基于虛擬儀器和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)液壓系統(tǒng)故障診斷

摘要 針對(duì)液壓系統(tǒng)故障診斷中存在的檢測(cè)和分析判斷困難、耗時(shí)費(fèi)力且準(zhǔn)確度不高等諸多問題，提出了一種基于虛擬儀器和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的液壓系統(tǒng)遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。利用虛擬儀器數(shù)據(jù)采集、分析和處理能力以及其開放性特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)液壓系統(tǒng)故障的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)判斷。利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對(duì)歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析判斷，實(shí)現(xiàn)了對(duì)液壓系統(tǒng)將來工作狀態(tài)的預(yù)測(cè)，發(fā)現(xiàn)潛在故障，做好預(yù)防措施。該方法具有良好的軟件交互界面，操作簡(jiǎn)單，準(zhǔn)確度高。
關(guān)鍵詞 液壓系統(tǒng)；虛擬儀器；BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；故障診斷

    液壓系統(tǒng)在工程機(jī)械中占有重要的地位，其性能的好壞直接影響和決定整機(jī)的性能和品質(zhì)。液壓傳動(dòng)具有重量輕、體積小、可實(shí)現(xiàn)無級(jí)變速、易于實(shí)現(xiàn)載荷控制和動(dòng)力傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)，因而在工程中得到了廣泛應(yīng)用。因此保證液壓系統(tǒng)正常穩(wěn)定的工作是保證工程機(jī)械正常工作狀態(tài)的必備條件。但液壓系統(tǒng)的工作介質(zhì)是流體，它本身存在連續(xù)性和靜壓傳遞的均布性，且工作在各元件和封閉管路內(nèi)，故很難判斷液壓系統(tǒng)故障的因果關(guān)系。一旦出現(xiàn)故障，單憑感官、經(jīng)驗(yàn)和傳統(tǒng)的檢測(cè)方法來判斷，相當(dāng)困難并且準(zhǔn)確率不高，故障的分析和排除比較困難。文中提出了一種基于虛擬儀器和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的液壓系統(tǒng)遠(yuǎn)程故障診斷方法。虛擬儀器和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的引入，能實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)液壓系統(tǒng)的工作狀態(tài)，收集當(dāng)前液壓系統(tǒng)各參數(shù)數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)融合分析判斷系統(tǒng)工況，并預(yù)測(cè)將來的工況走向，發(fā)現(xiàn)潛在故障，真正達(dá)到預(yù)防為
主的目的，保證液壓系統(tǒng)處于正常穩(wěn)定工作狀態(tài)。

1 虛擬儀器和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)
1．1 虛擬儀器技術(shù)
    虛擬儀器(Virtual Instrument，VI)是現(xiàn)代測(cè)控技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。它本質(zhì)上是一個(gè)開放型的結(jié)構(gòu)，由通用計(jì)算機(jī)、數(shù)字信號(hào)處理器或其它CPU來提供信號(hào)處理、存儲(chǔ)和顯示功能，由數(shù)據(jù)采集板卡、GPIB或VXI總線接口板進(jìn)行信號(hào)的獲取與控制，實(shí)現(xiàn)儀器的功能。虛擬儀器是軟件和硬件相結(jié)合的產(chǎn)物，其基本思想和核心內(nèi)容是借助儀器設(shè)備完成數(shù)據(jù)采集和預(yù)處理以及儀器控制功能。圖1為虛擬儀器的基本構(gòu)成圖。

