专利名称：一种基于模板匹配的多开关参量故障诊断方法
技术领域：
本发明涉及故障诊断技术，特别涉及一种基于模板匹配的多开关参量故障诊断方法。
背景技术：
在工业生产、航天和国防等领域，随着许多设备逐步趋向大型化和复杂化，故障发生的可能性也随之增加。能否有效地监测设备运行的状态、快速准确地诊断设备发生的故障，是保障设备安全运行、保证任务顺利完成的关键所在。现有的监测方法一般通过实时测量设备运行时的状态参量，分析其中所包含的设备特征信息，而后依据一定的故障诊断策略，判断设备当前的状态，以实现对设备的故障诊断。开关量是设备状态参量中的主要类型，它是指设备中只具有开和关或I和O两种状态的参量类型，如限位开关、旋转开关、温度开关、各种按键、继电器的输出。开关量可分为以下两种:通断型(无源)开关量，反映被控对象的各种开关和触点的通、断状态；电平型(有源)开关量，反映逻辑电平的高低状态。但是，在现有技术中，对于这两种类型开关量的故障诊断只能是一对一的进行，而对于集成度越来越高的各种设备的多个开关量信号的状态组合出现的问题无能为力。

发明内容
针对上述现有技术中的问题，本发明的目的在于通过设备的多个开关量信息，提供一种基于模板匹配的多开关参量的故障诊断方法。现将本发明构思及技术解决方案叙述如下:多个开关量信号的状态组合直接反映了设备的工作状态和故障信息，加之开关量信号易于测量，准确度高，因此成为设备检测诊断中的重要依据。本发明一种基于模板匹配的多开关参量的故障诊断方法，其特征在于:包括以下步骤:步骤1:通过分析设备的工作原理，或者通过实际测量设备正常运行时多个开关量的变化过程，或者将两种方法相结合，获得设备正常运行条件下的开关量状态变化数据，得到正常的开关量状态变化时序图；步骤2:利用正常的开关量状态变化时序图进行模板构造，生成标准的状态转换表和时序转换表，即状态模板和时序模板；步骤3:实时测量设备实际运行时的开关量变化数据，得到实际的状态变化时序图，生成实际的状态转换表和时序转换表；步骤4:将实际的状态转换表与状态模板进行状态比对，并将实际的时序转换表与时序模板进行时长比对 ，得出状态误差或时序误差，进而判断出设备所发生的故障。步骤5:根据步骤4所判断出的故障，进一步进行故障类型的诊断。本发明进一步提供一种基于模板匹配的多开关参量的故障诊断方法，其特征在于:所述步骤I中开关量状态变化数据的获取方法具体为:步骤1.1:通过分析设备工作原理，得出设备正常运行时开关量的状态及转换时间；或利用设备监测系统测量设备正常运行时开关量的状态及转换时间:或将两种方法相
彡口口 步骤1.2:设被测设备有η个开关量，各开关量的状态用Ici表示，Ici定义如下:r L il 表示it,处于接通(或高电平)的位置./=|o 表示)t,处于断开(或低电平)的位置1 = 1’2’…n步骤1.3:把η个开关量的状态组合成一个集合K，K= {k1； k2,..., kj ;把K作为一个整体来看，则K的某一取值代表设备处于一个特定的状态；当在某一时刻某个或某些开关量的状态发生变化，称设备状态发生了转换。假定初始时刻为h，此时设备开关量状态为K0={k hk0 }r，其中上标T表示矩阵或向量的转置；第一次状态转换发生在时亥|J，此时的设备开关量状态为Ki HkiWXV ;依次类推，第q次状态转换发生在t,时亥IJ，此时的设备开关量状态为衫，...，<}%设备正常运行过程中所有的开关量转换时刻构成一个时序集合T, T = It1, t2,..., tq}。