基于神经网络的柴油机故障诊断研究
基于神经网络的柴油机故障诊断研究[20191208103210]
柴油机故障诊断领域的新技术和新方法，是国内外柴油机研究的重点之一。精确的柴油机状态检测和故障诊断，可以大大提高其操作的可靠性、良好的经济效益。
本文首先介绍了本课题的选题背景和意义，其次介绍了柴油机常见的故障及其诊断方法。最后运用BP神经网络，进行了柴油机故障诊断，同时给出了BP神经网络算法模型以及改进的神经网络训练算法。实验结果证明，BP神经网络能够进行准确的故障诊断，同时具有良好的应用前景。
关键词：神经网络 柴油机 故障诊断
摘 要 I
Abstract II
第一章 绪论 1
1.1选题的背景及意义 1
1.2柴油机故障诊断历史发展 1
1.3本文的主要内容 2
第二章 柴油机的基础知识 3
2.1 柴油发动机简介 3
2.2柴油机的机械构成 3
2.3柴油机的特点 4
第三章 柴油机常见故障 6
3.1柴油机起动困难 6
3.1.1故障现象 6
3.1.2原因分析 6
3.1.3诊断方法 7
3.1.4排除措施 7
3.2柴油机功率不足 7
3.2.1故障现象 7
3.2.2 原因分析 8
3.2.3诊断方法 8
3.2.4 排除措施 8
3.3 柴油机转速不稳 8
3.3.1 故障现象 8
3.3.2 后果危害 9
3.3.3 原因分析 9
3.3.4 诊断方法及排除措施 9
3.4 柴油机飞车 9
3.4.1故障现象 10
3.4.2后果危害 10
3.4.3原因分析 10
3.4.4诊断方法 11
3.4.5排除措施 11
第四章 BP网络对柴油机的故障诊断研究 12
4.1人工神经网络的概述 12
4.2人工神经网络的特点和领域 12
4.3 BP网络的设计和柴油机的故障诊断 13
4.3.1 BP网络层数的选取 13
4.3.2初始值的选取 13
4.3.3 BP网络的建立 14
4.3.4 故障诊断程序 16
第五章 总结与展望 17
致 谢 18
参考文献 19
1.1选题的背景及意义
科技不断的进步不断的发展，人们对柴油机的需求也在不断的变大，人们对柴油工作的稳定性以及可靠性的需求变得愈来愈高，所以柴油机的故障诊断研究领域连续出现新的技术和方法，如今这一研究的方向是国内外研究的重点。中国的柴油机非常的多，世界上都是数一数二的，所以对柴油机进行故障诊断或者技术的研究都有很大的发展空间，有很大几经济效益。
1.2柴油机故障诊断的历史与发展
科学技术不断地发展着，人们诊断愈来愈重视柴油机车的故障，人们对这方面进行了大量的研究。所以柴油机故障诊断目前有一定的成果。国内和国外对于柴油机的重要故障检测的方法有：根据振动信号的时域以及频域提取分析法。因为柴油机是一种速率很快的往复式的机器，它的缸盖振动信号一般是体现柴油机每个零件的关联以及特殊的参数。它是由于缸内气体爆发压力。进排气门打开气流冲击等多种综合作用达到的成果，而且它还受到机身整体振动着一些原因的影响。柴油机的有着和工作的循环相关的周期性的特征，还有不平稳时变及一些冲击特性。不同的信号的特点不同，提取分析法是一种先进的方法，故障诊断的要熟知机械动力特征的基础。在此基础上进行谱分析，研究柴油机运行时候的故障原因以及不同的情况。