    與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器具有如下特點(diǎn)：
    (1)測(cè)量精度高、可重復(fù)性好。由于虛擬儀器減少了硬件的使用，因此減少了測(cè)試誤差，同時(shí)測(cè)試可重復(fù)性進(jìn)一步提高。
    (2)測(cè)量速度快。由于測(cè)量輸入信號(hào)只需一個(gè)量化的數(shù)據(jù)模塊，就可通過數(shù)據(jù)處理器將信號(hào)特性計(jì)算出來，因此可縮短測(cè)量時(shí)間，提高測(cè)量速度。
    (3)縮短了系統(tǒng)組建的時(shí)間，降低儀器硬件開銷，同時(shí)也降低了系統(tǒng)故障率。
    (4)實(shí)現(xiàn)了用戶自定義測(cè)量功能，可測(cè)量傳統(tǒng)物理儀器不能測(cè)量的對(duì)象。
    (5)易于擴(kuò)展。為提高系統(tǒng)性能，可方便地加入或更換儀器模塊，有利于測(cè)試系統(tǒng)擴(kuò)展。
    隨著計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化測(cè)控將成為虛擬儀器技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)。將虛擬儀器和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合起來，使虛擬儀器拓展到網(wǎng)絡(luò)測(cè)控應(yīng)用環(huán)境中去，對(duì)于豐富測(cè)控手段、提高測(cè)控效率、充分合理地利用有效資源都有著很好的作用。
1．2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)
    BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是采用BP算法進(jìn)行訓(xùn)練的網(wǎng)絡(luò)，BP算法是應(yīng)用廣泛的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，具有較強(qiáng)的非線性擬合能力，可以用來預(yù)測(cè)非線性時(shí)間序列數(shù)據(jù)的發(fā)展趨勢(shì)。該網(wǎng)絡(luò)具有1個(gè)輸入層、1個(gè)輸出層和至少1個(gè)隱藏層。增加隱藏層的層數(shù)不一定能提高網(wǎng)絡(luò)的精度和表達(dá)能力，一般情況下，選用1個(gè)隱藏層即可。BP算法是非循環(huán)多級(jí)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練算法，其學(xué)習(xí)過程由正向傳播和反向傳播組成。輸入值經(jīng)過非線性變換從輸入層經(jīng)隱藏單元逐層處理，并傳向輸出層，每一層神經(jīng)元的狀態(tài)將影響到下一層神經(jīng)元狀態(tài)。如果在輸出層不能得到期望的輸出值，則轉(zhuǎn)入反向傳播，通過修改各神經(jīng)元權(quán)值以及閥值，使誤差信號(hào)最小。

    通過壓力、流量和溫度傳感器等測(cè)得的相關(guān)數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)據(jù)融合，進(jìn)行濾波，剔除噪聲，得到訓(xùn)練集和測(cè)試集。以訓(xùn)練集為學(xué)習(xí)樣本，采用BP算法修正神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值和閥值，直到滿足精度要求為止。若訓(xùn)練后的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)仍不能使用，必須使用附加樣本進(jìn)行性能驗(yàn)證。若不能滿足要求，則需要重新訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)，所以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練是一個(gè)反復(fù)的過程。經(jīng)訓(xùn)練和測(cè)試后的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)就可以用來對(duì)液壓系統(tǒng)將來的工作狀況進(jìn)行預(yù)測(cè)，發(fā)現(xiàn)潛在故障，做好預(yù)防，減少損失。

2 液壓系統(tǒng)故障診斷原理
    液壓元件和液壓系統(tǒng)性能監(jiān)測(cè)中，常見的監(jiān)測(cè)指標(biāo)有壓力、溫度、流量、轉(zhuǎn)速及其他響應(yīng)類型的參數(shù)。工作中若這些參數(shù)偏離了預(yù)定值，則系統(tǒng)有可能出現(xiàn)故障。所以液壓系統(tǒng)產(chǎn)生故障的實(shí)質(zhì)就是這些檢測(cè)參數(shù)的異常變化。當(dāng)液壓系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，必然是系統(tǒng)中某一回路的某些元件有故障，進(jìn)一步可斷定液壓回路的檢測(cè)參數(shù)已經(jīng)偏離了預(yù)定值。因此，對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行在線檢測(cè)十分必要。在液壓系統(tǒng)中需要檢測(cè)的主要參數(shù)有壓力和流量，同時(shí)還有油溫和液位等。對(duì)于壓力、流量和溫度等，可采用動(dòng)態(tài)的在線檢測(cè)，能及時(shí)反映出系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和故障情況。典型的液壓系統(tǒng)故障檢測(cè)與診斷原理如圖3所示。

3 液壓設(shè)備遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)
3．1 硬件結(jié)構(gòu)
    如圖4所示，硬件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)包括傳感器的選型、信號(hào)調(diào)理接口電路的設(shè)計(jì)制造、A／D和D／A卡的選型和連接等。首先，傳感器將液壓系統(tǒng)物理量轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，然后通過信號(hào)調(diào)理接口電路進(jìn)行濾波、放大等處理，產(chǎn)生的模擬量，經(jīng)A／D卡轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，通過PC機(jī)I／O接口進(jìn)入底層設(shè)備驅(qū)動(dòng)模塊?？蛻舳擞?jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)接口對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

