CN103512765A - 一种血型离心机变学习速率小波bp神经网络故障检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种血型离心机变学习速率小波BP神经网络故障检测方法,它包括以下步骤:离心机振动信号采集、小波变换去噪、小波包变换特征提取、变学习速率小波BP神经网络训练、离心机故障类型判断,采用小波包变换可以有效地提取血型离心机振动信号的功率谱密度特征向量,而通过将这些功率谱密度特征向量输入到变学习速率小波BP神经网络中可以有效的识别出血型离心机的故障类型。
Description
技术领域
本发明涉及一种血型离心机故障检测方法,具体涉及一种血型离心机变学习速率小波BP神经网络故障检测方法。
背景技术
血型离心机是血型分析系统的一个核心功能模块,其是否正常工作直接影响着血型检测的效率和正确性。同时,作为高速旋转设备,离心机是否发生故障也直接影响着操作人员的安全。因此,有必要对离心机的故障进行检测。
离心机常见的故障包括转子不平衡、轴不对中、轴弯曲、联轴器松动等。现在对离心机故障的检测,往往是熟练操作人员或维修人员通过人为判断离心机的异常声音来完成。但是,在离心机发生故障早期,离心机发出的异常声音不会很明显;而等到发生刺耳的零件摩擦声时,离心机的故障往往已经很严重,或者已经带有很大的安全隐患。因此,离心机的故障最好是在故障的早期就能够被识别,这样对其进行维修就很简单,甚至只需要简单的维护就能够使离心机恢复正常工作。
离心机故障发生的早期,其故障导致的声音不会太明显,但是其振动信号中已经隐藏了故障的相关信息。因此,对离心机的振动信号进行分析,能够在离心机故障发生的早期就对其实现检测。
小波BP神经网络是小波变换、BP学习算法与神经网络相结合的产物,其基本思想是:利用误差函数极小化原理,不断地改变小波基函数的波形和尺度,来调整网络的权值和阈值。在这种小波神经网络中,其权值调整的训练算法采用同BP神经网络一样的反向传播学习算法。设 为输入层的第个输入样本,为输出才呢过的第个输出值,为连接输出层节点和隐层节点的权重,为连接隐层节点和输入层节点的权重。若约定和分别为第个隐层节点的尺度系数和平移系数;为输入样本的模式个数, 为输入层节点个数, 为隐层节点个数, 为输出层节点个数,为学习速率,则小波神经网络的输出模型可表示为:
定义误差函数为:
其中,是引入附加动量因子,它和BP神经网络一样,是用于改善神经网络陷入局部极小值的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有离心机故障检测方法的不足,提供一种血型离心机变学习速率小波BP神经网络故障检测方法。
为实现上述技术目的,达到上述技术效果,本发明通过以下技术方案实现:
一种血型离心机变学习速率小波BP神经网络故障检测方法,包括以下步骤:
步骤1)离心机振动信号采集
采用压电加速度传感器和电涡流位移传感器采集离心机转动时的振动信号;
步骤2)小波变换去噪
选择合适的阈值函数,在小波变换域中去除离心机振动信号中低幅度的噪声和我们所不期望的信号,然后进行离散小波变换的逆变换,重构出降噪后的信号;
步骤3)小波包变换特征提取
首先对测得的离心机振动信号进行三层小波包变换,接着对第三层小波包分解结果的八个小波系数分别进行小波包重构,重构后得到八个分频带,然后分别计算八个分频带的功率谱密度。把不同分频带上信号的功率谱密度按尺度顺序排列起来,得出离心机不同故障对应振动信号的功率谱密度特征向量;
步骤4)变学习速率小波BP神经网络训练
选择神经网络的训练样本,训练用于识别血型离心机故障类型的变学习速率小波BP神经网络;
步骤5)离心机故障类型识别
根据振动信号的不同特征向量自动识别出血型离心机相应的故障类型。
优选的,所述步骤2中阙值函数的选取方法中,采用一种改进的阈值函数方法,即二项式模开方法,其表达式如下式所示:
本发明的有益效果是:
采用本发明技术方案,可以有效地提取血型离心机振动信号的功率谱密度特征向量,而通过将这些功率谱密度特征向量输入到变学习速率小波BP神经网络中可以有效的识别出血型离心机的故障类型。
上述说明仅是本发明技术方案的概述,为了能够更清楚了解本发明的技术手段,并可依照说明书的内容予以实施,以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解,构成本申请的一部分,本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明,并不构成对本发明的不当限定。在附图中:
图1为本发明的实施流程图;
