一种变换器开路故障的分析诊断方法、系统、设备及介质

1.本发明属于机器人电源系统技术领域，具体涉及一种变换器开路故障的分析诊断方法、系统、设备及介质。


背景技术：

2.逆变器作为机器人电源系统的核心部件，具有抗强电磁干扰、体积小、输出功率大等特点，其工作的可靠性是保证整个电源系统安全运行的关键；据统计，逆变器中主电路的开关器件及其控制电路是最容易发生故障的薄弱环节，其中功率器件的故障率占总体故障的34％；功率器件故障进一步分为短路故障和开路故障，而短路故障在一定条件下，逆变电路会通过自身熔断器将其转换为开路故障，但开路故障发生时，其瞬时破坏较小，系统会在故障下继续畸形运行并随着时间积累最终导致系统瘫痪。因此，逆变器开路故障诊断，对机器人电源系统安全运行具有重要意义。
3.目前，国内外针对逆变器开路故障出现的故障智能诊断方法主要有神经网络、支持向量机(svm)、粗糙集等方法；基于量子神经网络信息融合的故障诊断方法、基于深度神经网络的多电平联h级逆变器的故障诊断方法均提高了故障诊断效率，但忽略了系统自身所带来的干扰；一种粗糙集贪心算法来进行数据离散和属性约简并提取有效规则表的方法考虑故障特征信息的冗余性，但计算量普遍较大，计算过程较复杂；在针对逆变器故障诊断中，采用的神经网络、支持向量机等基于人工智能学习算法的诊断方法需要大量的样本计算进行学习，计算过程较复杂。


