设备故障诊断和监测技术.ppt

机械设备故障诊断2021/3/29 星期一星期一1提纲提纲n引 言n学科范畴n学科发展意义n监测与诊断技术基础n监测与诊断系统n监测与诊断技术发展趋势n结束语2021/3/29 2021/3/29 星期一星期一2上海交通大学上海交通大学上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室引言引言n引 言n学科范畴n学科发展意义n监测与诊断技术基础n监测与诊断系统n监测与诊断技术发展趋势n结束语2021/3/29 星期一星期一3引言引言n现代工业生产对机械设备的要求:n可靠性n可用性n维修性n经济性n安全性n进行全寿命管理，实行全面质量保证体系制度n机械设备状态监测与故障诊断技术在满足上述这些要求中，扮演着越来越重要的角色2021/3/29 2021/3/29 星期一星期一4上海交通大学上海交通大学上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室引言引言n机械设备是现代化工业生产的物质技术基础，设备管理则是企业管理中的重要领域n也就是说，企业管理的现代化必然要以设备管理的现代化作为其重要组成部分n机械设备状态监测与故障诊断技术在设备管理与维修现代化中占有重要的地位我国已将我国已将设备诊断技术设备诊断技术、修复技术修复技术和和润滑技术润滑技术列为设备管理和维修工作的三项基础技术列为设备管理和维修工作的三项基础技术2021/3/29 2021/3/29 星期一星期一5上海交通大学上海交通大学上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室引言引言n维修方式归纳起来有三大类，共五种形式：n事后维修(BM)n改善维修(CM)n预防维修(PM)视情维修(COM)、状态维修(CBM)和计划(定期)维修(TBM)2021/3/29 2021/3/29 星期一星期一6上海交通大学上海交通大学上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室引言引言n状态监测与故障诊断技术是预防(状态)维修的必要条件n推广和应用设备状态监测与故障诊断技术可以达到如下目的：n保障设备运行安全，防止突发事故n保证设备工作精度，提高产品质量n实施状态维修(或预防维修)，节约维修费用n避免设备事故带来的环境污染及其它危害n给企业部门带来较大的间接经济效益2021/3/29 2021/3/29 星期一星期一7上海交通大学上海交通大学上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室引言引言n实践证明，机械设备状态监测与故障诊断技术n正在改变着我国传统维修管理的被动局面n正在向预防(状态)维修的新方式推进n促使设备寿命周期费用最经济和综合效率最高n可见，状态监测与故障诊断技术是开展预防(状态)维修的重要支撑2021/3/29 2021/3/29 星期一星期一8上海交通大学上海交通大学上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室引言引言n机械设备状态监测与故障诊断n是一门正在不断完善和发展的交叉型学科n是一项与现代化工业大生产紧密相关的技术n是机械学科领域的研究热点之一n故障诊断学科需解决的重要问题n故障特征信息提取和故障分类、识别的新理 论及新方法研究n复杂故障产生机理及模型的深入研究n故障诊断智能系统研究，包括诊断专家系统和网络化远程诊断系统2021/3/29 2021/3/29 星期一星期一9上海交通大学上海交通大学上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室学科范畴学科范畴n引 言n学科范畴n学科发展意义n监测与诊断技术基础n监测与诊断系统n监测与诊断技术发展趋势n结束语2021/3/29 星期一星期一10学科范畴学科范畴2021/3/29 2021/3/29 星期一星期一11上海交通大学上海交通大学上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室定义定义n机械设备状态监测与故障诊断n是识别机械设备(机器或机组)运行状态的一门综合性应用科学和技术，它主要研究机械设备运行状态的变化在诊断信息中的反映n通过测取设备状态信号，并结合其历史状况对所测信号进行处理分析，特征提取，从而定量诊断(识别)机械设备及其零部件的运行状态(正常、异常、故障)，进一步预测将来状态，最终确定需要采取的必要对策的一门技术n主要内容包括监测、诊断(识别)和预测三个方面2021/3/29 2021/3/29 星期一星期一12上海交通大学上海交通大学上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室定义定义 技术结构关系技术结构关系2021/3/29 2021/3/29 星期一星期一13上海交通大学上海交通大学上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室定义定义 监测与诊断的关系监测与诊断的关系n机械设备状态监测与故障诊断既有区别、又有联系，同一学科的两个层次：简易/精密n状态监测也称为简易诊断，一般是通过测定设备的某些较为单一的特征参数(如振动、温度、压力等)来检查设备状态，并根据特征参数值与门限值之间的关系来决定设备的状态n如果对设备进行定期或连续的状态监测，便可获得有关设备状态变化的趋势规律，据此可预测和预报设备的将来状态。