古典谱法是在自谱和互谱以及细化谱等基础上分析建立的。现代谱法很特殊，其中的最大嫡谱估计以及ARMA时序这两种方法人们了解比较多。古典法有很多的优点，也有很多的缺点，比如FFT的计算能力很快，可以达到物理意义清晰的好处；不足的地方是谱分辨率不高，需求的数据量不小，方差的功能很差。现代谱分析法的分辨率十分高，要求数据的量不多。利用铁谱以及光谱技术监测柴油机损耗情况。它是利用在机械故障判断中，监控润滑油里面的铁的含量能够间接的判断金属部件的损耗。柴油机运动件含有很多类材料的摩擦副，每一对摩擦副将会产生不同的损耗情况。不同摩擦副在不一样的损耗情况下的磨粒，这是一种颗粒，它在润滑油里面。光谱能够正确地检测润滑油里面的损耗因素的比重，不知道它存在的形式，另一方面它的监测灵敏度会受到磨粒自身的影响，所以不能确定损耗的类型。铁谱能够直接地判断磨粒的形状和大小以及成份。在利用铁谱及光谱技术得到的数据额基础上，利用多元统计分析的动态聚类分析法对柴油机损耗状况以及润滑油的质量进行检测，得到检测结果。但是铁谱和光谱分析法不能判断故障所在的地方，而且难以时刻监测；油液得出结果仅仅是定性的表述，里面有很多的特殊情况。
目前主要的柴油机故障诊断的方法是油液分析诊断法。这种方法是用测取柴油机润滑油里面的磨损金属微粒的形状和尺寸以及数量等的分布，然后再来特征额分析，可以保证关主要摩擦副的损耗情况，以油品情况以及大概的污染物水平的动态分析，可以及时把握油品功效的改变，判断将要产生的系统问题。二十世纪的六十年代中期，油液监测的颗粒计数法被发明了出来，七十年代的中期这项技术用于对设备各种问题的诊断。在油液监测以及故障诊断的方很多发达国家早就利用起来了，比如说是日本的油质分析仪。我国在八十年代的开始就在这个领域进行研究。目前早就达到实用研究阶段根据灰色系统理论故障诊断的方法。灰色系统理论用特殊的思维以及广泛的适用性在理论和工程界造成了很大的影响而且得到了许多领域的奖项。灰色理论在柴油机故障诊断上的机理就是将柴油机当做繁琐的灰色系统，使用目前的已知信息来预测含有故障的为之的特性和状态以及发展趋势，它能够对将来的发展作预测，十分的特殊。
1.3本文的主要内容
此文的大概内容是神经网络模型在检测过程中的学习算法，并且对柴油机进行故障诊断，通过实验证明神经网络对故障检测的意义十分重大，并且有很好的应用前景.本文的主要内容如下：
第一章大概介绍了选题的背景和意义以及故障诊断的发展历史，第二章大概介绍了柴油机的基础知识，第三章大概介绍了柴油机常见的故障以及诊断方法，第四章的内容是使用BP网络对柴油机的故障诊断，第五章主要内容是展望与总结。
二 柴油机的基础知识
2.1 柴油发动机简介
扭矩大以及经济性能佳是柴油机的特点。柴油发动机与汽油发动机有很多的共同点，工作循环有进气和压缩。还有做功以及排气一共四个冲程。柴油机烧的是柴油，柴油预期有不同的，它很粘，不蒸发得，而且自燃温度也不高的，所以和汽油机相比还是很多不同的，比如混合气的形成还有点火方式豆不一样。不一样的地方主要是下面的几点，柴油发动机气缸中的混合气体是被压燃的，不是被点燃的[1]。柴油发动机运行的时候，空气进入气缸之中，气缸压缩到终点时，空气被压缩，压力变大，温度上升，温度将会到达五百到七百摄氏度，压力大概是四十到五十个大气压强。活塞在不同的时候状况不同，活动到上止点的时候，供油系统的喷油嘴向气缸里面喷油，它的压力非常大，柴油变成小的油粒，参杂着高压高温的空气然后混在一起，混合额气体剧烈的燃烧，迅速膨胀从而产生极大的压力，推动活塞向下运动，此时温度会达到两千摄氏度左右，压力将会达到一百个大气压左右，将会产生巨大的扭矩，大型柴油设备里很多都用柴油发动机。
