bp神经网络的异步电机故障诊断仿真分析
本论文主要讲述的是基于BP神经网络的异步电机故障诊断技术的理论研究和仿真分析，具体的研究工作有简单介绍了电机故障诊断技术的发展现状和目前电机故障诊断的主要方法；相对于其他的诊断方法，BP神经网络在电机故障的诊断中还是占有很大的优越性。然后介绍了异步电机的工作原理和结构，其中对异步电机的定子故障、转子故障、电压故障、轴承故障等一些常见故障及原因进行了概述。并且采用了定子电流频谱分析法和振动频谱分析法分别对异步电机定子绕组匝间短路、定子铁芯故障、气隙偏心、轴承故障、定子异常、气隙不均匀、转子不均匀进行了诊断分析。最后重点介绍了BP神经网络的模型结构，包括了BP神经网络的学习算法和学习过程；基于BP神经网络的异步电机故障诊断仿真模型是在仿真软件MATLAB /SIMULINK中搭建的，并完成仿真模块的选择、仿真参数的设置、仿真模型故障设置，对异步电机供电线路故障进行了仿真分析等一系列工作；最后对异步电机故障特征量进行了提取、预处理和BP神经网络训练仿真分析，得到了相关仿真结果，仿真结果表明BP神经网络可以很好的用于异步电机故障诊断中。关键词 异步电机, 故障诊断，神经网络,仿真分析
目 录
1 绪论 1
1.1 本课题研究的背景和意义 1
1.2 电机故障诊断现状 2
1.3 电机故障诊断的主要方法 3
1.4 本论文的主要研究内容和工作安排 4
2 异步电机常见故障及其产生原因分析 5
2.1 异步电机的工作原理和结构 5
2.1.1 异步电机的工作原理 5
2.1.2 异步电机的架构 6
2.2 异步电机的常见故障及原因 7
2.2.1异步电机常见故障现象及原因 7
2.2.2电机机械故障及原因 7
3 异步电机故障诊断方法研究 10
3.1 电机故障诊断方法 10
3.2基于定子电流频谱分析法的电机故障诊断分析 11
3.3基于振动频谱分析法的电机故障诊断分析 12
4 基于神经网络的异步电机故障诊断仿真分析 13
4.1 BP神经网络 13
4.1.1 神经元模型 14
4.1 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
.2 前馈型神经网络 15
4.2 BP神经网络学习算法和过程 16
4.3 以BP神经网络为基础的异步电机故障诊断仿真分析 20
4.3.1 Matlab软件简介 20
4.3.2仿真模块的选择 21
4.3.3设置仿真参数 22
4.3.4仿真模型故障设置 26
4.3.5异步电机故障特征提取仿真分析 27
4.3.6异步电机故障特征量提取及预处理 31
4.3.7异步电机故障特征量BP神经网络训练仿真结果 33
总结与展望 35
5.1 论文所完成的主要工作 35
5.2需进一步研究的内容 36
致 谢 37
参 考 文 献 38
绪论
本课题研究的背景和意义
在现代社会中，林林总总的电机被用于各工业生产以及我们的平日生活。在各种电机中，异步电动机凭借简单的构造、控制的便利性以及操作简单等优点，成为应用场合最多的电机，是各类电机中用途最多的一种电机，它已经成为现代社会工业和我们平日生活中不可缺少的动力配置。让电机能够正常工作，就能避免生产过程中的安全、经济等一些列可能发生的问题，具有重大的意义。
可是电机在实际工作过程时，经常有很多像：波动的电压、负载经常的变动、工作环境不稳定还有电机本身的生产质量等等影响成分，导致电机出现各种各样的故障。在电机发生故障时，受损的不止电机本身，生产效率也会受到影响，甚至相关人员的安保问题也不能得到保障，这将会对社会产生不好的影响，还会伴随着巨大的经济损失。电机的某些参数在发生故障之前是会有所变动的，如果能对电机的参数进行检测，让电机在发生故障之前就检测到参数的变动，从而向现场工作人员发出信号，提供需要的信息，方便工作人员能够合理的采取一定的措施，去防止一些不必要的故障发生，这样就会少很多悲惨事故的发生。因此，迫切需要电机故障诊断技术的支持。针对电机而进行在线监测和故障诊断，就可以在电机发生故障之前根据某些参数的变化侦测到电机将要发生故障，这时候就能在电机发生故障前针对将要发生的故障采取一些措施，尽量达到避免故障发生的理想效果，这样一来电机的损坏率肯定大大下降，经济损失也得到了有效的遏制，所以是很有意义的[1~3]。
