本書介紹工程係統的診斷與預測方法,是一本論文集形式的著作。全書共13部分19章,內容涉及容錯控製、故障檢測、基於數據驅動方法的故障診斷、基於數據驅動方法的故障預測、故障診斷、故障控製與預測的集成、集成預測、預測與健康管理的生命周期成本與投資迴報、基於物理的診斷、預測、結構預測等。
工業預測使用概率測量對工業係統的全壽命周期進行預報,由此來決定機器的運行方式,尤其需要的是能夠在機器失效前預測。這一點是首要的。因此,為工程係統開發可靠的預測過程,對增加係統性能和提高可靠性是非常重要的。 本書內容主要是介紹係統診斷和預測的基本原理和應用。在診斷和預測係統的方法和技術上開展瞭廣泛討論,內容高度覆蓋瞭SHM/DP學科範圍,包括以實際應用案例來說明方法的有效性,以及未來的發展趨勢和研究。 本書可作為高等學校本科高年級和研究生的參考教材,也可以作為從事故障診斷和預測的工程技術人員的參考書。
海軍工程大學電子工程學院,教授。曾獲得海軍院校教育育纔銀奬、海軍課堂授課質量奬等,負責培訓大學生電子設計競賽獲得多項奬項。“電子綫路係列課程改革”獲全軍教學成果二等奬。 Michael Todd是從杜剋大學機械工程與材料科學係獲得學士(1992),碩士(1993),博士(1996),同時是NSF的一名研究生。1996年成為A.S.E.E的博士後,1988年成為一名研究工程師,後來成為美國海軍研究實驗室光縴智能結構部的領導。2003年又加入瞭加州聖地亞哥的結構工程部,目前是該部的教授兼副主席。共發錶期刊論文75篇,會議集論文170篇,齣版專著5本和授權專利4項。研究方嚮包括:非綫性時間序列應用到結構健康監測、采用*優貝葉斯推理框架進行SHM中的*優決策、為航空航天結構評估開發新型超聲波檢測、開發各種基於SHM性能測量的*優傳感器網絡、為結構評估開發RF傳感器係統、為航空航天及海軍的高靈活結構係統基於有限數據集創造實時形狀重建策略、開發衛星係統振動的評估監測、為國內和海軍結構應用設計和檢測光縴測量係統以及噪聲傳播建模。他是國際期刊《結構健康監測》的編輯委員會委員。
在人類的健康護理中,基於有關健康狀況參數的測量建立醫療分析。收集測量參數的目的是檢測異常、診斷疾病和預測病變。依此類推,健康管理的技術規程,用於從測量參數的曆史記錄中捕捉工業設備的功能狀態。
目前,大多數維修方式都是通過預防和糾正方法進行。預防方法是設定固定的維修間隔,來防止部件、子係統或者係統退化。已經發生瞭明顯的錯誤或故障之後進行糾正性維修。在許多應用中使用這兩種方法都錶明是昂貴,主要是由於生産損失、備件存儲、質量缺陷等的費用。
基本上,預測性維修或基於狀態維修(CBM)立足於機器實際情況的維修需要,而不像預防性維修預先設定時間錶。預防性維修是基於時間和活動,如基於時間更換潤滑油,如日曆時間或設備的運行時間。例如,大多數人在汽車或吉普車每3000~5000韆米時更換機油,不用考慮到機油的實際狀況和性能。這有點類似於預防性維修任務。在另一方麵,汽車的使用者根據車輛的運行時間和機油的周期性分析,來確定其實際狀況和潤滑性能,可能能夠延長更換機油直到車輛已經行駛到1萬公裏。這就是預測性維修和預防性維修。預測性維修用於定義基於量化的材料或設備狀態所需的維修任務之間的根本區彆。
基於狀態維修的目標是在正確的時間保持設備完好運行。CBM是基於使用實時預測與健康管理(PHM)的數據進行優先和優化維修資源。通過觀察係統的狀態(狀態監測),確定係統的健康,並采取行動。隻有當維修實際需要從而減少瞭拋棄設備的剩餘使用壽命。,維修人員利用基於狀態維修能夠決定在適當的時間進行維修。理想情況下CBM將允許維修人員隻做正確的事,最大限度地減少備件成本、係統停機時間和維修時間。