2.2柴油机的机械构成
柴油机由很多的部分组成，主其中燃烧室组件和动力传递组件最具有代表性。当然机体以及主轴承还有配气机构等也是不可或缺的，最后还不能忘了起动系统。自燃温度低是柴油机的特点，柴油发动机不用点火装置，通过压缩空气升高温度，当空气温度超过了自燃温度，这个时候喷入柴油或者是柴油喷雾以及空气混合的同时一起点火然后燃烧。
柴油通过输油泵被输送到滤清器里面，过滤以后才输到喷油泵里面（要想有足够的燃料，而且想让压力不变的话，喷油泵的供油量必须要改变。要比供油泵的量还要小才行，那些多余的也不能浪费，多余的柴油经过低压管再次流回油箱里面，还有一部分柴油被喷油泵的压力压缩，压力非常大）最后才进入喷油器，与此同时然后进入气缸燃烧室中加压，温度升高最后燃烧。
柴油机的转速不快，有非常大的扭矩和低油耗，它的重量很大符合很高，大中型汽车上运用较多。20世纪70 年代初年德国大众汽车公司研发出了第一台高速的小型化柴油机，从此之后轿车越来越广泛的应用柴油机，有很多的商务车用柴油机。轿车柴油机一般采用的是4气门每一缸,柴油机的排放达到了欧洲的二号标准因为电控喷射系统。然而汽油机上应用电控技术会比柴油机容易得多[2]。
柴油发动机先是压缩柴油，是温度升高利用柴油燃点低去自燃，然后点燃发动机，汽油发动机不一样需要点火的，汽油机的燃料与空气混合，变成了混合气，之后一起到气缸里面，然后被火花塞点燃作功；压缩行程末端的时候柴油机的燃料柴油被喷入气缸里，被压缩，压力增大然后自燃。柴油机的燃料供给系统有自己的特点与汽油机不同。
柴油机的喷油器喷出高压的柴油，它的喷射的压力可以达到30－100MPa，为了达到控制的目标，柴油机的电控燃油系统必须再安装一个电子的控制执行器。喷油泵上安装调速器，一方面必须确保柴油机能在怠速的情况照常运转另一方面必须把控柴油机的速度。喷油泵是柴油机上一个很精密部件，随着柴油机工况的变化来调节柴油量，通过这样的办法能够升高柴油的压力。
2.3柴油机的特点
一般柴油机油很多的特点，比如说是有良好的热效应，当然经济效益也很好的。柴油机利用柴油的特点，燃点低，会自燃，再喷入柴油和空气，燃油和空气剧烈燃烧作功。柴油发动机时不需要点火系统的。因此柴油发动机的可靠性相比汽油发动机有很大的优势，此外柴油机的供油系统比较简单。它的热效率以及经济性相对于汽油机有很大的优势，柴油机比较适合用于载货汽车，因为它的扭矩很大[3]。
柴油机需要具有很高的结构强度以及刚度的零部件，因为它的工作压力很大，因此柴油机的质量和体积非常大；柴油机的歌零部件的成本很高，要求精密；此外，柴油机还有很多缺点，它的工作十分粗暴， 有很大的噪声天冷的时候柴油机启动比较困难。
因为以上的特征，之前的柴油发动机大多安装在大、中型载重的货车上面。因为柴油发动机相对笨重，升功率的指标没有汽油机好(转速较低)，它的噪声和振动比较大，尾气污染比较多所以在桥车上的引用比较的少。但是随着小型高速柴油发动机技术的快速进步，目前柴油机也有很广泛的应用，电控直喷、共轨和涡轮增压以及中冷等技术在小型柴油发动机上取得了很好的使用前景，原来的缺点得到了弥补，不仅如此本来柴油机在二氧化碳的排放上就有很大的优势，这是汽油机等一些热力发动机不能比的，它的环保性能非常好。
