第五章 基于小波神经网络的异步电机故障诊断

5.1 异步电机数据获取

本文所采用的数据来自于刘凉的电机故障诊断研究。采用Y132s4型的异步电机作为故障诊断模型。各参数如下：

表5-1 Y132s4型异步电机参数

电动机轴承参数如下表：

表5-2 轴承参数

异步电机的转差率（一定负载）s0.023，转子频率fr244Hz，电源供电频率50.5Hz。nwsnrtnB1。将这些参数代入之前推导的故障频率公式中了得出对应的结果。将定子电流的基波频率作为特征频率。

转子断条故障特征频率：frt147.7Hz，frt252.3Hz：

轴承故障特征频率：fbe1610.6Hz,fbe2710.6Hz,fbe3850.8Hz，

fbe4950.9Hz。

气隙偏心故障特征频率：fecc1732.3Hz,fecc2932.4Hz（静态） （动态）fecc3707.8Hz,fecc4807.9Hz,fecc5756.7Hz,fecc6856.8Hz 定子绕组故障特征频率：fs1147.8Hz,fs2245.6Hz

由转子断条、气隙偏心和轴承故障频率的公式，我们可以发现频率都是成对出现的，为了减小神经网络结构，这里我们从气隙偏心和轴承故障成对出现的频率中选取其中一个作为特征频率，但不会影响故障诊断的准确性。

转子断条特征频率：frt147.7Hz：

轴承故障特征频率：fbe1610.6Hz，fbe4950.9Hz：

气隙偏心故障特征频率：fecc1732.3Hz（静态）： （动态）fecc3707.8Hz,fecc5756.7Hz：

提取出特征值后就是要训练样本采用的故障特征频率对应的幅值。神经网络样本越多越能反应其内在的规律，但是当样本多到一定程度的时候就会停滞。而且样本要做到均匀很多样。所以我选取其中的 20组共 100 个数据 作为神经网络的样本数据，其中，正常样本和四种故障分别各有 20 个，用前 95 个作为训练样本训练神经网络，后面 5 个作为测试样本，测试神经网络的准确性。这里给出其中一组故障样本数据。

表5-3 一组异步电机样本数据

5.2小波神经网络结构设计

（1）输入层设计

因为选取了9个特征频率，所以我们也要将输入层神经元设为9个。 （2）输出层设计。

因为异步电机故障是四种，所以我们要将输出节点设置为四个来分别对应四种故障。输出模式设为：故障发生输出状态1，否则就设置为0 。输出模式如下图：

表5-5 神经网络输出模式设置

（3）隐含层节点设计

隐含层的作用是在提供的样本数据中寻找规律。数据过少则无法完全将信息提取出来，数据过多用容易获取一些无用信息（噪声）。为此我们需要先设定一个小的节点进行训练，观察误差收敛。然后慢慢增加节点，用上一批数据进行训练来比较收敛。误差最小的那个对应的节点就作为隐含层节点。初始节点的设置可以通过经验公式来计算：

mn1a 式（5-1） mlog（5-2） 2n 式 mnl 式（5-3） 其中n是输入节点数目，l是输出节点数目，a是1-10间的常数。

5.3异步电机故障诊断仿真

5.4.1小波神经网络电机故障诊断仿真

根据第二章的描述方法将神经网络的结构与参数设置如下： 神经网络结构:三层前馈网络。 输入层节点数目：9 输出层节点数目：4

隐含层节点数目：根据公式设定初始节点6，在训练时不断调试，选择误差最小的那个。

隐含层传递函数：Morlet小波函数 输出层传递函数：sigmoid函数 目标误差设置值：0.01 动量因子值：0.9

学习速率：采用自适应学习胜率优化算法，设定初始学习速率是0.01。 训练结束条件：最大训练步数为2500步，时间为30秒。 训练过程中，本文先通过调节隐含层节点数来观察网络误差

收敛情况，本文从 6 个节点加到 10 个节点的过程中，网络的误差收敛

速度增加，训练步数减少，继续增加节点，误差也能收敛到目标误差值，但是训练时间慢慢增加，因此将隐含层的节点范围锁定在 10 附近，但是本文用新的一些样本输入神经网络似时，节点数大于 10 的网络的输出比 10 个节点的输出要更偏离目标误差，因此可以看出节点大于 10 的网络泛化能力低于节点为 10 的情况。因此，本文最后确定隐含层神经元为 10。

