基于集成小波神经网络的铝电解故障诊断技术研究

论文摘要

铝电解过程是一个非线性、强耦合、时变和大时滞的工业体系。铝电解过程设备结构复杂,故障种类繁多,故障的发生,对整个电解系列的产生都有很大影响,使电流效率下降,影响电解系列的各项技术指标,降低了铝的产量和质量,破坏了整个电解系列的平稳供电。因此,及时有效地进行故障诊断,对保证整个电解系列平稳安全生产,节约电能具有十分重要的意义。由于铝电解的非线性特点,难以建立精确的机理模型进行分析。但是通过对铝电解过程各种故障的相关量分析,利用智能算法进行辨识已经成为一种有效的手段。比如,已经有研究人员将粗糙集、BP神经网络、Elman神经网络、小波神经网络应用到铝电解故障诊断中。尽管这些方法已经取得了一定的效果,但是有的模型在训练时收敛速度慢,容易陷入局部极小值,造成训练时间长,故障诊断的准确率不高,而且缺少对复合故障的诊断,不能满足要求。因此,本文以铝电解过程为研究对象,针对目前故障诊断方法存在的问题,提出了一套新的故障诊断方案,并做了如下工作:第一,概述了国内外铝电解的发展状况,对铝电解故障诊断意义进行了阐述。论述了现有故障诊断方法的应用及存在的问题,论证了改进现有故障诊断方法的必要性。第二,对控制系统的故障诊断方法进行了理论探讨。针对铝电解过程中各种故障,详细分析了其产生的原因和预防方法,并提取了故障诊断的特征量,提出了论文中所采用的故障诊断方法。第三,首先分析了神经网络应用于故障诊断的可能性和必要性。论述了小波分析与神经网络的结合途径,然后论述了阳极效应预报的常见方法,同时指出了目前阳极效应预报方法的不足之处。第四,分别采用Elman神经网络和小波Elman神经网络,根据阳极效应发生的机理,建立故障诊断模型,并对基本Elman神经网络模型结构进行改进,以期待达到理想的诊断效果。仿真结果表明:小波Elman神经网络诊断阳极效应具有诊断时间短,准确率高等特点,具有很好的实时性和可靠性。第五,根据铝电解过程中多种故障同时发生,并且各种故障之间存在着层次关系和因果关系的特点,提出了基于信息融合技术的集成小波神经网络的多故障诊断方法。并根据诊断流程设计了人机接口。仿真结果表明:该方法可对电解过程中多种故障的发生进行有效地诊断,解决了单一故障诊断方法难以解决的问题。第六,对基于神经网络的铝电解故障诊断方法进行了总结,对其优点和不足进行进一步地探讨,对为来工作进行了展望。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.1.1 铝电解故障诊断简介
• 1.1.2 国内外铝电解故障诊断研究现状
• 1.2 课题研究的目的和意义
• 1.3 本论文的主要工作
• 第二章 铝电解的故障诊断技术
• 2.1 控制系统的故障诊断技术
• 2.1.1 故障诊断技术概述
• 2.1.2 故障诊断的主要方法
• 2.1.3 故障诊断中的热点问题
• 2.1.4 故障诊断技术的发展趋势
• 2.2 铝电解生产过程中的常见故障与特征
• 2.3 故障诊断特征量的选取
• 2.4 本章小结
• 第三章 基于神经网络的阳极效应故障诊断方法研究
• 3.1 神经网络与故障诊断
• 3.1.1 神经网络应用于故障诊断的意义
• 3.1.2 神经网络故障诊断原理
• 3.1.3 神经网络故障诊断方法
• 3.2 Elman 神经网络简介
• 3.3 小波神经网络基础
• 3.3.1 小波分析基础
• 3.3.2 小波分析和神经网络的结合途径
• 3.4 阳极效应发生机理
• 3.5 阳极效应预报方法及存在的问题
• 3.6 本章小结
• 第四章 基于小波Elman 神经网络阳极效应故障诊断研究
• 4.1 阳极效应参数的确定
• 4.2 基于 Elman 神经网络的阳极效应故障诊断
• 4.2.1 基于 Elman 神经网络的阳极效应故障诊断模型的结构
• 4.2.2 Elman 神经网络的学习算法
• 4.3 Elman 神经网络模型的改进
• 4.3.1 改进Elman 网络的数学模型
• 4.3.2 改进Elman 网络的学习算法
• 4.4 基于小波 Elman 神经网络的阳极效应故障诊断
• 4.4.1 小波Elman 神经网络的数学模型
• 4.4.2 小波Elman 神经网络的学习算法
• 4.5 仿真研究
• 4.5.1 阳极效应故障诊断过程分析
• 4.5.2 仿真研究
• 4.6 本章小结
• 第五章 基于集成小波神经网络的铝电解故障诊断研究
• 5.1 基于集成小波神经网络的建模研究
• 5.1.1 单子神经网络故障诊断的局限性
• 5.1.2 基于信息融合的集成小波神经网络的基本思想
• 5.1.3 集成小波神经网络的基本结构
• 5.1.4 子神经网络的组建原则
• 5.1.5 集成小波神经网络的实现策略
• 5.2 基于集成小波神经网络的故障诊断的实现
• 5.3 故障诊断系统的人机接口设计
• 5.3.1 系统的组成和功能
• 5.3.2 下位机硬件组成
• 5.3.3 上位机管理软件的设计
• 5.4 仿真研究
• 5.4.1 故障诊断系统实现过程
• 5.4.2 仿真实验结果
• 5.5 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 作者简介
• 作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