柴油机故障诊断领域的新技术和新方法，是国内外柴油机研究的重点之一。精确的柴油机状态检测和故障诊断，可以大大提高其操作的可靠性、良好的经济效益。
本文首先介绍了本课题的选题背景和意义，其次介绍了柴油机常见的故障及其诊断方法。最后运用BP神经网络，进行了柴油机故障诊断，同时给出了BP神经网络算法模型以及改进的神经网络训练算法。实验结果证明，BP神经网络能够进行准确的故障诊断，同时具有良好的应用前景。
关键词：神经网络 柴油机 故障诊断
摘 要 I
Abstract II
第一章 绪论 1
1.1选题的背景及意义 1
1.2柴油机故障诊断历史发展 1
1.3本文的主要内容 2
第二章 柴油机的基础知识 3
2.1 柴油发动机简介 3
2.2柴油机的机械构成 3
2.3柴油机的特点 4
第三章 柴油机常见故障 6
3.1柴油机起动困难 6
3.1.1故障现象 6
3.1.2原因分析 6
3.1.3诊断方法 7
3.1.4排除措施 7
3.2柴油机功率不足 7
3.2.1故障现象 7
3.2.2 原因分析 8
3.2.3诊断方法 8
3.2.4 排除措施 8
3.3 柴油机转速不稳 8
3.3.1 故障现象 8
3.3.2 后果危害 9
3.3.3 原因分析 9
3.3.4 诊断方法及排除措施 9
3.4 柴油机飞车 9
3.4.1故障现象 10
3.4.2后果危害 10
3.4.3原因分析 10
3.4.4诊断方法 11
3.4.5排除措施 11
第四章 BP网络对柴油机的故障诊断研究 12
4.1人工神经网络的概述 12
4.2人工神经网络的特点和领域 12
4.3 BP网络的设计和柴油机的故障诊断 13
4.3.1 BP网络层数的选取 13
4.3.2初始值的选取 13
4.3.3 BP网络的建立 14
4.3.4 故障诊断程序 16
第五章 总结与展望 17
致 谢 18
参考文献 19
1.1选题的背景及意义
科技不断的进步不断的发展，人们对柴油机的需求也在不断的变大，人们对柴油工作的稳定性以及可靠性的需求变得愈来愈高，所以柴油机的故障诊断研究领域连续出现新的技术和方法，如今这一研究的方向是国内外研究的重点。中国的柴油机非常的多，世界上都是数一数二的，所以对柴油机进行故障诊断或者技术的研究都有很大的发展空间，有很大几经济效益。
1.2柴油机故障诊断的历史与发展
科学技术不断地发展着，人们诊断愈来愈重视柴油机车的故障，人们对这方面进行了大量的研究。所以柴油机故障诊断目前有一定的成果。国内和国外对于柴油机的重要故障检测的方法有：根据振动信号的时域以及频域提取分析法。因为柴油机是一种速率很快的往复式的机器，它的缸盖振动信号一般是体现柴油机每个零件的关联以及特殊的参数。它是由于缸内气体爆发压力。进排气门打开气流冲击等多种综合作用达到的成果，而且它还受到机身整体振动着一些原因的影响。柴油机的有着和工作的循环相关的周期性的特征，还有不平稳时变及一些冲击特性。不同的信号的特点不同，提取分析法是一种先进的方法，故障诊断的要熟知机械动力特征的基础。在此基础上进行谱分析，研究柴油机运行时候的故障原因以及不同的情况。
