孫永江，劉軍，楊永楓，金華松，于建成

（中國(guó)衛(wèi)星海上測(cè)控部，江蘇 江陰 214400）

1 概述

隨著傳感器技術(shù)、電子測(cè)量技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)、軟件技術(shù)、振動(dòng)分析技術(shù)以及人工智能技術(shù)的發(fā)展，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在線監(jiān)測(cè)及故障診斷技術(shù)由離線監(jiān)測(cè)到在線監(jiān)測(cè)、由現(xiàn)場(chǎng)診斷到遠(yuǎn)程診斷是現(xiàn)代化生產(chǎn)和技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。本文利用Labview 軟件在線采集雷達(dá)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)振動(dòng)、溫度、電機(jī)電樞電壓、電樞電流及測(cè)速反饋電壓等數(shù)據(jù)，并傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行存儲(chǔ)。數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)所有測(cè)點(diǎn)的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢、報(bào)表輸出、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存等功能?？梢酝ㄟ^(guò)手動(dòng)方式將Labview 在線采集的數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫(kù)中，也可以通過(guò)Labview 在線方式實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，自動(dòng)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中［1］。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)［2］

在線電機(jī)故障診斷采用無(wú)線的方式，將檢測(cè)結(jié)果 通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳給檢測(cè)中心的數(shù)據(jù)庫(kù)中，并按要求生成報(bào)告。系統(tǒng)組成如圖1 所示。

圖1 電機(jī)故障診斷網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)組成Fig.1 The fault diagnosis network system of Motor

2.2 硬件選型

2.2.1 傳感器選型［3］

振動(dòng)傳感器：因?yàn)橐O(shè)計(jì)的系統(tǒng)能要具備故障診

斷的功能，根據(jù)現(xiàn)有的理論，可以根據(jù)電機(jī)外殼的振動(dòng)情況來(lái)判斷電機(jī)工作狀況。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，選擇振動(dòng)傳感器YD84D-V，分辨率為100 mV/g，量程為50 g。

溫度傳感器：電機(jī)工作是可能出現(xiàn)溫度過(guò)高的現(xiàn)象，所以有必要對(duì)電機(jī)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，選擇溫度傳感器LM35，該傳感器有很高的工作精度和較寬的線性工作范圍，分辨率為10 mV/℃。

電壓傳感器：根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，需要采集電樞電壓和測(cè)速反饋電壓，電樞電壓的范圍是0～280 V，測(cè)速反饋電壓的范圍是0～50 V，而且還要滿足便攜的要求，所以選擇電壓傳感器RS-1221-34D1，該傳感器具有雙路輸入的功能，量程分別為0～500 V和0～100 V。

電流傳感器：根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，電樞電流也可以作為故障診斷的指標(biāo)，因?yàn)楫?dāng)電機(jī)出現(xiàn)負(fù)載過(guò)大等情況時(shí)電樞電流會(huì)急劇升高，而且為了使用方便，選擇傳感器KCE-IJ03—A0-3-D24-K，該傳感器為鉗式電流傳感器，使用時(shí)不用拆線，只要將傳感器夾在電線上就行，量程為0～150 A。

2.2.2 采集卡選擇［4］

振動(dòng)信號(hào)采集：振動(dòng)傳感器YD84D-V 是射頻設(shè)備，所以必須經(jīng)過(guò)一個(gè)特殊的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)數(shù)字信號(hào)模塊，才能將采集到的信號(hào)傳入計(jì)算機(jī)，選擇采集卡MPS060602。

溫度信號(hào)采集：由于溫度傳感器LM35 輸出的是模擬電壓值（0～5 V），所以傳感器和計(jì)算機(jī)之間需要一個(gè)模擬信號(hào)轉(zhuǎn)數(shù)字信號(hào)模塊，選擇信號(hào)采集卡MPS150102。

電壓與電流信號(hào)采集：由于電壓傳感器RS-1221-34D1 輸出的兩路模擬信號(hào)范圍是0～5 V，電流傳感器KCE-IJ03—A0-3-D24-K 輸出的模擬信號(hào)范圍是0～5 V，因此選擇信號(hào)采集卡USB5935。在線檢測(cè)系統(tǒng)接線框圖如圖2a 所示。系統(tǒng)實(shí)物圖如圖2b 所示。

