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 THƢƠNG 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 THƢƠNG 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 : Mã số : Kỹ Thuật Điện tử 62520203 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS Nguyễn Thế Truyện HÀ NỘI 2012 MỤC LỤC DANH SÁCH HÌNH VẼ DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT LỜI CAM ĐOAN MỞ ĐẦU CHƢƠNG 1: CHẨN ĐOÁN KỸ THUẬT CHO ĐỘNG CƠ ĐIỆN KÉO 12 1.1 Về lý thuyết chẩn đoán 12 1.1.1 Đối tƣợng mục tiêu toán chẩn đoán 15 1.1.2 Mô hình toán học đối tƣợng chẩn đoán toán chẩn đoán 16 1.1.3 Chẩn đoán dựa phân loại triệu chứng 18 1.1.4 Phƣơng pháp chẩn đoán dựa mô hình hóa 20 1.2 Các phƣơng pháp phát lỗi dựa mô hình hóa 23 1.2.1 Phát lỗi so sánh phần cứng 24 1.2.2 Phƣơng pháp kiểm tra phù hợp 25 1.2.3 Phƣơng pháp phân tích đáp ứng đầu 26 1.3 Các hƣớng nghiên cứu chẩn đoán kỹ thuật 26 1.3.1 Nghiên cứu phân tích xử lý số liệu 26 1.3.2 Nghiên cứu thông số chẩn đoán 28 1.4 Các hƣớng nghiên cứu chẩn đoán động điện 28 1.4.1 Các nghiên cứu thông số chẩn đoán 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 CHƢƠNG 2: MÔ HÌNH HÓA VÀ XÂY DỰNG TẬP THAM SỐ CHẨN ĐOÁN CHO ĐCĐK 38 2.1 Sử dụng mô hình cấu trúc mô hình hóa phân tích toán chẩn đoán 38 2.1.1 Mô hình hóa mô hình cấu trúc phƣơng pháp xác định tập mối quan hệ cho chẩn đoán lỗi dựa mô hình cấu trúc 38 2.1.2 Ý nghĩa tập thông số chẩn đoán phƣơng pháp xây dựng tập thông số chẩn đoán phù hợp 42 2.1.3 Thuật toán tối thiểu hóa thông số sử dụng hàm tiêu chất lƣợng thông số 44 2.1.4 Xác định tập thông số chẩn đoán cho toán phát lỗi phân biệt lỗi 45 2.2 Mô hình hóa toán chẩn đoán ĐCĐK mô hình cấu trúc 46 2.2.1 Mô hình toán học động điện kéo trạng thái làm việc bình thƣờng 46 2.2.2 Mô hình hóa ĐCĐK trƣờng hợp lỗi 58 2.2.3 Mô hình hóa đối tƣợng chẩn đoán mô hình cấu trúc 61 2.3 Grap chẩn đoán ĐCĐK 65 2.4 Tối thiểu hóa tập thông số sử dụng mô hình cấu trúc hàm tiêu chất lƣợng thông số: 67 2.4.2 Đánh giá lƣợng tin thông số: 69 2.5 Đánh giá lựa chọn tập tham số tối ƣu: 75 2.5.1 Lựa chọn tập tham số cho toán phát lỗi 75 2.5.2 Lựa chọn tập thông số cho toán chẩn đoán lỗi: 75 CHƢƠNG 3: ỨNG DỤNG MẠNG NƠRON TRONG CHẨN ĐOÁN KỸ THUẬT ĐỘNG CƠ ĐIỆN KÉO 79 3.1 Phƣơng pháp xây dựng mô hình máy tính cho chẩn đoán dựa mô 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 phƣơng pháp chẩn đoán dựa khâu đối chứng 92 3.3 Đề xuất phƣơng pháp phát lỗi dựa ƣớc lƣợng nhiệt độ gió làm mát sử dụng RBF 93 3.3.1 Phân tích mối quan hệ thông số hoạt động nhiệt độ ĐCĐK: 93 3.3.2 Xây dựng mô hình phát lỗi thông qua ƣớc lƣợng nhiệt độ dựa mạng nơron 95 3.3.3 Cấu trúc mạng cho toán ƣớc lƣợng nhiệt độ 96 3.3.4 Xây dựng mô 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 phƣơng pháp chẩn đoán mức độ đánh lửa cổ góp thông qua ƣớc lƣợng thông số Utx 101 3.4.1 Hiện tƣợng đánh lửa cổ góp phƣơng pháp đo 101 3.4.2 Phân