水煤浆燃烧故障诊断专家系统.pdf
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1、洳专:、硕士学位论文论文题目丞堪筮缝缝越瞳途堑童塞丕统作者姓名一童名坌指导教师型建宝熬攫厦堡虚数堡学科(专业)一工程垫塑:堡所在学院扭越皇篚湮王猩堂瞳提交日期2 1 1 生!旦摘要大型水煤浆锅炉在运行过程中不可避免地会发生各种故障,而水煤浆燃烧系统是其中一个主要的,也是重要的故障源,处理不好的话,可能会带来灾难性的后果,故障诊断对保证其安全正常地运营十分重要。由于对它进行故障诊断的复杂性和困难性,往往需要专家的参与,而专家的数量又很有限。因此,本文对水煤浆燃烧故障诊断专家系统进行了研究与开发,以收集、总结和推广专家的宝贵经验,提高故障诊断水平,部分起到维修专家的作用。本文的主要工作为:1)结合
2、本系统的具体开发过程及软件工程的研究成果,讨论了专家系统丌发的特点及软件开发生存期模型。2)建立了水煤浆燃烧系统故障诊断通用模型。该模型在对水煤浆燃烧故障诊断特点进行分析的基础上,综合使用了专家系统、故障诊断等领域的研究成果。3)在S Q LS e r v e r 平台上用V i s u a lB a s i c N E T 开发了水煤浆燃烧故障诊断专家系统,验证了本文前述研究工作的正确性和可行性。关键词:水煤浆燃烧系统故障诊断专家系统出迤厶坐地I:坐位论立学号:2 0 2 0 8 2 2 9独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知,除了文中
3、特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或者撰写过的研究成果,也不包含为获得逝堑太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名签字日期:年月学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解逝鉴太堂有关保留、使用学位论文的规定,有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘,允许论文被查阅和借阅。本人授权逝婆太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。(保密的学位论文在解密后适用本授权书)学位论文作者签名签字日期:年月日
4、学位论文作者毕业后去向工作单位:通讯地址:导师签名签字目期:年月F 1电话邮编浙江大学硕士论文第一章绪论第一章绪论1 1 故障诊断领域的发展状况1 1 1 设备故障诊断学发展概况【J _ 5 I由于人为失误、材料缺陷、制造误差及使用环境波动等因素的影响以及疲劳、磨损和老化等效应的存在,工业设备在使用过程中不可避免地会发生各种故障。设备故障除了降低或失去其预定功能外,还可能会造成严重的甚至是灾难性的后果,因此设备的故障诊断得到了越来越多的重视。所谓故障诊断,就是鉴别设备的技术状态是否正常,确定故障性质、故障部位及故障起因,提出排除故障相应措施的过程。虽然故障诊断自有工业生产以来就已经存在,但是故
5、障诊断作为门学科,则是上世纪6 0年代以后才发展起来的。故障诊断学是以应用数学、可靠性理论、信息论、控制论和系统论等为理论基础,以现代测试技术与计算机为手段,结合各种诊断对象(系统、设备、机器、装置、工程结构和工艺过程等)的特殊规律而逐渐形成的一门新兴学科。它大体上由三个部分组成:第一部分是故障机理研究,即对导致设备零部件失效的腐蚀、疲劳、断裂、磨损、堵塞和老化等物理化学过程的研究;第二部分为故障信息学的研究,主要涉及故障信息的采集、选择、处理与分析过程,例如通过传感器采集设备运行中的温度、压力等信号,再经过时域和频域的分析处理以识别和评价设备所处的状态或故障,上述过程均属故障信息学范畴;第三
