機車速度傳感器的檢測與故障診斷

題目：基于神經(jīng)網(wǎng)絡的機車速度傳感器院系：電氣工程系班級：學號：2010姓名：指導教師：2013年6月5日基于神經(jīng)網(wǎng)絡的機車速度傳感器的檢測與故障診斷[*********2010[*********2010電車**班，建立了RBF神經(jīng)網(wǎng)絡預測器模型，將其應用到機車雙速度傳感器的故障診斷中，并提出了診斷決策方法。利用MATLAB實現(xiàn)了RBF神經(jīng)網(wǎng)絡預測器的仿真，并模擬了機車速度傳感器輸出的3種故障模式進行了故障診斷辨識。仿真結果表明文中提出的方法能夠準確地進行速度傳感器在線故障診斷。關鍵字：機車；RBF神經(jīng)網(wǎng)絡；速度傳感器；故障診斷AbstractForfaultdiagnosisoflocomotivespeedsensor,apredictormethodbasedonRBFneuralnetworkisestablished,anddiagnosticdecisionmethodisalsoproposed.TheRBFneuralnetworkpredictorandthreekindsoffaultmodeoflocomotivespeedsensoraresimulatedbyMATLAB.Thesimulationresultsindicatethatthismethodcandiagnosefaultsofthespeedsensoronlineexactly,andprovidesanewideaforlocomotivespeedsensorfaultdiagnosis.Keywords:locomotive;RBFneuralnetwork;speedsensor;faultdiagnosis引言機車速度傳感器是通過測量機車車輛的主輪軸轉速來實現(xiàn)列車控制功能的基礎設備之一，其性能指標直接影響機車運行監(jiān)控裝置的正常功能，是整個控制系統(tǒng)的關鍵。但由于其工作環(huán)境復雜、惡劣，在列車控制系統(tǒng)中，測速傳感器較薄弱，是機車車載設備故障的主要根源。目前，人工檢測和定期維修校準是診斷測速傳感器故障的最基本的方法，但其工作效率低、工作強度大、實時性差，已不能滿足現(xiàn)代鐵路系統(tǒng)的發(fā)展要求。近年來，為了提高對典型的復雜、多目標、大滯后、非線性系統(tǒng)的故障診斷能力，同時提高故障診斷效率及降低誤報率，采用現(xiàn)代故障診斷技術已成為目前故障診斷領域的研究熱點°BP（BackPropagation，簡稱BP）神經(jīng)網(wǎng)絡是故障診斷中研究最廣泛的一種，它采用多層感知器，并采用反向傳播算法進行網(wǎng)絡訓練。但由于BP算法涉及到非線性優(yōu)化問題，同時調節(jié)權值采用的負梯度下降法存在局部極小點、收斂速度慢等，因而它就很難應用于實際系統(tǒng)當中。徑向基函數(shù)RBF（RadialBasisFunction，簡稱RBF）神經(jīng)網(wǎng)絡克服了BP神經(jīng)網(wǎng)絡的缺陷，相比BP神經(jīng)網(wǎng)絡，RBF神經(jīng)網(wǎng)絡具有更容易逼近函數(shù)的局部、訓練時間短、更適合在線診斷等優(yōu)點。本文以光電式脈沖測速傳感器系統(tǒng)為基礎，在分析常見故障模式及故障特征的基礎上，采用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡的預測方法，建立速度傳感器的故障診斷模型，實現(xiàn)對傳感器系統(tǒng)的故障診斷和數(shù)據(jù)重構。