秦 波，孫國(guó)棟，陳 帥，王祖達(dá)，王建國(guó)

(內(nèi)蒙古科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

排列熵與核極限學(xué)習(xí)機(jī)在滾動(dòng)軸承故障診斷中的應(yīng)用*

秦 波，孫國(guó)棟，陳 帥，王祖達(dá)，王建國(guó)

(內(nèi)蒙古科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

針對(duì)極限學(xué)習(xí)機(jī)(Extreme Learning Machine, ELM)隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)需要人為設(shè)定，致使?jié)L動(dòng)軸承故障分類模型精度低、穩(wěn)定性差，提出基于排列熵(Permutation Entropy, PE)與核極限學(xué)習(xí)機(jī)(Kernel Extreme Learning Machine, K-ELM)的滾動(dòng)軸承故障診斷方法。首先，將測(cè)得信號(hào)經(jīng)集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(Ensemble Empirical Mode Decomposition, EEMD)處理后得到一系列IMF本征模態(tài)函數(shù)，并提取各分量的排列熵PE值組成高維特征向量集；其次，在利用高斯核函數(shù)的內(nèi)積來表達(dá)ELM輸出函數(shù)，從而自適應(yīng)確定隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)；最后，將所得高維特征向量集作為K-ELM算法的輸入建立核函數(shù)極限學(xué)習(xí)機(jī)滾動(dòng)軸承故障分類模型，進(jìn)行滾動(dòng)軸承不同故障狀態(tài)的分類辨識(shí)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：K-ELM滾動(dòng)軸承故障分類模型比SVM、ELM故障分類模型具有更高的精度、更強(qiáng)的穩(wěn)定性。

滾動(dòng)軸承；排列熵；極限學(xué)習(xí)機(jī)；核函數(shù)

0 引言

滾動(dòng)軸承是機(jī)械系統(tǒng)中最關(guān)鍵的零部件之一，其運(yùn)行狀態(tài)直接關(guān)系到設(shè)備能否正常運(yùn)轉(zhuǎn)。由于實(shí)際中工況復(fù)雜，軸承故障振動(dòng)信號(hào)常呈現(xiàn)出非線性、非平穩(wěn)性的特征，而傳統(tǒng)的時(shí)頻域分析方法大多針對(duì)線性、穩(wěn)態(tài)信號(hào)的分析，因此難以精確、穩(wěn)定地識(shí)別軸承的故障。

為了精確、穩(wěn)定地識(shí)別軸承的故障類型，國(guó)內(nèi)外科研工作者提出了一系列的方法。在狀態(tài)識(shí)別方面：文獻(xiàn)[1]以滾動(dòng)軸承信號(hào)小波分解后的能量熵作為特征，通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)滾動(dòng)軸承故障進(jìn)行識(shí)別、診斷。文獻(xiàn)[2]提出一種GA和LM組合優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的故障診斷方法，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，組合優(yōu)化后的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有更高的診斷效率和精度。雖然上述方法具有一定有效性，但BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)易陷入局部最優(yōu)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)參數(shù)選取基于經(jīng)驗(yàn)，解不唯一。與BP相比，支持向量機(jī)基于結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)最小化原則克服了解不唯一、易陷入局部最優(yōu)。文獻(xiàn)[3]采用主成分分析結(jié)合支持向量機(jī)實(shí)現(xiàn)了滾動(dòng)軸承故障的準(zhǔn)確診斷。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明針對(duì)四種軸承狀態(tài)，識(shí)別率達(dá)到90%，提出的結(jié)合PCA-SVM是一種有效的滾動(dòng)軸承故障診斷方法。但是其在實(shí)際應(yīng)用中也存在一些缺點(diǎn)：①支持向量機(jī)具有一定的稀疏性，但是支持向量數(shù)會(huì)隨著訓(xùn)練樣本數(shù)的增加線性增加；②需要對(duì)一些模型參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，如果這些模型參數(shù)取值不當(dāng)，將大大影響其性能，從而增加額外的計(jì)算量。對(duì)此，Huang提出的極限學(xué)習(xí)機(jī)，表現(xiàn)出運(yùn)算速度快，泛化能力強(qiáng)，不易過擬合的優(yōu)點(diǎn)，但ELM算法對(duì)最優(yōu)神經(jīng)元個(gè)數(shù)的選擇只能通過試湊法來獲得，魯棒性差。Cao Jiu-wen等[4]利用自適應(yīng)DE算法優(yōu)化ELM模型的輸入權(quán)重和隱層閾值，具有較好的全局搜索能力，更強(qiáng)的泛化能力，但收斂速度慢。呂忠等[5]運(yùn)用遺傳算法對(duì)極限學(xué)習(xí)機(jī)的輸入權(quán)值與隱含層閾值進(jìn)行優(yōu)化，從而提高模型的預(yù)測(cè)精度。但遺傳算法屬于隨機(jī)性智能優(yōu)化算法，穩(wěn)定性差，不能處理連續(xù)優(yōu)化問題。2015年王續(xù)林等[6]基于PSO聚類和ELM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)機(jī)床主軸熱誤差建模，該模型具有計(jì)算簡(jiǎn)便、預(yù)測(cè)精度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但容易陷入局部極小值而找不到全局最優(yōu)解。