古典谱法是在自谱和互谱以及细化谱等基础上分析建立的。现代谱法很特殊，其中的最大嫡谱估计以及ARMA时序这两种方法人们了解比较多。古典法有很多的优点，也有很多的缺点，比如FFT的计算能力很快，可以达到物理意义清晰的好处；不足的地方是谱分辨率不高，需求的数据量不小，方差的功能很差。现代谱分析法的分辨率十分高，要求数据的量不多。利用铁谱以及光谱技术监测柴油机损耗情况。它是利用在机械故障判断中，监控润滑油里面的铁的含量能够间接的判断金属部件的损耗。柴油机运动件含有很多类材料的摩擦副，每一对摩擦副将会产生不同的损耗情况。不同摩擦副在不一样的损耗情况下的磨粒，这是一种颗粒，它在润滑油里面。光谱能够正确地检测润滑油里面的损耗因素的比重，不知道它存在的形式，另一方面它的监测灵敏度会受到磨粒自身的影响，所以不能确定损耗的类型。铁谱能够直接地判断磨粒的形状和大小以及成份。在利用铁谱及光谱技术得到的数据额基础上，利用多元统计分析的动态聚类分析法对柴油机损耗状况以及润滑油的质量进行检测，得到检测结果。但是铁谱和光谱分析法不能判断故障所在的地方，而且难以时刻监测；油液得出结果仅仅是定性的表述，里面有很多的特殊情况。
目前主要的柴油机故障诊断的方法是油液分析诊断法。这种方法是用测取柴油机润滑油里面的磨损金属微粒的形状和尺寸以及数量等的分布，然后再来特征额分析，可以保证关主要摩擦副的损耗情况，以油品情况以及大概的污染物水平的动态分析，可以及时把握油品功效的改变，判断将要产生的系统问题。二十世纪的六十年代中期，油液监测的颗粒计数法被发明了出来，七十年代的中期这项技术用于对设备各种问题的诊断。在油液监测以及故障诊断的方很多发达国家早就利用起来了，比如说是日本的油质分析仪。我国在八十年代的开始就在这个领域进行研究。目前早就达到实用研究阶段根据灰色系统理论故障诊断的方法。灰色系统理论用特殊的思维以及广泛的适用性在理论和工程界造成了很大的影响而且得到了许多领域的奖项。灰色理论在柴油机故障诊断上的机理就是将柴油机当做繁琐的灰色系统，使用目前的已知信息来预测含有故障的为之的特性和状态以及发展趋势，它能够对将来的发展作预测，十分的特殊。
1.3本文的主要内容
此文的大概内容是神经网络模型在检测过程中的学习算法，并且对柴油机进行故障诊断，通过实验证明神经网络对故障检测的意义十分重大，并且有很好的应用前景.本文的主要内容如下：
第一章大概介绍了选题的背景和意义以及故障诊断的发展历史，第二章大概介绍了柴油机的基础知识，第三章大概介绍了柴油机常见的故障以及诊断方法，第四章的内容是使用BP网络对柴油机的故障诊断，第五章主要内容是展望与总结。
二 柴油机的基础知识
2.1 柴油发动机简介
扭矩大以及经济性能佳是柴油机的特点。柴油发动机与汽油发动机有很多的共同点，工作循环有进气和压缩。还有做功以及排气一共四个冲程。柴油机烧的是柴油，柴油预期有不同的，它很粘，不蒸发得，而且自燃温度也不高的，所以和汽油机相比还是很多不同的，比如混合气的形成还有点火方式豆不一样。不一样的地方主要是下面的几点，柴油发动机气缸中的混合气体是被压燃的，不是被点燃的[1]。柴油发动机运行的时候，空气进入气缸之中，气缸压缩到终点时，空气被压缩，压力变大，温度上升，温度将会到达五百到七百摄氏度，压力大概是四十到五十个大气压强。活塞在不同的时候状况不同，活动到上止点的时候，供油系统的喷油嘴向气缸里面喷油，它的压力非常大，柴油变成小的油粒，参杂着高压高温的空气然后混在一起，混合额气体剧烈的燃烧，迅速膨胀从而产生极大的压力，推动活塞向下运动，此时温度会达到两千摄氏度左右，压力将会达到一百个大气压左右，将会产生巨大的扭矩，大型柴油设备里很多都用柴油发动机。