技术实现要素：

4.针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种变换器开路故障的分析诊断方法、系统、设备及介质，提高了故障信息的准确性，降低逆变器自身干扰所带来误差的同时在逆变器故障诊断中具有良好的稳定性，使诊断结果更加客观。
5.本发明是通过以下技术方案来实现：
6.一种变换器开路故障的分析诊断方法，包括以下步骤：
7.s1：将故障电流信号经压缩感知技术重构，得到一个包含原始信息的小数据集；
8.s2：基于灰色关联分析对逆变器故障进行辨识，针对逆变器开关管开路故障诊断，建立电流信号参考序列和电流信号比较序列，并对其进行无量纲化处理；
9.s3：计算变换器各运行状态的参考电流信号和故障电流信号间的间距，并得到两极最大差和最小差；
10.s4：计算参考电流信号和故障电流信号之间的相关系数，并进行灰色关联度分析，计算关联度；
11.s5：根据所得关联度，输出关联度向量并以此判断变换器故障类型。
12.进一步的，所述步骤s1中故障电流信号经压缩感知技术重构包括以下步骤：
13.采用离散转换方法对电流信号进行稀疏性处理并压缩，对压缩后的电流特征信
号，根据已知测量值y和测量矩阵φ，并基于方程组y＝φx得到原始电流信号x，完后故障电流信号的重构。
14.进一步的，所述步骤s2中电流信号参考序列和电流信号比较序列表示为：
[0015][0016]
其中，x0为逆变器各运行状态的参考电流信号序列，n为故障电流信号采集的样本数xi＝(xi(1),xi(2),
…
,xi(n)),i＝1,2,
…
,m。
[0017]
进一步的，对步骤s2中电流信号参考序列和电流信号比较序列进行无量纲化处理过程包括：
[0018]
建立无量纲模型：
[0019][0020]
经无量纲模型处理后的故障电流信号序列为：
[0021][0022]
进一步的，所述步骤s3中计算参考电流信号和故障电流信号间间距的计算过程为：
[0023]
δ
0ik
＝||x'0(k)-x'i(k)||；
[0024]
其中，x'0(k)为参考电流信号，x'i(k)为故障电流信号；
[0025]
两极最大差和最小差的计算过程为：
[0026][0027]
进一步的，所述步骤s4中相关系数的计算过程为：
[0028][0029]
其中，ξ是分别系数，通常取ξ＝0.5；
[0030]
其关联度计算过程为：
[0031][0032]
进一步的，所述步骤s5中输出的关联度向量为γ＝[γ
01
,γ
02
,
…
γ
0m
]，若γi＝max[γ
01
,γ
02
,
…
γ
0m
]，则x0与xi的关联度最大，则逆变器开关管发生开路故障为第i种故障。
[0033]
一种适用于变换器开路故障的基于改进灰色关联分析诊断系统，包括：
[0034]
重构模块，用于将故障电流信号经压缩感知技术重构，得到一个包含原始信息的
小数据集；
[0035]
无量纲化处理模块，用于基于灰色关联分析对逆变器故障进行辨识，针对逆变器开关管开路故障诊断，建立电流信号参考序列和电流信号比较序列，并对其进行无量纲化处理；
[0036]
计算模块，用于计算变换器各运行状态的参考电流信号和故障电流信号间的间距，并得到两极最大差和最小差；
[0037]
关联度计算模块，用于计算参考电流信号和故障电流信号之间的相关系数，并进行灰色关联度分析，计算关联度；
[0038]
判断输出模块，用于根据所得关联度，输出关联度向量并以此判断变换器故障类型。
[0039]
一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述一种变换器开路故障的分析诊断方法的步骤。
[0040]
一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述一种变换器开路故障的分析诊断方法的步骤。
[0041]
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
[0042]
本发明提供一种变换器开路故障的分析诊断方法、系统、设备及介质，包括以下步骤：将故障电流信号经压缩感知技术重构，得到一个包含原始信息的小数据集；基于灰色关联分析对逆变器故障进行辨识，针对逆变器开关管开路故障诊断，建立电流信号参考序列和电流信号比较序列，并对其进行无量纲化处理；计算变换器各运行状态的参考电流信号和故障电流信号间的间距，并得到两极最大差和最小差；计算参考电流信号和故障电流信号之间的相关系数，并进行灰色关联度分析，计算关联度；根据所得关联度，输出关联度向量并以此判断变换器故障类型；本技术通过压缩感知技术使故障电流信号冗余性降低，极大的减少了数据的处理，提取到包含充足故障信息的有效电流信号特征，在此基础上基于灰色关联分析方法，完成逆变器开路故障诊断。仿真结果验证该方法提高了故障信息的准确性，降低逆变器自身干扰所带来误差的同时在逆变器故障诊断中具有良好的稳定性，使诊断结果更加客观，证明了该方法对于逆变器开路故障诊断的有效性。
附图说明
[0043]
图1为本发明一种变换器开路故障的分析诊断方法流程图；
[0044]
图2为现有技术中的三相电压源型逆变器拓扑
[0045]
图3为本发明具体实施例中故障电流信号的原始波形；
[0046]
图4为本发明具体实施例中高斯噪声信号的原始波形；
[0047]
图5为本发明具体实施例中故障电流信号经压缩感知技术重构后的波形；
[0048]
图6为本发明具体实施例中高斯噪声信号经压缩感知技术重构后的波形；
[0049]
图7为本发明具体实施例中采用本方法诊断后的逆变器输出端电流信号波形。
具体实施方式
[0050]
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而
不是限定。
[0051]
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
[0052]
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
[0053]
本发明提供一种变换器开路故障的分析诊断方法，如图1所示，包括以下步骤：
[0054]
s1：将故障电流信号经压缩感知技术重构，得到一个包含原始信息的小数据集；
[0055]
s2：基于灰色关联分析对逆变器故障进行辨识，针对逆变器开关管开路故障诊断，建立电流信号参考序列和电流信号比较序列，并对其进行无量纲化处理；
[0056]
s3：计算变换器各运行状态的参考电流信号和故障电流信号间的间距，并得到两极最大差和最小差；