本发明进一步提供一种基于模板匹配 的多开关参量的故障诊断方法，其特征在于:所述步骤2中的状态模板和时序模板的构造方法具体为:步骤2.1:状态模板的构造方法:将设备正常运行过程中所有开关量状态集合进行排列，得到一个nX (q+1)的矩阵[K°，K1,..., Γ]，其中(q+1)是指包含初始状态和q次状态转换，该矩阵中各元素的数值对应标准的状态转换表，即状态模板；步骤2.2:时序模板构造方法::利用设备正常运行时的初始时刻h和时序集合T得到设备各次状态转换的时长，将状态转换时长进行一维排列，生成标准的时序转换表，即时序模板。本发明进一步提供一种基于模板匹配的多开关参量的故障诊断方法，其特征在于:所述步骤3中状态转换表和时序转换表的生成方法同步骤I和步骤2，不同的是该步骤中的开关状态变化数据为设备运行时的实测数据。本发明进一步提供一种基于模板匹配的多开关参量的故障诊断方法，其特征在于:所述步骤5中的故障类型的诊断“得出状态误差或时序误差，进而判断出设备所发生的故障”，其故障可分为三大类进行诊断，以下是三类故障及相应的诊断方法:1、设备运行的状态转换次数出现故障。将设备运行过程的实际状态转换表与状态模板进行转换次数比对，若实际转换次数多于状态模板的转换次数，说明设备运行过程中出现了不应有的状态转换；若实际转换次数少于状态模板的转换次数，说明设备运行过程中部分开关未出现应有的状态转换。当转换次数不同时，通过模板平移对比可快速发现不一致的地方，迅速找出故障部件；2、设备运行的状态转换次数正确，但转换结果出现故障。在设备运行过程的实际状态转换表与状态模板的转换次数相同的基础上，将实际状态转换表与状态模板进行数值比对，若数值不匹配，则说明不匹配项所对应的开关量出现故障；3、设备运行的状态转换正确，但时序转换出现故障。在设备状态转换正确的基础上，将设备整个工作过程的实际时序转换表与时序模板进行数值比对，若实际时序转换表中的状态转换时刻与时序模板中的转换时刻匹配，表明设备运行正常；否则说明设备出现故障，此时，通过设备出现故障的转换时刻可快速确定设备故障的出现时间，进而分析确定故障的成因。


图1本发明故障诊断原理和方法图。图2开关量状态变化时序图。图3状态模板。图4时序模板。图5本发明应用 实例设备正常运行的开关量状态变化时序6本发明应用实例设备正常运行的状态模板图7本发明应用实例设备正常运行的时序模板图8本发明应用实例状态转换次数故障的开关量状态变化时序9本发明应用实例状态转换次数故障的状态转换表图10本发明应用实例状态转换次数故障的时序转换表图11本发明应用实例状态转换结果故障的开关量状态变化时序12本发明应用实例状态转换结果故障的状态转换表图13本发明应用实例状态转换结果故障的时序转换表
具体实施例方式以下结合附图和实施例对本发明做进一步详细的说明。如图1所示，首先利用设备正常的开关量状态变化数据得到正常的开关量状态变化时序图，然后进行模板构造，生成设备正常状态时的状态模板和时序模板，这是诊断的基础；利用实时测量设备运行的开关量状态变化数据生成实际的状态转换表和时序转换表；最后通过状态比对和时长比对来判断设备的状态，当实际的状态转换表与状态模板出现状态不匹配或时序转换表与时序模板出现时序不匹配时，可以判定不匹配项所对应的实测数据为故障数据，设备处于故障状态。如图2所示，开关量状态变化时序图:纵向自上而下依次表示被测设备的η个开关量，数值I和O代表开关量的两种状态；横向为时间轴，标示出设备运行过程中发生的q次状态转换。如图3所示，状态模板:为二维单位网格，纵向自上而下依次表示η个开关量，横向表示各次状态转换，单位格中的数值I和O代表相邻的两次转换之间开关的两种状态。