通常这就叫做趋势分析n故障诊断也称为精密诊断，不仅要掌握设备的状态正常与否，同时还需要对产生故障的原因、部件（位置）以及故障的严重程度进行深入的分析和判断2021/3/29 2021/3/29 星期一星期一14上海交通大学上海交通大学上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室学科发展意义学科发展意义n引 言n学科范畴n学科发展意义n监测与诊断技术基础n监测与诊断系统n监测与诊断技术发展趋势n结束语2021/3/29 星期一星期一15故障诊断的目的故障诊断的目的n目标：保证设备的安全、可靠和高效、经济运行n主要目的：n及时、正确、有效地对设备的各种异常或故障状态作出诊断，预防或消除故障；同时对设备的运行维护进行必要的指导。确保可靠性、安全性和有效性n制定合理的监测维修制度，保证设备发挥最大设计能力,同时在允许的条件下充分挖掘设备潜力，延长其服役期及使用寿命，降低设备全寿命周期费用n通过检测、分析、性能评估等，为设备修改结构、优化设计、合理制造及生产过程提供数据和信息2021/3/29 2021/3/29 星期一星期一16上海交通大学上海交通大学上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室故障诊断的任务故障诊断的任务n状态监测：n了解和掌握设备的运行状态。包括采用各种检测、测量、监视、分析和判别方法，结合设备的历史和现状，考虑环境因素，对运行状态作出评估，并为进一步分析提供信息n故障诊断：n根据状态监测所得信息，结合已知的结构特性和参数、环境条件及运行历史，对故障进行预报和分析、判断，确定故障的性质、类别、程度、原因、部位，指出故障发生和发展的趋势及其后果2021/3/29 2021/3/29 星期一星期一17上海交通大学上海交通大学上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室故障诊断的任务故障诊断的任务n指导设备管理和维修：n根据故障诊断的结果，提出控制故障继续发展和消除故障的对策或措施(调整、维修、治理)；为推进视情维修体制提供依据2021/3/29 2021/3/29 星期一星期一18上海交通大学上海交通大学上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室开展故障诊断工作的意义开展故障诊断工作的意义n有利于提高设备管理水平n“管好、用好、修好”设备，不仅是保证简单再生产的必要条件，而且能提高企业经济效益，推动国民经济持续、稳定、协调地发展n机械设备状态监测与故障诊断是提高设备管理水平的一个重要组成部分2021/3/29 2021/3/29 星期一星期一19上海交通大学上海交通大学上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室开展故障诊断工作的意义开展故障诊断工作的意义n避免重大事故发生，减少事故危害性n现代设备的结构越来越复杂，功能越来越完善，自动化程度越来越高。但是，当设备出现故障时所带来的影响程度也明显增大，有时不仅仅是造成巨大的经济损失，往往还会带来灾难性的事故n发展机械设备状态监测与故障诊断技术，并进行有效、合理的实施，可以掌握设备的状态变化规律及发展趋势，防止事故于未然，将事故消灭在萌芽2021/3/29 2021/3/29 星期一星期一20上海交通大学上海交通大学上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室开展故障诊断工作的意义开展故障诊断工作的意义n可以获得潜在的巨大经济和社会效益n生产设备停机、停工带来的单位损失越来越大n最大限度降低设备寿命周期费用，最大限度提高以生产经济性为目标的管理n寿命周期费用(LCC)研制费用生产费用使用、维修费用 购置费用使用、维修费用 推行设备诊断技术和现代维修技术，有助于减少使用、维修费用，从而从整体上降低设备的寿命周期费用2021/3/29 2021/3/29 星期一星期一21上海交通大学上海交通大学上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室开展故障诊断工作的意义开展故障诊断工作的意义 举例举例n我国因机械设备事故造成的损失十分严重n1985年10月29日山西大同第二电厂20万千瓦2号机组因超速诱发轴系强烈振动，轴系断裂为五段，机组严重损坏，直接经济损失达1400万元；n1988年2月12日陕西秦岭电厂20万千瓦5号机组轴系发生突发性强烈振动，轴系断裂为十三段，机组严重损毁，直接经济损失达3000万元；n对石化引进30万吨合成氨和40万吨尿素化肥厂中的五大透平压缩机组的初步调查结果表明，仅1977年和1978年的两年的不完全统计，机械事故就高达一百多次，遭受经济损失约有几个亿2021/3/29 2021/3/29 星期一星期一22上海交通大学上海交通大学上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室开展故障诊断工作的意义开展故障诊断工作的意义 举例举例n宏观上实施故障诊断能带来经济效益n1980年度美国用于设备维修的费用为2460亿美元，其中有将近1/3(约750亿美元)属于维修方法采用不当(包括缺乏正确的状态监测和故障诊断技术)而浪费掉的n我国1987年国营工业和交通企业有40万个以上，总固定资产约为7000亿元，每年用于设备大修、小修及处理故障的费用一般占固定资产原值的35%。