（机械电子工程专业论文）基于支持向量回归技术的大型复杂机电设备故障诊断研究与应用.pdf

太原理工大学博士研究生学位论文 7 8 8 1 2 5 基于支持向量回归技术的大型复杂机电设备 故障诊断研究与应用 摘要 机械设备的大型化与复杂化是现代工业发展的一个重要特征，为了确 保设备安全、可靠、健康地运行，发展大型复杂机电系统的状态监测与故 障诊断技术具有重要意义。在故障诊断中能否正确分析信号，获得有效的 故障特征是对可能发生的故障进行分析、识别和预防的前提，因此信号处 理技术直接影响故障诊断的效果。故障模型为诊断提供基本依据，基于模 型的故障诊断鲁棒性强，适应性广，使用准确的模型可得到高可信度的故 障诊断结论。 大型复杂机电设备故障具有随机性、多种物理效应耦合和多重故障并 发的特点，反映在动态信号上具有非平稳性和非线性特性，研究非稳态、 非线性信号处理和特征提取是大型复杂机电设备故障诊断中的重要技术。 h i l b e r t h u a n g 时频分析技术适合于分析非线性、非平稳信号，正在成为 大型复杂机电系统故障信号特征提取的重要研究方向和热点。然而h h t 变换中存在的端点效应是关系到h h t 时频分析精度和效果的重要问题，特 别在实时故障诊断中，只有短数据长度时问题尤为突出。国内外在这方面 进行了大量的研究，但尚存在以下缺点：基于波形预测的h h t 端点效应消 除法尽管运算简单，但是不能完全消除端点效应；使用h h t 时频分析的本 太原理工大学博士研究生学位论文 意是要对非稳态、非线性的信号进行处理，采用基于平稳假设的a r 、a r m a 等时间序列预测难以取得较好的效果；神经网络因为过学习和推广能力差 等问题限制了其在解决h h t 端点效应中的应用效果。 近年来，从统计学习理论发展出来的支持向量回归预测技术，它对非 线性、非稳态甚至混沌时间序列都有较高的预测精度和极佳的泛化推广能 力，优于以神经网络为代表的基于经验风险最小化的时间序列预测统计方 法。因此作者提出了基于支持向量回归预测技术消除h h t 端点效应的新思 路。鉴于标准支持向量回归算法的训练速度慢的缺点，提出了采用最小二 乘支持向量回归技术进行时间序列预测的技术路线，通过常规信号、短信 号、和实际振动信号的仿真，证明了采用本方法可以有效地消除端点效应， 为复杂机电系统基于h i q t 时频分析技术进行可靠的特征提取提供了技术 支撑。另外作者对h h t 变换的采样率进行了研究，得出了具有工程应用指 导意义的定量结论。 作者将上述研究成果应用于某大型轧机异常振动的故障诊断，针对轧 机在咬钢瞬间发生异常振动的特点，采用了h h t 时频分析方法进行了瞬态 ， 信号分析，由于h h t 时频分析具有较高的时域和频域分析精度，得到了振 动异常和正常状况下的信号特征的差异，为工程问题的解决提供了依据。 基于模型的大型复杂机电设备故障诊断的效果依赖于所建立模型的 准确性和精度，只有具备能真实反映大型复杂机电设备动力学行为的模型 才可能实现准确有效的诊断。理论建模必须对大型复杂设备各部分及其相 太原理工大学博士研究生学位论文 互作用进行简化，这种简化理论模型与实际设备运行特性的差异往往降低 复杂机电设备故障诊断结果的可信度，因此基于输入输出数据的系统辨识 在大型复杂机电设备故障建模方面发挥着越来越重要的作用。然而，目前 许多系统辨识理论和算法在实际应用中均有一定的缺陷，从而影响辨识效 果。如最4 , - 乘法、神经网络法等都是以经典统计学为基础，这些方法只 有当训练样本数目趋于无穷大时其性能才能达到理论上的最优，这就导致 传统辨识方法在解决小样本问题时差强人意。现实系统的本质非线性特性 也导致了传统线性系统辨识方法的局限性，以神经网络为代表的非线性建 模方法存在模型泛化能力低、大量典型样本获取困难等缺点。 以统计学习理论为基础的支持向量回归技术较好地解决了小样本、非 线性、高维数、局部极小和泛化( 推广) 能力等实际问题，为大型复杂诊 断系统的故障建模提供了有力的理论与技术支撑。作者提出了利用支持向 量回归技术进行大型复杂机电设备故障建模的新思路。在对统计学习理论 的核心内容和思想做了简要回顾的基础上，对基于统计学习理论的支持向 量回归算法进行了介绍，指出了支持向量回归同系统辨识的关系，给出了 基于支持向量回归的系统辨识的算法和线性系统辨识参数的计算公式。通 过计算机仿真，验证了该方法在信号存在野点与噪声时的辨识效果，证明 了基于支持向量回归的系统辨识方法是种有效的建模方法，为大型复杂 机电设备的故障诊断开辟了一条新的建模思路。 作者应用上述研究成果，结合工程动力学方法，研究轧机故障造成的 奎堕望三查兰竖主竺塑兰兰堡堡苎 自激振动现象。针对实际运行过程中有限的故障样本，采用了基于支持向 量回归的系统辨识方法进行建模。通过同传统最小二乘辨识法进行比较， 基于支持向量回归辨识获得的模型泛化能力明显高于传统最小二乘法辨 识的模型。从而采用基于支持向量回归的系统辨识模型作为热连轧机液压 压下系统故障诊断的模型来使用。通过对正常轧制过程和异常振动轧制模 型结构比较，发现了异常振动状态下纯延时环节的延时增大，通过系统的 稳定性分析，证实了系统的不稳定正是由于系统的纯延时过大造成的，从 而导致轧机的白激振动。通过对控制通道各个环节的研究，即通过传感器 外壳支撑座和连接杆的信号和工作振型分析，提出了传感器外壳相对于连 接杆的不合理振动位移是产生异常振动原因的结论。采用理论分析、有限 元计算和辨识建模相结合的方式建立了热连轧机压下系统的故障模型，仿 真结果表明传感器连接杆和传感器外壳不合理的相对运动耦合是造成热 连轧机异常振动的结论是正确的。根据以上研究结果，进行了传感器外壳 结构的动力学修改，修改后，消除了异常振动，解决了该热连轧机的自激 振动，保证了产品质量、消除了潜在的设备和人身等事故隐患，为该企业 带来良好的经济和社会效益。基于支持向量回归的系统辨识建模方法通过 了对实际大型轧机的建模、故障诊断和排除的检验，证明该算法是种极 有前途的故障建模方法，在大型复杂机电设备故障诊断中有广阔的应用前 景。 在本论文研究中，由于采用支持向量回归的线性系统辨识建模就实现 太原理工大学博士研究生学位论文 了故障的诊断、定位与排除，然而由于大型复杂机电设备自身的复杂性， 基于支持向量回归的非线性系统辨识建模将具有更一般的意义。