Đang tải... (xem toàn văn)
Ứng dụng mạng nơ ron trong chẩn đoán tình trạng kỹ thuật động cơ điện kéo của đầu máy.Ứng dụng mạng nơ ron trong chẩn đoán tình trạng kỹ thuật động cơ điện kéo của đầu máy.Ứng dụng mạng nơ ron trong chẩn đoán tình trạng kỹ thuật động cơ điện kéo của đầu máy.Ứng dụng mạng nơ ron trong chẩn đoán tình trạng kỹ thuật động cơ điện kéo của đầu máy.Ứng dụng mạng nơ ron trong chẩn đoán tình trạng kỹ thuật động cơ điện kéo của đầu máy.Ứng dụng mạng nơ ron trong chẩn đoán tình trạng kỹ thuật động cơ điện kéo của đầu máy.Ứng dụng mạng nơ ron trong chẩn đoán tình trạng kỹ thuật động cơ điện kéo của đầu máy.Ứng dụng mạng nơ ron trong chẩn đoán tình trạng kỹ thuật động cơ điện kéo của đầu máy.Ứng dụng mạng nơ ron trong chẩn đoán tình trạng kỹ thuật động cơ điện kéo của đầu máy.Ứng dụng mạng nơ ron trong chẩn đoán tình trạng kỹ thuật động cơ điện kéo của đầu máy.Ứng dụng mạng nơ ron trong chẩn đoán tình trạng kỹ thuật động cơ điện kéo của đầu máy.Ứng dụng mạng nơ ron trong chẩn đoán tình trạng kỹ thuật động cơ điện kéo của đầu máy.Ứng dụng mạng nơ ron trong chẩn đoán tình trạng kỹ thuật động cơ điện kéo của đầu máy.Ứng dụng mạng nơ ron trong chẩn đoán tình trạng kỹ thuật động cơ điện kéo của đầu máy.Ứng dụng mạng nơ ron trong chẩn đoán tình trạng kỹ thuật động cơ điện kéo của đầu máy.Ứng dụng mạng nơ ron trong chẩn đoán tình trạng kỹ thuật động cơ điện kéo của đầu máy.Ứng dụng mạng nơ ron trong chẩn đoán tình trạng kỹ thuật động cơ điện kéo của đầu máy.Ứng dụng mạng nơ ron trong chẩn đoán tình trạng kỹ thuật động cơ điện kéo của đầu máy.Ứng dụng mạng nơ ron trong chẩn đoán tình trạng kỹ thuật động cơ điện kéo của đầu máy.Ứng dụng mạng nơ ron trong chẩn đoán tình trạng kỹ thuật động cơ điện kéo của đầu máy.Ứng dụng mạng nơ ron trong chẩn đoán tình trạng kỹ thuật động cơ điện kéo của đầu máy.Ứng dụng mạng nơ ron trong chẩn đoán tình trạng kỹ thuật động cơ điện kéo của đầu máy.
BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO BỘ CÔNG THƯƠNG VIỆN NGHIÊN CỨU ĐIỆN TỬ, TIN HỌC, TỰ ĐỘNG HÓA NGUYỄN VĂN NGHĨA ỨNG DỤNG MẠNG NƠ RON TRONG CHẨN ĐOÁN TÌNH TRẠNG KỸ THUẬT ĐỘNG CƠ ĐIỆN KÉO CỦA ĐẦU MÁY LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI 2012 BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO BỘ CÔNG THƯƠNG VIỆN NGHIÊN CỨU ĐIỆN TỬ, TIN HỌC, TỰ ĐỘNG HÓA NGUYỄN VĂN NGHĨA ỨNG DỤNG MẠNG NƠ RON TRONG CHẨN ĐOÁN TÌNH TRẠNG KỸ THUẬT ĐỘNG CƠ ĐIỆN KÉO CỦA ĐẦU MÁY Chuyên ngành : Kỹ Thuật Điện tử Mã số : 62520203 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Thế Truyện MỤC LỤC DANH SÁCH HÌNH VẼ DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT LỜI CAM ĐOAN MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: CHẨN ĐOÁN KỸ THUẬT CHO ĐỘNG CƠ ĐIỆN KÉO………………………………………………………………………12 1.1 Về lý thuyết chẩn đoán 12 1.1.1 Đối tượng mục tiêu toán chẩn đốn .15 1.1.2 Mơ hình tốn học đối tượng chẩn đoán toán chẩn đoán 16 1.1.3 Chẩn đoán dựa phân loại triệu chứng 18 1.1.4 