图5-6 小波神经网络训练过程

表5-7 神经网络测试样本故障特征参量

图5-8 神经网络理想输出和实际输出

电机故障诊断数据

测试集： 0.13456 0.15761 0.12726 0.15765 0.14274 0.1624 0.13205 0.14252 0.12355 0.17012 0.15027 0.15504 0.13183 0.15203 0.14776 0.16238 0.13881 0.14236 0.14501 0.15823 0.12456 0.15235 0.13671 0.14144 0.14971 0.14721 0.13007 0.150 0.1516 0.15109 0.12835 0.14368 0.14696 0.16046 0.1505 0.165 0.1357 0.17021 0.12966 0.16151 0.27233 0.39139 0.4431 0.56216 0.57795 0.69701 0.69705 0.81611 0.39755 0.51661 0.71468 0.83374 0.46118 0.58024 0.31793 0.43699 0.50617 0.62523 0.62585 0.74492 0.2308 0.34986 0.29221

0.41127

0.11935 0.057936 0.06152

0.11263

0.09313

0.11307

0.12841 0.086552 0.13829 0.055762 0.060177 0.10109 0.097234 0.10361 0.13013

0.1048 0.1399 0.055365 0.061928 0.10717 0.09175

0.090743 0.12181

0.10085 0.12687 0.0386 0.07251

0.11811

0.084388 0.08694 0.12194 0.096304 0.139 0.06 0.068601 0.10402 0.085918 0.10012

0.14138

0.10036 0.14084 0.050191 0.0007 0.10385

0.086811 0.0993 0.156

0.091412 0.11529 0.058838 0.070239 0.096779 0.082558 0.087658 0.1504 0.08703 0.13638 0.05 0.073063 0.10729 0.096157 0.10404 0.13239 0.098125 0.1138 0.050727 0.070411 0.11936 0.082884 0.11404 0.14651 0.10256 0.14579 0.0313 0.067463 0.12134 0.091191 0.11086 0.14781 0.092202 0.1274 0.055819 0.061495 0.10391 0.098049 0.10486 0.15519 0.0872 0.12606 0.052613 0.072103 0.11168 0.097438 0.10405

0.14951

0.093369 0.14104 0.0693 0.057514 0.09967 0.079995 0.0879 0.14403 0.088229 0.14433 0.053973 0.05793

0.10563

0.096682 0.090985 0.13941 0.093731 0.13372 0.060326 0.052703 0.12252 0.097884 0.10551 0.13703

0.0969 0.12065 0.0495 0.055609 0.10637 0.095

0.093745 0.12956

0.10334 0.11869 0.048022 0.058708 0.12219 0.0958 0.09223 0.15508 0.098523 0.122 0.047758 0.069924 0.10599

0.091904 0.10834

0.1538 0.099752 0.11506 0.0797 0.069751 0.092611 0.081871 0.09151 0.12865 0.096922 0.12418 0.067581 0.067929 0.10498 0.094622 0.09337 0.13704 0.10386 0.38269 0.070457 0.075627 0.14849 0.12334 0.167 0.14831 0.096159 0.55347 0.083741 0.088309 0.16369 0.13823 0.18073 0.15148 0.099013 0.68832 0.094231 0.098323 0.1757 0.14999 0.19199 0.15399 0.10127 0.80742 0.10349

0.10717

0.18631

0.16037 0.20193 0.1562 0.10326 0.50792 0.080197 0.084926 0.159 0.13425 0.17693 0.150 0.098252 0.82505 0.10487

0.10848

0.18788

0.16191 0.2034 0.15653 0.10355 0.57155 0.085147 0.0652 0.1653 0.1398 0.18224 0.15182 0.099315 0.4283 0.074004 0.079014 0.15255 0.12731 0.17028 0.14916 0.096921 0.616 0.0887 0.092992 0.16931 0.14373 0.18599 0.15265 0.10007 0.73622 0.097957 0.10188

0.17997

0.116 0.19599

0.188

0.10207

0.34117 0.067226 0.0724 0.14479 0.11971 0.163 0.147 0.0965

0.40257

0.072003 0.077104 0.15026

0.12507

0.16813

0.14868

0.0991

0.33473 0.45379 0.66675 0.78581 0.751 0.877 0.72346 0.84253 0.59972 0.71878 0.25692 0.37598 0.41095 0.53001 0.52183 0.0 0.13872 0.15653 0.1412 0.15657 0.14179 0.15658 0.14369 0.15662 0.13917 0.15653 0.14287 0.1566 0.14003 0.15655 0.14258 0.15659 0.139 0.156 0.14344 0.15661 0.13929 0.156 0.14311 0.1566 0.14562 0.15702 0.1408 0.15656 0.143 0.15655 0.14335 0.15661 0.1421 0.15658 0.14439 0.15672 0.14572 0.15706 0.141 0.15694 0.13871 0.168 0.14022 0.16551 0.1423 0.165 0.14311 0.16556 0.14436 0.16558 0.14352