關于神經(jīng)網(wǎng)絡的故障診斷方法人工神經(jīng)網(wǎng)絡是由大量神經(jīng)元以某種拓撲方式相互連接而成的，利用網(wǎng)絡拓撲結構和權值分布實現(xiàn)非線性的映射，通過全局并行處理實現(xiàn)從輸入空間到輸出空間的信息變換，由于能夠高精度地模擬人腦神經(jīng)網(wǎng)絡的實現(xiàn)過程，因此在故障診斷領域中得到廣泛的應用。RBF神經(jīng)網(wǎng)絡是一種前饋型網(wǎng)絡，一般為3層結構，其結構如圖1所示。該網(wǎng)絡有n個輸入、h個隱節(jié)點、m個輸出。其中X=（x,x,L,x）tGRn為網(wǎng)絡輸入矢量，WGRhxm為輸出權值矩陣，b0,b],L,bm為輸出單元偏移，Y=（y；y；,L,ym）T為輸出向量，①'*）為第個隱節(jié)點的激活函數(shù)，工表示輸出層的線性激活函數(shù)，||*||則表示歐式范數(shù)。yym圖1RBF神經(jīng)網(wǎng)絡結構徑向基函數(shù)①i（*）,—般采用Gaussian函數(shù)，表示為_t2_①i（t）=e9式中：b稱為該函數(shù)的擴展常數(shù)或寬度。9越小，徑向基函數(shù)的寬度就越小，其函數(shù)越具有選擇性。于是RBF網(wǎng)的輸出層的第k個輸i出可表示為Y=丈w①（IIx一cII）kiiii=1式中：w為輸出層的調節(jié)權值；c為隱含層的中心向量；IIx-cII為向量x-c的歐幾里德范iiii數(shù)（即x與c之間的徑向距離）機車速度傳感器的結構與常見故障國內(nèi)的內(nèi)燃機車、電力機車和動車組廣泛使用光電式速度傳感器，傳感器將機車運行的速度量對應轉換為光電脈沖，并提供給機車運行監(jiān)控裝置。因而，速度傳感器的性能指標直接影響機車運行監(jiān)控裝置的工作，是整個機車速度監(jiān)控系統(tǒng)的關鍵。光電式速度傳感器的結構這里以NTQG15D光電式速度傳感器為例，由支承結構、光電轉換電路、轉軸及萬向節(jié)傳動機構三部分組成。光柵盤固定在轉軸萬向節(jié)的后端，轉軸由2x46204支承在底座上，軸承潤滑采用鋰基4號潤滑脂。光柵轉動與靜止部分采用可逆密封膠圈密封以防止灰塵及油污侵入，轉軸為萬向聯(lián)軸節(jié)的單叉節(jié)，萬向節(jié)共設有8個滾針軸承，確保轉動的靈活性。光電轉換模塊固定在底座上位于光柵片兩端，電纜引出線固定在底座上并采用耐油的橡膠管防護，護管與底座采用沖壓緊箍帽密封，采用插針接觸可靠的JL5型的機車電連接器，為防止連接器出進水，傳感器引出電纜與底座的連接器注膠密封后再封裝固定。工作原理及技術參數(shù)NTQG15D光電式速度傳感器利用一個光電耦合器件經(jīng)隨機車輪轉動的光柵片變?yōu)閿嗬m(xù)的光，使光電耦合器中的光敏接收管輸出通斷的脈沖信號，經(jīng)電路放大整形后，輸出與轉速成比例的方波脈沖序列，經(jīng)計算機處理變?yōu)楸O(jiān)控所需的機車運行速度信號。工作直流電源:15V,功耗電流小于50mA,輸出脈沖幅值（負載電阻Rl=3KQ）高電平9V,低電平-2V,相位差:9Oo±5O%，轉速范圍:0~1500r/min，每圈的脈沖數(shù):200，輸出方波波形占空比:(50±20)%。