本论文只 是对非线性系统进行了计算机仿真，尚没有在实际应用中得到检验。此外， 非线性系统辨识结果同故障的映射关系尚需进一步的研究，针对振动故障 信号的支持向量回归建模的参数选择也需进一步的研究。 关键词：故障诊断，大型复杂机电设备，支持向量回归，h i l b e r t h u a n g 变换，端点效应，系统辨识，故障建模，工作振型分析 太原理工大学蹲士研究生学位论文 a p p l i c a t i o na n dr e s e a r c ho nl a r g e s c a l e c o m p l e xe l e c t r o n m e c h a n i c a l e q u i p m e n t s f a u i j td i a g n o s i sb a s e do ns u p p o r tv e c t o r l 迎g r e s s i o nt e c h n o l o g y a b s t r c t l a r g e - s c a l ea n dc o m p l e xm e c h a n i c a le q u i p m e n t sb e c o m em o r ea n dm o r e i m p o r t a n ti nm o d e mi n d u s t r yd e v e l o p m e n t c o n d i t i o nm o n i t o r i n ga n df a u l t d i a g n o s i st e c h n o l o g yo fl a r g e - s c a l ec o m p l e xe l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e mp l a ya k e yr o l ei ni n s u r i n gs a f e ，r e l i a b l ea n dh e a l t h yo p e r a t i o no ft h e s ee q u i p m e n t c o r r e c t l ya n a l y z i n gs i g n a la n de x t r a c t i n gf a u l tc h a r a c t e r i s t i ci st h eb a s eo f p o s s i b l e f a u l t a n a l y s i s ，i d e n t i f i c a t i o na n dp r e v e n t i o n s os i g n a la n a l y s i s t e c h n o l o g yd i r e c t l ye f f e c to nr e s u l to ff a u l td i a g n o s i s b a s i cp r o o fi sp r o v i d e d b yf a u l tm o d e l f a u l td i a g n o s i sb a s e do nm o d e l i sr o b u s ta n db r o a da d a p t a b l e c r e d i b l ef a u l td i a g n o s i sc o n c l u s i o ni so b t a i n e db yc o r r e c tm o d e l r a n d o m i c i t y , m a n yk i n do fp h y s i c a le f f e c tc o u p l i n ga n ds i m u l t a n e o u s h a p p e na r ec h a r a c t e r i s t i co fl a r g e s c a l ec o m p l e xe l e c t r o m e c h a n i c a le q u i p m e n t n o n - l i n e a ra n d n o n s t a t i o n a r yp r o p e r t i e s a r ec h a r a c t e r i s t i c l a r g e s c a l e c o m p l e xe l e e t r o m e c h a n i c a ls y s t e m b e c a u s e h i ti s v e r ya p p l i c a b l et o a n a l y z en o n l i n e a ra n dn o n s t a t i o n a r ys i g n a lw h i c hf r e q u e n c yi sv a r i a b l ew i t h t i m e h h tb e c o m e sh o t s p o ta n dr e s e a r c hd i r e c t i o no fl a r g e s c a l ec o m p l e x e l e c t r o m e c h a n i c a le q u i p m e n t h o w e v e r , e n de 腩c to f 唧ti sa ni m p o r t a n t i s s u ei no r d e rt oi n s u r ea n a l y s i sp r e c i s i o na n dr e s u l t t h ee n de r i e c tp r o b l e mi s o u t s t a n d i n gi nt 1 1 ec o n d i t i o no fs h o r td a t al e n g t ho fr e a lt i m ef a u l td i a g n o s i s a tp r e s e n t ，ag r e a td e a lo fr e s e a r c hi sc a r r