如图4所示，时序模板:为一维长方形网格，长方格中的数值与长方格的宽度成正比，表示相邻的两次状态转换之间的时间间隔。实施例本实施例中的设备有3个开关量，即η = 3，具体实施步骤:步骤1:通过分析设备的工作原理，获得设备正常运行时的开关量状态变化时序图，如图5所示；步骤2:由图5可知设备正常运行过程中共出现7次状态转换，即q = 7，初始状态集合Κ°= {0，0，1}τ，各次转换后的开关量状态集合分别为K1= {1，1，1}T、K2= {0，1，0}τ、K3 = {0，0，0}Τ、Κ4= {1，0，0}Τ、Κ5= {0，1，1}Τ、Κ6= {1，0，0}Τ、Κ7= {1，1，0}τ ;设备正常运行过程中所有开关量状态的转换时刻构成时序集合T: {3，5，7，9，11，16，20}，且h = 0，状态转换的间隔时长分别为3、2、2、2、2、5、4。将设备正常运行时的开关量状态集合进行排列，得到一个3X (7+1)的矩阵[K°，K1，…，K7]，即状态模板(图6);将状态转换间隔时长进行一维排列，生成标准的时序转换表，即时序模板(图7);步骤3:实时测量设备运行的开关量状态变化数据，获得设备实际运行时的开关量状态变化时序图，如图8所示；步骤4:同步骤2得到设备运行时的状态转换表(图9)和时序转换表(图10);步骤5:将实际的状态转换表(图9)与状态模板(图6)进行转换次数(即横向单位格数)比对，发现转换次数不正确，实际格数少于模板格数，表明设备运行过程中出现了第一类故障，即状态转换次数故障。通过模板平移对比，发现开关k2的状态值与状态模板不匹配，表明设备运行时开关匕发生故障。步骤6:设备开关k2的故障排除后，重新测量设备运行的开关量状态变化数据，获得设备运行时的开关量状态变化时序图，如图11所示；步骤7:同步骤2，得到设备运行时的状态转换表(图12)和时序转换表(图13);步骤8:将实际的状态转换表(图12)与状态模板(图6)进行转换次数(即横向单位格数)比对，发现状态转换次数正确，排除第一类故障。再将实际状态转换表(图12)与状态模板(图6)进行数值比对，发现开关Ic1对应的状态数值与状态模板不匹配，则说明开关h出现了第二类故障， 即状态转换结果故障；步骤9:对设备的开关Ic1进行故障排除，再次测量设备运行的开关量状态变化数据，获得设备运行时的开关量状态变化时序图；步骤10:同步骤2得到设备运行时的状态转换表和时序转换表；步骤11:将实际的状态转换表与状态模板(图6)进行比对，发现状态转换次数和状态转换结果均正确，表明设备运行的状态转换正确，排除一、二类故障。将设备整个工作过程的时序转换表与时序模板(图7)进行数值比对，发现第6次状态转换的间隔时长分别为5和1，时序转换出现大的偏差，说明设备发生第三类故障，即状态转换时序故障。
权利要求
1.一种基于模板匹配的多开关参量故障诊断方法，其特征在于:包括以下步骤: 步骤1:通过分析设备的工作原理，或者通过实际测量设备正常运行时多个开关量的变化过程，或者将两种方法相结合，获得设备正常运行条件下的开关量状态变化数据，得到正常的开关量状态变化时序图； 步骤2:利用正常的开关量状态变化时序图进行模板构造，生成标准的状态转换表和时序转换表，即状态模板和时序模板； 步骤3:实时测量设备实际运 行时的开关量变化数据，得到实际的状态变化时序图，生成实际的状态转换表和时序转换表； 步骤4:将实际的状态转换表与状态模板进行状态比对，并将实际的时序转换表与时序模板进行时长比对，得出状态误差或时序误差，进而判断出设备所发生的故障。
步骤5:根据步骤4所判断出的故障，进一步进行故障类型的诊断。