图2为本发明中小波包变换后各个分频带的能量分布柱形图;
图3为本发明中变学习速率小波BP神经网络的训练过程流程图;
图4为本发明中变学习速率小波BP神经网络训练的收敛过程。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例,来详细说明本发明。
参照图1所示,一种血型离心机变学习速率小波BP神经网络故障检测方法,包括以下步骤:
步骤1)离心机振动信号采集
采用压电加速度传感器和电涡流位移传感器采集离心机转动时的振动信号;
步骤2)小波变换去噪
选择合适的阈值函数,在小波变换域中去除离心机振动信号中低幅度的噪声和我们所不期望的信号,然后进行离散小波变换的逆变换,重构出降噪后的信号;
步骤3)小波包变换特征提取
首先对测得的离心机振动信号进行三层小波包变换,接着对第三层小波包分解结果的八个小波系数分别进行小波包重构,重构后得到八个分频带,然后分别计算八个分频带的功率谱密度。把不同分频带上信号的功率谱密度按尺度顺序排列起来,得出离心机不同故障对应振动信号的功率谱密度特征向量;
步骤4)变学习速率小波BP神经网络训练
选择神经网络的训练样本,训练用于识别血型离心机故障类型的变学习速率小波BP神经网络;
步骤5)离心机故障类型识别
根据振动信号的不同特征向量自动识别出血型离心机相应的故障类型。
优选的,所述步骤2中阙值函数的选取方法中,采用一种改进的阈值函数方法,即二项式模开方法,其表达式如下式所示:
优选的,所述步骤4中变学习速率小波BP神经网络训练中,学习速率的调整过程按下面的规则进行:
参照图2所示,所述步骤3中离心机在转盘质量不平衡时,其能量分布主要集中在一倍频区域;在转盘轴系不对中时,其能量分布主要集中在二倍频区域,且在一倍频、三倍频都有一定幅度的增加;另外,转盘质量不平衡和转盘轴系不对中两种情况在一倍频、二倍频、三倍频的能量分布都普遍有所提高,说明离心机的故障导致了其振动的加剧。
参照图3所示,首先,初始化小波神经网络的结构参数,采用单隐层小波神经网络,输入节点个数为8,输入层节点个数为8,隐层节点个数为10,输出层节点个数为4,激活函数采用Morlet小波函数,学习步长0.2,附加动量因子0.915,最大训练次数2000,最小期望误差值为1×10-5。接着,输入用于学习的训练样本。对离心机四种故障类型的振动信号分别测试了35组数据,并提取了各自的功率谱密度特征向量,一共构成了140组输入样本。从每种故障样本中选出前25组作为训练样本,训练样本总数为100组;剩下的后10组作为测试样本,测试样本总数为40组。最后,输入用于小波神经网络学习的100组训练样本,对变学习速率小波BP神经网络进行训练。训练过程中小波BP神经网络的收敛过程参照图4所示。为了验证训练完成后的小波BP神经网络用于血型离心机故障识别的有效性,将40组测试样本输入该小波BP神经网络进行测试。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1. 一种血型离心机变学习速率小波BP神经网络故障检测方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1)离心机振动信号采集
采用压电加速度传感器和电涡流位移传感器采集离心机转动时的振动信号;
步骤2)小波变换去噪
选择合适的阈值函数,在小波变换域中去除离心机振动信号中低幅度的噪声和我们所不期望的信号,然后进行离散小波变换的逆变换,重构出降噪后的信号;
步骤3)小波包变换特征提取
首先对测得的离心机振动信号进行三层小波包变换,接着对第三层小波包分解结果的八个小波系数分别进行小波包重构,重构后得到八个分频带,然后分别计算八个分频带的功率谱密度,把不同分频带上信号的功率谱密度按尺度顺序排列起来,得出离心机不同故障对应振动信号的功率谱密度特征向量;
步骤4)变学习速率小波BP神经网络训练
选择神经网络的训练样本,训练用于识别血型离心机故障类型的变学习速率小波BP神经网络;
步骤5)离心机故障类型识别
根据振动信号的不同特征向量自动识别出血型离心机相应的故障类型。
3.根据权利要求1所述的血型离心机变学习速率小波BP神经网络故障检测方法,其特征在于,所述步骤3中小波包变换特征提取的算法中,假设离心机振动信号第()个分频带的所对应的能量为,则分频带的功率谱密度计算如下:
根据权利要求1所述的血型离心机变学习速率小波BP神经网络故障检测方法,其特征在于,所述步骤4中变学习速率小波BP神经网络训练中,学习速率的调整过程按下面的规则进行:
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