Содержание к диссертации
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ 4
ВВЕДЕНИЕ 5
ГЛАВА 1. АКУСТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ 10
Классификация систем акустической диагностики 11
Методы акустической диагностики 15
Метод вибрационной диагностики: технологии обработки сигналов и оценки технического состояния 19
Проблематика, перспективные направления развития систем вибрационной
диагностики 24
Выводы 28
ГЛАВА 2. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМЫ ДИАГНОСТИКИ, МЕТОДЫ
ЦИФРОВОЙ ОБРАБОТКИ ВИБРАЦИОННЫХ СИГНАЛОВ 31
Постановка задачи 31
Принципы классификации состояний объекта по вибрационным сигналам 33
Архитектура системы вибрационной диагностики 35
Запись и предобработка сигналов 41
Генерация признаков из значений спектра мощности вибрационного сигнала ..45
Использование окопных функций при анализе вибрационных сигналов 48
Методы частотно-временного анализа 53
Синтез адаптивного вэйвлетного базиса 63
Выводы 68
ГЛАВА 3. КЛАССИФИКАЦИЯ ВИБРАЦИОННЫХ СИГНАЛОВ МЕТОДАМИ
РАСПОЗНАВАНИЯ ОБРАЗОВ 70
Предобработка векторов признаков 70
Выбор информативных признаков 73
Оценка информативности признаков 75
Алгоритмы классификации 77
Классический (первый) алгоритм разделения пространства гиперплоскостями... 78
Модифицированный (второй) алгоритм разделения пространства гиперплоскостями 81
Первый алгоритм разделения пространства гиперсферами 86
Второй алгоритм разделения пространства гиперсферами 89
3.5 Оценка качества алгоритмов классификации 92
Выводы 93
ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ МОДЕЛИ
СИСТЕМЫ ДИАГНОСТИКИ 95
4.1 Автоматизированная система диагностики состояния объекта по
вибрационному сигналу 97
Подсистема сбора данных 98
Подсистема цифровой обработки сигналов 105
Подсистема распознавания 108
Аппаратная реализация системы в виде независимого устройства 109
4.2 Применение системы к задаче определения дефектов ДВС 112
Необходимые сведения об объекте контроля 118
Предварительное исследование объекта контроля 126
j
з '
4.2.3 Экспериментальное сравнение методов ЦОС в применении к анализу
вибрационных сигналов 146
4.2.4 Исследование подсистемы распознавания 163
4.3 Рекомендации по развитию и применению системы 186
Выводы 188
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 190
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 192
Приложение 1. Макет диагностирующего устройства 201
Приложение 2. Реализация метода синтеза адаптивного вэивлета в системе
MathWorks Matlab 205
Приложение 3. Копии документов: патентов, грамот, акта апробации 209
Список используемых сокращений
АЦП - аналогово-цифровой преобразователь;
БД — база данных;
БПФ - быстрое преобразование Фурье;
ВМТ - верхняя мертвая точка;
ВП - вэйвлет-преобразование;
ГК - гидрокомпенсатор;
ГРМ - газораспределительный механизм;
ДВС - двигатель внутреннего сгорания;
ДПФ - дискретное преобразование Фурье;
МК - микроконтроллер;
НВП - непрерывное вэйвлет-преобразование;
НК - неразрушающий контроль;
НМТ - нижняя мертвая точка;
ОПФ — оконное преобразование Фурье;
ОУ - объект управления;
ПК — персональный компьютер;
ПКВ - поворот коленчатого вала;
ПФ — преобразование Фурье;
СКЗ - среднеквадратическое значение;
СПМ - спектральная плотность мощности (или спектр мощности);
СУ - система управления;
УВ — управляющие воздействия;
УУ — устройство управления;
ФВЧ — фильтр верхних частот (фильтр, отсекающий верхние частоты);
ЦОС — цифровая обработка сигналов.
Введение к работе
Любой технический объект, в процессе эксплуатации, меняет свое состояние: вследствие износа, воздействия случайных факторов, режима эксплуатации, качества технического обслуживания, и т.д. От фактического состояния технического объекта зависит его работоспособность, в том числе — эффективность и качество функционирования. Чтобы обеспечить требуемое качество функционирования необходимо: определить техническое состояние объекта в текущий момент времени, а также применить корректирующие и предупреждающие действия для поддержания состояния на должном уровне.
Кроме того, для многих задач управления необходимо знать текущее состояние объекта или процесса, и в зависимости от этого состояния, осуществлять управление.
Таким образом, системы технической диагностики широко востребованы и играют важную роль в современной жизни. Их применение дает явный положительный экономический эффект для заводов производителей, организаций, осуществляющих ремонт и техническое обслуживание, а также для отдельных фирм и лиц, которые эксплуатируют оборудование, поскольку грамотная организация контроля за его состоянием может повысить производительность работы, исключить аварийные ситуации, сократить расход энергоресурсов и затраты на техническое обслуживание.