[0057]
s4：计算参考电流信号和故障电流信号之间的相关系数，并进行灰色关联度分析，计算关联度；
[0058]
s5：根据所得关联度，输出关联度向量并以此判断变换器故障类型。
[0059]
优选的，所述步骤s1中故障电流信号经压缩感知技术重构包括以下步骤：
[0060]
采用离散转换方法对电流信号进行稀疏性处理并压缩，对压缩后的电流特征信号，根据已知测量值y和测量矩阵φ，并基于方程组y＝φx得到原始电流信号x，完后故障电流信号的重构。
[0061]
优选的，所述步骤s2中电流信号参考序列和电流信号比较序列表示为：
[0062][0063]
其中，x0为逆变器各运行状态的参考电流信号序列，n为故障电流信号采集的样本数xi＝(xi(1),xi(2),
…
,xi(n)),i＝1,2,
…
,m。
[0064]
优选的，对步骤s2中电流信号参考序列和电流信号比较序列进行无量纲化处理过程包括：
[0065]
建立无量纲模型：
[0066][0067]
经无量纲模型处理后的故障电流信号序列为：
[0068][0069]
优选的，所述步骤s3中计算参考电流信号和故障电流信号间间距的计算过程为：
[0070]
δ
0ik
＝||x'0(k)-x'i(k)||；
[0071]
其中，x'0(k)为参考电流信号，x'i(k)为故障电流信号；
[0072]
两极最大差和最小差的计算过程为：
[0073][0074]
优选的，所述步骤s4中相关系数的计算过程为：
[0075][0076]
其中，ξ是分别系数，通常取ξ＝0.5；
[0077]
其关联度计算过程为：
[0078][0079]
优选的，所述步骤s5中输出的关联度向量为γ＝[γ
01
,γ
02
,
…
γ
0m
]，若γi＝max[γ
01
,γ
02
,
…
γ
0m
]，则x0与xi的关联度最大，则逆变器开关管发生开路故障为第i种故障。
[0080]
本发明提供一种实施例为，针对如图2所示的三相电压源型逆变器输出相电流信号，采用传统离散转换的方法来比较损坏的电信号与噪声信号的稀疏性，通过比较图3和图5，本领域技术人员可以看出故障电流信号具有明显的稀疏性即可压缩性；通过比较图4和图6噪声信号不具有稀疏性即不可压缩性，本技术将电流信号通过压缩感知技术在压缩采样过程中会去除冗余的噪声信息，并且噪声信号是不可恢复的；根据电流信号的可压缩性和噪声信号的不可压缩性，对故障电流信号进行压缩重构后，提取到有效故障电流既包含充足的故障信息，同时冗余的噪声信息含量相对减少，作为后续的故障诊断的故障特征，而经过压缩感知技术重构后的电流信号，冗余的噪声信息含量相对减少，为后续的故障诊断提取到有效故障电流特征，如图7所示，三相电压源型逆变器输出的初始信号和修复后的信号几乎一致。
[0081]
本发明提供一种适用于变换器开路故障的基于改进灰色关联分析诊断系统，包括：
[0082]
重构模块，用于将故障电流信号经压缩感知技术重构，得到一个包含原始信息的小数据集；
[0083]
无量纲化处理模块，用于基于灰色关联分析对逆变器故障进行辨识，针对逆变器开关管开路故障诊断，建立电流信号参考序列和电流信号比较序列，并对其进行无量纲化处理；
[0084]
计算模块，用于计算变换器各运行状态的参考电流信号和故障电流信号间的间距，并得到两极最大差和最小差；
[0085]
关联度计算模块，用于计算参考电流信号和故障电流信号之间的相关系数，并进
行灰色关联度分析，计算关联度；
[0086]
判断输出模块，用于根据所得关联度，输出关联度向量并以此判断变换器故障类型。
[0087]
本发明再一个实施例中，提供了一种计算机设备，该计算机设备包括处理器以及存储器，所述存储器用于存储计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，所述处理器用于执行所述计算机存储介质存储的程序指令。处理器可能是中央处理单元(central processing unit，cpu)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(digital signal processor、dsp)、专用集成电路(application specific integrated circuit，asic)、现成可编程门阵列(field-programmable gatearray，fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等，其是终端的计算核心以及控制核心，其适于实现一条或一条以上指令，具体适于加载并执行计算机存储介质内一条或一条以上指令从而实现相应方法流程或相应功能；本发明实施例所述的处理器可以用于一种变换器开路故障的分析诊断方法的操作。
[0088]
本发明再一个实施例中，本发明还提供了一种存储介质，具体为计算机可读存储介质(memory)，所述计算机可读存储介质是计算机设备中的记忆设备，用于存放程序和数据。可以理解的是，此处的计算机可读存储介质既可以包括计算机设备中的内置存储介质，当然也可以包括计算机设备所支持的扩展存储介质。计算机可读存储介质提供存储空间，该存储空间存储了终端的操作系统。并且，在该存储空间中还存放了适于被处理器加载并执行的一条或一条以上的指令，这些指令可以是一个或一个以上的计算机程序(包括程序代码)。需要说明的是，此处的计算机可读存储介质可以是高速ram存储器，也可以是非不稳定的存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。可由处理器加载并执行计算机可读存储介质中存放的一条或一条以上指令，以实现上述实施例中有关一种变换器开路故障的分析诊断方法的相应步骤。
[0089]
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0090]
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0091]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0092]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计
算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0093]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。