tích quan hệ thông số thiết bị 103 3.4.3 Phƣơng pháp ƣớc lƣợng Utx 104 3.4.4 Xây dựng mô hình chẩn đoán 105 3.4.5 Thử nghiệm tối ƣu thông số mạng 106 3.4.6 Kiểm nghiệm tính phƣơng pháp thiết bị thực 115 KẾT LUẬN DANH SÁCH CÁC CÔNG 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: Chƣơng trình xử lý số liệu chẩn đoán đánh lửa cổ góp Phụ lục 4: Chƣơng trình xử lý số liệu chẩn đoán nhiệt độ Phụ lục 5: Xây dựng chƣơng 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: Mô hình đối tƣợng chẩn đoán trƣờng hợp có lỗi Hình 1.2: Các phƣơng pháp chẩn đoán chế phân loại lỗi Hình 1.3: Giá trị ngƣỡng hai phƣơng pháp Hình 1.4: Phƣơng pháp so sánh phần cứng Hình 1.5: Phƣơng pháp phát lỗi dựa kiểm tra phù hợp Hình 1.6: Mô hình chẩn đoán theo phƣơng pháp mô hình hóa Hình 1.7: Mô hình chẩn đoán dựa xử lý tín hiệu: Hình 2.1: Grap quan hệ ĐCĐK chiều Hình 3.1: Minh họa toán nội suy hàm biến Hình 3.2: Cấu tạo Nơron nhân tạo Hình 3.3: Cấu trúc mạng nơron RBF Hình 3.4: Mô tả khả học ƣớc lƣợng thông số mạng RBF Hình 3.5: Sơ đồ hệ thống chẩn đoán với khâu ƣớc lƣợng sử dụng mạng RBF Hình 3.6: mô hình toán ƣớc lƣợng nhiệt độ dài hạn ĐCĐK Hình 3.7: Mô hình toán ƣớc lƣợng nhiệt độ máy điện kéo theo công suất tiêu tán Hình 3.8: Mô hình thực nghiệm kiểm tra tính ổn định toán nhiệt Utx Hình 3.9: Kết ƣớc lƣợng nhiệt độ dài hạn theo dòng áp Hình 3.10: Sai số ƣớc lƣợng mạng RBF Hình 3.11: Ƣớc lƣợng thay đổi nhiệt độ theo công suất tiêu tán Hình 3.12: Sai số ƣớc lƣợng thay đổi nhiệt độ theo công suất tiêu tán Hình 3.13: Sơ đồ chẩn đoán tình trạng đánh lửa sở ƣớc lƣợng EF Hình 3.14: Khả ƣớc lƣợng hàm sở dạng đa thức Hình 3.15: Khả ƣớc lƣợng với hàm sở dạng Gauss Hình 3.16 Hiện tƣợng tính toàn cục thông số hàm không phù hợp Hình 3.17: Sai số ƣớc lƣợng theo số lƣợng tâm Lấy tâm trùng mẫu học Hình 3.18: Sai số ƣớc lƣợng theo số lƣợng tâm C Hình 3.19: Đồ thị sai số trung bình theo k C Hình 3.20: Sai số ƣớc lƣợng theo số lƣợng mẫu học - Phân bố tâm cách Hình 3.21: Kết học ƣớc lƣợng thông 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 trƣớc sau loại bỏ số liệu thô Hình 3.25: Ƣớc lƣợng 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] Điện áp dòng điện cấp tocin[oC], Nhiệt độ, lƣu lƣợng không khí làm mát đầu vào 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 dòng điện cuộn kích từ Ikt[A] Utx[V] Tổng sụt áp tiếp xúc cổ góp [WB] Từ trƣờng động 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 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 ngƣợc (Back Propagation Neural Network) ĐCĐK Động điện kéo ĐTCĐ Đối tƣợng 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 Thông số chẩn đoán LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận án công trình nghiên cứu khoa học không trùng lặp với công trình khoa học khác Các số liệu trình bày luận án đƣợc kiểm tra kỹ phản ánh hoàn toàn trung thực Các kết nghiên cứu tác giả đề xuất