圖2 系統(tǒng)圖Fig.2 System diagram

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)據(jù)采集

軟件部分首先要能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集的功能，并且根據(jù)實(shí)時(shí)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，判斷電機(jī)工作狀況，而且具有故障報(bào)警的功能（如溫度過(guò)高，電樞電流過(guò)大等）。主要包括在線采集和離線采集2 個(gè)部分。

在線檢測(cè)軟件界面見(jiàn)圖3，主要用來(lái)檢測(cè)天線筒里的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的工作狀態(tài)。

圖 3 在線電機(jī)測(cè)試軟件界面Fig.3 Online motor testing software interface

1）分別在溫度閾值和電樞電流閾值數(shù)字框內(nèi)輸入溫度閾值和電樞電流閾值。

2）電機(jī)開(kāi)始按鈕，開(kāi)始采集振動(dòng)信號(hào)、溫度、電樞電壓、測(cè)速反饋電壓和電樞電流，并且當(dāng)溫度高于溫度閾值、電樞電流大于電樞電流閾值時(shí)相應(yīng)的指示燈會(huì)亮，起到故障報(bào)警功能。

3）單擊記錄FFT 序列、記錄溫度、記錄電樞電壓、記錄測(cè)速反饋電壓、記錄電樞電流按鈕，軟件會(huì)把相應(yīng)的物理量保存在d：zbp 文件夾中。

4）單擊停止按鈕，系統(tǒng)停止數(shù)據(jù)采集。

5）單擊退出按鈕，退出該軟件。

3.2 故障診斷功能的實(shí)現(xiàn)［5］

利用BP算法進(jìn)行故障診斷，要先根據(jù)故障特征提取出有用信號(hào)，經(jīng)處理后轉(zhuǎn)化成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入信號(hào)，從而由網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行判斷。對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變化（FFT）得到信號(hào)的頻譜圖。然后提取的特征值為電機(jī)振動(dòng)頻率的基頻（一倍頻）幅值、二倍頻幅值、三倍頻幅值和四倍頻和五倍頻幅值。輸出以為向量，故障時(shí)輸出“0”，正常時(shí)輸出“1”，使用Matlab建立故障診斷的具體方法是：

1）應(yīng)用newff（ ）函數(shù)建立BP 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。隱層神經(jīng)元數(shù)目NodeNum1、NodeNum2，輸出層有一個(gè)神經(jīng)元TypeNum。選擇隱層和輸出層神經(jīng)元傳遞函數(shù)均為 tansig 函數(shù)，網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的算法采用Levenberg-Marquardt 算法trainlm。

Levenberg-Marquardt 算法是牛頓法的變形，專門(mén)用于誤差平方和最小化的方法。該算法可不必計(jì)算Hessian 矩陣而接近Hessian 矩陣的訓(xùn)練速度。

LM 算法為［6］

當(dāng)μk很大時(shí)，上式就變成了步長(zhǎng)很小的梯度下降法：

當(dāng)μk為0 時(shí)，就變成了近似Hessian 的牛頓法。算法開(kāi)始時(shí)μk取較小值，如果某一步不能減少E（w）值，則將μk乘以一個(gè)因子θ＞1 后再重復(fù)這一步。如果某一步產(chǎn)生了更小的E（w），則μk在下一步被除以θ，這樣算法就接近于牛頓法。該算法提供了牛頓法的速度和保證收斂的梯度下降法之間的一個(gè)折衷，其收斂的迭代次數(shù)比梯度下降法要少[7]。

程序如下：

2）設(shè)置網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練參數(shù)，應(yīng)用train（）函數(shù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練。訓(xùn)練采取60 組樣本，其中38 組為正常信號(hào)，另外22 組為故障信號(hào)。程序如下：

訓(xùn)練結(jié)果和性能如圖4 所示。經(jīng)過(guò)18 次迭代后網(wǎng)絡(luò)收斂，達(dá)到預(yù)設(shè)目標(biāo)。

圖4 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練結(jié)果 Fig.4 The BP neural network training results

3）使用sim（ ）函數(shù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行仿真，根據(jù)已訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)，對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真計(jì)算，本例中使用的是訓(xùn)練樣本對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測(cè)試，最后輸出誤差變化圖。測(cè)試結(jié)果如圖5 所示，誤差變化圖如圖6 所示。