常見故障(1)光電耦合器件損壞主要是光電器件底座的固定角與器件的封裝體斷裂導致光電耦合器件與光柵片的相對位置發(fā)生變化，產(chǎn)生的主要原因：光電耦合器件封裝材質本身較脆，安裝時由于螺絲擰的松、緊度不同，使光電耦合器件固定腳材質形變，經(jīng)過一段時間的使用固定角與器件的封裝體發(fā)生斷裂。建議使用可調整扭力的扭矩安裝工具以保證固定螺絲安裝時的松緊適度，減少此類故障的發(fā)生。(2)停車起速度機車在停車狀態(tài)下監(jiān)控顯示有5Km/h以下的速度，此類現(xiàn)象多為傳感器引出電纜線屏蔽不良，抗干擾差造成，近來動車組使用的NTQG15B速度傳感器發(fā)生此類故障的也較多。采取的措施是加強屏蔽、可靠接地，針對動車組更換抗干擾強的新型速度傳感器。占空比超標在日常的檢修過程中，經(jīng)常出現(xiàn)占空比超標、或處于臨界值而造成監(jiān)控速度不準，主要原因是光電耦合器件封裝上的問題，經(jīng)過一段時間的運用，參數(shù)發(fā)生變化，要對相應通道的光電耦合模塊進行更換。傳動軸折斷造成這一現(xiàn)象的主要原因：速度傳感器安裝座即機車軸箱外蓋安裝開孔尺寸及車輪軸端方孔套尺寸不合適或使用的速度傳感器軸長尺寸不對，機車在運行時傳感器傳動軸滑出方孔套而無法歸位、或傳感器傳動方軸與機車軸端面頂死造成傳動軸折斷現(xiàn)象。避免此類現(xiàn)象的發(fā)生主要是在安裝時要確認好安裝尺寸和正確使用長短軸傳感器。兩通道間的相位差超標光電耦合模塊沿光柵圓周方向及徑向的安裝位置發(fā)生微小的變化都將引發(fā)兩通道之間相位差的變化，當出現(xiàn)相位超標時要仔細檢查光電模塊安裝螺絲是否松動，同時也要檢查光柵片是否發(fā)生形變，因為光柵片發(fā)生形變后將使將使光電耦合器件收、發(fā)位置發(fā)生變化。(6)丟脈沖運用一段時間后出現(xiàn)丟脈沖現(xiàn)象，一是光電耦合器件本身的材質問題，主要是光接收電路的材料感光度降低，造成電路轉換過程中丟脈沖。盡管有多種故障原因，但故障造成的情況歸結起來可以有3種：空轉、滑行、不可自行恢復的機械故障。因此下文對速度傳感器的故障診斷主要從這三個方面來討論?；谏窠?jīng)網(wǎng)絡方法的機車速度傳感器故障診斷4.1.機車速度傳感器故障診斷的模型建立機車速度傳感器利用光電轉換原理將機車輪軸轉速轉換成電脈沖信號輸出，即機車主軸轉動一周，傳感器就會產(chǎn)生出n個(n為碼盤齒數(shù))電脈沖輸出信號。對于架控方式的機車，一個基本控制單元中一般至少有2個速度傳感器，基于神經(jīng)網(wǎng)絡的雙速度傳感器故障診斷原理如圖2所示。圖2機車雙速度傳感器故障診斷原理圖分別對2個速度傳感器建立RBF神經(jīng)網(wǎng)絡預測器。假設剛開始2個速度傳感器都正常工作，將傳感器1前k+2個時刻的輸出數(shù)據(jù)x1(1)~x1(k+2)和傳感器2前k+2個時刻的輸出數(shù)據(jù)x2(1)?x2(k+2)通過采樣獲得并保存，分別作為2個傳感器神經(jīng)網(wǎng)絡預測器的初始學習樣本數(shù)據(jù)，2個神經(jīng)網(wǎng)絡預測器經(jīng)過在線訓練以后開始工作。因2個神經(jīng)網(wǎng)絡預測器工作原理相同，下面以神經(jīng)網(wǎng)絡預測器1為例說明其工作原理，預測器結構如圖3所示。