因此，采用状态监测和故障诊断技术改善设备维修方式和方法后，一年就有可能取得数百亿元的经济效益2021/3/29 2021/3/29 星期一星期一23上海交通大学上海交通大学上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室开展故障诊断工作的意义开展故障诊断工作的意义 举例举例n对生产单位有很高的收益/投资比n日本资料报道，实施故障诊断后，事故率减少75%，维修费用降低25-50%n英国2000家大型工厂采用诊断技术后每年节省维修费用达3亿英镑，而每年用于投资故障诊断系统和技术手段的费用为0.5亿英镑，从而净获益达2.5亿英镑/年n美国pekrul发电厂实施故障诊断技术后的经济效益达到其本身投入的36倍2021/3/29 2021/3/29 星期一星期一24上海交通大学上海交通大学上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室美国美国Pekrul电厂故障诊断效益分析电厂故障诊断效益分析2021/3/29 2021/3/29 星期一星期一25上海交通大学上海交通大学上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室监测与诊断技术基础监测与诊断技术基础n引 言n学科范畴n学科发展意义n监测与诊断技术基础n监测与诊断系统n监测与诊断技术发展趋势n结束语2021/3/29 星期一星期一26管理体制管理体制n监测与诊断工作是一个系统工程n首先要有设备n其次要有懂专业的技术人员n更重要的是还必须有系统完善的管理体制2021/3/29 2021/3/29 星期一星期一27上海交通大学上海交通大学上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室基于振动基于振动(噪声噪声)测量与分析测量与分析n在这里所提及的状态监测与故障诊断，均是指基于振动测量与分析方面的技术n事实上状态监测与故障诊断是一门综合性极强、涉及面非常广泛、学科交叉渗透十分丰富的技术n除了应用振动分析方法之外，还可采用油液分析、红外热像、超声探伤以及温度、压力分析等多种不同技术2021/3/29 2021/3/29 星期一星期一28上海交通大学上海交通大学上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室基于振动基于振动(噪声噪声)测量与分析测量与分析n振动是自然界中的一种很普遍的运动n机械振动信号中包含了丰富的机器状态信息，它是机械设备故障特征信息的良好载体n利用振动信号来获取机械设备的运行状态并进行故障诊断具有如下优点：n方便性：利用各种振动传感器及分析仪器，可以很方便地获得振动信号n在线性：振动监测可在现场不停机的情况下进行n无损性：在振动监测过程中，不会对被测对象造成损伤2021/3/29 2021/3/29 星期一星期一29上海交通大学上海交通大学上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室信号处理技术信号处理技术n信号处理技术是进行故障诊断的基础，是特征提取必不可少的工具n信号处理技术分为传统和现代两大类，其中：n传统的信号处理技术是指以FFT为核心的信号分析技术，在实际运用中发挥着重要的作用n而近年来发展起来的现代信号处理技术在故障特征提取方面正崭露出头角2021/3/29 2021/3/29 星期一星期一30上海交通大学上海交通大学上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室(传统传统)信号处理技术信号处理技术Transfer FunctionTransfer FunctionFFT(Fast Fourier Transform)FFT(Fast Fourier Transform)CorrelationCorrelationPSDPSD特征提取技术特征提取技术2021/3/29 2021/3/29 星期一星期一31上海交通大学上海交通大学上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室(传统传统)信号处理结果示例信号处理结果示例2021/3/29 2021/3/29 星期一星期一32上海交通大学上海交通大学上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室现代信号处理技术现代信号处理技术n现代信号处理的本质可用七个“非”字来高度概括，即研究：n非线性、非因果非最小相位系统n非高斯、非平稳、非整数维(分形)信号n非白色加性噪声n为准确、有效地获得故障特征信息，目前重点是：研究和发展基于非高斯、非平稳及非线性故障信号的分析理论及方法n时频分布、小波分析、高阶统计量分析、循环平稳信号处理、非线性分析、2021/3/29 2021/3/29 星期一星期一33上海交通大学上海交通大学上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室现代信号处理技术现代信号处理技术非线性非线性特征提取技术特征提取技术现代信号处理现代信号处理非平稳非平稳非高斯非高斯高阶统计量分析高阶统计量分析时频分布、小波分析时频分布、小波分析分形、关联维数分形、关联维数2021/3/29 