3．2 軟件結(jié)構(gòu)
    軟件是虛擬儀器的核心部分，本系統(tǒng)使用LabVIEW構(gòu)建測(cè)試系統(tǒng)的軟件平臺(tái)。
    LabVIEW是一種圖形化編程語(yǔ)言，通過對(duì)用戶圖形界面的操作即可實(shí)現(xiàn)對(duì)所需儀器的編程，并有直觀的圖形顯示，界面友好、操作簡(jiǎn)單。利用LabVIEW提供的開發(fā)環(huán)境生成逼真的虛擬儀器面板，實(shí)現(xiàn)各功能模塊的功能。軟件的設(shè)計(jì)主要由以下幾個(gè)功能模塊來實(shí)現(xiàn)。
    (1)數(shù)據(jù)采集模塊。數(shù)據(jù)采集主要由數(shù)據(jù)采集子Ⅵ來完成，這個(gè)子VI主要由AI Config，AI Start，AIRead等3個(gè)VI組成，可以方便地進(jìn)行采集頻率、采集點(diǎn)數(shù)、采集通道、采集電壓上下限及緩存大小等參數(shù)設(shè)置。
    (2)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)是液壓設(shè)備遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)可以作為后續(xù)數(shù)據(jù)分析的數(shù)據(jù)來源和歷史數(shù)據(jù)以備查詢。
    (3)故障診斷模塊。故障診斷是指對(duì)采集到的液壓系統(tǒng)各參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行信號(hào)分析、統(tǒng)計(jì)分析、模態(tài)分析等處理，通過人工智能專家診斷系統(tǒng)對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行故障診斷。同時(shí)對(duì)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，以得到滿足精度要求的權(quán)值和閥值，根據(jù)以往監(jiān)測(cè)到的歷史數(shù)據(jù)對(duì)系統(tǒng)將來工作狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在故障。
    (4)遠(yuǎn)程控制模塊。Web Server技術(shù)將VI的前面板窗口以網(wǎng)頁(yè)的形式發(fā)布到互聯(lián)網(wǎng)上，將這樣的VI前面板窗口嵌入到一個(gè)網(wǎng)頁(yè)當(dāng)中，可以實(shí)現(xiàn)在網(wǎng)頁(yè)中的遠(yuǎn)程虛擬儀器。用戶可以用極為簡(jiǎn)單的方式直接在本地的客戶端計(jì)算機(jī)上打開并操作位于遠(yuǎn)程服務(wù)器端計(jì)算機(jī)上的VI面板，在網(wǎng)頁(yè)中直接進(jìn)行操作。
    (5)幫助模塊。主要提供實(shí)時(shí)幫助，如對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯打印等，并提供軟件的使用幫助說明。系統(tǒng)軟件構(gòu)成如圖5所示。

3．3 誤差處理
    液壓系統(tǒng)在工作過程中，液壓油的溫度不斷升高，會(huì)使得傳感器內(nèi)部元件的溫度隨之升高而產(chǎn)生失真，從而影響到數(shù)據(jù)的真實(shí)性。因此必須在液壓設(shè)備故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)考慮誤差帶來的影響，盡量減小誤差這一不利因素。依據(jù)液壓系統(tǒng)的特性，總結(jié)為兩種數(shù)據(jù)的誤差，即傳感器誤差和粗大誤差。對(duì)于傳感器誤差，可根據(jù)各傳感器內(nèi)部特點(diǎn)采用微控制器配合溫度傳感器的智能化手段對(duì)其因溫度產(chǎn)生誤差做出補(bǔ)償和校正。高效率的對(duì)粗大誤差數(shù)據(jù)的剔除處理可以采用國(guó)際電工會(huì)議推薦的格拉布斯準(zhǔn)則。在計(jì)算機(jī)內(nèi)存中以10個(gè)單位作為一個(gè)堆棧，用于存儲(chǔ)10個(gè)測(cè)量值。當(dāng)一個(gè)新數(shù)據(jù)被送人到緩沖區(qū)之后，計(jì)算根據(jù)格拉布斯準(zhǔn)則允許的最大偏離值的量表判斷。當(dāng)N=10時(shí)，有0．95置信概率的T的最大允許值為2．29。

4 結(jié)束語(yǔ)
    系統(tǒng)以LabVIEW為開發(fā)環(huán)境，提出了一種綜合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和虛擬儀器技術(shù)的液壓設(shè)備遠(yuǎn)程故障診斷方法，根據(jù)失效分析知識(shí)及推理規(guī)則建立了故障診斷模型，提高了故障診斷的可靠性和精確度。