电机是用来将电能转换成机械能的设备，电磁感应定律是它的基础技术，电机发生问题前，会出现很多现象，比如绝缘系统的劣化征兆。假如能够通过监测电机的状态从而在电机发生故障前通知工作人员，工作人员提前维护，就可以消除相当一部分电机的毁坏和很多事故的发生，从而就避免了相关企业的损失和人员伤亡损失，这种想法是以状态和预测维修为基础，这类思想实现的方法被称为电机状态检测与故障诊断技术（Condition Monitor and Diagnosis，CMD）。CMD技术可以检测电机，从而在电机发生故障前就对电机进行检测，然后制定出适用的方法去维修电机，这种方法对预防电机故障非常有效，电机CMD不仅可以大大降低故障率，还能减少某些突发事故从而避免停产的风险，降低了维修成本，消除一些可能发生的事故对企业的威胁，让电机安全的运行[4~6]。
电机故障诊断现状
电机故障诊断技术对好几种学科都有所涉猎，是一门综合性的多学科交叉技术[3]。国外在20世纪60年代就开始了对电机故障诊断的研究，可是因为电机相比于其它设备来说，它的工作原理以及结构都比较特殊，导致无法和其他设备一样对电机展开故障诊断。这种状况一直持续到7080年代，电机故障在线诊断技术得到了较快发展，究其原因，是因为当时传感器、光纤和计算机这些技术的快速发展[1,3]。
在电机一切都没有问题的时候，利用一些先检查并计算然后进行分析这样的方法去对电机进行检测并且得到电机的参数，这就是电机故障诊断，然后通过对相关数据的计算和分析去获得电机目前的状态，从而推断一下电机的健康状态，推断出电机哪个部分可能有发生的可能，然后就可能发生的故障去采取相应的手段。图11是电机故障诊断的过程：建造状态信息库和故障档案库、提取信号特征，电机运行状态的识别和预报决策，这就是电机故障诊断的四个主要过程。20世纪后半世纪的时候电机故障技术得到了突破，学者们开始以计算机技术和电子技术的发展为基础进行研究，在20世纪80年代，电机状态检测被一些学者提了出来，这对于电机故障诊断来说里程碑式的概念，其中清华大学研发的属笼型异步电机转子断条在线监测仪最具代表性。电机故障诊断技术的又一重大突破是在计算机算法语言和快速傅里叶变换（Fast Fourier Transform，简称FFT）的出现后，因为它们能够为电机故障诊断技术提供软件部分的算法。电机诊断技术的迅速发展离不开抽样分析技术、设备零件失效机理分析技术、信号频谱分析技术以及先进检测技术各项技术的大力推动技术[7~9]。
国外对电机故障的研究是早于我国的，他们在20世纪50年代就开了有所突破了，像多功能电机状态检测仪就是那个时候国外理论搞出来的，当然当时随之出现的还有很多发明，可以说当时国外在电机故障诊断方面的发展是将我国拉下了一大步的。但是，虽然我国对电机故障的研究于20世纪70年代末才开始，但在我国的科研工作者们的不懈努力下，取得了并不逊色于国外的成就。像以信号处理和专家知识库为基础的电机故障诊断技术就是当时最早的电机故障诊断技术，之后出现了小波变换技术，小波变换凭借在电机故障诊断中的应用技术，成为电机故障诊断有效的方法中的生力军。直到神经网络的出现，为电机故障诊断敞开了一扇新的大门[10,11]。
目 录
1 绪论 1
1.1 本课题研究的背景和意义 1
1.2 电机故障诊断现状 2
1.3 电机故障诊断的主要方法 3
1.4 本论文的主要研究内容和工作安排 4
2 异步电机常见故障及其产生原因分析 5
2.1 异步电机的工作原理和结构 5
2.1.1 异步电机的工作原理 5
2.1.2 异步电机的架构 6
2.2 异步电机的常见故障及原因 7
2.2.1异步电机常见故障现象及原因 7
2.2.2电机机械故障及原因 7
3 异步电机故障诊断方法研究 10
3.1 电机故障诊断方法 10
3.2基于定子电流频谱分析法的电机故障诊断分析 11
3.3基于振动频谱分析法的电机故障诊断分析 12
4 基于神经网络的异步电机故障诊断仿真分析 13
4.1 BP神经网络 13
4.1.1 神经元模型 14
4.1 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
.2 前馈型神经网络 15
4.2 BP神经网络学习算法和过程 16
4.3 以BP神经网络为基础的异步电机故障诊断仿真分析 20
4.3.1 Matlab软件简介 20
4.3.2仿真模块的选择 21
4.3.3设置仿真参数 22
4.3.4仿真模型故障设置 26
4.3.5异步电机故障特征提取仿真分析 27
4.3.6异步电机故障特征量提取及预处理 31
4.3.7异步电机故障特征量BP神经网络训练仿真结果 33
总结与展望 35
5.1 论文所完成的主要工作 35
5.2需进一步研究的内容 36
致 谢 37
参 考 文 献 38
绪论
本课题研究的背景和意义
