基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的船舶交流電網(wǎng)的故障診斷

呂若辰 黃建忠 單曉宇

摘 要：本文針對船用交流電網(wǎng)的特點，建立了故障現(xiàn)象與故障征兆列表，并使用了模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了對船舶交流電網(wǎng)故障的模糊診斷。本文還簡單介紹了模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，以及利用simulink對船舶交流電網(wǎng)進(jìn)行仿真和故障仿真。經(jīng)過仿真和試驗結(jié)果證明，該診斷方法是行之有效的，并且解決了模糊控制專家經(jīng)驗獲取不足的問題。

關(guān)鍵詞：模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；船舶交流電網(wǎng)；故障診斷

0 引言

船舶交流電網(wǎng)是船上主要的供電來源，對于整個船的作用是不言而喻的，如果沒有它在船上很多的工作，日常生活就無法進(jìn)行。同時我們也應(yīng)該意識到，船舶交流電網(wǎng)需要更強(qiáng)的可靠性和穩(wěn)定性，對于電網(wǎng)中可能出現(xiàn)的安全隱患，要越來越重視。

本文結(jié)合了故障診斷技術(shù)與模糊邏輯系統(tǒng)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，找到船舶交流電網(wǎng)在運行過程中的現(xiàn)象與故障原因之間的模糊關(guān)系，建立了模糊故障知識庫，并利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的超強(qiáng)學(xué)習(xí)能力進(jìn)行故障知識學(xué)習(xí)，這將更有利于提高船舶交流電網(wǎng)故障診斷的質(zhì)量和效率。

1 船舶交流電網(wǎng)的仿真

對于一個簡單的船舶交流電網(wǎng)，主要有柴油機(jī)，同步發(fā)電機(jī)，勵磁系統(tǒng)和負(fù)載這幾個部分。

對交流電而言，頻率非常重要，而交流發(fā)電的頻率是由其轉(zhuǎn)速決定的。我們需要設(shè)定一個額定轉(zhuǎn)速，讓發(fā)電機(jī)在任何時刻下都工作在額定轉(zhuǎn)速下。只有工作在額定轉(zhuǎn)速下，才可以使發(fā)電機(jī)輸出的電壓值和頻率穩(wěn)定[3]。船舶上的用電設(shè)備不是唯一或者是恒定的，突然改變，就需要勵磁系統(tǒng)來改電機(jī)變端電壓，從而保持船舶交流電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定。

2 故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計

故障診斷通常基于一定的征兆，但是在電網(wǎng)中有一些故障征兆具有模糊性，難以進(jìn)行嚴(yán)格的劃分，也不能簡單地使用具體值去描述它們；或者一些故障與征兆之間的關(guān)系具有模糊性，很難用具體的邏輯去描述。但是在很多情況下我們無法獲取一些專家的經(jīng)驗，以致很難使用模糊邏輯。如果我們結(jié)合模糊邏輯和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自學(xué)以獲得更接近我們所需要的模糊規(guī)則，能夠在很大程度上克服模糊邏輯系統(tǒng)的主觀性，更加適用于船舶交流電網(wǎng)的故障診斷。

2.1 模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

本文采用的是一種串形結(jié)構(gòu)的多層前向模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)分為兩個部分，前一個部分為模糊部分，主要功能就是將輸入的精確值模糊化為模糊量，后一部分為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)部分，將得到的模糊量作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入，通過學(xué)習(xí)，得到模糊輸出，通過對模糊輸出的分析就可以得到故障類型。

2.2 電網(wǎng)故障及征兆信號及其隸屬度函數(shù)

綜合文獻(xiàn)和查詢結(jié)果，并依據(jù)一些經(jīng)驗，船舶交流電網(wǎng)的常見故障形式可歸納為以下幾種，如表1 所示。

將獲取的測量信號精確量通過隸屬度函數(shù)轉(zhuǎn)化成模糊邏輯系統(tǒng)能夠處理的模糊量，這是一個模糊化過程。信號模糊子集劃分如表2所示。

3 仿真結(jié)果

在經(jīng)過訓(xùn)練學(xué)習(xí)后，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自學(xué)得到的故障診斷知識就蘊藏在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值之中，將權(quán)值保存起來，該權(quán)值就為一個故障診斷數(shù)據(jù)庫。這就可以使模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)故障診斷系統(tǒng)對文中所列出的電網(wǎng)的幾種故障進(jìn)行有效的診斷。

通過對模型模擬故障，得到故障的數(shù)據(jù)。然后取一部分作為訓(xùn)練樣本，一部分用來檢測結(jié)果。

將樣本輸入通過隸屬度函數(shù)編程模糊輸入，然后輸出為10*10的單位矩陣。訓(xùn)練了12步就達(dá)到了誤差要求，然后再將一組的測試樣本輸入，輸出結(jié)果為[0.003 0.003 0.006 0.000 0.002 0.9592 0.0015 0.0002 0.0000 0.0002]得知發(fā)生的故障為f6，而實際情況也為故障6，這說明可以完成對故障診斷的功能。

4 結(jié)論

通過故障仿真實驗和結(jié)果，該模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)故障診斷系統(tǒng)能夠有效地診斷船舶交流電網(wǎng)的故障。對于那些沒有故障診斷知識的人，只需要輸入當(dāng)前的故障征兆，運行該網(wǎng)絡(luò)，就可以得到故障信息。

參考文獻(xiàn)

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（作者單位：上海海事大學(xué)）