程序和結(jié)果如下：

圖5 測(cè)試結(jié)果Fig.5 The test results

圖6 誤差變化圖Fig.6 The error variation diagram

3.3 在labview 中實(shí)現(xiàn)故障診斷［8］

LabVIEW提供了Matlab Script節(jié)點(diǎn)，包括Matlab命令，Matlab的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱等，使Matlab的矩陣運(yùn)算功能得到很好的應(yīng)用，兩者的結(jié)合大大簡(jiǎn)化工作流程，降低了工作者的難度。

用Matlab編程實(shí)現(xiàn)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)后，將訓(xùn)練結(jié)果保存后可直接在Labview中調(diào)用，具體的，在BP網(wǎng)絡(luò)的Matlab程序的最后加上語(yǔ)句“save（'d：p'，'net'）”，生成bp.mat文件，然后利用Matlab Script腳本節(jié)點(diǎn)調(diào)入Matlab BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)程序?qū)崿F(xiàn)LabVIEW與Matiab 的混合編程，程序框圖如7所示。

圖 7 LabVIEW 界面程序中Matlab 腳本Fig.7 The Matlab script in LabVIEW interface program

labview程序設(shè)計(jì)流程如圖3～圖7所示。運(yùn)行l(wèi)abview程序時(shí)，振動(dòng)的前5個(gè)FFT分量通過(guò)“Build Array”數(shù)組傳到Matlab Script腳本節(jié)點(diǎn)，然后Matlab Script腳本節(jié)點(diǎn)后自動(dòng)調(diào)用前面保存的訓(xùn)練完成的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)“bp.mat”文件實(shí)現(xiàn)故障診斷，然后將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出傳到“Index Array”中，經(jīng)過(guò)閾值判斷將診斷信息傳到程序的顯示端，前面顯示端有2個(gè)布爾型指示燈，分別對(duì)應(yīng)正常和故障，當(dāng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出大于0.9時(shí)，正常的燈亮，小于0.1時(shí)故障的燈會(huì)亮起，同時(shí)報(bào)警，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)故障的判斷與顯示。

4 系統(tǒng)測(cè)試

點(diǎn)擊進(jìn)入界面上的“查看電壓-電流變化曲線”，可進(jìn)入下面的界面查看電樞電壓-電樞電流/測(cè)速反饋電壓的變化曲線。如圖8 所示。

圖 8 電壓-電流變化曲線查看界面Fig 8 The curves of voltage -current view the interface

通過(guò)對(duì)“電機(jī)編號(hào)”“檢測(cè)時(shí)間”“轉(zhuǎn)向”的選擇，可以查看測(cè)試時(shí)的電樞電壓-電樞電流變化曲線和電樞電壓-測(cè)速反饋電壓變化曲線。

用Matlab 編程實(shí)現(xiàn)BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)后，將訓(xùn)練結(jié)果保存生成bp.mat 文件，然后利用Matlab Script 腳本節(jié)點(diǎn)調(diào)入Matlab bp 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)程序?qū)崿F(xiàn)故障診斷。測(cè)試時(shí)振動(dòng)的前5 個(gè)FFT 分量會(huì)實(shí)時(shí)的進(jìn)入Matlab Script 腳本節(jié)點(diǎn)，經(jīng)bp.mat 的模擬輸出診斷結(jié)果，經(jīng)過(guò)閾值判斷將診斷信息傳到程序的顯示端，前面顯示端有2 個(gè)布爾型指示燈，分別對(duì)應(yīng)正常和故障，當(dāng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出大于0.9 時(shí)，正常的燈亮，小于0.1 時(shí)故障的燈會(huì)亮起，同時(shí)報(bào)警，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)故障的判斷與顯示。

5 結(jié)論

本文提出的多傳感器融合在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，有效地解決了測(cè)量船測(cè)控雷達(dá)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)無(wú)法進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)的難題。可以對(duì)單個(gè)或多個(gè)雷達(dá)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集與故障診斷，然后通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)娇刂浦行牡姆?wù)器里，把每個(gè)天線筒里的數(shù)據(jù)集中到服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫(kù)中，從而實(shí)現(xiàn)在服務(wù)器上同時(shí)觀測(cè)多個(gè)天線傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的工作狀況?；贐/S 和C/S 自由切換的網(wǎng)絡(luò)中心模式，實(shí)現(xiàn)了在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的快捷方便，并且可以與離線檢測(cè)系統(tǒng)協(xié)同工作。

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