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专利号: 2020109686604
申请人: 武汉科技大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2025-12-30
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种基于RE-CF-EKF算法的滚动轴承剩余寿命预测方法,其特征在于:步骤一:对获得的轴承振动数据集进行筛选,选择同一工况的多个轴承作为实验数据集,并将其进行训练集和测试集的分组;

步骤二:取原始信号的时域特征后,进行线性滤波,计算滤波后数据与滤波误差之间的相对误差值RE,基于RE曲线确定预测开始点TSP;

步骤三:对选取的时域特征,进行降噪处理,再由累积函数得到趋势更平滑的累积特征CF;

步骤四:结合步骤二、步骤三得到适合建模预测的特征曲线段,并建立状态空间模型,由训练集的特征曲线段得到模型初始参数,再结合EKF算法预测轴承剩余寿命。

2.如权利要求1所述的一种基于RE-CF-EKF算法的滚动轴承剩余寿命预测方法,其特征在于:在步骤二中选用能表征轴承整体寿命趋势的时域特征表征,对时域特征表征进行线性滤波,得到滤波后特征曲线与滤波误差曲线;

设定滑窗大小为m;

计算每个窗口内F(k)与E(k)的相对误差RE(k),其具体表达式为:获得RE曲线,

在当前数据集所得RE曲线中选取阈值分界线;

依据阈值分界线,寻找退化开始点,并作为预测开始点TSP用于后续预测。

3.如权利要求2所述的一种基于RE-CF-EKF算法的滚动轴承剩余寿命预测方法,其特征在于:所述滑窗大小为已知数据长度T的X%;

所述阈值分界线为训练集相对误差的前A1%-A2%数据的均值;

其中,X为自然数;

A1、A2选自自然数,A1小于A2。

4.如权利要求1所述的一种基于RE-CF-EKF算法的滚动轴承剩余寿命预测方法,其特征在于:在步骤三中,使用经验模态分解的改进算法CEEMDAN对方差特征重构后进行降噪处理;

对降噪后的方差特征V,依据累积函数进行处理,得到累积特征CF;

其中,累积函数公式如下:

5.如权利要求1所述的一种基于RE-CF-EKF算法的滚动轴承剩余寿命预测方法,其特征在于:所述训练集为全寿命周期数据;

所述测试集取前一部分作为已知数据,剩余部分用于验证预测结果的优劣。

6.如权利要求5所述的一种基于RE-CF-EKF算法的滚动轴承剩余寿命预测方法,其特征在于:所述步骤四包括如下步骤:

所述EKF算法预测测试集已知数据最后时刻T之后的状态估计值 形成新的模型参数;

根据预测结果,得到对应T+i(i=1,2,…,n)时刻的轴承特征数据;

当轴承振动数据的特征曲线到达定义阈值时,则剩余使用寿命RUL为T时刻到轴承失效阈值点之间的时间间隔。

7.如权利要求5所述的一种基于RE-CF-EKF算法的滚动轴承剩余寿命预测方法,其特征在于:在步骤四中,由步骤二所得预测开始点与步骤三所得累积特征,得到当前数据集更适合建模预测的特征曲线段CF′(k),k=TSP,…,T;

计算训练集每个特征曲线段最后一点的斜率thi,取均值作为测试集预测时的阈值:所建立的状态空间方程为:

其中,xk=[ak,bk,ck,dk];

k表示循环次数;

xk表示状态模型参数;

Yk表示累积特征曲线段的观测值;

wk表示状态噪声;

vk表示观测噪声;

根据训练集的特征曲线段拟合得到预测模型的初始参数;

将初始模型参数与测试集当前数据的特征曲线段输入到EFK算法中,预测得到T时刻的状态值X(T)。

8.如权利要求7所述的一种基于RE-CF-EKF算法的滚动轴承剩余寿命预测方法,其特征在于:所述EKF算法具体流程为:

S1.考虑如下状态空间方程:

Y(k)=HX(k)+V(k)S2.预测部分:

S2-1.状态预测:

S2-2.观测预测:

Y(k|k-1)=HX(k|k-1)S2-3.协方差预测:

S3.更新部分:

S3-1.计算kalman增益:T T -1

K(k)=P(k|k-1)H[HP(k|k-1)H+R]S3-2.状态更新:

X(k)=X(k|k-1)+K(k)[Y(k)-Y(k|k-1)]S3-3.协方差更新:

P(k)=[In-K(k)H]P(k|k-1)。

9.如权利要求8所述的一种基于RE-CF-EKF算法的滚动轴承剩余寿命预测方法,其特征在于:测量估计值的计算方法如下:

其中,Y(k)表示输入的轴承累积特征曲线段CF′(k),对应于状态空间方程中的Yk,通过EKF算法得到T时刻时的状态值Xk,根据预测模型计算得到T时刻之后的测量估计值当 达到阈值时,停止预测,并计算当前轴承预测的剩余寿命值:R=k-T

其中,对于特征曲线段CF′(k),k=TSP,…,T,迭代地将TSP时刻到t,TSP<t≤T,时刻的特征曲线段作为EKF的输入,并预测剩余寿命。