0.16556

0.44509 0.075311 0.080261 0.104 0.12878 0.17168 0.14947 0.097202 0.77712 0.10114 0.10492 0.18361 0.15773 0.1994 0.155 0.10275 0.86678 0.10811 0.11158 0.1916 0.16555 0.206 0.1573 0.10425 0.83383 0.10555

0.10913

0.18866

0.16268 0.20414 0.15669 0.1037 0.71008 0.095924 0.099939 0.177 0.15188 0.1938 0.139 0.10163 0.36729 0.069258 0.074483 0.14711 0.12199 0.16519 0.14803 0.095901 0.52132 0.08124

0.085922 0.16083

0.132 0.17805 0.150 0.098476 0.63219 0.0865 0.094155 0.17071 0.14509 0.1873 0.15295 0.10033 0.13069 0.07293 0.0783 0.24517 0.37404 0.31402 0.1 0.095223 0.1331 0.14628 0.15634 0.38072 0.46725 0.418 0.22574 0.1316 0.13368 0.16122 0.17328 0.41341 0.51229 0.43791 0.23077 0.14956 0.13538 0.19704

0.21316

0.52872

0.65219 0.51994 0.24142 0.20705 0.13112 0.088784 0.094109 0.26944 0.33528 0.3341 0.19879 0.097275 0.13474 0.1871 0.2031 0.47269 0.595 0.4776 0.23852 0.19134 0.13197 0.11511 0.121 0.31698 0.38663 0.37017 0.21326 0.1069 0.13446 0.18029 0.19519 0.45678 0.57512 0.46706 0.23658 0.176 0.13159 0.10372 0.10969 0.29555 0.36229 0.326 0.20766 0.101 0.13529 0.20011

0.21829

0.50361

0.635 0.49791 0.24206 0.21786 0.13124 0.092878 0.098323 0.27634 0.34208 0.33953 0.20145 0.09821 0.13497 0.19263 0.209 0.48574 0.61878 0.4862 0.24005 0.20213 0.131 0.19788 0.21419 0.63416 0.74775 0.62074 0.24407 0.20802 0.13272 0.13603 0.14488 0.35906 0.43867 0.40035 0.22199 0.12168 0.133 0.19711 0.21358 0.55133 0.68775 0.9 0.24238 0.20748 0.13521 0.1982 0.21606 0.49904 0.63926 0.49493 0.24156 0.21374 0.13399 0.16877 0.18191 0.43037 0.537 0.44938 0.23314 0.1603 0.13597 0.1975 0.2136 0.57915 0.69722 0.57017

0.24277

0.20745

0.13652 0.19791 0.21434 0.66044 0.727 0.6 0.24432 0.20832

0.13636 0.19786

0.21395

0.60301 0.71 0.59771 0.24358 0.20776 0.14034 0.086838 0.12653 0.15624 0.10293 0.13182 0.385 0.50394 0.14182 0.11573 0.176 0.18144 0.12492 0.155 0.45827 0.631 0.14387 0.13267 0.16794 0.19569 0.123 0.17321 0.59126 0.69281 0.14466 0.13749 0.17142 0.1997 0.166 0.178 0.153 0.7091 0.145 0.14394 0.17591

0.20503

0.18275

0.18616

0.71841

0.73024

0.14506

0.13973

0.173 0.20155 0.17117 0.18122 0.66696 0.71652

0.14082 0.13925 0.14483 0.14375 0.14103 0.13863 0.13965 0.141 0.14275 0.14553 0.14153 0.14519 0.135 0.14034 0.13916 0.14034 0.14312 0.14558 0.14757 0.15048 0.15123 0.15187 0.14403 0.14926 0.1436 0.14976 0.13987 0.14872 0.1416 0.14799 0.15102 0.15204 0.13927 0.13968

0.16552 0.169 0.16559 0.16557 0.16552 0.168 0.1655 0.165 0.16555 0.1656 0.16553 0.16559 0.169 0.16551

0.14241 0.14087 0.14636 0.14529 0.14262 0.14026 0.14126 0.14347 0.1443 0.14704 0.14311 0.1467 0.14057 0.14193

