论文题目：转子碰摩非线性行为与故障辨识的研究
作者简介：胡茑庆，男，1967年1月出生，1997年09月师从国防科技大学温熙森教授，于2001年12月获博士学位。
摘要
世界是非线性的，线性只是其近似描述。20世纪下半叶兴起的混沌理论为非线性动力学系统的研究开创了新途径。混沌的发现表明：某些确定性的非线性系统具有内在的随机行为。过去20多年来，对无所不在的混沌现象研究几乎遍及每个学科领域。对复杂机械系统中可能出现的强非线性行为（如混沌）展开研究并探讨混沌理论在机械故障诊断中的应用，对于复杂机械系统的设计、使用、诊断与维修，特别是早期故障预示具有重要意义。
随着机械运转速度的日益提高以及各种新型材料在高速机械中的广泛应用，机械系统的非线性将更加突出，可能直接（或间接）导致机械系统的故障，其中的许多关键的理论和技术问题有待于进一步深入研究。因此，从理论和实验上对这个问题进行研究意义重大，而对非线性行为特别是混沌行为的预测与机器运行状态早期检测，以及利用基于混沌理论的信号/信息处理方法的研究显得尤为突出。正是在这样的背景下并受探究世界本原的科学精神的感召，本文在国家自然科学基金项目（“转子系统混沌行为与故障的关联关系及预测方法研究”）的资助下，较早地对转子系统这种典型的机械系统中可能出现混沌现象进行了深入探索；同时，对基于混沌理论的系统辨识与信号处理技术进行了较早深入的研究。主要是从机械故障诊断和信号处理的角度切入和展开的，旨在回答：实际的转子系统运动响应中是否存在复杂的非线性行为（混沌行为）？如何通过观测时间序列数据来判断、辨识系统的复杂非线性行为？表征非线性行为的特征指数与故障是否有一定的关联关系？如何将混沌理论（如混沌振子模型、随机共振原理等）应用于转子系统故障的早期诊断与预测？
本论文主要完成两个方面的研究工作：从碰摩转子实验系统中观测混沌现象并进行辨识与分析；基于非线性科学理论与技术对转子系统的行为进行分析、预测与早期辨识。提出了一些新的见解。论文的主要研究工作和创新成果如下：
1．深入系统地研究了碰摩转子的非线性行为与特征规律。首先采用并改进了已有的转子尖锐碰摩模型，通过定量和定性的理论分析，获得了尖锐碰摩转子振动响应形式。设计了尖锐碰摩转子试验台并开展了细致的实验研究，获得了不同碰摩情况下的振动响应特征规律。通过理论和实验分析，得出在尖锐碰摩情况下，早期碰摩在一定条件下会出现1/3、2/3的分频成分的结果（表示工频）。通过理论和实验分析归纳出转子尖锐碰摩不同阶段下的特征规律及相应的辨识方法，这些结果对这类故障的早期检测具有重要的参考价值和指导作用。其次，建立了基于局部碰摩力变化且具有转、定子偏心的Jeffcott非线性转子的动力学模型，大量的数值仿真表明局部碰摩转子存在分频现象和一定的分叉规律，获得了大不平衡、小阻尼、高转速条件下，局部碰摩容易产生拟周期或混沌振动的结果。基于数值分析结果，设计并建立了局部碰摩转子系统试验台，在大范围的转速里进行了细致的实验研究，观察到了包括周期、拟周期、次谐波与超谐波以及混沌振动在内的丰富的振动现象，观测与仿真结果定性一致。最后，采用基于观测时间序列的重构相空间分析方法对转子系统的非线性行为进行辨识与分析，获得了系统出现强非线性行为的统计意义上的证据。理论与实验分析获得的碰摩转子振动响应的特征规律对于碰摩的预测具有一定的参考价值。
