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基于深度信念网络与多传感器信息融合的滚动轴承故障诊断研究

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摘要

第1章 绪论

1.1 课题来源

1.2 选题背景

1.3 滚动轴承故障诊断研究现状及存在问题分析

1.3.1 基于信号处理的滚动轴承故障诊断方法

1.3.2 基于数理统计的滚动轴承故障诊断方法

1.3.3 基于知识学习的滚动轴承智能诊断方法

1.3.4 基于信息融合的滚动轴承故障诊断方法

1.4 本文研究工作总体框架

第2章 滚动轴承故障诊断机理及试验系统

2.1 滚动轴承故障诊断机理分析

2.1.1 滚动轴承的结构

2.1.2 滚动轴承的故障特征频率

2.2 滚动轴承故障试验系统

2.2.1 轴承故障试验台

2.2.2 故障设置与数据采集系统

2.3 本章小结

第3章 基于非线性复杂度分析指标的滚动轴承故障特征提取方法

3.1 引言

3.2 非线性复杂度分析指标

3.2.1 LZC指标

3.2.2 PE指标

3.2.3 仿真分析

3.2.4 应用实例

3.3 基于小波包分解-LZC指标的故障特征提取方法

3.3.1 小波包分解

3.3.2 水平方向故障特征提取方法

3.4 基于EEMD分解-PE指标的故障特征提取方法

3.4.1 集成经验模态分解

3.4.2 垂直方向故障特征提取方法

3.5 基于类内类间散度矩阵的故障特征维数评价方法

3.5.1 故障特征维数评价方法

3.5.2 故障特征维数评价方法的应用

3.6 本章小结

第4章 基于GA-PSO杂交算法优化的深度信念网络分类器设计

4.1 引言

4.2 受限玻尔兹曼机

4.2.1 RBM网络结构

4.2.2 对比散度算法

4.3 深度信念网络

4.3.1 预训练过程

4.3.2 调优过程

4.4 基于GA-PSO杂交寻优的深度信念网络参数优化算法

4.4.1 适应度函数构造方法以及训练集数据划分策略

4.4.2 GA算法理论

4.4.3 PSO算法理论

4.4.4 GA-PSO杂交算法

4.5 本章小结

第5章 基于深度信念网络与D-S证据理论的分级容错故障诊断方法

5.1 引言

5.2 D-S证据理论

5.3 基于分类器可信度的基本概率分配函数构造方法

5.4 分级容错诊断框架的建立

5.4.1 诊断框架

5.4.2 诊断正确率

5.5 分级容错故障诊断框架诊断结果

5.5.1 第一层诊断结果

5.5.2 第二层诊断结果

5.6 与支持向量机作为分类器的诊断结果对比分析

5.7 本章小结

第6章 结论与展望

6.1 全文工作总结

6.2 未来研究展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文及其他科研成果

致谢

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摘要

滚动轴承是现代工业设备中应用最为普遍的机械部件之一,其工作状态直接决定着重大装备和主机产品的性能、质量和可靠性。现阶段滚动轴承故障诊断研究工作主要包含两个方面的内容:滚动轴承故障位置识别、滚动轴承损伤程度识别。然而,研究工作很少将两者结合起来同时进行。为了达到滚动轴承故障诊断过程中,即能有效的判断出轴承故障位置,又能准确的给出相应损伤程度的目的,本文主要从以下四个方面开展研究工作:
  1.提取能够有效反映故障样本所属故障状态以及相应损伤程度的故障特征。本文提取Lempel-Ziv复杂度(Lempel-Ziv Complexity,LZC)、排列熵(PermutationEntropy,PE)两种时间序列非线性复杂度分析指标作为故障特征,试验结果表明,上述特征可将轴承正常状态与故障状态有效区分。为了进一步区分故障样本所属故障状态以及相应的损伤程度,将LZC指标与小波包分析相结合、PE指标与EEMD分解相结合实现不同损伤程度的轴承故障特征提取。同时,采用基于类内类间散度矩阵的故障特征维数评价方法验证了本文所确定的故障特征维数的合理性。
  2.利用分类效果较优的深度信念网络(Deep Belief Network,DBN)作为分类器,实现更加精确的故障识别。针对DBN中的隐含层节点数、预训练过程以及调优过程中不同层之间的学习率、动量项等参数设置问题,提出了基于GA-PSO杂交寻优的DBN参数优化算法。试验结果表明,该优化算法可快速获取最优参数,完成DBN网络参数设置任务。
  3.利用轴承座水平方向、垂直方向对应的DBN分类器的诊断结果构造基本概率分配函数,通过D-S证据理论融合得到最终诊断结果,提高诊断结果正确率,增强诊断方法的容错能力。试验结果表明,多传感器信息融合的诊断精度明显优于单一传感器。
  4.构造滚动轴承故障分级诊断框架,实现滚动轴承故障状态以及相应损伤程度的逐层识别。其中,第一层用于判断故障样本所属的故障状态,第二层用于区分故障样本对应的损伤程度,并给出了分级框架正确率计算公式。
  为了验证上述故障诊断方法的有效性,本文设置了两组对比试验,第一、仅利用单一方向对应的DBN分类器完成故障样本所属故障状态以及相应损伤程度的判别,未对水平方向、垂直方向的诊断结果进行融合处理。第二、利用支持向量机代替深度信念网络,依据上述分级诊断框架,完成故障状态以及相应损伤程度分级诊断。试验结果表明,本文提出的基于深度信念网络与D-S证据理论的分级容错故障诊断方法明显优于以上两组对比试验,可精确区分不同故障类型。

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