chƣa đƣợc công bố tạp chí đến thời điểm công 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 đƣợc sử dụng phổ biến ngành đƣờng sắt Việt Nam nhiều năm tới Đây loại thiết bị phù hợp với điều kiện đƣờng sắt chƣa điện khí hóa Hệ thống truyền động điện đầu máy sử dụng hệ thống máy phát điện – động điện để truyền lƣợng 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 lƣợng 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 dƣỡng thƣờng xuyên theo dõi tình trạng kỹ thuật vận hành chúng để có định xử lý kịp thời nhằm đảm bảo hoạt động bình thƣờng ĐCĐK nói riêng hệ thống truyền động điện nói chung giao thông đƣờng sắt ĐCĐK lắp đầu máy diezel mặt chịu ảnh hƣởng phụ tải lớn, bị chấn động va đập qua mối nối ray, qua ghi, chịu nhiệt độ cao, bụi bẩn, độ ẩm môi trƣờng, biến động lớn điện áp, cƣờng độ dòng điện khởi động thay đổi tốc độ theo tải tuyến đƣờng; ĐCĐK lắp dƣới gầm giá chuyển có không gian lắp đặt hạn hẹp, dễ bị nắng mƣa cát bụi, dầu mỡ chất bẩn bám vào; Mặt khác chịu điều kiện khắc nghiệt môi trƣờng nhiệt đới có nhiệt độ độ ẩm không khí cao, môi trƣờng địa hình bị thay đổi chạy qua nhiều vùng có thời tiết khí hậu khác nhau, nhiều chịu tải suy giảm từ trƣờng sinh xung điện áp lớn, lên dốc khởi động đƣờng có hệ số bám nhỏ trời mƣa phận chống rãy máy điều khiển thiếu xác, dẫn đến rãy máy kéo dài - Sai số ƣớc lƣợng vùng dòng điện thấp tƣơng đối cao Vùng có giá trị dòng điện xấp xỉ không tƣơng ứng với chế độ không tải (thả trôi dốc) đầu máy Vùng giá trị giá trị chẩn đoán điều kiện làm việc đặc biệt sai số ƣớc lƣợng cao - Các vùng lại có sai số ƣớc lƣợng tƣơng đối nhỏ, [...]... số chẩn đoán phù hợp cho ĐCĐK - Ứng dụng mạng n ron trong chẩn đoán tình trạng kỹ thuật ĐCĐK Đối tƣợng nghiên cứu của luận án: Luận án chẩn đoán kỹ thuật áp dụng cho ĐCĐK trong tình trạng đang hoạt động Phạm vi nghiên cứu: ứng dụng mạng n ron trong chẩn đoán kỹ thuật Phƣơng pháp nghiên cứu: Trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết về chẩn đoán, lựa chọn và xây dựng các mô hình chẩn đoán và phƣơng pháp chẩn đoán. .. đoán tình trạng kỹ thuật của đối tƣợng cần chẩn đoán Thực hiện mô phỏng trên máy tính và trên mô hình thí nghiệm để đánh giá kết quả chẩn đoán Cấu trúc của luận án gồm: Mở đầu Chương 1: Chẩn đoán kỹ thuật cho động cơ điện kéo: Nghiên cứu về phƣơng pháp chẩn đoán dựa trên mô hình áp dụng cho bài toán chẩn đoán thiết bị trong tình trạng hoạt động Tình hình nghiên cứu về chẩn đoán kỹ thuật và chẩn đoán kỹ. .. khác hẳn so với động cơ điện kéo trên đầu máy - là loại động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp, công suất lớn, làm việc trong dải rộng 33 1.5.2 Về động cơ điện kéo trên đầu máy Hƣớng nghiên cứu ứng dụng mạng n ron và tập mờ cũng đƣợc chú ý trong chẩn đoán động cơ điện kéo Các tác giả Miguel Angel Sanz-Bobi, và cộng sự đã sử dụng mạng n ron tự tổ chức Kohonen để đánh giá tình trạng hƣ hỏng của