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      基于MATLAB/Simulink的機(jī)械故障診斷研究

      2017-04-26 10:34:30張力文
      電腦知識與技術(shù) 2017年6期
      關(guān)鍵詞:計(jì)算機(jī)仿真

      張力文

      摘要:機(jī)械故障診斷技術(shù)能夠提供高質(zhì)量的監(jiān)控系統(tǒng),提升管理效率,降低維護(hù)成本。通過MATLAB/Simulink仿真技術(shù)可以簡潔地將故障診斷的結(jié)果圖像化表達(dá)出來,提高故障診斷的質(zhì)量和效率。該文模擬了機(jī)械故障診斷的全過程,充分發(fā)揮技術(shù)融合的優(yōu)勢,完成機(jī)械故障診斷的監(jiān)測和分析處理任務(wù)。

      關(guān)鍵詞:計(jì)算機(jī)仿真; MATLAB/Simulink;機(jī)械故障診斷

      中圖分類號:TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1009-3044(2017)06-0262-03

      1機(jī)械故障診斷的重要性

      現(xiàn)代工業(yè)設(shè)備呈現(xiàn)流水線大型化、功能復(fù)雜化、運(yùn)行自動(dòng)化的發(fā)展趨勢,設(shè)備的管理與維護(hù)對于安全運(yùn)行,避免經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡愈發(fā)重要。機(jī)械故障診斷技術(shù)為現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)提供了高質(zhì)量的測控系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了大型工業(yè)設(shè)備的高效率管理與低成本維護(hù),其故障診斷功能完善、且易操作。

      2 計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在機(jī)械故障診斷中的應(yīng)用意義

      隨著現(xiàn)代化計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展,計(jì)算機(jī)所模擬的結(jié)構(gòu)、功能更為逼真,計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)已廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的信號處理和數(shù)據(jù)分析,尤其是在故障診斷領(lǐng)域享有盛譽(yù)。MATLAB/Simulink仿真憑借其強(qiáng)大的數(shù)值運(yùn)算功能,以及交互性良好的用戶界面在眾多計(jì)算機(jī)仿真軟件中脫穎而出。

      在機(jī)械故障診斷中,可以利用MATLAB/Simulink仿真的測試系統(tǒng)控制、圖像處理、信號處理和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等功能輔助診斷機(jī)械設(shè)備故障,簡化故障信號分析的數(shù)學(xué)推導(dǎo)和復(fù)雜故障信號的描述,簡潔的將故障診斷的結(jié)果用圖形、圖像表達(dá)出來,提高故障診斷的質(zhì)量和效率。

      將MATLAB/Simulink仿真應(yīng)用到機(jī)械故障診斷中,增加了機(jī)械故障分析處理的可視化程度,使故障診斷中涉及的大量抽象的數(shù)值分析、信號變換等環(huán)節(jié)變得容易操作。利用MATLAB/Simulink仿真不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對機(jī)械故障診斷系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測,還可以試驗(yàn)機(jī)械設(shè)備性能參數(shù)調(diào)整對診斷系統(tǒng)的影響。MATLAB/Simuknk仿真在機(jī)械故障診斷中的應(yīng)用框架如圖1所示。

      3 基于MATLAB/Simulink的機(jī)械故障診斷系統(tǒng)構(gòu)建

      機(jī)械故障診斷系統(tǒng)融合了傳感、信號處理、控制、統(tǒng)計(jì)等多門技術(shù),主要包括數(shù)據(jù)采集、在線監(jiān)測、信號調(diào)理、狀態(tài)識別、診斷響應(yīng)等內(nèi)容。該系統(tǒng)由試驗(yàn)裝置將待診斷機(jī)械設(shè)備控制在預(yù)定狀態(tài)下,并將其有關(guān)方面的內(nèi)在聯(lián)系充分顯露出來,以便進(jìn)行有效診斷。

      機(jī)械故障診斷系統(tǒng)中的診斷裝置由傳感器和故障信號預(yù)處理裝置構(gòu)成,將待測設(shè)備故障參數(shù)轉(zhuǎn)換為電信號,并進(jìn)行信號預(yù)處理。記錄顯示儀器作為故障診斷系統(tǒng)的輸出環(huán)節(jié),能夠?qū)⒃\斷過程中的有用信號及其變化過程顯示或記錄下來。機(jī)械故障診斷系統(tǒng)框架如圖2所示。