0.12166 0.10209 0.14615 0.14093 0.12344

0.15956 0.142 0.1774 0.17383 0.16097

0.186 0.16972 0.20684 0.202 0.18797 0.15206 0.17 0.19344 0.19797 0.20931

0.1335 0.11095 0.129 0.17436 0.133 0.10169 0.11675 0.14855 0.16045 0.19875

0.16152 0.14332 0.18881 0.18262 0.16335 0.12 0.14904 0.17026 0.17628 0.19248

0.49755 0.39329 0.74733 0.68115 0.51087 0.3487 0.42048 0.56569 0.61914 0.712

0.65376 0.57611 0.7373 0.72047 0.66029 0.478 0.60366 0.6835 0.70213 0.74684

0.082238 0.12084 0.10867 0.12997 0.131 0.14916 0.12737 0.1477

0.14869 0.16595 0.16993 0.17942

0.1 0.19127 0.17845

0.14345 0.16747 0.268 0.67438

0.74224 0.481 0.63628

0.20812 0.16361 0.1825

0.19409 0.104 0.12659

0.19069 0.13774 0.15685

0.76858 0.37186 0.46592

0.095119 0.1357 0.11698

0.15579

0.16 0.15001 0.16006 0.16107 0.108 0.161 0.18134 0.18585 0.19014 0.16188 0.17524 0.16146 0.17759 0.16002 0.17293 0.16031 0.17025 0.18455 0.1914

0.388 0.22538 0.12771 0.1101 0.12004 0.14401 0.09812

0.098142 0.099135 0.10417 0.11523 0.15298 0.165 0.18505

0.15012 0.15157 0.15523 0.16056 0.17317 0.177 0.18162 0.1526 0.16711 0.15207 0.16947 0.15005 0.177 0.15051 0.16197 0.17629 0.1828

0.43471 0.94 0.621 0.74059 0.8682 0.90153 0.92981 0.58786 0.814 0.56968 0.83666 0.41605 0.79055 0.48584 0.75862 0.235 0.93755

0.27156 0.38625 0.49105 0.57743 0.70504 0.73837 0.76665 0.4247 0.65138 0.40652 0.67351 0.252 0.62739 0.32269 0.596 0.72919 0.77439

0.12826 0.13314 0.14299 0.155 0.18214 0.19077 0.19865 0.13611 0.16973 0.13462 0.17463 0.12795 0.177 0.12975 0.15869 0.18832 0.2009

0.11149 0.11977 0.13297 0.14771 0.17568 0.18417 0.19176

0.12043 0.12436 0.132 0.14423 0.16918 0.17744 0.18505

0.1448 0.15058 0.16094 0.17331 0.19811 0.205 0.21293

0.124 0.12688 0.16303 0.12191 0.16809 0.11078 0.15779 0.11435 0.15122 0.18179 0.1939

0.1538 0.10027

0.13312 0.0996 0.14051 0.098127 0.12625 0.098311 0.11874 0.125 0.19

0.15743 0.1256 0.16205 0.12021 0.15278 0.12158 0.14714 0.17509 0.18723

0.18672 0.1522 0.19124 0.14438 0.18208 0.14669 0.17634 0.20369 0.21492

0.16 0.15001 0.16883

0.39255 0.22939 0.12773 0.11018 0.12005 0.14405 0.098121

0.099192

0.15685 0.38491 0.22536 0.125 0.12318 0.12331 0.14413

测试集： 0.13598 0.146 0.1239 0.1572 0.14972 0.14797 0.15282 0.16773 0.12932 0.15929 0.14361 0.14995 0.13115 0.14561 0.15001 0.16818 0.12752 0.16179 0.143 0.15807 0.25043 0.36949 0.73586 0.2 0.48853 0.60759 0.663 0.78449 0.30141 0.42047 0.58043 0.69949 0.231 0.357 0.35612 0.47518 0.44703 0.56609 0.328 0.732 0.14568 0.15704 0.14027 0.15655 0.14314 0.1566 0.14344 0.15661 0.14093 0.15656 0.14205 0.15658 0.13876 0.15653 0.14239 0.15659 0.14122 0.15657 0.135 0.15278 0.138 0.168 0.13956 0.1655 0.1421

0.165

0.11428 0.049077 0.070538 0.10278 0.088761 0.11182 0.12969 0.10236 0.11973 0.062436 0.057909 0.12104 0.081836 0.10062 0.15288 0.10405 0.13285 0.050721 0.065145 0.1025 0.092813 0.11039 0.14148 0.10485 0.1241 0.059741 0.055373 0.10013

0.095853 0.1048

0.12221

0.096033

0.13623 0.061616 0.072474 0.116 0.094472 0.11046 0.15621 0.09482

0.12371 0.0621 0.072724 0.096343 0.080385 0.0292 0.12752 0.1034 0.14494 0.0499 0.052915 0.10368 0.093656 0.11112 0.14239 0.087509 0.12463 0.06591

