模糊控制在直流电动机故障诊断中的应用

兰州交通大学光电技术与智能控制教育部重点实验室 焦红岩

1.引言

在当前生产设备大型化、生产过程自动化、生产工艺连续化、生产速度高速化的现代工业中，直流电动机等重要设备故障引起的停工停产造成巨大经济损失，甚至引发设备损毁和人员伤亡事故。如何保证电机系统安全稳定可靠经济运行，及时及早发现异常情况，显得极为重要。专家系统是人工智能应用领域中最活跃的一个分支，能在某一特定的领域、在给定推理机制的控制下，运用专家丰富的知识和经验，对特定的问题进行评价和决策。根据故障诊断对领域专家的知识和经验依赖性强等特点，引入模糊控制的方法，能有效的解决由于系统知识的模糊性所引起的不确定性问题，可以实现设备的状态检测和故障诊断，同时还可以减少人为因素的主观影响，使得故障诊断准确、快速。

2.直流电动机故障机理分析

直流电动机常见的故障有：轴承故障、换向故障、电枢故障和绕组故障。

2.1 轴承故障

轴承故障经常表现为转子不对称，一般把它划分到了偏心一类故障。具有早期故障的轴承在负载运转时，缺陷部位与工作表面发生接触会产生冲击力的作用，激起轴承系统的振动。随着轴承的运转，形成一定频率的周期性脉冲冲击。

2.2 换向故障

诱发换向器故障的主要原因有升高片有开焊、刷粉将换向片局部短路、换向器表面不圆、产生刷火、电刷电流分布不均、电机定子中心不对、转子不平衡等。直流电动机换向过程中流经电枢的电流不是稳定不变的，它会产生上下波动。经过一段时间的运行，电机的电刷由于摩擦作用产生一定磨损，直接增大与换向器的缝隙，电刷和换向器间的弹簧张力变化，导致了接触电阻增大电枢电流变小。

2.3 电枢故障

电枢常有接地和短路故障。电枢短路故障包含换向片间短路和电枢绕组匝间、层间短路。电枢绕组元件开焊是常见电枢故障。开焊的元件在电机的旋转过程中，有时候会和正常的绕组一起构成电枢电流回路，有时候却脱离了这个回路不构成完整电路。当构成正常回路时电路参数没有什么变化。但当开焊元件旋转离开这个回路时，电枢电阻就会发生变化，电枢电阻的等效增大，电枢电流会变小。这些变化会随着电机的不断旋转而周期出现。在其他电磁参数没有发生改变，电枢平均电流减小的情况下电机的转速必然下降。

2.4 绕组故障

定子绕组常见故障有绝缘电阻降低、匝间短路、断路、接地以及绕组连接极性接反。定子励磁绕组绝缘电阻降低的原因有绝缘表面有污垢和碳粉、绝缘受潮、绝缘老化。励磁绕组匝间短路较多时，电机会产生振动、绕组发热或冒烟、励磁电流剧增、绝缘有被烧焦的痕迹。补偿绕组和换向极绕组常见故障是匝间短路和对地击穿。

3.模糊推理机的设计

模糊控制作为智能领域中具有实际意义的一种控制方法，已经在工业控制领域、家用电器自动化领域和其他很多行业中解决了传统控制方法无法或者是难以解决的问题，取得了令人瞩目的成效，引起了越来越多的控制理论研究人员和相关领域广大工程技术人员的极大兴趣。

推理机是专家系统中的一个重要组成部分，实质上是一组计算机程序，其主要功能是协调控制整个系统，决定如何选用知识库中的有关知识，对用户提供的证据进行推理，以最终对用户提出的特定问题作出回答。模糊推理机是针对设备故障信息的模糊性而设计的。

采用加权模糊逻辑推理机制，具体推理过程如下：

（1）把已知事实及其发生程度放进中间数据库。已知事实从知识库中抽取出。

（2）设计估价函数。如果中间数据库中的事实至少有一条在第1条知识的事实中，则对第1条知识的估价值为1；否则为0。如果估价函数值为1，则对第1条知识进行匹配，否则不进行匹配。

（3）对第1条知识进行匹配时，如果这条知识中有n个事实，则逐条检查每个事实是否已在中间数据库中已记载；若某一事实已在其中，则取出相应的发生程度，并计算其真度T（Pi）。如若事实不在中间数据库中，记T（Pi）=0。对于事实在中间数据库中的，真度T（Pi）具体的计算方法如下：

①检查此事实在第1条知识中所记录的发生程度，根据表1所示，得到区间值[a1,b1]，并记 p1= (a1+ b1)/2。

②检查此事实在中间数据库中所记录的发生程度，根据表1所示，得到区间[a2,b2]，并记 p2= (a2+ b2)/2。

③计算语义距离：

可结合实际使用情况。

u1，u2，u3为三个权系数，且 u1，u2，u3≥0，u1+u2+u3=1。

(4)对第1条知识所有事实如(3)所述检查完毕，按下列公式计算这条知识前提的真度

结论的真度：

式中：CF称为规则的置信度 。为了方便工程操作，可结合实际使用情况选定一些表示可信度的模糊量词及其量化表示，如表2所示。

表1 一些常见模糊量词的区间值

表2 可信度模糊量词的数值表示

（5）若 T(P )≥t（t为阈值，0＜t≤1）则认为这种故障可能发生，发生的可能性为T(Q)，并将结果放入中间数据库。

（6）对所有估价函数为1的知识都按（3）、（4）、（5）所述进行匹配。将所有可能发生的故障类型记录在中间数据库。

（7）如果对应多个诊断结果，则通过对众结论，真度T(Q)取最大值，与最大真度相对应的故障即为所求。

4.结论

推理控制机制是以Zadeh提出的模糊数学理论和模糊推理方法为基础的，通过以上的理论分析，可以发现

(1)模糊控制故障诊断能有效地处理由于知识的模糊性所引起的不确定性问题。它将不确定性看做是一种隶属度和可能性，定义了适合推理机的模糊算子以反映各类不确定性传播规律，运算灵活性强且富于针对性，实现了直流电机的状态检测和故障诊断。

(2)在编制计算机程序时，由于能够把许多维修专家的经验综合考虑，各种故障原因可分得很细，所以判断结果可能比单个专家更为理想。

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