技术特征：
1.一种变换器开路故障的分析诊断方法，其特征在于，包括以下步骤：s1：将故障电流信号经压缩感知技术重构，得到一个包含原始信息的小数据集；s2：基于灰色关联分析对逆变器故障进行辨识，针对逆变器开关管开路故障诊断，建立电流信号参考序列和电流信号比较序列，并对其进行无量纲化处理；s3：计算变换器各运行状态的参考电流信号和故障电流信号间的间距，并得到两极最大差和最小差；s4：计算参考电流信号和故障电流信号之间的相关系数，并进行灰色关联度分析，计算关联度；s5：根据所得关联度，输出关联度向量并以此判断变换器故障类型。2.根据权利要求1所述一种变换器开路故障的分析诊断方法，其特征在于，所述步骤s1中故障电流信号经压缩感知技术重构包括以下步骤：采用离散转换方法对电流信号进行稀疏性处理并压缩，对压缩后的电流特征信号，根据已知测量值y和测量矩阵φ，并基于方程组y＝φx得到原始电流信号x，完后故障电流信号的重构。3.根据权利要求1所述一种变换器开路故障的分析诊断方法，其特征在于，所述步骤s2中电流信号参考序列和电流信号比较序列表示为：其中，x0为逆变器各运行状态的参考电流信号序列，n为故障电流信号采集的样本数x
i
＝(x
i
(1),x
i
(2),
…
,x
i
(n)),i＝1,2,
…
,m。4.根据权利要求3所述一种变换器开路故障的分析诊断方法，其特征在于，对步骤s2中电流信号参考序列和电流信号比较序列进行无量纲化处理过程包括：建立无量纲模型：经无量纲模型处理后的故障电流信号序列为：5.根据权利要求1所述一种变换器开路故障的分析诊断方法，其特征在于，所述步骤s3中计算参考电流信号和故障电流信号间间距的计算过程为：δ
0ik
＝||x'0(k)-x'
i
(k)||；其中，x'0(k)为参考电流信号，x'
i
(k)为故障电流信号；两极最大差和最小差的计算过程为：
6.根据权利要求1所述一种变换器开路故障的分析诊断方法，其特征在于，所述步骤s4中相关系数的计算过程为：其中，ξ是分别系数，通常取ξ＝0.5；其关联度计算过程为：7.根据权利要求1所述一种变换器开路故障的分析诊断方法，其特征在于，所述步骤s5中输出的关联度向量为γ＝[γ
01
,γ
02
,
…
γ
0m
]，若γ
i
＝max[γ
01
,γ
02
,
…
γ
0m
]，则x0与x
i
的关联度最大，则逆变器开关管发生开路故障为第i种故障。8.一种适用于变换器开路故障的基于改进灰色关联分析诊断系统，其特征在于，基于权利要求1-7任意项所述一种变换器开路故障的分析诊断方法，包括：重构模块，用于将故障电流信号经压缩感知技术重构，得到一个包含原始信息的小数据集；无量纲化处理模块，用于基于灰色关联分析对逆变器故障进行辨识，针对逆变器开关管开路故障诊断，建立电流信号参考序列和电流信号比较序列，并对其进行无量纲化处理；计算模块，用于计算变换器各运行状态的参考电流信号和故障电流信号间的间距，并得到两极最大差和最小差；关联度计算模块，用于计算参考电流信号和故障电流信号之间的相关系数，并进行灰色关联度分析，计算关联度；判断输出模块，用于根据所得关联度，输出关联度向量并以此判断变换器故障类型。9.一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1-7任一项所述一种变换器开路故障的分析诊断方法的步骤。10.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-7任一项所述一种变换器开路故障的分析诊断方法的步骤。

技术总结
本发明提供一种变换器开路故障的分析诊断方法、系统、设备及介质，包括以下步骤：将故障电流信号经压缩感知技术重构，得到一个包含原始信息的小数据集；基于灰色关联分析对逆变器故障进行辨识，针对逆变器开关管开路故障诊断，建立电流信号参考序列和电流信号比较序列，并对其进行无量纲化处理；计算变换器各运行状态的参考电流信号和故障电流信号间的间距，并得到两极最大差和最小差；计算参考电流信号和故障电流信号之间的相关系数，并进行灰色关联度分析，计算关联度；根据所得关联度，输出关联度向量并以此判断变换器故障类型；本申请降低逆变器自身干扰所带来误差的同时在逆变器故障诊断中具有良好的稳定性，使诊断结果更加客观。更加客观。更加客观。


技术研发人员：张逸帆 郭楚佳 张莹
受保护的技术使用者：陕西科技大学
技术研发日：2023.04.14
技术公布日：2023/7/7