智能維修、診斷和預測即機器的CBM主要指工業,航空航天器,軍事和商船,汽車行業等上的復雜係統。工業和軍事領域關注關鍵係統和部件的可靠性和可用性。這些目標都是最大化設備時間,盡量減少維修和運營成本。由於人員水平降低和設備變得越來越復雜,智能維修方案必須取代舊的預先安排和勞動密集型規劃維修係統,保證設備繼續正常運行。機器設備的增長需求使所有設備的服務來適應關鍵任務的執行。故障檢測和故障隔離效果後,係統具有非常低的誤警率,要繼續提高這些新的應用,預測的要求就更加明顯,對係統設計團隊的挑戰也是非常顯著。這些預測的挑戰已經在機械係統上存在並應用瞭一段時間,但在電子係統上還需要積極探索。
預測是現代預測與健康管理係統的更具挑戰性的方麵之一。它也是在運營雙方在降低運營、支持成本、全壽命周期的總體成本,以及提高瞭許多機械和復雜係統的安全性方麵有巨大的潛力。復雜係統的診斷監測使人們達到共識,預測在需求和技術上都是可行的。
本書的各章節集閤,可以完全覆蓋結構健康監測和預測健康管理涉及的領域。這些章節包含瞭機械和工業工程、信息技術和控製工程,並卓有成效地介紹SHM和PHM如何被建立、評估、部署在工業機械的實踐中。
第1章 在通用離散隨機係統中實現基於輸齣概率密度估計的迭代容錯控製
本章介紹瞭一種基於迭代學習控製的容錯控製方法。該方法使用一種廣義固定結構的比例積分控製器,應用於通用的非高斯變量隨機係統,受約束的控製器的狀態嚮量導緻平方根概率密度函數的應用結果。將整個控製水平軸劃分為許多等時間間隔的批次。在每個批次內,狀態受約束的廣義比例積分控製器采用綫性矩陣不等式方法使輸齣概率密度函數成形。在任何相鄰的批次之間,優化徑嚮基函數的基本函數。當建立迭代學習控製收斂的充分條件,就可以利用一種P型迭代學習控製實現批次間的優化。
第2章 智能係統監測:在綫學習和係統條件狀態
本章提齣瞭一種新型智能係統狀態監控的通用方法。使用5個連續步驟實現:(1)數據采集。(2)簡化的自適應模型。(3)診斷,並與自適應模型進行數據比較。(4)使用退化模型間的退化混閤自動裝置流來跟蹤係統狀態;(5)在實現對EOL或RUL的預測。本章提齣瞭一種基於簡化自適應模型方法並應用在智能係統監測中,這種方法可應用於在步驟(2)和步驟(4)研究範圍的診斷與預測之外部分。
第3章 分類器的原理
本章描述瞭錶明使用神經網絡開發齣一套連續學習診斷係統是可能的。整套係統將大大地節省分析師在異常和故障檢測上的時間和精力。使原本需要耗費大量時間的任務自動化在分類器上有幾種方式可以提高預測新數據采樣解釋的數據顯示。預測的置信空間可以使用很容易進行估計。
第4章 綜閤多傳感器信息産生故障診斷指標
本章提齣瞭通過綜閤多傳感器上收集的信息産生故障水平指標的兩種方法。第一種方法,將從兩個傳感器在不同健康狀況下收集到的信號作為一個多元信號,使用多元經驗模式分解法將該多元信號分解為一組固有模態函數,該故障敏感的模態函數是由一個基於互信息標準來選擇的,然後得到全範圍的基礎指標。該方法産生的指標顯示瞭平麵振動的運動特徵。第二種方法從每個單獨的傳感器提取特徵,采用全局模糊優先選擇具有近似質量更好的單調關聯故障的水平特徵,並利用PCA組閤信息選擇特徵為一個單一的指標。利用不同傳感器收集到的信息和特徵來生成指標,優於每一個傳感器的特徵。該方法是通用的,而且可以用於多傳感器。但是由於利用PCA綫性變換生成的指標不能保持最初選擇特徵的物理意義。
第5章 基於自由參數變換方法對係統進行故障檢測與隔離
本章提齣瞭一種基於數據轉換方法的轉換檢測與模式識彆。當係統在可識彆模式之間轉換時,這兩個過程都可以使用這兩種方法實現。不同模式間的識彆需要以一個模式相關的馬爾可夫參數作為必要條件。雖然當係統在不容易識彆的模式下轉換時,轉換是可檢測的。但無差彆的條件並不暗示非轉換性檢測並不是一個非轉換檢測充分條件。
第6章 基於數據驅動的鏇轉機預測
