系統故障診斷技術、算法及MATLAB實現

本書共9章（另有2個附錄），涵蓋了故障診斷信號分析基礎、信號高級分析方法、滾動軸承故障診斷、齒輪故障診斷等基於信號分析的故障檢測和故障診斷技術，同時，還包含了基於模型的故障診斷（對應第6～8章）、數據驅動的懸掛系統故障診斷方法。 為幫助讀者更好地理解和學習，書中重要的理論和案例都配有MATLAB程序，每章都附有思考題（提供答案）。另外，編著者針對每章都製作了課件，方便讀者學習和教師課堂教學使用。

第1章緒論 1
1.1 系統故障診斷技術的內涵 1
1.1.1 系統故障診斷技術的基本概念 1
1.1.2 系統故障診斷技術的目的與任務 2
1.1.3 系統故障診斷技術的基本理論與方法 5
1.1.4 系統故障診斷系統的結構與內容 13
1.2 系統故障診斷技術的發展趨勢 15
1.2.1 故障預測與健康監測的技術內涵 15
1.2.2 故障預測與健康監測技術體系 17
1.2.3 故障預測與健康監測的系統功能層次 20
1.2.4 故障預測與健康監測的典型體系框架分析 23
1.2.5 故障預測與健康監測的發展展望 28
思考題 31
參考文獻 31

第2章故障診斷信號分析基礎 33
2.1 信號分析的定義與意義 33
2.2 信號預處理 33
2.2.1 異常值處理 34
2.2.2 零均值化處理 34
2.2.3 消除趨勢項 36
2.2.4 加窗處理 38
2.2.5 濾波 49
2.3 特徵提取與信號處理方法 56
2.3.1 特徵選擇與提取 56
2.3.2 時域分析方法 57
2.3.3 頻域分析方法 62
思考題 72
參考文獻 73

第3章信號高級分析方法 75
3.1 時頻域分析 75
3.1.1 短時傅里葉變換 75
3.1.2 Wigner-Ville分佈 77
3.1.3 小波變換 80
3.1.4 EMD信號分析方法 87
3.2 數據約減方法 92
3.2.1 主成分分析 92
3.2.2 核主元分析 94
3.2.3 粗糙集理論 98
3.3 傳感器信息融合 101
3.3.1 信息融合的概念 101
3.3.2 信息融合的方法 104
3.3.3 信息融合的關鍵技術 107
思考題 108
參考文獻 108

第4章滾動軸承故障診斷 110
4.1 滾動軸承的基本概況 110
4.1.1 滾動軸承的基本結構 110
4.1.2 滾動軸承異常的基本形式 111
4.2 滾動軸承的振動類型及故障特徵 112
4.2.1 滾動軸承的固有振動特徵 113
4.2.2 滾動軸承的故障特徵頻率 114
4.3 滾動軸承故障診斷方法 121
4.3.1 常用振動診斷方法 121
4.3.2 現場振動監測及分析診斷的一般步驟 129
4.3.3 滾動軸承故障診斷案例 130
4.3.4 軸承故障診斷新技術介紹 137
思考題 138
參考文獻 138

第5章齒輪故障診斷 140
5.1 齒輪異常的基本形式 140
5.1.1 齒輪及嚙合過程 140
5.1.2 齒輪故障的常見形式 142
5.1.3 齒輪故障的原因 149
5.2 齒輪振動頻率及頻譜特點 150
5.2.1 齒輪的振動類型 150
5.2.2 齒輪振動頻率的計算 152
5.2.3 齒輪振動頻譜的特點 154
5.3 齒輪故障分析方法 157
5.3.1 常用振動振動方法 157
5.3.2 齒輪的精密診斷 161
5.3.3 齒輪故障診斷案例 162
5.3.4 齒輪故障診斷新方法展望 166
思考題 167
參考文獻 168

第6章系統的狀態空間描述 169
6.1 系統數學描述 169
6.2 狀態空間的基本概念 170
6.3 線性系統狀態空間表達式的建立 172
6.3.1 根據物理定律建立實際系統的動態方程 172
6.3.2 由系統的微分方程建立狀態空間表達式 175
6.3.3 由傳遞函數建立狀態空間表達式 177
6.4 線性系統的可控性和可觀性 180
6.4.1 問題的提出 180
6.4.2 線性定常連續系統的可控性 180
6.4.3 可控標準型及輸出可控性 183
6.5 狀態空間表達式的標準形式 185
6.5.1 能控標準型 186
6.5.2 能觀測標準型 186
6.5.3 對角線標準型 186
6.5.4 Jordan標準型 187
6.6 利用MATLAB進行系統模型之間的相互轉換 188
6.6.1 傳遞函數係統的狀態空間表達式 189
6.6.2 由狀態空間表達式到傳遞函數的變換 190
思考題 193
參考文獻 194

第7章狀態反饋和狀態觀測器設計 195
7.1 狀態反饋與閉環系統極點的配置 195
7.1.1 狀態反饋 195
7.1.2 閉環系統期望極點的選取 200
7.2 狀態觀測器的設計 201
7.2.1 全維狀態觀測器 202
7.2.2 極點配置的MATLAB實現 206
思考題 214
參考文獻 214

第8章基於觀測器的故障診斷理論基礎 215
8.1 故障診斷觀測器 215
8.2 故障檢測系統的魯棒性及靈活性 216
8.3 故障檢測殘差評估及閾值的確定 218
8.4 故障分離 221
8.4.1 完全故障分離 221
8.4.2 故障分離濾波器 226
8.4.3 基於多個（一組）殘差產生器的故障分離 227
8.5 故障辨識 233
8.5.1 故障辨識濾波器與完全故障辨識 234
8.5.2 最優故障辨識問題 236
思考題 238
參考文獻 238

第9章數據驅動的懸掛系統故障診斷方法 240
9.1 基於PCA的故障檢測方法 240
9.2 基於DPCA的城軌車輛懸掛系統故障檢測 242
9.3 T-PLS的算法思想與步驟 244
9.4 基於T-PLS的懸掛系統故障檢測與診斷 249
9.5 SVM概述 255
9.6 SVM算法研究 256
9.6.1 二元分類 256
9.6.2 多元分類 259
9.7 在列車懸掛系統中應用SVM技術進行故障分離 260
9.7.1 故障特徵值 262
9.7.2 SVM故障分離 263
思考題 265
參考文獻 265
附錄A 城軌車輛懸掛系統建模 266
A.1 車輛懸掛系統及車載故障診斷系統構架 266
A.1.1 車輛懸掛系統組成與功能 266
A.1.2 城軌車輛垂向懸掛系統動力學建模 269
A.1.3 Simpack車輛建模與懸掛系統故障仿真平台 278
A.2 小結 282
參考文獻 282
附錄B 思考題答案 283