基于MATLAB/Simulink的機(jī)械故障診斷研究

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。

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