針對(duì)以上問題，提出基于排列熵與K-ELM的滾動(dòng)軸承故障診斷方法。為避免噪聲對(duì)特征提取的影響，先將測(cè)得信號(hào)經(jīng)集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解處理后得到一系列IMF本征模態(tài)函數(shù)，并提取各分量的排列熵PE值組成高維特征向量集；其次，在利用高斯核函數(shù)的內(nèi)積來表達(dá)ELM輸出函數(shù)，從而自適應(yīng)確定隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)；最后，將所得高維特征向量集作為K-ELM算法的輸入建立核函數(shù)極限學(xué)習(xí)機(jī)滾動(dòng)軸承故障分類模型，進(jìn)行滾動(dòng)軸承不同故障狀態(tài)的分類辨識(shí)。

1 排列熵

排列熵是通過對(duì)比相鄰數(shù)據(jù)去度量時(shí)間序列的復(fù)雜性，相比于其他的熵值，排列熵具有計(jì)算速度快，抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，只用熵對(duì)信號(hào)進(jìn)行排列，能夠克服非線性信號(hào)失真問題，可以用來提取軸承信號(hào)的特征。其基本原理如下[7]：

給定一個(gè)時(shí)間序列信號(hào){x(i),i=1,2,…,n}進(jìn)行相空間重構(gòu)。根據(jù)延遲嵌入定理得到重構(gòu)信號(hào)：

(1)

式中：

∑—延遲時(shí)間

Y—嵌入維數(shù)

重構(gòu)后i的值最大為：n-(y-1)σ。

將式(1)中的元素按升序排列，得到：

x(i+(j1-1))σ≤x(i+(j2-1))σ≤…≤x(i+(jy-1))σ

(2)

其中：j1,j2,…,jy表示x(i)中元素的位置。如果x(i)中存在相等的元素，則在重新排列時(shí)按j的大小進(jìn)行排列，因此x(i)總能找到如下序列模式：

K(l)=(j1,j2,…jy)

(3)

其中：l=1,2,…,m，m≤y!。y個(gè)元素的向量最多可以有y!種排列模式；K(l)表示其中一種排列模式。設(shè)一種排列模式的出現(xiàn)概率為：

(4)

故信號(hào)排列模式的熵為：

(5)

對(duì)Hp=(y,σ)進(jìn)行歸一化處理，得排列熵為：

(6)

以上可以看出，Hp的取值范圍為[0,1]，Hp值的大小表示時(shí)間序列的復(fù)雜和隨機(jī)程度。Hp值越小，則時(shí)間序列越規(guī)則，反之時(shí)間序列越接近隨機(jī)。因此Hp的變化能夠反映并放大時(shí)間序列的細(xì)微變化。

2 核函數(shù)極限學(xué)習(xí)機(jī)辨識(shí)模型構(gòu)建

2.1 極限學(xué)習(xí)機(jī)

極限學(xué)習(xí)機(jī)[8-9]的結(jié)構(gòu)如圖1所示，由輸入層、隱含層和輸出層組成，層與層之間通過神經(jīng)元連接。n個(gè)隱含層節(jié)點(diǎn)，ωi和βi分別為連接輸入層和隱含層、連接隱含層和輸出層的權(quán)重矩陣，xi,yi分別為輸入和輸出，bi是隱含層的閾值，ωi和βi定義如下：

圖1 ELM的結(jié)構(gòu)圖

對(duì)于給定L個(gè)不同數(shù)據(jù)樣本(xi,ti)，其中xi=[xi1,xi2,…,xiL]T∈RL，ti=[ti1,ti2,…,tiL]T∈RL，具有n個(gè)隱含層節(jié)點(diǎn)(n