      機(jī)械故障診斷系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)由故障診斷信號源、傳感器、信號調(diào)理裝置、數(shù)據(jù)采集裝置、A/D轉(zhuǎn)換器和計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)組成。其中,故障診斷信號源的作用是產(chǎn)生測試信號;傳感器將被測非電信號轉(zhuǎn)換成電信號(模擬量,如電壓信號),以便診斷系統(tǒng)對該電信號進(jìn)行調(diào)理與分析;信號調(diào)理裝置主要完成對電信號的預(yù)處理,例如信號調(diào)制解調(diào)、濾波、放大等;數(shù)據(jù)采集裝置及A/D轉(zhuǎn)換器將預(yù)處理后的電信號傳遞至計(jì)算機(jī)系統(tǒng),最后由顯示器、存儲器等設(shè)備顯示、記錄故障診斷結(jié)果。機(jī)械故障診斷系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框如圖3所示。

      根據(jù)機(jī)械故障診斷系統(tǒng)框架,可得出系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)方案。模塊設(shè)計(jì)是機(jī)械故障診斷系統(tǒng)的核心部分,主要包括五大模塊:故障診斷信號源、系統(tǒng)報(bào)警模塊、數(shù)據(jù)采集與顯示模塊、數(shù)據(jù)分析模塊和數(shù)據(jù)處理模塊。

      故障診斷信號源的功能是產(chǎn)生類似于方波、白噪聲、鋸齒波、正弦波等標(biāo)準(zhǔn)激勵(lì)信號;系統(tǒng)報(bào)警模塊能夠?qū)υ\斷系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,比較實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與系統(tǒng)閾值,智能判斷是否報(bào)警;數(shù)據(jù)采集與顯示;數(shù)據(jù)分析模塊主要完成對診斷信號的時(shí)頻域分析,可應(yīng)用于均方值、最值、誤差統(tǒng)計(jì)、相關(guān)分析、頻譜分析等方面;數(shù)據(jù)處理模塊可對采集到的診斷信號進(jìn)行預(yù)處理,其處理方式如采樣、濾波等。

      4 MATLAB/Simulink實(shí)時(shí)診斷機(jī)械故障方法研究

      4.1故障診斷系統(tǒng)信號源模型構(gòu)建

      1)診斷系統(tǒng)信號源的MATLAB仿真模擬

      用戶建立機(jī)械故障診斷系統(tǒng)時(shí),可以直接使用MATLAB仿真系統(tǒng)工具箱的豐富的內(nèi)置庫函數(shù)。例如,MATLAB仿真系統(tǒng)中的sin、stepfun、randn等函數(shù),可以進(jìn)行診斷系統(tǒng)信號源的模擬,其MATLAB仿真實(shí)現(xiàn)方法如下:

      %MATLAB編程實(shí)現(xiàn)階躍信號源模擬

      t=-0.5:0.001:1;t0=0;u=stepfun(t,t0);plot(t,u),axis([-0.5 1 -0.2 1.2])

      %MATLAB編程實(shí)現(xiàn)正弦信號源模擬

      N=200;fs=200;n=0:N-1;t=n/fs;x=5*sin(10*pi*t);plot(t,x)

      %MATLAB編程實(shí)現(xiàn)隨機(jī)信號源模擬,生成正態(tài)分布的偽隨機(jī)信號(均值為0,方差為1)

      randn(5,7);plot(ans)

      上圖分別為階躍信號模擬信號源、正弦信號模擬信號源、隨機(jī)信號模擬信號源,三種不同類型的信號共同構(gòu)成了診斷系統(tǒng)信號源,以應(yīng)對故障診斷中對信號源的多樣化需求。

      2)基于MATLAB仿真診斷系統(tǒng)信號源分析

      在故障診斷處理中,需要針對信號不同方面的特性逐一進(jìn)行分析,例如信號的實(shí)部特性、虛部特性、幅值特性、相角特性等。借助MATLAB仿真工具箱對real、image、abs、angle函數(shù)進(jìn)行函數(shù)調(diào)用,可以方便直觀的實(shí)現(xiàn)對信號各個(gè)特性的分析,其具體實(shí)現(xiàn)編程如下:

      %MATLAB編程實(shí)現(xiàn)信號實(shí)部特性分析

      R=real(z)

      %MATLAB編程實(shí)現(xiàn)信號虛部特性分析,其中z為復(fù)數(shù)

      I=imag(z)

      %MATLAB編程實(shí)現(xiàn)信號幅值特性分析

      A=abs(z)

      %MATLAB編程實(shí)現(xiàn)信號相角特性分析,其中z為復(fù)數(shù)

      Theta=angle(z)

      4.2 診斷系統(tǒng)報(bào)警功能應(yīng)用

      診斷系統(tǒng)報(bào)警功能主要依據(jù)故障特點(diǎn),采用相應(yīng)的信號處理方法,突出機(jī)械設(shè)備狀況特征,以識別故障類型,發(fā)錯(cuò)報(bào)警信號。以超門限報(bào)警為例,機(jī)械故障診斷系統(tǒng)依托計(jì)算機(jī)仿真軟件實(shí)時(shí)監(jiān)測設(shè)備運(yùn)行參數(shù),當(dāng)參數(shù)值接近或超過設(shè)備參數(shù)閾值時(shí),系統(tǒng)識別參數(shù)超門限,發(fā)出報(bào)警信號。MATLAB仿真源程序如下:

      %MATLAB編程實(shí)現(xiàn)正弦信號源的超門限報(bào)警功能

      x=1:0.001:70;y=0.5;

      z=sin(pi*x)+cos(pi*x);

      plot(x,y,'r',x,z,'b')

      xlabel('時(shí)間(s)');ylabel('幅值');axis([10,30,-2,2])

      %MATLAB編程實(shí)現(xiàn)隨機(jī)信號源的超門限報(bào)警功能

      R=randn(8);M=max(R);

      figure(1)

      subplot(231)

      plot(R)

      X=0:0.0001:8;Y=stepfun(X,0);

      figure(1)

      subplot(232)

      plot(X,Y)

      上圖分別為正弦信號源和隨機(jī)信號源的超門限報(bào)警功能實(shí)現(xiàn)。針對兩種不同類型的信號源,通過MATLAB仿真系統(tǒng)的輔助分析,得出機(jī)械設(shè)備運(yùn)行中參數(shù)信號的統(tǒng)計(jì)信息、實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)最大值,與設(shè)定的峰值閾值(本文設(shè)定為0.5)相比較可識別是否超門限,保證了機(jī)械設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn),避免了大型危險(xiǎn)事故的發(fā)生。

      4.3診斷系統(tǒng)性能分析

      4.3.1 診斷系統(tǒng)信號特征的頻域提取

      上述2.2中的時(shí)域統(tǒng)計(jì)特征指標(biāo)反映了機(jī)械設(shè)備的總體運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài),在故障監(jiān)測中應(yīng)用廣泛。一旦發(fā)現(xiàn)故障出現(xiàn),就需要對故障的部位、類型做進(jìn)一步的精密分析,此時(shí)信號特征的頻域提取是必不可少的關(guān)鍵步驟,是機(jī)械故障診斷的常用分析方法。其MATLAB/Simulink仿真實(shí)現(xiàn)方法如下:

      fs=200;N=200;n=0:N-1;t=n/fs

      %MATLAB編程實(shí)現(xiàn)診斷信號(本文以正弦信號為例)特征的頻域提取

      x=5*sin(10*pi*t)

      %MATLAB編程實(shí)現(xiàn)對診斷信號進(jìn)行FFT變換

      y=fft(x,N)/N

      %MATLAB編程實(shí)現(xiàn)檢測信號幅值的求解

      mag=abs(y)

      f=(0:length(y)-1)'*fs/length(y)

      plot(f-100,mag)

      xlabel('頻率(Hz)')

      ylabel('幅值')

      grid

      axis([-150,150,-1,4])

      MATLAB編程仿真得到診斷信號特征的頻譜分析如圖6所示,其中橫坐標(biāo)表示頻率,縱坐標(biāo)表示信號幅值,診斷參數(shù)頻率特征點(diǎn)為f=-100Hz和f=100Hz。

      4.3.2 診斷系統(tǒng)穩(wěn)定性分析

      MATLAB仿真技術(shù)對診斷系統(tǒng)頻率特性的圖像分析方法主要為奈奎斯特圖系統(tǒng)穩(wěn)定性分析,該種方法能夠繪制出機(jī)械故障診斷系統(tǒng)的頻率特性圖形,可視化分析診斷系統(tǒng)穩(wěn)定性,其具體編程實(shí)現(xiàn)及仿真結(jié)果如下:

      num=[0.5]

      den=[1 2 1 0.5 ]

      nyquist(num,den)

      axis([-1.1,1.1,-1.5,1.5])

      5 結(jié)論

      本文論述的機(jī)械故障診斷系統(tǒng),在系統(tǒng)框架構(gòu)建上采用了計(jì)算機(jī)仿真的技術(shù)思路,充分發(fā)揮技術(shù)融合的優(yōu)勢,使其依托于MATLAB/Simulink仿真平臺,完成機(jī)械故障診斷的監(jiān)測和分析處理任務(wù)。通過MATLAB/Simulink輔助故障診斷系統(tǒng)的構(gòu)建,說明了計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在機(jī)械故障診斷應(yīng)用方面具有兼容性和實(shí)用性。

      參考文獻(xiàn):

      [1] 赫培峰.計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009.

      [2] 張建.機(jī)械故障診斷技術(shù)[M]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2008.

      [3] 王國彪,何正嘉,陳雪峰,賴一楠.機(jī)械故障診斷基礎(chǔ)研究何去何從[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2013(1):63-72.

      [4] 王光研,許寶杰.RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷中的應(yīng)用[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2008(9):57-58.

      [5] 蘇劍飛,趙捍東.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷中的應(yīng)用[J].微計(jì)算機(jī)信息,2007(13):214-215,221.

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