判断类别 正/误 故障类型 n);for i =1:6 fprintf( %d %d %d %s %sn,. i, pp_lab(i), res(i), strri, diagres(i); endfigureplot(pp_lab,-g*);hold onplot(res,-ro)legend(期望类型,预测数出类型) xlabel(样本) ylabel(类型) title(故障类型)其中专业理论知识内容包括：保安理论知识、消防业务知识、职业道德、法律常识、保安礼仪、救护知识。作技能训练内容包括：岗位操作指引、勤务技能、消防技能、军事技能。二培训的及要求培训目的安全生产目标责任书为了进一步落实安全生产责任制，做到“责、权、利”相结合，根据我公司2015年度安全生产目标的内容，现与财务部签订如下安全生产目标：一、目标值：1、全年人身死亡事故为零，重伤事故为零，轻伤人数为零。2、现金安全保管，不发生盗窃事故。3、每月足额提取安全生产费用，保障安全生产投入资金的到位。4、安全培训合格率为100%。二、本单位安全工作上必须做到以下内容： 1、对本单位的安全生产负直接领导责任，必须模范遵守公司的各项安全管理制度，不发布与公司安全管理制度相抵触的指令，严格履行本人的安全职责，确保安全责任制在本单位全面落实，并全力支持安全工作。 2、保证公司各项安全管理制度和管理办法在本单位内全面实施，并自觉接受公司安全部门的监督和管理。 3、在确保安全的前提下组织生产，始终把安全工作放在首位，当“安全与交货期、质量”发生矛盾时，坚持安全第一的原则。 4、参加生产碰头会时，首先汇报本单位的安全生产情况和安全问题落实情况；在安排本单位生产任务时，必须安排安全工作内容，并写入记录。 5、在公司及政府的安全检查中杜绝各类违章现象。 6、组织本部门积极参加安全检查，做到有检查、有整改，记录全。 7、以身作则，不违章指挥、不违章操作。对发现的各类违章现象负有查禁的责任，同时要予以查处。 8、虚心接受员工提出的问题，杜绝不接受或盲目指挥；9、发生事故，应立即报告主管领导，按照“四不放过”的原则召开事故分析会，提出整改措施和对责任者的处理意见，并填写事故登记表，严禁隐瞒不报或降低对责任者的处罚标准。 10、必须按规定对单位员工进行培训和新员工上岗教育；11、严格执行公司安全生产十六项禁令，保证本单位所有人员不违章作业。 三、 安全奖惩： 1、对于全年实现安全目标的按照公司生产现场管理规定和工作说明书进行考核奖励；对于未实现安全目标的按照公司规定进行处罚。 2、每月接受主管领导指派人员对安全生产责任状的落其中专业理论知识内容包括：保安理论知识、消防业务知识、职业道德、法律常识、保安礼仪、救护知识。作技能训练内容包括：岗位操作指引、勤务技能、消防技能、军事技能。二培训的及要求培训目的安全生产目标责任书为了进一步落实安全生产责任制，做到“责、权、利”相结合，根据我公司2015年度安全生产目标的内容，现与财务部签订如下安全生产目标：一、目标值：1、全年人身死亡事故为零，重伤事故为零，轻伤人数为零。2、现金安全保管，不发生盗窃事故。3、每月足额提取安全生产费用，保障安全生产投入资金的到位。4、安全培训合格率为100%。二、本单位安全工作上必须做到以下内容： 1、对本单位的安全生产负直接领导责任，必须模范遵守公司的各项安全管理制度，不发布与公司安全管理制度相抵触的指令，严格履行本人的安全职责，确保安全责任制在本单位全面落实，并全力支持安全工作。 2、保证公司各项安全管理制度和管理办法在本单位内全面实施，并自觉接受公司安全部门的监督和管理。 3、在确保安全的前提下组织生产，始终把安全工作放在首位，当“安全与交货期、质量”发生矛盾时，坚持安全第一的原则。 4、参加生产碰头会时，首先汇报本单位的安全生产情况和安全问题落实情况；在安排本单位生产任务时，必须安排安全工作内容，并写入记录。 5、在公司及政府的安全检查中杜绝各类违章现象。 6、组织本部门积极参加安全检查，做到有检查、有整改，记录全。 7、以身作则，不违章指挥、不违章操作。对发现的各类违章现象负有查禁的责任，同时要予以查处。 8、虚心接受员工提出的问题，杜绝不接受或盲目指挥；9、发生事故，应立即报告主管领导，按照“四不放过”的原则召开事故分析会，提出整改措施和对责任者的处理意见，并填写事故登记表，严禁隐瞒不报或降低对责任者的处罚标准。 10、必须按规定对单位员工进行培训和新员工上岗教育；11、严格执行公司安全生产十六项禁令，保证本单位所有人员不违章作业。 三、 安全奖惩： 1、对于全年实现安全目标的按照公司生产现场管理规定和工作说明书进行考核奖励；对于未实现安全目标的按照公司规定进行处罚。 2、每月接受主管领导指派人员对安全生产责任状的落