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神经网络与隐马尔可夫混合模型在机械切削加工中的颤振预报

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第一章 绪 论

1.1 引言

1.2 切削颤振预报研究现状与发展

1.3 HMM在切削颤振预报中应用的意义

1.4 神经网络及对HMM的改进

1.5 论文的研究内容、创新之处及总体结构

1.6 本章小结

第二章 HMM基本理论、算法及其应用

2.1 引言

2.2 Markov模型

2.3 HMM基本概念和定义

2.4 HMM基本算法

2.6 HMM在实际应用中的改进措施

2.7 HMM在机床切削颤振预报中的作用

2.8 本章小结

第三章 基于神经网络的HMM

3.1 自组织特征映射模型与HMM[71—73]

3.2 多层感知机[34——35]

3.3 多层感知机与HMM[55]

3.4 本章小结

第四章 基于遗传算法的HMM初始优化

4.1 遗传算法简介

4.2 遗传算法的算法描述

4.3 遗传算法进行HMM初始模型寻优

4.4 应用实例

4.5 本章小结

第五章 基于ANN与HMM混合模型的颤振预报系统

5.1 引言

5.2 系统总体构架

5.3 切削颤振预报系统分析

5.4 FFT-ANN-HMM状态识别法

5.5 本章小结

第六章 机床切削颤振预报软件开发

6.1 引言

6.2 开发工具介绍

6.3 Matlab 与LabVIEW接口实现

6.4 软件安装和设置

6.5切削颤振预报软件的基本功能

6.6 本章小结

第七章 切削颤振预报实验

7.1 引言

7.2 实验验证

7.3 实验方案

7.4 实验结果讨论

7.5 本章小结

第八章 结论与展望

8.1 本文总结

8.2 未来展望

附录A 缩略语

附录B 符号表

参考文献

致谢

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摘要

本文以国家自然科学基金项目“基于隐马尔可夫模型的切削颤振在线监测与控制的研究”(编号:50375070)为基础,提出硕士学位论文题目“神经网络与隐马尔可夫混合模型在机械切削加工中的颤振预报”。本文研究了HMM和ANN的基本理论和算法,并讨论其在机床切削颤振预报中的应用,开发了机床切削颤振预报软件。全文主要研究内容如下:
  1.介绍了机床切削颤振预报研究的意义;综述了切削颤振预报技术的研究现状;分析了HMM在机床切削颤振预报应用中的可行性;介绍了ANN的基本原理及其对HMM预报模型预报性能的提高;最后结合国家自然科学基金项目提出了本文的研究内容,并给出了本文的总体框架和创新之处。
  2.从Markov模型入手,引出了HMM的基本概念,然后较为详细的介绍和分析了HMM的基本理论和算法,并对HMM在实际应用中所遇到的问题展开了讨论并提出了若干解决方案,提出训练用数据的提取方法,最后提出了HMM在机床切削颤振预报中的作用。
  3.介绍了神经网络的两个重要模型:自组织特征映射模型与多层感知机模型,讨论并实现了自组织特征映射模型作为HMM中的矢量量化工具;将具有诸多优良性能的多层感知机与HMM相结合以提高预报效果。
  4.探讨了利用遗传算法对HMM初始模型进行寻优的过程。
  5.应用HMM中的Viterbi算法进行信号的数值滤波处理,讨论了振动信号的特征提取方法,以及幅值谱矢量的标量量化技术,最后提出了机床切削过程中的ANN-HMM混合模型颤振预报方法。
  6.基于ANN-HMM颤振预报方法,开发了切削颤振预报软件;介绍了软件系统的开发环境、开发工具以及混合编程的接口实现方法;说明了整个软件系统的基本组成和功能。
  7.针对前面讨论的HMM理论及其算法、信号数据采集方法、信号特征提取方法,以及切削过程中包含的稳定切削、过渡切削到颤振切削三种状态对应的特征库的建立方法,在CA6140型卧式普通车床上进行切削实验验证。
  8.总结了全文的研究成果和创新之处;并对今后的工作提出了展望。

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