2021/3/29 星期一星期一34上海交通大学上海交通大学上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室现代信号处理结果示例现代信号处理结果示例-时频分布时频分布2021/3/29 2021/3/29 星期一星期一35上海交通大学上海交通大学上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室现代信号处理结果示例现代信号处理结果示例-时频分布时频分布2021/3/29 2021/3/29 星期一星期一36上海交通大学上海交通大学上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室现代信号处理结果示例现代信号处理结果示例-小波分析小波分析n在时-频平面上，时间-频率分辨率是变化的n高频处：时间分辨率高、而频率分辨率低n低频处：时间分辨率低、而频率分辨率高小波基函数小波基函数时时-频平面上的分辨率频平面上的分辨率2021/3/29 2021/3/29 星期一星期一37上海交通大学上海交通大学上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室现代信号处理结果示例现代信号处理结果示例-小波包分析小波包分析2021/3/29 2021/3/29 星期一星期一38上海交通大学上海交通大学上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室现代信号处理结果示例现代信号处理结果示例-连续小波分析连续小波分析用用Hermitian小波变换探测小波变换探测正弦信号中的微弱准脉冲正弦信号中的微弱准脉冲用用Hermitian小波变换小波变换对含有微弱准脉冲和噪对含有微弱准脉冲和噪声的正弦信号进行分析声的正弦信号进行分析2021/3/29 2021/3/29 星期一星期一39上海交通大学上海交通大学上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室现代信号处理结果示例现代信号处理结果示例-小波尺度与相位谱小波尺度与相位谱2021/3/29 2021/3/29 星期一星期一40上海交通大学上海交通大学上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击噪声国家重点实验室现代信号处理结果示例现代信号处理结果示例-双谱分析双谱分析n非参数双谱定义为三阶累积量谱2021/3/29 2021/3/29 星期一星期一41上海交通大学上海交通大学上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室现代信号处理结果示例现代信号处理结果示例-双谱分析双谱分析Input vector for LVQ:u 4 x 8 Peak values of projection of Bispectrumprojection of Bi-Sp2021/3/29 2021/3/29 星期一星期一42上海交通大学上海交通大学上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室现代信号处理结果示例现代信号处理结果示例-双谱分析双谱分析Bi-Sp MethodMAC Method2021/3/29 2021/3/29 星期一星期一43上海交通大学上海交通大学上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室现代信号处理结果示例现代信号处理结果示例-循环平稳信号循环平稳信号n循环平稳信号是一种带有隐含周期性的特殊非平稳信号，其统计特性表现为周期平稳性，或者说其统计函数呈周期或多周期(各周期不成比例)变化n旋转机械的振动信号，尤其是当故障发生时，往往表现为典型的周期性变化信号2021/3/29 2021/3/29 星期一星期一44上海交通大学上海交通大学上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室现代信号处理结果示例现代信号处理结果示例-循环平稳信号循环平稳信号BPSKBPSK信号受到白噪声和五个信号受到白噪声和五个AMAM干扰信号影响时的干扰信号影响时的SCD SCD 谱谱相关密度幅值相关密度幅值BPSKBPSK信号的谱相关密度信号的谱相关密度(SCD)SCD)幅值幅值白噪声和五个白噪声和五个AMAM干扰信号的干扰信号的SCD SCD 谱相关密度幅值谱相关密度幅值SCD-Spectral correlation density BPSK signal-Binary Phase-Shift Keyed signal2021/3/29 2021/3/29 星期一星期一45上海交通大学上海交通大学上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室现代信号处理结果示例现代信号处理结果示例-循环平稳信号循环平稳信号n给定调制信号x(t)=(1+cos(2p30t)+cos(2p70t)*cos(2p1000t)循环自相关函数循环自相关函数(CACF)2021/3/29 2021/3/29 