2．从非线性动力学分析的全新角度，系统地完善并发展了基于观测数据的混沌识别技术。即在只能获得短数据集条件下，提出了具有工程化前景的相空间重构技术和统计特征指数算法，可以有效而快速地评判碰摩转子观测数据所隐含的动力学行为。主要包括：1) 在短数据集情况下，为了快速、合理地选择嵌入空间参数，提出了延迟时间选择的交叉位移改进法和嵌入维数选择的伪近邻距离统计增长法，其特点是速度快、重复性好；2) 对影响关联维数计算的各种因素进行了深入分析，提出了在短数据集约束下估计关联维数的具体方法；3) 提出了在短数据集条件下，通过最大瞬时Lyapunov指数来估计最大Lyapunov指数的方法，并依据Lyapunov指数之和与系统的能量耗散机制相关联这一结果，从理论上分析并提出了Lyapunov指数之和的变化规律可用来监测强非线性系统的阻尼变化，从而可以监测系统状态变化的新策略和新方法。研究表明关联维数和最大Lyapunov指数对非线性动力学行为的辨识是行之有效的，其有效性在转子碰摩的各种状态的分类与辨识中获得了证实。
3．提出了通过观测数据的不可长期预测性并结合特征指数分析对信号的混沌特性进行综合判别的新方法。主要研究工作包括：1) 改进了局部线性拟合的非线性预测方法；2) 发展了非线性时间序列预测的相轨迹方法；3) 提出了利用观测数据的短期、长期可预测性可对动力学行为进行辨识的新方法。研究表明，上述预测方法结合特征指数分析，可以对非线性行为进行综合分类与辨识，通过多指数、多角度地对观测数据进行分析，使获得的辨识结果更为可信。该预测方法在转子碰摩非线性行为的分类与辨识中的应用表明是行之有效的。
4．以理论和实验分析所获得的碰摩故障特征规律为基础，提出采用Duffing振子微弱信号检测方法对转子系统碰摩故障特征进行早期检测的新方法。主要包括：理论分析了Duffing方程的全局解和全局分叉规律并讨论了分叉值随阻尼、外部激励幅值的变化规律，从中获得Duffing方程外轨解的最大轨道所对应的分叉阈值特性可用来进行微弱信号检测的结果，给出了Duffing振子进行早期故障特征微弱信号检测的实现模型，并对相关问题进行了深入讨论。以此为基础，提出了检测信号存在性策略、确定微弱信号幅值的方法和估计信号频率的方法。针对机械故障诊断应用环境，提出了利用该方法进行故障早期检测的决策策略。特别地，为了在噪声环境中准确判定混沌到周期响应突变结果，首次提出了采用源于符号动力学的符号序列分析技术（STSA）来对振子的相变进行自治地快速辨识的方法，给出了辨识的具体流程与检验阈值的确定方法。综合上述工作，数值分析与实验表明，Duffing振子方法可以将信噪比为-25dB左右的微弱信号进行可靠检测。该方法对诸如碰摩故障特征的早期检测是行之有效的。
5．首次将随机共振理论与方法引入机械故障早期诊断领域，提出了采用随机共振原理来检测微弱的特征信号的新方法，以尽早而准确地捕捉表征转子碰摩早期的特征信号。首先，从哲学辩证法角度，分析了噪声在信号处理中的正、反作用，从而引出了随机共振用于信号处理的基本思想。其次，给出了基于随机共振的弱特征信号处理模型，分析了模型的响应及描述指数（如局部信噪比）、模型数值算法，特别分析了多个特征信号检测的可行性。最后将该模型用于早期碰摩特征信号的检测。研究表明该方法简单、稳健、可靠，能把信噪比较低的表征碰摩故障的周期信号从强背景噪声中可靠地提取出来。该方法是一种具有实际应用价值的故障早期特征检测方法，特别适合于在实时的应用场合中，在短数据记录的情况下，从很强的噪声中检测微弱的表征故障特征的有用信号。这种基于非线性科学的新颖微弱信号处理技术将有可能在复杂机械状态监测与故障诊断以及维修系统中得到广泛应用。顺便指出，该方法深入的理论与应用研究工作又获得了国家自然科学基金的资助（“基于随机共振的机械故障早期检测方法研究” ）。