6、部分为诊断逻辑与数学原理的研究,主要是借助逻辑推理、数学建模及人工智能等方法,根据观测到的设备故障征兆以确定随后的检测部位及于段,最终确定故障发牛的部位及产生原因。故障诊断技术的发展大体经历了三个阶段:第一阶段,故障诊断主要依靠人类的感觉器官、个人经验及简单仪表,对诊断信息只做简单的数据处理;传感器技术、动态测试技术和信号分析披术的发展使故障诊断技术进入了第二阶段,并且在维修工程及可靠性工程中得到了广泛应用:自上世纪8 0 年代以来,由于机器设备日趋复杂化、智能化及光机电一体化,传统的诊断技术已不能适应这种形势,随着计算机技术、人工智能技术特别是专家系统的迅速发展,诊断技术进入了第三个发展阶段
7、一智能化阶段。目前的故障诊断方法可分为两大类:1)传统诊断方法该方法完全基于剥故障信息和故障机璎的数学处理,包括信号处理和建模处殚两大内容。信号处理的主要内容是统计分析、相关性分析、频谱分析、小波分析及模态浙江人学砸+论文第一章绪论分析等,其理论辇础是数理统计与随机过程:建模处理的丰要内容是参数估计、系统辨识和模式识别等,理论基础是系统论、信息论和控制论。2)智能诊断方法它在传统方法的基础上,将人工智能鲍理论和方法用于故障诊断,利用计算机模拟人类专家进行故障诊断,以知识处理为核心,将知识处理、信号处理与数学建模相融合。智能诊断的优越性在于它既保留了传统方法在数值处理上的优势,又充分利用了专家的
8、经验和思维模式在故障诊断中的巨大作用,业已成为设备故障诊断的主要发展方向。智能诊断的主要应用形式是专家系统和人工神经网络(以下简称神经网络)。专家系统是一个智能计算机程序,它利用知识和推理过程来解决那些需要大量人类专家知识才能解决的复杂问题,所用的知识和推理过程可认为是最好的领域专家的专门知识模型。故障诊断专家系统现已在国内外得到了广泛应用,例如,E G Gz d h a 公司研制的用于诊断和处理核反应堆的系统,通用电气公司研制的用于内燃电力机车的诊断专家系统等等。专家系统的发展大致经历了两个阶段:基于浅知识(专家经验)的第一代故障诊断专家系统和基于深知识(模型知识)的第二代故障诊断专家系统。
9、近期出现的混合结构的专家系统,是将上述西种方法结合使用,以互补不足,相得益彰。神经网络是由大量简单的处理单元(称为神经元)相互连接而形成的复杂网络,它是对人脑神经网络在某种程度上的简化、抽象和模拟。神经网络具有良好的学习能力、联想记忆能力、分布式并行信息处理能力以及极强的非线性映射能力,在故障诊断领域也得到了广泛应用。神经网络在设备故障诊断领域的应用主要集中在二个方面:一是从模式识别角度作为分类器进行故障诊断:二是从预测角度作为动态预测模型进行放障诊断;三是从知识处理角度建立基于神经网络的诊断专家系统。总体而言,设备故障诊断作为-f q 学科,目前还处于形成和发展之中,在故障诊断的鲁棒性、自适
10、应性和各种诊断方法的综合使用等方匿还需进一步的完善。1 1 2 燃烧故障诊断领域的发展1 6 刮近年来,自动控制、计算机等技术在水煤浆燃烧系统设计、制造、运行中得到臼益广泛的应用,对水煤浆燃烧系统的实时全砸的监控已成为很容易达到的事,而相关的故障诊断却没有得到进一步的广泛应用。水煤浆燃烧故障诊断方法和已有的诊断系统中,需要解决的问题丰要有:1)适应性适应性丰要包括两个方面:一方面,水煤浆燃烧系统属于复杂机电设备,对其进行故障论断难度很大,在诊断系统开发中难免存在模型建造偏差,因此在系统投入实际使用后,要求系统能够根据结果反馈自动进行调整;另一方面,在水煤浆燃烧系统浙江人学硕士论文第一章绪论运行