星期一星期一46上海交通大学上海交通大学上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室现代信号处理结果示例现代信号处理结果示例-循环平稳信号循环平稳信号循环频率30 Hz处的切片循环频率70 Hz处的切片60 Hz处的切片2021/3/29 2021/3/29 星期一星期一47上海交通大学上海交通大学上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室现代信号处理结果示例现代信号处理结果示例-循环平稳信号循环平稳信号循环频率1970 Hz处的切片循环频率1930 Hz处的切片2021/3/29 2021/3/29 星期一星期一48上海交通大学上海交通大学上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室现代信号处理结果示例现代信号处理结果示例-盲源分离盲源分离n所谓盲源分离技术(Blind Source Separation)，是研究在未知系统的传递函数、源信号的混合系数及其概率分布的情况下，仅利用源信号之间相互独立这一微弱已知条件，从一组传感器测量所得的混合信号中分离出独立源信号的一种技术2021/3/29 2021/3/29 星期一星期一49上海交通大学上海交通大学上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室现代信号处理结果示例现代信号处理结果示例-盲源分离盲源分离两个源信号的波形两个源信号的频谱四个测量信号的波形四个测量信号的频谱盲源分离结果 2021/3/29 2021/3/29 星期一星期一50上海交通大学上海交通大学上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室现代信号处理结果示例现代信号处理结果示例-数据挖掘数据挖掘nKDD从存放在数据库、数据仓库或其他信息库中的大量数据中发现有用知识的过程。Jiawei Han由于在研究和应用领域，由于在研究和应用领域，由于在研究和应用领域，由于在研究和应用领域，“数据数据数据数据挖掘挖掘挖掘挖掘(DM)DM)”比比比比“数据库中的知数据库中的知数据库中的知数据库中的知识发现识发现识发现识发现(KDD)KDD)”这个词更流行，这个词更流行，这个词更流行，这个词更流行，因此，现在多采用因此，现在多采用因此，现在多采用因此，现在多采用“数据挖掘数据挖掘数据挖掘数据挖掘(DM)DM)”这个术语。这个术语。这个术语。这个术语。2021/3/29 2021/3/29 星期一星期一51上海交通大学上海交通大学上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室现代信号处理结果示例现代信号处理结果示例-数据挖掘数据挖掘n数据挖掘用于知识库建立如何更好解如何更好解如何更好解如何更好解决同样的问决同样的问决同样的问决同样的问题题题题如何更新如何更新如何更新如何更新知识库知识库知识库知识库如何利用如何利用如何利用如何利用历史数据历史数据历史数据历史数据Data MiningData Mining海量数据海量数据海量数据海量数据海量数据海量数据海量数据海量数据知识库知识库知识库知识库2021/3/29 2021/3/29 星期一星期一52上海交通大学上海交通大学上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室现代信号处理结果示例现代信号处理结果示例-数据挖掘数据挖掘nFayyad等人提出的过程模型（1996年）2021/3/29 2021/3/29 星期一星期一53上海交通大学上海交通大学上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室现代信号处理结果示例现代信号处理结果示例-数据挖掘数据挖掘n数据挖掘的应用过程测试数据测试数据测试数据测试数据故障数据故障数据故障数据故障数据Data MiningData Mining评估评估评估评估更新更新更新更新XXXX故障故障故障故障机机机机 器器器器现场数据现场数据现场数据现场数据分类规则分类规则分类规则分类规则现场评判现场评判现场评判现场评判2021/3/29 2021/3/29 星期一星期一54上海交通大学上海交通大学上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室现代信号处理结果示例现代信号处理结果示例-数据挖掘数据挖掘v v美国美国美国美国MarquetteMarquette大学的大学的大学的大学的R.J.R.J.PovinelliPovinelli等人提出的等人提出的等人提出的等人提出的TSDMTSDM（Time Series Time Series Data MiningData Mining）模型，可以预测和特征化可调速感应电机的故障。模型，可以预测和特征化可调速感应电机的故障。模型，可以预测和特征化可调速感应电机的故障。模型，可以预测和特征化可调速感应电机的故障。