Вибрационная диагностика — один из наиболее широко используемых методов ТД, который имеет ряд преимуществ. Исследователями пройден уже большой путь в данной области, созданы реально работающие системы [52, 56, 66]. Однако, сейчас по-прежнему актуально разрабатывать новые методы и технологии анализа вибраций и принятия диагностических решений, поскольку за последние десятилетия сложность оборудования возросла, обнаружился дефицит квалифицированных инженеров - вибродиагностов. Кроме того, в последние десятилетия были созданы компактные высокопроизводительные электронные устройства (процессоры и микроконтроллеры), которые позволяют обрабатывать большие объемы
информации за короткий временной отрезок, также были разработаны новые методы обработки сигналов, в частности, теория вэйвлет-анализа. Потенциальная стоимость системы диагностики снизилась за счет возможности применения цифровой обработки и хранения больших объемов информации на маломощных вычислительных системах низкой стоимости.
Ранее, системы вибрационной диагностики создавались преимущественно для контроля агрегатов военной техники и промышленного оборудования. Однако сегодня существует потребность (и, за счет развития науки и техники, появилась реальная возможность удовлетворить спрос) в контролировании вибрационными методами широкого спектра оборудования.
В связи с этим, назрела необходимость создания автоматизированной системы диагностики по вибрации, вне зависимости (в слабой зависимости) от механики исследуемого объекта, которая, обладая компактным размером, могла бы включаться в систему управления, в качестве одного из компонентов. При создании подобной системы целесообразно привлечение математической теории распознавания образов, а также использование новейших методов цифровой обработки сигналов.
Таким образом, задача разработки принципов построения мобильных аппаратно-программных систем автоматизированной диагностики (по вибрационному сигналу) широкого назначения, решению которой посвящена данная работа, является актуальной.
Цель работы
Разработка методов и алгоритмов, используемых для построения аппаратно-программных средств диагностики состояния объекта по его вибрационному сигналу.
Задачи исследования
В диссертационной работе решаются следующие задачи:
анализ существующих систем и технологий вибрационной диагностики;
разработка и применение методов цифровой обработки вибрационных сигналов;
разработка и применение алгоритмов классификации состояний объектов;
создание и экспериментальное исследование модели системы диагностики состояния объекта;
исследование объекта контроля на примере двигателя внутреннего сгорания;
создание макета диагностирующего устройства на базе маломощного вычислителя (микроконтроллера);
Методы исследования
Основаны на применении методов проектирования цифровых устройств, положений теории вероятностей, методов распознавания образов, метода вэйвлет-преобразования и других методов цифровой обработки сигналов. В разработке программного обеспечения использовались методы объектно-ориентированного программирования.
Научная новизна:
разработана архитектура автоматизированной системы вибрационной диагностики, состоящая из двух частей различной вычислительной мощности и физической реализации;
для анализа нестационарных сигналов вибрации газораспределительного механизма применен метод вэйвлет-преобразования;
предложен метод синтеза адаптивного вэйвлетного базиса для анализа вибрационных сигналов;
предложен метод формирования пространства признаков на основе результатов вэйвлет-анализа сигналов;
разработаны алгоритмы классификации объектов для задач вибрационной диагностики;
разработана и исследована модель системы диагностики.
Практическая ценность
Результаты, полученные в ходе настоящей диссертационной работы, могут быть использованы при создании систем вибрационной диагностики (в том числе, бортовых), позволяющих производить диагностику различных объектов контроля.
На основе проведенных исследований создана аппаратно-программная система вибрационной диагностики (модель) на базе персонального компьютера и макет независимого диагностирующего устройства, которые прошли апробацию в «Проблемной лаборатории транспортных двигателей МАДИ (ГТУ)». Получены патенты на полезную модель:
№ 53 781 «Вибрационный дефектоскоп»;
№ 47 106 «Вибрационная система контроля состояния объекта».
на изобретение:
№ 2 284 518 «Вибрационный способ диагностики начала процесса разрушения в элементах конструкции объекта»;
№ 2 288 470 «Вибрационная система диагностики и предупреждения аварийной ситуации на эксплуатируемом объекте».
Положения, выносимые на защиту:
архитектура автоматизированной системы диагностики объекта по вибрационному сигналу;
метод синтеза адаптивного вэйвлетного базиса для анализа вибрационных сигналов;
метод формирования пространства признаков на основе результатов вэйвлет-анализа сигналов;
алгоритмы классификации состояний диагностируемых механизмов, реализуемые посредством разделения пространства признаков поверхностями первого и второго порядков.
Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы обсуждались на международных конференциях «Information and telecommunication technologies in intelligent systems 2004, 2005, 2006» и на «Научно - технической конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ 2004, 2005, 2006, 2007, 2008» (доклады 2007 и 2008 гг. отмечены дипломами «За лучшую работу, представленную на конференции»), а также на семинарах кафедры ВСиС.
Публикации
По результатам выполненных исследований опубликовано 14 печатных работ в отечественных и зарубежных источниках. В том числе, 1 статья в журнале, включенном в перечень ВАК, 4 патента РФ, 3 доклада на международных конференциях.
Объем и структура диссертации
Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и списка литературы ( 98 наименований). Текст дополнен приложениями. Основное содержание диссертационной работы изложено на 217 страницах машинописного текста, иллюстрированного таблицами и рисунками.