11、期间,运行年限的增加和外部条件的变化会导致部件工况发生改变,所以要求诊断系统具有一定的适应能力以能够对变化后的诊断对象进行有效的诊断。2)综合诊断由于水煤浆燃烧故障诊断的复杂性和各种诊断方法所固有的局限性,在诊断过程中需要同时应用多种方法来进行综合诊断,方法和系统在如何有效地将多种诊断方法集成方面尚需改进。1 2 课题背景和主要工作锅炉运行的可靠性直接影响锅炉使用单位的经济性和安全性。锅炉任何部件的损坏,可能导致锅炉停运,从而对社会经济效益造成影响,而水煤浆燃烧系统出问题在其中占了一个很大比例。分析和判断水煤浆燃烧系统得到机理和原因是一项复杂工作,涉及到流体力学、燃烧学、锅炉运行和控制等多个专
12、业领域的专业知识和经验。如何更好得监测,分析,控制运行和预测燃烧是锅炉使用单位技术人员和运行人员所要面对的一个重要问题。这对上述人员要求是相当高的。锅炉使用单位技术人员和运行人员普遍缺乏对燃烧的系统的,有深度的了解,即使是有经验的运行人员,也只是对已经碰到过的事件有处理经验,缺少对小概率事件的处理经验。而燃烧专家系统是个针对水煤浆燃烧系统设计的专业软件,它运用流体力学、燃烧学、锅炉运行、控制、人工智能、数据库等方面的知识,模拟水煤浆燃烧系统实际运行状况,分析预测燃烧的情况,使运行人员能及时准确的做出反应,在燃烧出现问题时,辅助技术人员找到原因。在平时又可以当运行人员的培训教程。总之采用专家系统
13、辅助锅炉运行是个高效,安全又经济的选择。开发故障诊断专家系统的工作可分为两大部分:一是智能诊断模型的研究,即如何模拟人类专家来进行故障诊断,主要涉及知识库的构造和推理机制的实现,此为专家系统开发工作的核心:二是专家系统的软件开发,专家系统是一个智能计算机程序,它最终以软件方式提交,因此专家系统的研发过程同样也是计算机软件的开发过程,主要涉及软件开发方法和具体实现方式。本文的丰要工作为:1)对专家系统的开发方法进行了探讨,建立了专家系统软件开发牛存期模型。专家系统作为一种智能的计算机程序,其开发应遵循软件工程的基本原则,要充分利用软件工程的思想和方法。由于专家系统以知识作为处理对象,它的开发涉及
14、计算机工程、人工智能及特定专业领域(如能源),是一种特殊的基于知识的软件系统,因此它的开发又具有区别于其它软件开发的特别之处,但目前对专家系统软件开发方法进行的研究还比较少。本文结合水煤浆燃烧故障诊断专家系统韵开发过程和软件工程领域浙江A 学硕1:论文第章绪论的研究威果,对专家系统的软件开发方法进行了探讨,提出了。个适合专家系统软件开发特点的软件开发生存期模型。2)在对水煤浆燃烧系统的故障诊断进行深入研究的基础上,利用专家系统、故障诊断、可靠性工程领域的理论和方法建立了诊断模型。该模型不仅满足水煤浆燃烧系统对故障诊断的要求,而且较好地模拟了维修专家的故障诊断能力,并具有较强的适应性和综合性。该
15、模型由基于事例推理予系统和基于模型推理予系统两部分构成。基于事例推理了系统主要用于常见故障的快速诊断,以满足水煤浆燃烧系统的故障诊断要求时间紧的特点。它将专家经验总结为事例,借助基于事例的推理来模拟专家的形象思维,并具有系统自学习能力以提高系统的适应性。基于模型推理予系统用于诊断偶发故障。它将水煤浆燃烧系统故障诊断的模型知识表示为扩展故障树,通过基于模型的推理来模拟专家的逻辑思维。在该予系统中,实现了基于可靠性数据的概率统计故障诊断方法以及该方法与专家经验的综合。该r系统也具有自学习能力。3)水煤浆燃烧故障诊断专家系统开发。水煤浆燃烧专家系统丰要包括以下六个功能模块:燃烧错误分析、燃烧预测、堵