các chi... cấp thiết của ngành đƣờng sắt mang tính thời sự trong giai đoạn hiện nay và thời gian tới mà còn có ý nghĩa khoa học khi đƣa những công cụ mô phỏng và tính toán hiện đại vào lĩnh vực chẩn đoán kỹ thuật của ngành 9 Đề tài luận án Ứng dụng mạng nơ ron trong chẩn đoán tình trạng kỹ thuật động cơ điện kéo của đầu máy đi sâu nghiên cứu về lý thuyết chẩn đoán áp dụng cho đối tƣợng động cơ điện kéo nhằm... tần trong phạm vi làm việc của động cơ đều đƣợc nghiên cứu, phân tích nhằm phát hiện các vạch phổ ứng với lỗi: Dòng điện, tiếng ồn, từ trƣờng tản và đều tìm thấy đƣợc các đặc trƣng của lỗi [26],[42],[44],[60] Phân tích Wavelet sử dụng trong phân tích tín hiệu quá độ của động cơ [67],[68] 1.4.2.2 Sự ứng dụng của trí tuệ nhân tạo trong chẩn đoán động cơ: Trong lĩnh vực điều khiển động cơ, mạng n ron. .. thuật cho động cơ điện kéo Chương 2: Mô hình hóa và xây dựng tập thông số chẩn đoán cho ĐCĐK: Trên cơ sở phân tích mô hình cấu trúc của đối tƣợng và xác định hàm chỉ tiêu chất lƣợng thông số chẩn đoán, xây dựng tập thông số chẩn đoán cho bài toán phát hiện lỗi và phân biệt lỗi Chương 3: Ứng dụng mạng n ron trong chẩn đoán kỹ thuật cho ĐCĐK Nghiên cứu phƣơng pháp phân tích triệu chứng lỗi ứng dụng mạng. .. dòng điện của động cơ trong trƣờng hợp đứt mạch và chập mạch rotor làm cơ sở cho các phép phân tích dòng điện động cơ Các tác giả cũng đề xuất phƣơng pháp phát hiện lỗi động cơ DC trên cơ sở phân tích phổ tuy nhiên chƣa có các dấu hiệu đặc trƣng của triệu chứng lỗi trong từng tình huống cụ thể 32 David L McKinnon [65] đã thu thập các tín hiệu về dòng điện và điện áp của động cơ một chiều trong một số tình. .. lỗi động cơ DC sử dụng logic mờ mandami so sánh giữa tín hiệu vào và tín hiệu ra và phát hiện các lỗi thay đổi điện trở, điện cảm của động cơ Tác giả A Che Soh, M.Sc và R.Z Abdul Rahman đã nghiên cứu áp dụng mạng n ron để so sánh giữa 2 động cơ hoạt động song song của cùng 1 robot trong các nhằm phát hiện lỗi của động cơ hoặc cảm biến [18] Các nghiên cứu về phân tích số liệu của động cơ một chiều sử dụng. .. của động cơ và biến tần Trong đa số các ứng dụng, dòng stator của động cơ đƣợc kiểm soát để bảo vệ động cơ bởi các lỗi quá dòng, quá tải, chạm chập , do vậy, việc chẩn đoán dựa trên dòng điện không cần bổ sung thêm cảm biến Trong phƣơng pháp này, một số hƣớng chẩn đoán đƣợc sử dụng: - Phân tích dấu hiệu dòng điện: Trong thời gian gần đây, phƣơng pháp phân tích lỗi dựa trên dấu hiệu dòng điện đƣợc sử dụng. .. Tình hình nghiên cứu về chẩn đoán ở Việt Nam Ở Việt Nam, trong lĩnh vực đảm bảo khả năng làm việc của thiết bị, chủ yếu quan tâm đến độ tin cậy và tuổi thọ Lĩnh vực chẩn đoán nói chung và trong lĩnh vực chẩn đoán thiết bị điện, điện tử và máy điện nói riêng, còn ít đƣợc quan tâm nghiên cứu Các công trình nghiên cứu về lĩnh vực chẩn đoán trong nƣớc: Tác giả Lê Lăng Vân nghiên cứu về chẩn đoán tình trạng