(7)

如果其激活函數(shù)g(x)是無限可微的，那么就能夠零誤差的逼近輸入樣本的真實(shí)輸出值，用公式可以表達(dá)為：

(8)

上式可以簡(jiǎn)化為：

Hβ=T

(9)

其中H為隱含層輸出矩陣，其定義如下：

(10)

輸出權(quán)值向量βi可以通過式(9)的最小二乘βi=H+T來獲得。其中，在求解Moerr-Penrose廣義逆H+=HT(HHT)-1時(shí)，因?yàn)閿?shù)據(jù)樣本可能存在復(fù)共線性問題，造成HHT非奇異，從而影響最終結(jié)果。因此，在對(duì)角矩陣HHT中引入一個(gè)參數(shù)1/c，把它加到HHT的主對(duì)角線上，使HHT的特征根偏離零值，以此求出權(quán)值向量βi值，表達(dá)式如下：

(11)

2.2 核函數(shù)極限學(xué)習(xí)機(jī)

對(duì)于低維空間線性不可分問題，通過引入核函數(shù)把輸入空間樣本數(shù)據(jù)映射到可分的高維特征空間，進(jìn)行內(nèi)積運(yùn)算將不可分轉(zhuǎn)變?yōu)榭煞謥硖幚頂?shù)據(jù)。本文采用的高斯核函數(shù)滿足Mercer核理論[10]可以應(yīng)用到極限學(xué)習(xí)機(jī)中，其表達(dá)式如下：

(12)

在ELM算法中隱含層節(jié)點(diǎn)輸出函數(shù)g(x)是未知的，利用核函數(shù)能夠把g(x)用內(nèi)積的形式表示出來，所以核ELM算法中，隱含層節(jié)點(diǎn)輸出函數(shù)g(x)的具體形式不用給出，只需要知道核函數(shù)K(x,xi)的具體形式就可以求出輸出函數(shù)的值，且隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)能夠自適應(yīng)確定。ELM算法中的公式用核矩陣形式表示為：

KELM=HHT:KELM=g(xi)·g(xj)=K(xi,xj)

故核函數(shù)極限學(xué)習(xí)機(jī)算法可概括為：給定一個(gè)含有L個(gè)樣本的訓(xùn)練樣本集(xi,yi)，xi表示輸入向量，yi表示相應(yīng)的輸出，i=1,2,…,L，及核函數(shù)K(x,xi)。則輸出的方程為：

(13)

核極限學(xué)習(xí)機(jī)算法的流程圖如圖2所示。

圖2 核極限學(xué)習(xí)機(jī)算法的流程圖

3 仿真實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)設(shè)備為美國(guó)Spectra Quest公司DDS動(dòng)力傳動(dòng)故障診斷綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)見圖3。該實(shí)驗(yàn)臺(tái)的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)由1個(gè)二級(jí)行星齒輪箱，1個(gè)二級(jí)平行齒輪箱以及變速驅(qū)動(dòng)電機(jī)和電機(jī)控制器等組成，其平行齒輪箱傳動(dòng)結(jié)構(gòu)見圖4。實(shí)驗(yàn)中，測(cè)點(diǎn)布置見圖3，其中測(cè)分別位于垂直徑向、水平徑向與軸向。

圖3 動(dòng)力傳動(dòng)故障診斷綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)

圖4 平行齒輪箱的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

實(shí)驗(yàn)中，對(duì)軸承的正常、外圈故障、內(nèi)圈故障、和滾動(dòng)體故障4種狀態(tài)分別采樣，獲取各30組數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)包含5120個(gè)采樣點(diǎn)。隨機(jī)抽取每種狀態(tài)的20組數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練樣本，剩余的10組作為測(cè)試樣本。首先對(duì)軸承的內(nèi)圈故障信號(hào)進(jìn)行EEMD分解，對(duì)所得IMF分量提取排列熵。同理把其余三種狀態(tài)的樣本進(jìn)行上述處理，所得結(jié)果見表1滾動(dòng)軸承四種狀態(tài)部分排列熵值。

