基于D—S證據(jù)和數(shù)據(jù)融合的電機(jī)故障診斷研究

趙娟 姜曉艷 韓明 張然 李欣

摘 要：針對(duì)電機(jī)的發(fā)熱、振動(dòng)和噪音問題的現(xiàn)象及原因進(jìn)行分析研究，設(shè)計(jì)出以ARM微處理器作為核心處理的電機(jī)故障診斷系統(tǒng)，采用了溫度傳感器、電壓傳感器和壓電式加速度傳感器的多傳感器測(cè)量技術(shù)，對(duì)采集的溫度、電壓、振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析，提出用D-S證據(jù)和多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)的電機(jī)故障診斷方法。再應(yīng)用D-S證據(jù)理論對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行算例分析，完成電機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。與單一信號(hào)故障診斷結(jié)果相比，可以有效地提高電機(jī)故障診斷結(jié)果的可信度，減小診斷的不確定性因素。

關(guān)鍵詞：故障診斷 D-S證據(jù) 多傳感器測(cè)量技術(shù) 數(shù)據(jù)融合

中圖分類號(hào)：TN7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2018）11（a）-00-02

1 電機(jī)常見故障機(jī)理分析

電機(jī)運(yùn)行過程中，如果過熱會(huì)引起電機(jī)燒毀等事故。通過電機(jī)發(fā)熱問題的機(jī)理分析，確定使用溫度傳感器采集的溫度信號(hào)作為本系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集分析的一部分；電機(jī)的持續(xù)振動(dòng)會(huì)加劇電機(jī)的絕緣老化，使電機(jī)的軸承等部件的磨損速度加快，嚴(yán)重影響電機(jī)的正常運(yùn)行。通過電機(jī)振動(dòng)問題的機(jī)理分析，確定了使用電壓傳感器采集的電壓信號(hào)作為本系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集分析的一部分；電機(jī)的噪聲主要有電磁噪聲、機(jī)械噪聲、軸承噪聲等現(xiàn)象，通過電機(jī)噪音問題的分析，確定了壓電式加速度傳感器采集的振動(dòng)信號(hào)作為本系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集分析的一部分。

分析可知，對(duì)電機(jī)進(jìn)行日常維護(hù)和檢修時(shí)，要對(duì)電機(jī)的溫度、電壓、振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)，為設(shè)計(jì)電機(jī)故障診斷系統(tǒng)提供了理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支持。

2 以ARM為核心的多傳感器信息采集系統(tǒng)

系統(tǒng)硬件電路由電機(jī)信號(hào)采集、信號(hào)處理、A/D轉(zhuǎn)換、核心處理系統(tǒng)ARM、鍵盤、LCD顯示等電路構(gòu)成。其中信號(hào)采集電路采用了溫度傳感器、電壓傳感器、壓電式加速度傳感器的多傳感器信息采集技術(shù)，分別采集電機(jī)的溫度、電壓、振動(dòng)信號(hào)作為故障診斷系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，作為診斷系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集端，再經(jīng)過信號(hào)處理電路將采集到的電機(jī)實(shí)時(shí)信息進(jìn)行處理，直接送到A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，由ARM處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)融合分析處理，再將參數(shù)數(shù)據(jù)和分析結(jié)果送到PC機(jī)上顯示。

3 基于D-S證據(jù)的多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)

3.1 D-S證據(jù)的數(shù)據(jù)融合技術(shù)在電機(jī)診斷中的應(yīng)用

本系統(tǒng)采用多傳感器信息采集系統(tǒng)將電機(jī)的溫度、電壓、振動(dòng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)ARM存儲(chǔ)器中，再結(jié)合D-S證據(jù)的多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)進(jìn)行電機(jī)故障診斷分析是考慮到以下兩方面因素。

3.1.1 電機(jī)故障特征與故障形式間的非線性關(guān)系

電機(jī)是一個(gè)較為復(fù)雜的系統(tǒng)，其中涉及到電路、磁路及機(jī)械等方面的知識(shí)內(nèi)容，其故障特征與故障形式不存在一一對(duì)應(yīng)的線性關(guān)系，而是較為復(fù)雜的非線性關(guān)系?；谏鲜龇治?，想要對(duì)電機(jī)的故障狀態(tài)做出準(zhǔn)確判斷，就需要采集不同的特征信息進(jìn)行綜合判斷，所以選擇基于D-S證據(jù)的多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)，結(jié)合溫度、電壓、振動(dòng)3種信號(hào)綜合分析，解決這一難題。

3.1.2 電機(jī)故障診斷中存在不確定性因素

由于電機(jī)運(yùn)行環(huán)境的不確定因素、不同類型傳感器采集信號(hào)的不確定因素和信號(hào)處理、診斷方法的不確定因素等原因，使得電機(jī)故障診斷過程中存在著大量的不確定性因素。傳統(tǒng)的基于單個(gè)傳感器采集的單一特征信息對(duì)電機(jī)故障進(jìn)行診斷的系統(tǒng)往往難以保證診斷的準(zhǔn)確性。

3.2 D-S證據(jù)的數(shù)據(jù)融合技術(shù)在電機(jī)診斷中的應(yīng)用

本系統(tǒng)采用了3個(gè)獨(dú)立的傳感器（溫度傳感器、電壓傳感器和壓電式加速度傳感器）作為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集端，首先假設(shè)電機(jī)只發(fā)生一種故障現(xiàn)象，可以構(gòu)造決策系統(tǒng)的識(shí)別框架為{正常，故障}，根據(jù)分析可知冪集元素有3個(gè)： {{正常}、{故障}、{不確定}}，其中{不確定}因素是由于外界各種不確定因素和基本可信度分配誤差等原因?qū)е聼o法判斷電機(jī)是否出現(xiàn)故障。假定使用溫度傳感器、電壓傳感器和壓電式加速度傳感器某次檢測(cè)判斷得到關(guān)于電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，正常運(yùn)行用A表示，故障狀態(tài)用B表示，不確定因素用φ表示，其基本可信度分配如表1所示。

利用D-S證據(jù)理論的合成規(guī)則，將3個(gè)傳感器的融合結(jié)果與單個(gè)傳感器進(jìn)行基本可信度對(duì)比，如表2所示。

實(shí)驗(yàn)證明，基于多傳感器測(cè)量的D-S證據(jù)理論是一種有效的數(shù)據(jù)融合方法，能有效提高電機(jī)故障診斷的準(zhǔn)確度。

4 結(jié)語

該電機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有體積小、精度高、實(shí)時(shí)性好等特點(diǎn)。通過采用ARM微處理器對(duì)電機(jī)的溫度、電壓、振動(dòng)信號(hào)快速實(shí)時(shí)采集和處理。從提高故障診斷精度出發(fā)，再利用基于多傳感器監(jiān)測(cè)技術(shù)的數(shù)據(jù)融合方法，并結(jié)合算例分析了證據(jù)理論對(duì)證據(jù)累計(jì)的作用，該系統(tǒng)能夠有效的提高電機(jī)故障診斷結(jié)果的可信度，減小診斷的不確定性因素。從而證明了基于D-S證據(jù)多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)的電機(jī)故障診斷是一種有效的故障診斷方法。

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