定义定义定义定义TSDMTSDM目标目标目标目标测试时间序列测试时间序列测试时间序列测试时间序列2021/3/29 2021/3/29 星期一星期一55上海交通大学上海交通大学上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室现代信号处理结果示例现代信号处理结果示例-数据挖掘数据挖掘正常正常正常正常电机电机电机电机扭矩扭矩扭矩扭矩信号信号信号信号3 3个栅条个栅条个栅条个栅条断裂后断裂后断裂后断裂后的扭矩的扭矩的扭矩的扭矩信号信号信号信号3 3个端面个端面个端面个端面连接条连接条连接条连接条断裂后断裂后断裂后断裂后的扭矩的扭矩的扭矩的扭矩信号信号信号信号扭矩扭矩扭矩扭矩相空相空相空相空间图间图间图间图2021/3/29 2021/3/29 星期一星期一56上海交通大学上海交通大学上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室现代信号处理结果示例现代信号处理结果示例-数据挖掘数据挖掘n德国DataEngine 4.0系统数据分析数据分析数据分析数据分析数据挖掘数据挖掘数据挖掘数据挖掘数数数数 据据据据预处理预处理预处理预处理获获获获 得得得得诊断模型诊断模型诊断模型诊断模型可视化可视化可视化可视化模糊逻辑模糊逻辑模糊逻辑模糊逻辑神经网络神经网络神经网络神经网络2021/3/29 2021/3/29 星期一星期一57上海交通大学上海交通大学上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室现代信号处理结果示例现代信号处理结果示例-数据挖掘数据挖掘v v英国英国英国英国AstonAston大学根据电力工业的需要，开发了一个大学根据电力工业的需要，开发了一个大学根据电力工业的需要，开发了一个大学根据电力工业的需要，开发了一个MODIAROTMODIAROT（Model Based Diagnosis of Rotor Systems in Power Model Based Diagnosis of Rotor Systems in Power PlantsPlants）系统，整个系统采用神经网络和模糊逻辑等作为数据挖掘方系统，整个系统采用神经网络和模糊逻辑等作为数据挖掘方系统，整个系统采用神经网络和模糊逻辑等作为数据挖掘方系统，整个系统采用神经网络和模糊逻辑等作为数据挖掘方法，将设备在线测量数据与模型仿真输出进行比较，进而诊断设备法，将设备在线测量数据与模型仿真输出进行比较，进而诊断设备法，将设备在线测量数据与模型仿真输出进行比较，进而诊断设备法，将设备在线测量数据与模型仿真输出进行比较，进而诊断设备故障。故障。故障。故障。采用先进计算采用先进计算方法比较方法比较信信信信 号号号号 处处处处 理理理理机机机机 器器器器辨辨辨辨 识识识识2021/3/29 2021/3/29 星期一星期一58上海交通大学上海交通大学上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室可视化声源定位技术可视化声源定位技术n通过重建设备辐射的噪声场以直观的动通过重建设备辐射的噪声场以直观的动态图像来进行噪声源的识别和定位，为态图像来进行噪声源的识别和定位，为噪声控制、预测及故障诊断等提供依据噪声控制、预测及故障诊断等提供依据2021/3/29 2021/3/29 星期一星期一59上海交通大学上海交通大学上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室常用的声场可视化方法常用的声场可视化方法n近场声全息近场声全息（NAH）传统方法n基于边界元建模基于边界元建模（BEM）的NAHnHELS方法方法（Helmholtz方程最小平方误差方程最小平方误差）n波叠加方法波叠加方法（Wave Superposition）n波束形成波束形成（Beamforming）2021/3/29 2021/3/29 星期一星期一60上海交通大学上海交通大学上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室可视化声源定位实例可视化声源定位实例汽车发动机电机2021/3/29 2021/3/29 星期一星期一61上海交通大学上海交通大学上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室6300 HzR 5 cm3150 HzR 10 cm4000 HzR 8 cm5000 HzR 6 cm汽车发动机声场图汽车发动机声场图 Beamforming(66)近场声全息需要约 3300 个测点，才能识别这样的高频2021/3/29 2021/3/29 星期一星期一62上海交通大学上海交通大学上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室监测与诊断系统监测与诊断系统n引 言n学科范畴n学科发展意义n监测与诊断技术基础n监测与诊断系统n监测与诊断技术发展趋势n结束语2021/3/29 星期一星期一63监测与诊断系统监测与诊断系统n在完成状态监测与故障诊断的过程中，通常需要依靠一定的监测与诊断工具和手段，即需要有相应的计算机化的自动监测与诊断装置、仪器或系统2021/3/29 2021/3/29 星期一星期一64上海交通大学上海交通大学上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室监测与诊断系统前的考虑监测与诊断系统前的考虑n建立监测与诊断系统之前应考虑如下问题：n经济性-应能够尽可能地节省投资；n可靠性-自身应具有更高的可靠性；n实用性-实用的功能，操作简便；n有效性-分析、诊断结果有效；n扩展性-较