2.根据权利要求1所述的一种基于模板匹配的多开关参量的故障诊断方法，其特征在于:所述步骤I中开关量状态变化数据的获取方法具体为: 步骤1.1:通过分析设备工作原理，得出设备正常运行时开关量的状态及转换时间或利用设备监测系统测量设备正常运行时开关量的状态及转换时间或将两种方法相结合；步骤1.2:设被测设备有η个开关量，各开关量的状态用Ici表示，h定义如下: = 表示it,处于接通(或高电平)的位置.= ,=
，其中(q+1)是指包含初始状态和q次状态转换，该矩阵中各元素的数值对应标准的状态转换表，即状态模板； 步骤2.2:时序模板构造方法::利用设备正常运行时的初始时刻h和时序集合T得到设备各次状态转换的时长，将状态转换时长进行一维排列，生成标准的时序转换表，即时序模板。
4.根据权利要求1 3任一所述的一种基于模板匹配的多开关参量的故障诊断方法，其特征在于:所述步骤3中状态转换表和时序转换表的生成方法同步骤I和步骤2，不同的是该步骤中的开关状态变化数据为设备运行时的实测数据。
5.根据权利要求1所述的一种基于模板匹配的多开关参量的故障诊断方法，其特征在于:所述步骤5中的故障类型的诊断具体为:(I)设备运行的状态转换次数出现故障、(2)设备运行的状态转换次数正确，但转换结果出现故障、(3)设备运行的状态转换正确，但时序转换出现故障。
6.根据权利要求5所述的一种基于模板匹配的多开关参量的故障诊断方法，其特征在于:所述故障(I)的具体诊断方法为:将设备运行过程的实际状态转换表与状态模板进行转换次数比对，若实际转换次数多于状态模板的转换次数，说明设备运行过程中出现了不应有的状态转换；若实际转换次数少于状态模板的转换次数，说明设备运行过程中部分开关未出现应有的状态转换；当转换次数不同时，通过模板平移对比可快速发现不一致的地方，迅速找出故障部件。
7.根据权利要求5所述的一种基于模板匹配的多开关参量的故障诊断方法，其特征在于:所述故障(2)的具体诊断方法为:在设备运行过程的实际状态转换表与状态模板的转换次数相同的基础上，将实际状态 转换表与状态模板进行数值比对，若数值不匹配，则说明不匹配项所对应的开关量出现故障。
8.根据权利要求5所述的一种基于模板匹配的多开关参量的故障诊断方法，其特征在于:所述故障(3)的具体诊断方法为:在设备状态转换正确的基础上，将设备整个工作过程的实际时序转换表与时序模板进行数值比对，若实际时序转换表中的状态转换时刻与时序模板中的转换时刻匹配，表明设备运行正常；否则说明设备出现故障，此时，通过设备出现故障的转换时刻可快速确定设备故障的出现时间，进而分析确定故障的成因。
全文摘要
本发明涉及一种基于模板匹配的多开关参量故障诊断的方法，用被测设备正常运行时的多个开关状态参量，生成与时间无关的状态转换表和标准的时序转换表，分为状态模板和时序模板；实时测量设备实际运行时的开关状态参量，生成实际的状态转换表和时序转换表；将实际的状态转换表与状态模板进行比对，并将实际的时序转换表与时序模板进行比对，得出状态误差或时序误差，进而判断出设备所发生的故障。本发明同现有技术相比，不仅改变了两种类型开关量的故障诊断只能是一对一的进行的现状，而且对于集成度越来越高的各种设备的多个开关量信号的状态组合出现的问题，可根据实际设备灵活生成，有广阔的应用范围，特别适用于一线操作人员使用。
文档编号G01R31/00GK103197162SQ201210000400
公开日2013年7月10日 申请日期2012年1月4日 优先权日2012年1月4日
发明者蔡伟, 孙凌逸, 杨志勇, 张金玉, 黄先祥, 高钦和, 戴民强, 张志永 申请人:中国人民解放军第二炮兵工程学院