i e do u ti nd o m e s t i ca n do v e r s e a s b u td e f e c tl i eo n ，o p e r a t i o ns i m p l e n e s si st h em e r i to f w a v ep r e d i c t i o nm e t h o d ， b u tt h i sm e t h o dc a n tc o m p l e t e l ye l i m i n a t ee n de f f e c t t i m es e r i e sp r e d i c t i o n m e t h o di sb a s e do nt r a d i t i o n a ls t a t i s t i ca n dn e u r o nn e t w o r k t h ep u r p o s eo f h hi st oa n a l y z en o n s t a t i o n a r y , n o n - l i n e a rs i g n a l a ro ra r m ab a s e do n s t a t i o n a r yh y p o t h e s i s c a l l to b t a i n e x c e l l e n tr e s u l t b e c a u s eo fb a d 太原理工大学博士研究生学位论文 c o n v e r g e n c e ，o v e rf i t t i n ga n dg e n e r a l i z a t i o n ，e n de f f e c te l i m i n a t i o nm a k i n g u s eo fn e u r o nn e t w o r kp r e d i c t i o ni sl i m i t a r y i nr e c e n ty e a r s ，e x c e l l e n tp r e d i c t i o np r e c i s i o na n dg e n e r a l i z a t i o nf o r n o n - - l i n e a r , n o n s t a t i o n a r ya n de v e nc h a o st i m es e d e si sa c h i e v e db ys u p p o r t v e c t o r sr e g r e s s i o nt e c h n o l o g yb a s e do nn e w l ys t a t i s t i c a ll e a r n i n gt h e o r y i ti s b e t t e rt h a nn e u r o nn e t w o r kt i m es e r i e sp r e d i c t i o nb a s e do ne m p i r i c a lr i s k m i n i m i z a t i o n t h en e wj d e ao fe n de f f e c te l i m i n a t i o nb a s e do ns u p p o f tv e c t o r s r e g r e s s i o np r e d i c t i o ni sp u tf o r w a r di nd i s s e r t a t i o n e n de f f e c te l i m i n a t i o ni d e a b a s e do ns u p p o r tv e c t o r sr e g r e s s i o np r e d i c t i o ni s p u tf o r w a r d i m p r o v i n g o p e r a t i o ns p e e d ，t i m es e r i e sp r e d i c t i o nb a s e do nl e a s ts q u a r es u p p o r tv e c t o r s m a c h i n ei ss u g g e s t e d l s - s v ma l g o r i t h mi si n t r o d u c e d s i m u l a t i o ns h o w s t h a te n de f f e c te l i m i n a t i o nc a nr e a l i z eb yl s s v mf o ro r d i n a r y , s h o r ta n d p r a c t i c a lv i b r a t i n gs i g n a l e n de f f e c te l i m i n a t i o nb a s e do ns u p p o r tv e c t o r s r e g r e s s i o ns u p p l yt e c h n i q u es u p p o r to fc h a r a c t e r i s t i ce x t r a c t i o nb a s e do nh u t i n l a r g e - s c a l ec o m p l e xe l e c t r o m e c h a n i c a le q u i p m e n t f a u l t d i a g n o s i s i n a d d i t i o n ，r e s e a r c ho ns a m p l i n go fh h t i sc a r r i e do u tb ya u t h o r q u a n t i t a t i v e e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o nc o n c l u s i o ni sa c q u i r e d a u t h o r sr e s e a r c hf r u i ti sa p p