Phương pháp chẩn đoán dựa mơ hình hóa .20 1.2 Các phương pháp phát lỗi dựa mơ hình hóa 23 1.2.1 Phát lỗi so sánh phần cứng .24 1.2.2 Phương pháp kiểm tra phù hợp .25 1.2.3 Phương pháp phân tích đáp ứng đầu 26 1.3 Các hướng nghiên cứu chẩn đốn kỹ thuật 26 1.3.1 Nghiên cứu phân tích xử lý số liệu .26 1.3.2 Nghiên cứu thơng số chẩn đốn 28 1.4 Các hướng nghiên cứu chẩn đoán động điện 28 1.4.1 Các nghiên cứu thơng số chẩn đốn 29 1.4.2 Các nghiên cứu xử lý thông tin 31 1.5 Các nghiên cứu động chiều 32 1.5.1 Về động chiều .32 1.5.2 Về động điện kéo đầu máy 34 1.6 Tình hình nghiên cứu chẩn đoán Việt Nam 34 CHƯƠNG 2: MƠ HÌNH HĨA VÀ XÂY DỰNG TẬP THAM SỐ CHẨN ĐỐN CHO ĐCĐK…………………………………………….38 2.1 Sử dụng mơ hình cấu trúc mơ hình hóa phân tích tốn chẩn đoán 38 2.1.1 Mơ hình hóa mơ hình cấu trúc phương pháp xác định tập mối quan hệ cho chẩn đốn lỗi dựa mơ hình cấu trúc 38 2.1.2 Ý nghĩa tập thông số chẩn đốn phương pháp xây dựng tập thơng số chẩn đoán phù hợp 42 2.1.3 Thuật toán tối thiểu hóa thơng số sử dụng hàm tiêu chất lượng thông số 44 2.1.4 Xác định tập thông số chẩn đoán cho toán phát lỗi phân biệt lỗi 45 2.2 Mơ hình hóa tốn chẩn đốn ĐCĐK mơ hình cấu trúc 46 2.2.1 Mơ hình tốn học động điện kéo trạng thái làm việc bình thường 46 2.2.2 Mơ hình hóa ĐCĐK trường hợp lỗi 58 2.2.3 Mơ hình hóa đối tượng chẩn đốn mơ hình cấu trúc .61 2.3 Grap chẩn đốn ĐCĐK 65 2.4 Tối thiểu hóa tập thơng số sử dụng mơ hình cấu trúc hàm tiêu chất lượng thơng số 67 2.4.2 Đánh giá lượng tin thông số .69 2.5 Đánh giá lựa chọn tập tham số tối ưu 75 2.5.1 Lựa chọn tập tham số cho toán phát lỗi 75 2.5.2 Lựa chọn tập thơng số cho tốn chẩn đốn lỗi 75 CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG MẠNG NƠRON TRONG CHẨN ĐOÁN KỸ THUẬT ĐỘNG CƠ ĐIỆN KÉO………………………………… 79 3.1 Phương pháp xây dựng mơ hình máy tính cho chẩn đốn dựa mơ hình đối chứng .79 3.2 Ứng dụng mạng nơron nhân tạo nội suy hàm số 81 3.2.1 Bài toán nội suy 81 3.2.2 Về mạng nơron nhân tạo 83 3.2.3 Ứng dụng mạng nơron RBF phương pháp chẩn đoán dựa khâu đối chứng 92 3.3 Đề xuất phương pháp phát lỗi dựa ước lượng nhiệt độ gió làm mát sử dụng RBF 93 3.3.1 Phân tích mối quan hệ thơng số hoạt động nhiệt độ ĐCĐK 93 3.3.2 Xây dựng mơ hình phát lỗi thơng qua ước lượng nhiệt độ dựa mạng nơron 95 3.3.3 Cấu trúc mạng cho toán ước lượng nhiệt độ .96 3.3.4 Xây dựng mơ hình thực nghiệm .98 3.3.5 Đánh giá kết thông qua mô 99 3.3.6 Mạng RBF cho toán nhiệt độ 100 3.4 Đề xuất phương pháp chẩn đốn mức độ đánh lửa cổ góp thơng qua ước lượng thông số UUtx 101 3.4.1 Hiện tượng đánh lửa cổ góp phương pháp đo 101 3.4.2 Phân tích quan hệ thơng số thiết bị 103 3.4.3 Phương pháp ước lượng UUtx .104 3.4.4 Xây dựng mơ hình chẩn đốn .105 3.4.5 Thử nghiệm tối ưu thông số mạng 106 3.4.6 Kiểm nghiệm tính phương pháp thiết bị thực 115 KẾT LUẬN DANH SÁCH CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 127 129 TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC Phụ lục 1: Bố trí