表1 軸承四種狀態(tài)的特征向量

將上述數(shù)據(jù)樣本的隨機(jī)選取20組作為的訓(xùn)練樣本，利用K-ELM算法對(duì)模型進(jìn)行訓(xùn)練，建立滾動(dòng)軸承的故障診斷模型；剩余的10組數(shù)據(jù)樣本作為測(cè)試樣本完成測(cè)試，其分類結(jié)果見圖5，從圖中可以看出K-ELM對(duì)軸承故障的分類精度達(dá)到100%。

圖5 K-ELM的測(cè)試集分類結(jié)果

為了驗(yàn)證所提方法的優(yōu)越性。分別將訓(xùn)練樣本與測(cè)試樣本輸入到SVM和ELM中進(jìn)行訓(xùn)練與測(cè)試，其測(cè)試結(jié)果見圖6和圖7。從圖6中看出SVM對(duì)軸承故障分類精度達(dá)到82.5%：從圖7中看出ELM對(duì)軸承故障分類精度達(dá)到87.5%。上述三種方法的對(duì)比結(jié)果見表2，與SVM和ELM分類模型相比，K-ELM的軸承故障診斷模型具有更高的精度。

圖6 SVM的測(cè)試集分類結(jié)果

圖7 ELM的測(cè)試集分類結(jié)果

算法種類訓(xùn)練樣本組數(shù)測(cè)試樣本組數(shù)測(cè)試精度%正常內(nèi)圈故障外圈故障滾動(dòng)體故障SVM20101001004090ELM20101001006090K?ELM2010100100100100

4 結(jié)論

針對(duì)極限學(xué)習(xí)機(jī)隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)需要人為設(shè)定，致使?jié)L動(dòng)軸承故障分類模型精度低、穩(wěn)定性差，本文提出基于排列熵與K-ELM的滾動(dòng)軸承故障診斷方法。將提取的各IMF分量的排列熵作為本模型的輸入，進(jìn)行軸承故障的分類和識(shí)別。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，得出的結(jié)論如下：

(1)排列熵對(duì)信號(hào)的突變特別敏感，對(duì)于滾動(dòng)軸承不同振動(dòng)信號(hào)的復(fù)雜性不同，排列熵值也不同，因此排列熵用來提取故障特征效果明顯。

(2)核函數(shù)極限學(xué)習(xí)機(jī)的隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)能自適應(yīng)確定。提高了故障診斷模型的分類精度和穩(wěn)定性。

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(編輯 李秀敏)

Application of Permutation Entropy and Kernel Extreme Learning Machine in Fault Diagnosis of Rolling Bearing

QIN Bo, SUN Guo-dong, CHEN Shuai, WANG Zu-da, WANG Jian-guo

(School of Mechanical Engineering, Inner Mongolia University of Science & Technology, Baotou Inner Mongolia 014010, China)

The number of nodes in the hidden layer of the extreme learning machine needs to be artificially set and the fault classification model of the rolling bearing is of low accuracy and poor stability, rolling bearing fault diagnosis method based on permutation entropy and nuclear kernel extreme learning machine. First, the measured signal by set of empirical mode decomposition treated by a series of IMF the intrinsic mode functions and extraction of various components of the permutation entropy PE value high dimensional feature vector set. Second, in the inner product by Gauss kernel function to express the ELM output function to adaptively determine the number of the hidden layer nodes; After that, the high dimension feature vector set is used as the input of the K-ELM algorithm to establish the kernel function limit learning machine rolling bearing fault classification model, and the classification and identification of different fault states of rolling bearings are carried out. The experimental results show that the K-ELM rolling bearing fault classification model is better than ELM, and the SVM fault classification model has higher accuracy and stronger stability.

rolling bearing;permutation entropy;extreme learning machine;kernel function

1001-2265(2017)02-0073-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.02.018

2016-06-18；

2016-07-19

國(guó)家自然科學(xué)基金(51565046)；內(nèi)蒙古自然科學(xué)基金(2015MS0512)；內(nèi)蒙古科技大學(xué)創(chuàng)新基金(2015QDL12)

秦波(1980—)男，河南南陽人，內(nèi)蒙古科技大學(xué)講師，工學(xué)碩士，研究方向?yàn)閺?fù)雜工業(yè)過程建模、優(yōu)化及故障診斷，(E-mail) nkdqb@163.com；通訊作者：孫國(guó)棟(1992—)，男，山東聊城人，內(nèi)蒙古科技大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)闄C(jī)電系統(tǒng)智能診斷，(E-mail) sgdyl121115@163.com。

TH166;TG659

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