l i e dt of a u l td i a g n o s i so fl a r g e - s c a l er o l l i n g m i l la b n o r m a lv i b r a t i n g a i m i n ga tt h ec h a r a c t e r i s t i ct h a ta b n o r m a iv i b r a t i n g t a k ep l a c ei nb i t i n gs t e e ls t r i p ，t r a n s i e n tn o n - s t a t i o n a r ys i g n a li sa n a l y z e db y h h tt i m e f r e q u e n c y a n a l y s i s s i g n a l c h a r a c t e r i s t i cd i f f e r e n c eb e t w e e n a b n o r m a la n dn o r m a lo p e r a t i o ni so b t a i n e db yh h tt i m e f r e q u e n c ya n a l y s i s t e c h n o l o g y p r o o fi ss u p p l i e db yh h ta n a l y s i s f o r e n g i n e e r i n gp r o b l e m s o l v i n g t h ef a u l td i a g n o s i se f f e c tb a s e do nm o d e lo fl a r g e - s c a l ec o m p l e x e l e c t r o m e c h a n i c a le q u i p m e n td e p e n d so nv e r a c i t ya n dp r e c i s i o no fm o d e l e 雎c t i v ed i a g n o s i sr e s u l ti so b t a i n e db ym o d e lt h a tr e f l e c t sa c t u a l l yd y n a m i c b e h a v i o ro fl a r g e s c a l ec o m p l e xe l e c t r o m e c h a n i c a le q u i p m e n t s i m p l i c a t i o no f l a r g e - s c a l ec o m p l e xe q u i p m e n ti sn e c e s s a r yb ym e c h a n i s mm o d e l i n g n i s l ( i n do fs i m p l i c a t i o nm a yn o ta c c o r dw i t hp r a c t i c a lc o n d i t i o n 。t h i si st h e r e a s o nt h a tf a u l td i a g n o s i sa c c o r d i n gt om e c h a n i s mm o d e l i n go fl a r g ec o m p l e x e l e c t r o m e c h a n i t a le q u i p m e r i t i so f t e nd i s a b l e d s y s t e m i d e n t i f i c a t i o n m o d e l i n gb a s e do ni n p u ta n do u t p u td a t ap l a ym o r ea n dm o r er o l ei nl a r g e c o m p l e xd e v i c e f a u l td i a g n o s i s h o w e v e 5d e f e c te x i s t si nm a n yk i n d s i d e n f i f i c a t i o nm e t h o d s f o re x a m p l e 1 e a s ts q u a r ei d e n t i f i c a t i o nm e t h o d so r 太原理工大学博士研究生学位论文 n e u r o nn e t w o r ki d e n t i f i c a t i o nm e t h o de t c o p t i m i z a t i o nr e s u l to ft h e s e m e t h o d sc a nb eo b t a i n e dw h e n 仃a i n e ds a m p l e sa r ei n f i n i t e t h i si st h er e a s o n t h a tt r a d i t i o n a li d e n t i f i c a t i o nm e t h o dc a r ln o ts u c c e s s f u li ns m a l ls a m p l e c o n d i t i o n i ti sd i f f i c u l to rc o s t l yt oa c q u i r ef a u l ts a m p l eo fl a r g e s c a l e c o m p l e xe l e c t r o m e c h a n i c a le q u i p m e n t f a u l tm o d e l i n gi nt h ec o n d i t i o no f l i m i t e ds a m p l ei sp u z z l ef o rl a r g e - 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