在现代社会中，林林总总的电机被用于各工业生产以及我们的平日生活。在各种电机中，异步电动机凭借简单的构造、控制的便利性以及操作简单等优点，成为应用场合最多的电机，是各类电机中用途最多的一种电机，它已经成为现代社会工业和我们平日生活中不可缺少的动力配置。让电机能够正常工作，就能避免生产过程中的安全、经济等一些列可能发生的问题，具有重大的意义。
可是电机在实际工作过程时，经常有很多像：波动的电压、负载经常的变动、工作环境不稳定还有电机本身的生产质量等等影响成分，导致电机出现各种各样的故障。在电机发生故障时，受损的不止电机本身，生产效率也会受到影响，甚至相关人员的安保问题也不能得到保障，这将会对社会产生不好的影响，还会伴随着巨大的经济损失。电机的某些参数在发生故障之前是会有所变动的，如果能对电机的参数进行检测，让电机在发生故障之前就检测到参数的变动，从而向现场工作人员发出信号，提供需要的信息，方便工作人员能够合理的采取一定的措施，去防止一些不必要的故障发生，这样就会少很多悲惨事故的发生。因此，迫切需要电机故障诊断技术的支持。针对电机而进行在线监测和故障诊断，就可以在电机发生故障之前根据某些参数的变化侦测到电机将要发生故障，这时候就能在电机发生故障前针对将要发生的故障采取一些措施，尽量达到避免故障发生的理想效果，这样一来电机的损坏率肯定大大下降，经济损失也得到了有效的遏制，所以是很有意义的[1~3]。
电机是用来将电能转换成机械能的设备，电磁感应定律是它的基础技术，电机发生问题前，会出现很多现象，比如绝缘系统的劣化征兆。假如能够通过监测电机的状态从而在电机发生故障前通知工作人员，工作人员提前维护，就可以消除相当一部分电机的毁坏和很多事故的发生，从而就避免了相关企业的损失和人员伤亡损失，这种想法是以状态和预测维修为基础，这类思想实现的方法被称为电机状态检测与故障诊断技术（Condition Monitor and Diagnosis，CMD）。CMD技术可以检测电机，从而在电机发生故障前就对电机进行检测，然后制定出适用的方法去维修电机，这种方法对预防电机故障非常有效，电机CMD不仅可以大大降低故障率，还能减少某些突发事故从而避免停产的风险，降低了维修成本，消除一些可能发生的事故对企业的威胁，让电机安全的运行[4~6]。
电机故障诊断现状
电机故障诊断技术对好几种学科都有所涉猎，是一门综合性的多学科交叉技术[3]。国外在20世纪60年代就开始了对电机故障诊断的研究，可是因为电机相比于其它设备来说，它的工作原理以及结构都比较特殊，导致无法和其他设备一样对电机展开故障诊断。这种状况一直持续到7080年代，电机故障在线诊断技术得到了较快发展，究其原因，是因为当时传感器、光纤和计算机这些技术的快速发展[1,3]。
在电机一切都没有问题的时候，利用一些先检查并计算然后进行分析这样的方法去对电机进行检测并且得到电机的参数，这就是电机故障诊断，然后通过对相关数据的计算和分析去获得电机目前的状态，从而推断一下电机的健康状态，推断出电机哪个部分可能有发生的可能，然后就可能发生的故障去采取相应的手段。图11是电机故障诊断的过程：建造状态信息库和故障档案库、提取信号特征，电机运行状态的识别和预报决策，这就是电机故障诊断的四个主要过程。20世纪后半世纪的时候电机故障技术得到了突破，学者们开始以计算机技术和电子技术的发展为基础进行研究，在20世纪80年代，电机状态检测被一些学者提了出来，这对于电机故障诊断来说里程碑式的概念，其中清华大学研发的属笼型异步电机转子断条在线监测仪最具代表性。电机故障诊断技术的又一重大突破是在计算机算法语言和快速傅里叶变换（Fast Fourier Transform，简称FFT）的出现后，因为它们能够为电机故障诊断技术提供软件部分的算法。电机诊断技术的迅速发展离不开抽样分析技术、设备零件失效机理分析技术、信号频谱分析技术以及先进检测技术各项技术的大力推动技术[7~9]。
国外对电机故障的研究是早于我国的，他们在20世纪50年代就开了有所突破了，像多功能电机状态检测仪就是那个时候国外理论搞出来的，当然当时随之出现的还有很多发明，可以说当时国外在电机故障诊断方面的发展是将我国拉下了一大步的。但是，虽然我国对电机故障的研究于20世纪70年代末才开始，但在我国的科研工作者们的不懈努力下，取得了并不逊色于国外的成就。像以信号处理和专家知识库为基础的电机故障诊断技术就是当时最早的电机故障诊断技术，之后出现了小波变换技术，小波变换凭借在电机故障诊断中的应用技术，成为电机故障诊断有效的方法中的生力军。直到神经网络的出现，为电机故障诊断敞开了一扇新的大门[10,11]。
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