值得一提的是，受国家863高技术课题资助，本论文研究工作所获得的模型与算法，正移植到某发动机健康监控与故障诊断系统中。
关键词：转子碰摩，相空间重构，非线性特征描述指数，相轨迹演化，非线性时间序列预测，Duffing混沌振子，随机共振，符号时间序列分析，早期故障预示
敬佩！
对这么多的专家深表敬意。看到他们发表如此多的文章，搞无数的项目，只是不知有没有推出一个能享誉国内外的状态监测产品。
由此，更应对诸如振通公司那些默默无闻的研发人员表示敬意！ 呵呵，专家毕竟不是企业老总啊
当你把大部分精力投入到理论研究之中的时候
很难开发出所谓的“享誉国内外的状态监测产品”
角色不一样，不好放在一起评论 不好放在一起评论，应该经常一起合作啊，更好的把理论和实践结合起来，对....事业，....我国的....啊什么的更好的发展啊，壮大啊，等等 呵呵，是呀，理论结合实际才是王道，我们的企业也应该关心一下我们这些专家。
引用
近年来，诊断界的一些人士曾指出，随着国内诊断技术的迅速发展，开发研制的计算机诊断系统日益增多，仅以回转机械为例，各种问世系统将近百种。它们虽原理科学、方法先进，但也还存在能否长期正常工作的问题。工程界人士比较清楚，产品的技术设计与工程设计是不一样的，还必须有一个工程化、标准化、乃至商品化的过程。如果说把上述“三化”问题，全都交由院校和科研单位承担，则既不合理也不实际，因为院校是以教学、科研为主，如在这方面投入过多力量，必将影响到主攻方向，更何况他们的生产条件也很有限；如果把“三化”问题交给仪器生产公司或厂家，尽管比较合理，但也有能力问题。当前国内的一些诊断仪器生产厂家，大都开发科研力量不足，有些略具实力的厂家，又缺乏勇挑重担的观念，远不像国外的一些同类公司，他们的生产部门很精干，尽量依靠协作分工，但在科研开发方面却实力极强，因而保证了新型适用的仪器不断出现
——引用黄昭毅在《设备管理与维修》98年2月发表的文章《两年来国内设备诊断技术的某些发展
特点及对若干问题的探索与思考》 认识的也有从高校老师转去办公司的，他们的技术一般限制在他们刚办时的水平。而且商业化不是很成功。
顶
这么好的帖子，顶了 呵呵，学校都是扯蛋，你那个坏机器给他诊诊，保准比不上一个工人都是一些虚的东西，凑论文捣浆湖 原帖由 zhlong 于 2006-10-9 14:41 发表
呵呵，学校都是扯蛋，你那个坏机器给他诊诊，保准比不上一个工人
都是一些虚的东西，凑论文捣浆湖
你也未免太偏激了,一棍子打死一船人,估计只有你最厉害了. 学院派的理论研究还是需要的,让理论研究的人解决实际问题不现实;反过来让现场从事实际工作的人研究理论也不是现实的.关键在于理论的人应该多了解现场,搞出适合现场的东西;现场的人主动去发现那些理论的东西适合自己,拿来应用就可以了. 专业就是王道，不管是理论还是实践 原帖由 realhappy 于 2006-10-9 14:56 发表
你也未免太偏激了,一棍子打死一船人,估计只有你最厉害了.
我没有别的意思，只是觉得学校里面很多老师和学生搞出来的东西离实际太遥远
如果理论成果不能为实际所应用，而只是在实验室里拿个简易的实验台验证验证，
该没有多大现实意义吧。呵呵，不要举相对论的例子啊。
搞振动分析是很有意义的，而现在所热衷的智能故障诊断之类的如神经网络、支持
向量机故障识别，不知道是否能在实际中应用。 原帖由 tjxz888 于 2006-10-9 15:22 发表
学院派的理论研究还是需要的,让理论研究的人解决实际问题不现实;反过来让现场从事实际工作的人研究理论也不是现实的.关键在于理论的人应该多了解现场,搞出适合现场的东西;现场的人主动去发现那些理论的东西适合自 ...
有道理