CN110849625A - 基于混合熵与联合分布适配的变工况下轴承故障诊断方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于混合熵与联合分布适配的变工况下轴承故障诊断方法。根据负载工况是否已知对滚动轴承振动的原始样本数据集进行划分,建立源域数据集和目标域数据集;分别对源域数据集和目标域数据集包含的各样本信号进行时频分解,获取各样本信号的本征模态函数;根据非线性度量熵理论,计算各样本信号各IMF分量的非线性熵参数,构建样本信号的多尺度混合熵特征向量;根据迁移学习理论,利用源域数据集和目标域数据集中各样本信号的多尺度混合熵特征向量构建基于联合分布适配的变工况下滚动轴承故障诊断模型,输出最终诊断结果。本发明能够有效解决未知负载工况下轴承多类故障状态的识别问题,显著提高故障诊断精度,提升轴承稳定运行水平。
Description
技术领域
本发明属于故障诊断技术领域,特别涉及了一种变工况下的故障诊断方法。
背景技术
滚动轴承是现代机械设备中最常见的基础部件之一,通过将运转的轴与轴座间的滑动摩擦转变为滚动摩擦,从而减少摩擦损失,有效提升机械设备运行效率。研究表明,由滚动轴承发生故障进而引发的机械设备运行异常或事故在设备故障案例中占据较大比例,且滚动轴承故障通常可在监测到的振动信号中得到反映。因此,基于采集到的滚动轴承振动信号样本,研究设计高效可行的滚动轴承故障诊断方法,可有效提高轴承故障诊断精度,提升机械设备可靠稳定运行水平,促使设备维护策略向自动化、智能化方向发展。
目前,针对滚动轴承故障诊断的相关研究大多针对单一负载工况开展。工程实际中,受设备生产任务影响,轴承通常在变负载工况下运行,传统故障诊断方法难以满足准确识别轴承故障工况的应用需求。因此,利用监测获取的轴承振动信号,探究变工况下高效准确识别轴承故障工况的诊断方法,可为解决上述问题提供一条有效的途径。针对变工况下滚动轴承故障诊断,目前尚未系统深入地进行相关研究,缺乏合理完备的基于混合熵与联合分布适配的变工况下轴承故障诊断方法,尚不能满足对轴承实施准确诊断、智能维护的功能需求。
发明内容
为了解决上述背景技术提到的技术问题,本发明提出了基于混合熵与联合分布适配的变工况下轴承故障诊断方法。
为了实现上述技术目的,本发明的技术方案为:
基于混合熵与联合分布适配的变工况下轴承故障诊断方法,包括以下步骤:
(1)根据负载工况是否已知对滚动轴承振动的原始样本数据集进行划分,建立用于变工况下滚动轴承故障诊断的源域数据集和目标域数据集;
(2)分别对源域数据集和目标域数据集包含的各样本信号进行时频分解,获取各样本信号的本征模态函数;
(3)根据非线性度量熵理论,计算各样本信号各IMF分量的非线性熵参数,构建样本信号的多尺度混合熵特征向量;
(4)根据迁移学习理论,实现目标域数据对源域数据的迁移学习,利用步骤(3)得到的源域数据集和目标域数据集中各样本信号的多尺度混合熵特征向量构建基于联合分布适配的变工况下滚动轴承故障诊断模型,输出最终诊断结果。
进一步地,在步骤(2)中,采用快速集成经验模态分解方法对源域数据集和目标域数据集包含的各样本信号进行时频分解。
进一步地,在步骤(3)中,所述非线性熵参数包括排列熵、样本熵、能量熵、奇异谱熵和功率谱熵。
进一步地,步骤(3)的具体过程如下:
(3-1)根据频率高低对各样本信号的本征模态函数进行排序;
(3-2)计算各IMF分量的排列熵、样本熵、能量熵、奇异谱熵和功率谱熵:
其中,m为重构空间的嵌入维度;Pl表示重构空间中第l种排列样式的概率分布;L为重构空间中总的排列样式数,L≤m!;B表示向量序列间距离小于等于r的数目,r为相似偏差;N为单个样本数据的总长度;pkn表示第n个IMF分量的能量在总能量中所占的比值;λi为IMF分量空间重构获得的矩阵的第i个奇异值,Sx(f)表示x(t)的功率谱估计,x(t)为原始信号序列的IMF分量之一,
(3-3)分析各类熵在不同尺度上对于同类故障和不同类故障的聚集性与分散性,选取前h个高频IMF分量的排列熵、样本熵、能量熵、奇异谱熵和功率谱熵特征,构建各样本信号的多尺度混合熵特征向量,h为预设的正整数。
进一步地,步骤(4)的具体过程如下:
(4-1)基于源域数据集和目标域数据集,采用K最近邻分类算法生成目标域数据集各样本信号的初始伪标签;
(4-2)利用联合分布适配方法将源域数据集和目标域数据集中各样本信号的多尺度混合熵特征向量空间映射到核再生空间,实现目标域数据对源域数据的迁移学习,获得新映射空间数据;
(4-3)基于新映射空间数据,采用K最近邻分类算法生成每次迭代过程目标域数据集各样本信号的伪标签;
(4-4)进行若干次迭代,将最后一次迭代过程获取的标签数据作为最终故障诊断结果。
采用上述技术方案带来的有益效果:
(1)本发明首次考虑构建样本多尺度混合熵特征向量,用于实现轴承故障工况的准确识别,具体包括排列熵、样本熵、能量熵、奇异谱熵和功率谱熵特征,多角度综合考虑了不同类型的非线性度量熵特征对轴承诊断精度的影响,弥补了单一熵特征难以实现轴承故障精确诊断的不足,有效提升了滚动轴承故障诊断的准确性;
(2)本发明首次考虑变工况下滚动轴承故障诊断问题,融合迁移学习思想,研究设计了基于混合熵和联合适配分布的基于混合熵与联合分布适配的变工况下轴承故障诊断方法,实现了目标域数据对源域数据的迁移学习,揭示了变工况下可识别轴承故障类型的本质信息,攻克了变工况下难以有效实现轴承故障诊断的理论难题,为滚动轴承实施变工况下故障精确诊断提供可靠的理论指导与技术支持。
附图说明
图1为本发明基于混合熵与联合分布适配的变工况下轴承故障诊断方法流程图;
图2为本发明实例提供的一种滚动轴承正常运行工况下振动信号FEEMD分解及FFT频谱图;
图3为本发明实例提供的一种滚动轴承内环故障运行工况下振动信号FEEMD分解及FFT频谱图;
图4为本发明实例提供的信号样本IMFs排列熵特征分布图;
图5为本发明实例提供的信号样本IMFs样本熵特征分布图;
图6为本发明实例提供的信号样本IMFs能量熵特征分布图;
图7为本发明实例提供的信号样本IMFs奇异谱熵特征分布图;
图8为本发明实例提供的信号样本IMFs功率谱熵特征分布图;
图9为本发明实例提供的联合适配分布的跨域学习过程示意图;
图10为本发明实例提供的不同分类器在不同数量IMFs分量下的诊断结果图;
图11为本发明实例提供的案例1中诊断结果对比图;
图12为本发明实例提供的案例3中诊断结果对比图;
图13为本发明实例提供的案例5中诊断结果对比图。
具体实施方式
以下将结合附图,对本发明的技术方案进行详细说明。
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。此外,下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示,本发明提出了基于混合熵与联合分布适配的变工况下轴承故障诊断方法,步骤如下。
步骤1:根据负载工况是否已知对滚动轴承振动的原始样本数据集进行划分,:得到源域数据集(即训练数据集)和目标域数据集(即测试数据集)。
在本实施例中,试验对比案例说明及各案例下源域负载工况、目标域负载工况、源域样本数量、目标域样本数量设置如表1所示。
表1试验对比案例
步骤2:分别对源域数据集和目标域数据集包含的各样本信号进行时频分解,获取各样本信号的本征模态函数。在本实施例中,采用快速集成经验模态分解(FEEMD)方法对样本信号进行时频分解。
在本实施例中,选取西储大学滚动轴承故障试验数据作为实施例,轴承故障类型说明如表2所示。
表2滚动轴承故障类型
在本实施例中,FEEMD方法参数设置如下:集成试验次数取100,附加噪声幅值为原始信号标准差的20%。图2和图3所示分别为滚动轴承正常运行工况及内环故障运行工况下振动信号经FEEMD分解后的IMFs(图中的(a))及其FFT频谱图(图中的(b))。
步骤3:根据非线性度量熵理论,计算各样本信号各IMF分量的非线性熵参数,构建样本信号的多尺度混合熵特征向量。在本实施例中,该步骤的具体过程如下:
3-1:根据频率高低对各样本信号的本征模态函数进行排序。
3-2:计算各IMF分量的排列熵、样本熵、能量熵、奇异谱熵和功率谱熵:
其中,m为重构空间的嵌入维度;Pl表示重构空间中第l种排列样式的概率分布;L为重构空间中总的排列样式数,L≤m!;B表示向量序列间距离小于等于r的数目,r为相似偏差;N为单个样本数据的总长度;pkn表示第n个IMF分量的能量在总能量中所占的比值;λi为IMF分量空间重构获得的矩阵的第i个奇异值,Sx(f)表示x(t)的功率谱估计,x(t)为原始信号序列的IMF分量之一,
图4-8所示分别为滚动轴承处于滚动体故障工况、内环故障工况、外环故障工况及正常工况下,振动信号样本IMFs分量的排列熵、样本熵、能量熵、奇异谱熵和功率谱熵特征的分布情况。由图4-8可知,不同工况下信号样本IMFs分量的各种非线性度量熵特征均呈现显著差异,表明其包含能够有效揭示轴承故障类型的本质信息,可作为滚动轴承故障诊断的特征量。
3-3:分析各类熵在不同尺度上对于同类故障和不同类故障的聚集性与分散性,选取前h个高频IMF分量的排列熵、样本熵、能量熵、奇异谱熵和功率谱熵特征,构建各样本信号的多尺度混合熵特征向量。在本实施例中,h=5。
步骤4:根据迁移学习理论,实现目标域数据对源域数据的迁移学习,利用步骤3得到的源域数据集和目标域数据集中各样本信号的多尺度混合熵特征向量构建基于联合分布适配的变工况下滚动轴承故障诊断模型,输出最终诊断结果。在本实施例中,该步骤的具体过程如下:
4-1:基于源域数据集和目标域数据集,采用K最近邻(K-Nearest Neighbor,KNN)分类算法生成目标域数据集各样本信号的初始伪标签。
4-2:利用联合分布适配(Joint Distribution Adaptation,JDA)方法将源域数据集和目标域数据集中各样本信号的多尺度混合熵特征向量空间映射到核再生空间,实现目标域数据对源域数据的迁移学习,获得新映射空间数据。图9所示为联合适配分布(JDA)的跨域学习过程示意图,其中,Ds表示源域数据集,Dt表示目标域数据集,T表示迁移学习任务,MDA表示边界分布适应,CDA表示条件分布适应。
4-3:基于新映射空间数据,采用K最近邻分类算法生成每次迭代过程目标域数据集各样本信号的伪标签。
4-4:进行若干次迭代,将最后一次迭代过程获取的标签数据作为最终故障诊断结果。
在本实施例中,选取KNN、支持向量机(SVM)、随机森林(RF)作为所发明诊断方法的对比模型,验证所发明诊断方法在诊断精度方面的优越性。图10为本发明实例提供的不同分类模型在不同数量IMFs分量下的诊断结果,表3所列为诊断结果详细对比情况。由表3所示结果可知,针对各设计案例下的诊断实例,所发明诊断方法的诊断精度均显著高于其他三种方法。
表3诊断结果对比