16、枪预测、辅助工具、专家扩充、用户管理。软件计划采用目前的丰流编程工具一微软的N E T 作为开发专家系统的丰要工具,开发平台为关系数据库S q l S e r v e r 2 0 0 0。浙江大学硕仁论文第,+章故障诊断专家系统开发方法探讨第二章故障诊断专家系统开发方法探讨2 1 专家系统概述2 2 1 1 专家系统概述自从S t a n d f o r d 大学于1 9 6 8 年开发第一个专家系统D E N D R A L 以来,专家系统由于其广泛的应用范围和能产生巨大的经济效益而得到了越来越多的应用。专家系统的创始人S t a n d f o r d 大学的E A F e i g e n
17、 b a u m 教授(D E N D R A L 的开发者1于1 9 9 3 年指出,几乎所有的专家系统的工作效率至少比人高l o 倍,而且能提高解决问题的质量,继承和发展专家经验。F e i g e n b a u m 教授将专家系统定义为:专家系统是一个智能计算机程序,它利用知识和推理过程来解决那些需要杰出人物的专家知识才能解决的复杂问题,所用的知识和推理过程可认为是最好的领域专家的专门知识模型。专家系统的主要特征是:1)具有专家水平的专业知识人类专家之所以能称为“专家”,是因为他掌握了某领域的专f l:t t l 议,使得他在处理问题时能比别人技高一筹。专家系统要达到人类专家解决问题的
18、水平就必须具有专家级的知识,专家系统的性能水平取决于其知识库的大小和质量。2)能够进行有效的推理专家系统的根本任务是求解特定领域的实际问题,问题求解过程就是一个推理过程。所以专家系统必须具有适用于该领域的推理机制。能够根据用户提供的己知事实,运用掌握的知识,进行有效的推理,以实现对问题的求解。3)具有知识获取能力专家系统的基础是知识的存储和利用,知识获取是得到知识的唯一途径。知识获敢的任务就是将人类已有的知识从大脑或书本中抽取出来,表示成计算机能理解的形式,然后输入到计算机中,为专家系统能够完成领域专家所能完成的工作提供知识基础。一4)具有交互能力专家系统多为交互式系统,一方面它需要与领域专家
19、及知识工程师进行对话以获取知识,另一方面它也需要通过与用户对话以拇到求解问题时所需的己知事实。专家系统的这一特征为用户提供了方便,亦是它得以广泛应用的原因之一。5)具有解释能力人们在应用专家系统求解问题时,不仅希望得到正确的答案,而且还希望了解得出该答案的依据,因此专家系统一般都具有解释能力。6)具有一定的复杂性及难度浙江火学硕十论文第章故障诊断专家系统开发方法探讨专家系统拥有知识,并能利用知识进行推理,以模拟人类求解问题时的思维过程。由于人类的知以是丰富多彩的,其思维方式也多种多样,目莳尚难以实现对人;电思维的完全模拟。根据系统所解决问题的性质可将专家系统分为:解释型、诊断型、预测型、咨询型
20、、设计型、规划型、控制型、监测型、教学型、维修型、工具型、决策型和管理型等。从专家系统的角度而言,诊断型专家系统的特点是在解空问中的解是有限的,也就是说所研究的对象的有关状态是已经确定了的,解空间相对封闭是专家系统在故障诊断中得到广泛应用的重要原因之一。2 1 2 专家系统的基本结构不同的专家系统,其功能和结构都不尽相同,但为了完成专家系统最基本的功能,它至少要包括4 个组成部分:知识获取模块、知识库、推理机和人机接口,如图2 1 所示。领域争家般刚广H人桃按l l儿-知识获取儿。rI 知识数矗l i 库Ij推强!和l图2 1 专家系统基本结构图知识获取模块是专家系统中获取知识的机构,由一缎程