2.2柴油机的机械构成
柴油机由很多的部分组成，主其中燃烧室组件和动力传递组件最具有代表性。当然机体以及主轴承还有配气机构等也是不可或缺的，最后还不能忘了起动系统。自燃温度低是柴油机的特点，柴油发动机不用点火装置，通过压缩空气升高温度，当空气温度超过了自燃温度，这个时候喷入柴油或者是柴油喷雾以及空气混合的同时一起点火然后燃烧。
柴油通过输油泵被输送到滤清器里面，过滤以后才输到喷油泵里面（要想有足够的燃料，而且想让压力不变的话，喷油泵的供油量必须要改变。要比供油泵的量还要小才行，那些多余的也不能浪费，多余的柴油经过低压管再次流回油箱里面，还有一部分柴油被喷油泵的压力压缩，压力非常大）最后才进入喷油器，与此同时然后进入气缸燃烧室中加压，温度升高最后燃烧。
柴油机的转速不快，有非常大的扭矩和低油耗，它的重量很大符合很高，大中型汽车上运用较多。20世纪70 年代初年德国大众汽车公司研发出了第一台高速的小型化柴油机，从此之后轿车越来越广泛的应用柴油机，有很多的商务车用柴油机。轿车柴油机一般采用的是4气门每一缸,柴油机的排放达到了欧洲的二号标准因为电控喷射系统。然而汽油机上应用电控技术会比柴油机容易得多[2]。
柴油发动机先是压缩柴油，是温度升高利用柴油燃点低去自燃，然后点燃发动机，汽油发动机不一样需要点火的，汽油机的燃料与空气混合，变成了混合气，之后一起到气缸里面，然后被火花塞点燃作功；压缩行程末端的时候柴油机的燃料柴油被喷入气缸里，被压缩，压力增大然后自燃。柴油机的燃料供给系统有自己的特点与汽油机不同。
柴油机的喷油器喷出高压的柴油，它的喷射的压力可以达到30－100MPa，为了达到控制的目标，柴油机的电控燃油系统必须再安装一个电子的控制执行器。喷油泵上安装调速器，一方面必须确保柴油机能在怠速的情况照常运转另一方面必须把控柴油机的速度。喷油泵是柴油机上一个很精密部件，随着柴油机工况的变化来调节柴油量，通过这样的办法能够升高柴油的压力。
2.3柴油机的特点
一般柴油机油很多的特点，比如说是有良好的热效应，当然经济效益也很好的。柴油机利用柴油的特点，燃点低，会自燃，再喷入柴油和空气，燃油和空气剧烈燃烧作功。柴油发动机时不需要点火系统的。因此柴油发动机的可靠性相比汽油发动机有很大的优势，此外柴油机的供油系统比较简单。它的热效率以及经济性相对于汽油机有很大的优势，柴油机比较适合用于载货汽车，因为它的扭矩很大[3]。
柴油机需要具有很高的结构强度以及刚度的零部件，因为它的工作压力很大，因此柴油机的质量和体积非常大；柴油机的歌零部件的成本很高，要求精密；此外，柴油机还有很多缺点，它的工作十分粗暴， 有很大的噪声天冷的时候柴油机启动比较困难。
因为以上的特征，之前的柴油发动机大多安装在大、中型载重的货车上面。因为柴油发动机相对笨重，升功率的指标没有汽油机好(转速较低)，它的噪声和振动比较大，尾气污染比较多所以在桥车上的引用比较的少。但是随着小型高速柴油发动机技术的快速进步，目前柴油机也有很广泛的应用，电控直喷、共轨和涡轮增压以及中冷等技术在小型柴油发动机上取得了很好的使用前景，原来的缺点得到了弥补，不仅如此本来柴油机在二氧化碳的排放上就有很大的优势，这是汽油机等一些热力发动机不能比的，它的环保性能非常好。
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