thiết bị thử nghiệm động điện kéo Phụ lục 2: Mẫu số liệu thử nghiệm ĐCĐK Phụ lục 3: Chương trình xử lý số liệu chẩn đốn đánh lửa cổ góp Phụ lục 4: Chương trình xử lý số liệu chẩn đốn nhiệt độ Phụ lục 5: Xây dựng chương trình thu thập số liệu Phụ lục 6: Nhận xét Đơn vị sản xuất 130 139 139 141 142 151 155 157 DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 1.1: Mơ hình đối tượng chẩn đốn trường hợp có lỗi Hình 1.2: Các phương pháp chẩn đoán chế phân loại lỗi Hình 1.3: Giá trị ngưỡng hai phương pháp Hình 1.4: Phương pháp so sánh phần cứng Hình 1.5: Phương pháp phát lỗi dựa kiểm tra phù hợp Hình 1.6: Mơ hình chẩn đốn theo phương pháp mơ hình hóa Hình 1.7: Mơ hình chẩn đốn dựa xử lý tín hiệu: Hình 2.1: Grap quan hệ ĐCĐK chiều Hình 3.1: Minh họa tốn nội suy hàm biến Hình 3.2: Cấu tạo Nơron nhân tạo Hình 3.3: Cấu trúc mạng nơron RBF Hình 3.4: Mơ tả khả học ước lượng thơng số mạng RBF Hình 3.5: Sơ đồ hệ thống chẩn đoán với khâu ước lượng sử dụng mạng RBF Hình 3.6: mơ hình tốn ước lượng nhiệt độ dài hạn ĐCĐK Hình 3.7: Mơ hình tốn ước lượng nhiệt độ máy điện kéo theo công suất tiêu tán Hình 3.8: Mơ hình thực nghiệm kiểm tra tính ổn định tốn nhiệt UUtx Hình 3.9: Kết ước lượng nhiệt độ dài hạn theo dịng áp Hình 3.10: Sai số ước lượng mạng RBF Hình 3.11: Ước lượng thay đổi nhiệt độ theo cơng suất tiêu tán Hình 3.12: Sai số ước lượng thay đổi nhiệt độ theo công suất tiêu tán Hình 3.13: Sơ đồ chẩn đốn tình trạng đánh lửa sở ước lượng EF Hình 3.14: Khả ước lượng hàm sở dạng đa thức Hình 3.15: Khả ước lượng với hàm sở dạng Gauss Hình 3.16 Hiện tượng tính tồn cục thơng số hàm khơng phù hợp Hình 3.17: Sai số ước lượng theo số lượng tâm Lấy tâm trùng mẫu học Hình 3.18: Sai số ước lượng theo số lượng tâm C Hình 3.19: Đồ thị sai số trung bình theo C k Hình 3.20: Sai số ước lượng theo số lượng mẫu học - Phân bố tâm cách Hình 3.21: Kết học ước lượng thơng số UFN Hình 3.22: Bố trí cảm biến thu nhận tín hiệu Hình 3.23: Mẫu đồ thị biểu diễn biến thiên UF, IF, nF Hình 3.24: Đồ thị biểu diễn mối quan hệ UF, IF, nF trước sau loại bỏ số liệu thơ Hình 3.25: Ước lượng UNF(n,I) so sánh với giá trị thực 16 18 23 24 25 25 26 65 81 83 89 90 93 97 97 99 100 100 100 100 105 107 108 108 109 110 112 114 115 117 120 122 123 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU Ký hiệu [thứ nguyên] Ý nghĩa UF[V], IF[A] tocin[oC], Điện áp dòng điện cấp Vc[m3/s], tocout[oC] đầu MF[N.m] Mô men trục động nF[v/ph] Tốc độ quay động UA[V], Điện áp dòng điện đặt lên phần ứng đo chổi IA[A] than EA[V] Suất phản điện động phần ứng Ukt[V], Điện áp dịng điện cuộn kích từ Nhiệt độ, lưu lượng khơng khí làm mát đầu vào Ikt[A] UUtx[V] Tổng sụt áp tiếp xúc cổ góp Từ trường động [WB][WB]] toct, toA, tocc, totx[oC] Nhiệt độ ổ đỡ, phần ứng, cực từ chổi than PĐ[W] Công suất điện đầu vào Pcc, PA, Ptx[W] Công suất tiêu tán cực từ, phần ứng cổ góp tc[oC] Nhiệt độ thân máy rA, rcc[]] Điện trở phần ứng, cực từ K Số phiến góp Ak Mức độ đánh lửa cổ góp KE Hằng số máy điện K[WB] Hằng số từ hóa W Số vòng dây cực từ DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Viết đầy đủ AI Trí tuệ nhân tạo (Artificial Intelligence) ANN Artificial Neural Network BPN Mạng nơron lan truyền ngược (Back Propagation Neural Network) ĐCĐK Động điện kéo ĐTCĐ Đối tượng chẩn đoán FD Hệ phát lỗi (Fault Detection) FDI Hệ phát phân biệt lỗi (Fault Detection and Isolation) FDIA Hệ phát lỗi phân tích lỗi (Fault Detection, Isolation and Analyse) FFT Phân tích Furrier nhanh (Fast Furrier Transform) MFĐC Máy phát điện MLP Mạng đa lớp truyền thẳng (Multi Layer Perceptron Network) MSS Cấu trúc tối thiểu (Minimine Structural Set) NN Mạng nơron (Neural Network) PCA Phát lỗi dựa phân tích phần tử (Principal Component Analyse) RBF Mạng nơron xuyên tâm (Radial Basis Function) TSCĐ Thơng số chẩn đốn LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan luận án cơng trình nghiên cứu khoa học không trùng lặp với cơng trình khoa học khác Các số liệu trình bày luận án kiểm tra kỹ phản ánh hoàn toàn trung thực Các kết nghiên cứu tác giả đề xuất chưa cơng bố tạp chí đến thời điểm ngồi cơng trình tác giả Hà nội, ngày 14 tháng 10 năm 2012 Tác giả luận án Nguyễn Văn Nghĩa MỞ ĐẦU Đầu máy diezel truyền động điện chiều sử dụng phổ biến ngành đường sắt Việt Nam nhiều năm tới Đây loại thiết bị phù hợp với điều kiện đường sắt chưa điện khí hóa Hệ thống truyền động điện đầu máy sử dụng hệ thống máy phát điện – động điện để truyền lượng từ động diezel sơ cấp xuống bánh tàu, tạo lực kéo cho đoàn tàu Trong hệ thống truyền động điện này, động điện kéo (ĐCĐK) loại động điện chiều có cổ góp, kích từ nối tiếp, cho đặc tính sức kéo phù hợp với giao thông truyền động lượng hệ cô lập, thành phần trọng yếu hệ thống truyền động Tuy nhiên, loại máy điện có độ tin cậy, ổn định vận hành thấp loại động khác, đòi hỏi phải chấp hành nghiêm quy trình kỹ thuật vận hành, trì bảo dưỡng thường xuyên theo dõi tình trạng kỹ thuật vận hành chúng để có định xử lý kịp thời nhằm đảm bảo hoạt động bình thường ĐCĐK nói riêng hệ thống truyền động điện nói chung giao thông đường sắt ĐCĐK lắp đầu máy diezel mặt chịu ảnh hưởng phụ tải lớn, bị chấn động va đập qua mối nối ray, qua ghi, chịu nhiệt độ cao, bụi bẩn, độ ẩm môi trường, biến động lớn điện áp, cường độ dòng điện khởi động thay đổi tốc độ theo tải tuyến đường; ĐCĐK lắp gầm giá chuyển có khơng gian lắp đặt hạn hẹp, dễ bị nắng mưa cát bụi, dầu mỡ chất bẩn bám vào; Mặt khác chịu điều kiện khắc nghiệt mơi trường nhiệt đới có nhiệt độ độ ẩm khơng khí cao, mơi trường địa hình ln bị thay đổi chạy qua nhiều vùng có thời tiết khí hậu khác nhau, nhiều chịu tải suy giảm từ trường sinh xung điện áp lớn, lên dốc khởi động đường có hệ số bám nhỏ trời mưa phận chống rãy máy điều khiển thiếu xác, dẫn đến rãy máy kéo dàiảnh hưởng xấu đến chất lượng làm việc ĐCĐK Trong điều kiện hoạt động việc theo dõi nắm tình trạng ĐCĐK dự báo hỏng hóc xẩy thơng qua việc đo đạc xử lý