此外,在本实施例中,选取五种适配方法,包括迁移成分分析(TCA)、半监督迁移成分分析(SSTCA)、最大独立领域自适应(MIDA)、子空间对齐(SA)和信息理论学习(ITL),与本发明所提JDA方法进行对比,验证所发明基于JDA的诊断方法在诊断效果方面的优势。图11-13分别为表1中案例1、案例3、案例5诊断结果对比图,图中纵坐标Dimension number表示迁移学习获得新空间的维数大小。验证表明,利用所发明的基于混合熵和联合适配分布的基于混合熵与联合分布适配的变工况下轴承故障诊断方法,获得的轴承故障诊断结果具有最高的诊断精度,是正确、有效且使用的方法,具有良好的实际应用价值。
实施例仅为说明本发明的技术思想,不能以此限定本发明的保护范围,凡是按照本发明提出的技术思想,在技术方案基础上所做的任何改动,均落入本发明保护范围之内。
Claims (5)
1.基于混合熵与联合分布适配的变工况下轴承故障诊断方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)根据负载工况是否已知对滚动轴承振动的原始样本数据集进行划分,建立用于变工况下滚动轴承故障诊断的源域数据集和目标域数据集;
(2)分别对源域数据集和目标域数据集包含的各样本信号进行时频分解,获取各样本信号的本征模态函数;
(3)根据非线性度量熵理论,计算各样本信号各IMF分量的非线性熵参数,构建样本信号的多尺度混合熵特征向量;
(4)根据迁移学习理论,实现目标域数据对源域数据的迁移学习,利用步骤(3)得到的源域数据集和目标域数据集中各样本信号的多尺度混合熵特征向量构建基于联合分布适配的变工况下滚动轴承故障诊断模型,输出最终诊断结果。
2.根据权利要求1所述基于混合熵与联合分布适配的变工况下轴承故障诊断方法,其特征在于,在步骤(2)中,采用快速集成经验模态分解方法对源域数据集和目标域数据集包含的各样本信号进行时频分解。
3.根据权利要求1所述基于混合熵与联合分布适配的变工况下轴承故障诊断方法,其特征在于,在步骤(3)中,所述非线性熵参数包括排列熵、样本熵、能量熵、奇异谱熵和功率谱熵。
4.根据权利要求3所述基于混合熵与联合分布适配的变工况下轴承故障诊断方法,其特征在于,步骤(3)的具体过程如下:
(3-1)根据频率高低对各样本信号的本征模态函数进行排序;
(3-2)计算各IMF分量的排列熵、样本熵、能量熵、奇异谱熵和功率谱熵:
功率谱熵
其中,m为重构空间的嵌入维度;Pl表示重构空间中第l种排列样式的概率分布;L为重构空间中总的排列样式数,L≤m!;B表示向量序列间距离小于等于r的数目,r为相似偏差;N为单个样本数据的总长度;pkn表示第n个IMF分量的能量在总能量中所占的比值;λi为IMF分量空间重构获得的矩阵的第i个奇异值,Sx(f)表示x(t)的功率谱估计,x(t)为原始信号序列的IMF分量之一,
(3-3)分析各类熵在不同尺度上对于同类故障和不同类故障的聚集性与分散性,选取前h个高频IMF分量的排列熵、样本熵、能量熵、奇异谱熵和功率谱熵特征,构建各样本信号的多尺度混合熵特征向量,h为预设的正整数。
5.根据权利要求1所述基于混合熵与联合分布适配的变工况下轴承故障诊断方法,其特征在于,步骤(4)的具体过程如下:
(4-1)基于源域数据集和目标域数据集,采用K最近邻分类算法生成目标域数据集各样本信号的初始伪标签;
(4-2)利用联合分布适配方法将源域数据集和目标域数据集中各样本信号的多尺度混合熵特征向量空间映射到核再生空间,实现目标域数据对源域数据的迁移学习,获得新映射空间数据;
(4-3)基于新映射空间数据,采用K最近邻分类算法生成每次迭代过程目标域数据集各样本信号的伪标签;
(4-4)进行若干次迭代,将最后一次迭代过程获取的标签数据作为最终故障诊断结果。
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