取速度傳感器1的前k個輸出數(shù)據(jù)x1(1)~x1(k)作為RBF神經(jīng)網(wǎng)絡預測器1的輸入，x,k+1)作為RBF神經(jīng)網(wǎng)絡預測器1輸出，組成第一組訓練樣本，x,2)?x,k+1)作為RBF神經(jīng)網(wǎng)絡預測器1x(k)1x(k+1)1x(k+1)x(k)1x(k+1)1x(k+1)]T1x(k+2)1x(1)x(2)LX=11x(2)x(3)L11以X為輸入、丫為輸出在線訓練RBF神經(jīng)網(wǎng)絡預測器1，按梯度下降法調整權值矩陣，當達到x(k+1)1x(k+2)1x(k+2)]T1x(k+3)1—定精度后，RBF神經(jīng)網(wǎng)絡預測器開始工作，此時，將x,3)?x,k+2)作為新的輸入，RBF神經(jīng)網(wǎng)

絡預測器1將預測傳感器在下一時刻即k+3時刻的輸出，將預測值與這一時刻實際采樣值xx(k+1)1x(k+2)1x(k+2)]T1x(k+3)1x(2)x⑶LX=11x(3)x(4)L11若e1大于給定某一閾值e*，則認為此時傳感器1工作不正常，依次類推，RBF神經(jīng)網(wǎng)絡預測器—邊不斷在線學習新的樣本，—邊對傳感器下—時刻輸出值進行預測。圖2中診斷決策模塊對2個RBF神經(jīng)網(wǎng)絡預測器的輸出預測值以及2個速度傳感器的輸出實際值進行綜合診斷決策:若e「e2都小于給定某一閾值e*，則輸出取2個速度傳感器的輸出實際值的平均值。若e1大于給定閾值e*，則認為此時刻傳感器1工作不正常，但有可能這種不正常是由于環(huán)境噪聲引起的傳感器輸出瞬時突變，而不是傳感器本身故障。為避免誤判，此時繼續(xù)預測該時刻下一個時間段N內(nèi)的輸出值，并將&時間段的預測值和傳感器實際輸出值比較得到平均誤差，若小于e*，則認為傳感器1本身沒有故障，繼續(xù)按策略①輸出；反之，則認為傳感器1故障，此時將傳感器2的輸出值作為最終輸出。若e2大于給定閾值e*，同策略②，分析下一時間段的平均誤差；若認為傳感器2本身沒有故障，繼續(xù)按策略①輸出；反之，則認為傳感器2故障，此時將傳感器1的輸出值作為最終輸出。4.2.MATLAB仿真這里仍以光電式測速傳感器為例，在分析常見故障模式及故障特征的基礎上，利用MATLAB軟件對RBF神經(jīng)網(wǎng)絡故障診斷模型進行仿真。表1給出光電式測速傳感器常見故障類型的分析與比較。表1測速傳感器故障分析與比較故障類型故障特征故障原因決策方法空轉脈沖突增后恢復正常瞬時突變校正滑行脈沖缺失后恢復正常瞬時突變校正機械故障脈沖丟失不恢復傳感器故障更換傳感器以橫軸表示數(shù)據(jù)采樣點，縱軸表示電平或工作狀態(tài)，規(guī)定2000個采樣點，對測速傳感器輸出的正常波形、故障波形、重構波形及故障模式的辨別結果進行仿真，如圖4~圖7所示。采樣點

采樣點圖4速度傳感器的正常脈沖信號圖5速傳感器的故障脈沖信號圖采樣點圖4速度傳感器的正常脈沖信號圖5速傳感器的故障脈沖信號圖6RBF預測器的故障診斷及數(shù)據(jù)重構圖7速度傳感器故障類型辨識圖4為光電式測速傳感器正常工作時的輸出脈沖信號。圖5為測速傳感器的輸出故障脈沖，在采樣點1000時刻為輸出脈沖缺失故障，1400時刻為輸出脈沖突增故障，1800時刻以后為脈沖丟失故障。圖6為RBF神經(jīng)網(wǎng)絡預測器對故障波形的診斷結果，此時，系統(tǒng)采用預測器的輸出值代替?zhèn)鞲衅鞯膶嶋H輸出以實現(xiàn)數(shù)據(jù)重構。圖7為測速傳感器故障類型的辨識結果，以此來判斷傳感器故障輸出是瞬時突變還是傳感器本身故障。結論本文采用基于徑向基(RBF)神經(jīng)網(wǎng)絡來構建機車測速傳感器系統(tǒng)的預測模型，比較傳感器的實際輸出與預測器的輸出值，以此來檢測測速傳感器是否發(fā)生故障，并對故障信