21、序组成。其基本任务是把知识输入到知识库中,并负责维持知识的一致性及完整性,建立起性能良好的知识库。知识库是知识的存储机构,用户存储和管理特定领域中包括专家经验在内的各种知识。知识库中的知识来源于知识获取模块,同时它又为推理机提供求解问题所需的知识,与两者都有密切关系。推理机是专家系统的“思维”机构,用来模拟领域专家的思维过程,控制并执行对问题的求解。它根据已知事实,利用知识库中的知识,按一定的推理方法和控制策略进行推理,得出问题的答案或涯明某个假设的正确性。人机接口是专家系统与用户、领域专家或知识工程师进行信息交换的媒介,用于完成输入输出工作。领域专家或知识工程师通过它输入知识、更新、完善知识
22、库:一般用户通过它输入欲求解的问题及已知事实;系统通过它输出结果或者向用户索取进一步的事实。浙江人学硕十论文第二章故障诊断专家系统开发方法探讨2 1 3 专家系统的开发专家系统的开发包括系统的设计、实现、测试、评价,以及丌发工具和语言的选择等内容,可分为两大部分:一是针对知识的开发内容即如何束获取知识和利用知识,主要涉及知识库的构造和推理机制的实现;二是专家系统的软件丌发,主要涉及软件开发方法和具体实现形式。专家系统的开发技术随着人工智能研究的深入,取得了长足的进步。系统的体系结构也发生了深刻的变化,由最初的单一知识库及单一推理机发展为多知识库和多推理机,由集中式专家系统发展为分布式专家系统。
23、随着近年来人工神经网络研究的再度兴起,神经网络专家系统以及把符号处理与神经网络相结合的专家系统已成为研究热点。应该指出,专家系统在其发展过程中还存在不少有待解决的问题。例如,知识的完备性、知识的自动获取、深知识的表达与利用、分布式知识的处理、多专家的合作与综合、常识性知识的推理等等。专家系统的知识容量和推理能力与人类专家相比还存在很大的差距,不能完全代替人类专家。解决这些问题还需要进一步的研究,同时也有赖于人工智能其它研究领域的共同发展。专家系统是一门综合性很强的边缘学科,开发一个成功的专家系统需要系统设计人员和应用领域的人类专家的密切合作。一般将系统设计人员称为知识工程师,将人类专家称为领域
24、专家。2 2 专家系统软件开发生存期模型I 体”I2 2 1 软件工程概述2 0 世纪6 0 年代以后,随着软件开发规模和复杂程度的不断增加,在软件的开发和维护过程中暴露出一系列严重问题,产生了“软件危机”。为了解决软件危机,逐渐形成了计算机领域中的门新兴学科一计算机软件工程学,简称软件工程。软件工程是指导计算机软件开发和维护的工程学科,它采用工程的概念、原理、技术和方法来开发与维护软件,把经过时间考验而证睨是正确的管理技术和当前能够得到的最好的技术方法结合起来。软件工程的基本原理是:1)用分阶段的生命周期计划严格管理:2)坚持进行阶段评审;3)实行严格的产品控制:4)采用现代程序设计技术;5
25、)结果能清楚地审查:6)3 q:发小组的人员应少而精;7)承认不断改进软件工程实践的必要性。第章故障诊断号家系统开发方法探讨一个软件从定义、开发、使用和维护,到最终被废弃,要经历。段较长的时间,通常将软件经历的这段时间称为生存周期。为了有效地描述软件生存期内各种活动是如何组织的,就诞生了软件生存期模型,它是软件工程基本原理的具体体现。软件_ 丌发生存期模型是用来描述从软件项目需求分析开始,直至该软件交付使用为止,整个开发过程中各种活动和任务的结构框架。迄今为止,国内外学者己提出了多种软件开发生存期模型,例如瀑布模型、进化模型、螺旋模型、原型开发模型、喷泉模型、基于面向对象技术的开发模型等等。在
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