概述瞭基於數據驅動預測的全過程。為齒輪故障檢測提供適當的狀態指標;為那些狀態指標設置閾值,並通過融閤成一個組件的健康指標(HI);使用一個狀態空間過程根據目前組件的健康來估計剩餘有用壽命;使用狀態估計來量化估計剩餘有用壽命的置信空間。
第7章 基於個體預測確定閤適的退化參數
本章提齣瞭一套錶徵預測參數的適應性指標。這些參數的特徵如單調性、預測性和趨勢性,可用於比較候選預測參數;並由此確定哪些是對個體預測非常有用的。單調性錶徵參數潛在正的或負的趨勢,這解決瞭上述常見物理係統不能自行愈閤的假設。預測性實現瞭許多係統或部件退化參數的關鍵失效值方差的測量,從而提高瞭在失效估計的置信。趨勢性錶示許多係統已經發展的衰退參數在某種程度上具有相同的潛在形狀的度量,並且可以通過相同的函數形式進行描述。這三種直觀的度量可以歸一化,從而給齣預測參數適宜性的定量測量。三種措施和適用性的結閤可以用來作為適應度函數優化預測參數的發展。
第8章 多狀態設備退化的非均勻連續時間隱半馬爾可夫建模過程
本章展示瞭使用非均勻連續時間的隱半馬爾可夫建模過程(NHCTHSMP)的一種通用隨機模型,用於一係列無法觀察到的多狀態設備的衰退過程和觀測過程。本章還對與多態設備相關聯的NHCTHSMP的詳細數學結構進行瞭說明,並描述瞭一個基於關聯的內核函數和轉換速率功能的NHCTHSMP的重要措施。在最終的估計方法中,提齣瞭可用於使用狀態監控信息來估計NHCTHSMP的未知參數,提供瞭一個簡單的數值實例來描述NHCTHSMP的應用過程。
第9章 基於隨機轉換機械係統隨機疲勞的技術
本章針對機械係統隨機疲勞提齣一種新技術,即找到一個應力的隨機密度函數。這種技術是基於概率變換與有限元法的結閤,以獲得響應的概率密度函數。這項新技術是通過10000次的Monte�睠arlo模擬來驗證。
第10章 基於狀態分類和預測的鏇轉機退化預測
本章分析瞭在預測學中基於狀態分類和預測方法的退化問題。正常、異常和故障情況的判斷是通過檢測轉換階段的異常來定義的。首先,狀態分類的方法是用退化狀態來進行分析的,然後是在轉換階段討論故障發生的概率,最後,針對鏇轉機的退化過程,通過現場數據得到狀態分類和預測結果。
第11章 連續刀具狀態檢測的一種時序預測方法
介紹瞭一種基於隱半馬爾可夫模型的連續時間診斷和預測方法。同時,描述瞭在連續健康監測中應用的一種HSMM前後嚮算法的計算效率。基於簡化的前後嚮算法,定義瞭診斷和預測過程。對於提齣的HSMM方法和現有的HMM方法進行比較研究。兩種方法在交叉驗證、診斷和預測三個方嚮上進行性能比較。根據實驗結果,HSMM方法在診斷和預測性能上優於HMM方法。提齣的HSMM的預測能力通過方案III進行測試。有趣的是,基於HSMM方法的在10個時間步內的預測錯誤率小於基於HMM方法在平均一個時間步內的預測錯誤率。這錶明相比於HMM,HSMM在捕獲潛在時間信息方麵是多麼的強大。
第12章 集成係統健康狀態的預測與監製
本章將HAC模式引入到集成係統健康監測與控製及預測。在這種模式中,組件係統的健康預測模塊提供的信息應該允許修正控製器,並使控製目標考慮係統的健康。在這種方式中,為瞭滿足控製目標將會産生控製行為,並且同時延長係統組件的壽命。健康意識的控製與容錯控製恰恰相反,甚至當係統處於非故障情況下也能夠調整控製器。預測模塊在特定的操作條件下將估計在綫組件的老化。在非故障情況下,控製基於提齣的健康指標提齣的分配到係統上。貫穿本章使用一個案例用來說明該想法和概念。
第13章 基於粒子濾波的齒輪故障預測方法
介紹瞭一維健康指數的螺鏇傘齒輪受點蝕故障模型的基於粒子濾波的齒輪故障預測方法。該方法集成一對新組件到粒子濾波有效地解決瞭應用粒子濾波到機械組件剩餘壽命故障預測的問題。(1)基於數據挖掘技術有效地定義退化狀態轉換和通過白化變
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