0.06273

0.10956

0.091914 0.10463 0.14319 0.098635 0.14595 0.05 0.072216 0.10184 0.084607 0.10104

0.12742

0.088652 0.13418 0.062213 0.15017

0.10751

0.095817 0.098431 0.1207 0.092379 0.3608 0.0687 0.074002 0.146 0.12143 0.1 0.14791 0.095793 0.84623 0.10651

0.11005

0.177

0.16376 0.20517 0.15692 0.10391 0.598 0.087274 0.091682 0.20104 0.30269 0.26845 0.15233 0.099772 0.77579 0.10104

0.10482

0.18349

0.15761 0.19929 0.15561 0.10273 0.41178 0.072719 0.077787 0.15108 0.12587 0.16 0.14885 0.0965 0.6908 0.094424 0.098507 0.17592 0.1502 0.19219 0.103 0.10131 0.34677 0.067663 0.07296 0.14529 0.1202 0.16347 0.147 0.095558 0.469 0.076975 0.08185

0.15595

0.130 0.17347 0.14987 0.097559 0.5574 0.084047 0.088601 0.104 0.13857 0.18106 0.15156 0.099079 0.74562 0.10124 0.10658 0.23218 0.34124 0.31797 0.14257 0.10298 0.138 0.197 0.21423 0.6515 0.7508 0.304 0.24406 0.2081 0.1322

0.1217

0.12907

0.329

0.40206

0.37956

0.2162

0.1108

0.135 0.19324 0.21025 0.48719 0.62101 0.48716 0.24022 0.20337

0.1353 0.20031 0.21853 0.50409 0.71 0.49822 0.24212 0.2183 0.13284 0.13938 0.14861 0.36607 0.4478 0.40527 0.22325 0.12472 0.13393 0.16748

0.18044

0.42747

0.53229 0.44742 0.23274 0.15839 0.13072 0.074291 0.079669 0.24706 0.32155 0.31566 0.18693 0.095314 0.13427 0.17581 0.19001 0.444 0.55985 0.46016 0.23527 0.17137 0.13313 0.1469

0.15704

0.38205

0.46904 0.41 0.22596 0.13226 0.13076 0.091701 0.098421 0.21242 0.31262 0.287 0.15833 0.098031 0.14027 0.082636 0.12135 0.15243 0.10178 0.12914 0.34915 0.48114 0.14117 0.10733 0.14749 0.17425 0.113 0.14784 0.41434 0.59818 0.14367

0.13135

0.16698

0.19459

0.15141

0.17177

0.57856

0.68829

0.14531 0.14395 0.14488 0.13917 0.14034 0.14149 0.14126 0.13929 0.14013 0.143 0.149 0.14706 0.1502 0.15176 0.13902 0.14191 0.13703

0.1656 0.16557 0.16559 0.169 0.16551 0.16553 0.16346

0.14683 0.149 0.14 0.14079 0.14194 0.14307 0.13988

0.14825 0.14197 0.14634 0.10053 0.11703 0.12709 0.12457

0.17881 0.17455 0.17753 0.14114 0.15583 0.16378 0.14283

0.24057 0.2034 0.23701 0.16836 0.19135 0.19103 0.15378

0.21184 0.17718 0.209 0.1098 0.28207 0.14291 0.129

0.19337 0.18383 0.105 0.14203 0.24235 0.16717 0.13947

0.77626 0.69369 0.74999 0.38788 0.46627 0.027 0.298

0.74398 0.72384 0.73793 0.56932 0.6365 0.67337 0.43472

0.16 0.15001 0.16004 0.16141 0.16392 0.16743 0.1798 0.138

0.39345 0.23029 0.12773 0.11019 0.12006 0.14406 0.098121

0.098133

0.15008 0.42623 0.26307 0.12811 0.11114 0.12032 0.1446

0.152 0.56715 0.15505 0.156 0.17167 0.1809

0.40399 0.13442 0.12163 0.124 0.15199 0.09958

0.10385 0.11155 0.14777 0.18213

0.65032 0.7184 0.85578 0.92499 0.2198 0.49868 0.37403

0.48716 0.55952 0.69262 0.76184 0.12768 0.33552 0.13856

0.19052 0.15191 0.1791 0.19727 0.11002 0.13029 0.12019

0.28039 0.1436 0.172 0.19045 0.12002 0.11528 0.11987

0.23103 0.14092 0.16629 0.18371 0.14397 0.12202 0.12017

0.16047 0.1698 0.19535 0.2117 0.09812 0.14733 0.14202

0.16 0.15 0.38296 0.16041 0.15832

0.15066 0.14968

0.098404 0.099387