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非线性转子系统数据驱动模型辨识与应用 版权信息
- ISBN：9787030713681
- 条形码：9787030713681 ; 978-7-03-071368-1
- 装帧：一般胶版纸
- 册数：暂无
- 重量：暂无
- 所属分类：>
非线性转子系统数据驱动模型辨识与应用 内容简介
本书以航空发动机转子系统动力学为背景、以线性系统辨识方法为基础介绍数据驱动建模方法，由此展开非线性系统模型结构及数据驱动建模方法的研究，在此基础上介绍适用于转子系统谐波信号建模的时域、频域数据驱动建模方法等方面的近期新理论研究成果。书中主要介绍数据驱动建模的模型结构和辨识算法的基本理论；介绍谐波信号辨识的谐波拼接辨识方法和频域辨识方法，并给出参数化NARX模型结构及建模方法；从动力学建模、仿真分析、故障特征和实验分析等方面对简单线性转子系统和包含连接结构的转子系统进行分析；以不平衡故障转子和螺栓连接转子为例，通过数值和实验案例详细说明新型建模方法在转子系统动力学建模方面的应用；提出基于数据驱动模型的转子系统设计和故障诊断方法；附录中附有必要的数值仿真流程和程序。 本书对系统辨识、转子动力学、故障诊断等方面的研究具有重要的参考价值，可供从事转子系统动力学研究特别是系统辨识领域的研究人员和学生参考，同时可供从事系统辨识、转子动力学、故障诊断等相关学科研究的教师和研究生参考。
非线性转子系统数据驱动模型辨识与应用 目录
目录
前言
第1章 绪论 1
1.1 研究意义 1
1.2 国内外研究现状 4
1.2.1 非线性转子-轴承系统振动特性分析研究现状 5
1.2.2 基于NARX模型的非线性系统建模研究现状 8
1.2.3 基于NARX模型的动态参数化建模研究现状 11
1.2.4 基于NARX模型的非线性系统设计与故障诊断方法研究 12
1.3 本书主要内容 15
参考文献 16
第2章 线性与非线性系统数据驱动模型 23
2.1 引言 23
2.2 线性系统及其ARX模型 24
2.2.1 线性系统输出特性 24
2.2.2 ARX模型 27
2.3 非线性系统及其NARX模型 28
2.3.1 非线性系统输出特性 28
2.3.2 NARX模型 33
2.4 数据驱动模型与系统辨识方法 35
2.4.1 数据驱动模型 35
2.4.2 系统辨识方法 37
2.4.3 模型验证 44
2.4.4 算例 46
2.5 本章小结 48
参考文献 49
第3章 基于谐波信号的NARX模型辨识 51
3.1 引言 51
3.2 基于谐波拼接的时域辨识方法 52
3.2.1 信号的选择与拼接 52
3.2.2 算例 58
3.3 基于谱分析的频域辨识方法 61
3.3.1 NARX模型的频域表达 62
3.3.2 谱分析与频域辨识方法 66
3.3.3 算例 69
3.4 非线性系统的参数化建模 74
3.4.1 时域参数化NARX模型辨识 74
3.4.2 算例 79
3.4.3 频域参数化NARX模型辨识 82
3.5 本章小结 84
参考文献 85
第4章 非线性转子系统动力学基础 87
4.1 引言 87
4.2 螺栓-盘连接转子系统建模 87
4.2.1 螺栓-盘连接结构简化模型建立及弯曲刚度分析 89
4.2.2 螺栓连接转子系统建模 93
4.2.3 模型验证 101
4.3 运动方程求解与结果分析 108
4.3.1 螺栓连接转子动力学特性分析 108
4.3.2 螺栓预紧力对转子系统振动特性影响分析 114
4.3.3 螺孔到盘心距离对转子系统振动特性影响分析 117
4.4 故障转子的非线性动力学特征 120
4.4.1 不对中和碰摩转子系统振动特征 120
4.4.2 转子系统不对中和碰摩模型 121
4.4.3 考虑不平衡与轴承故障的转子系统建模与分析 123
4.5 本章小结 126
参考文献 127
第5章 非线性转子系统NARX模型辨识方法 130
5.1 引言 130
5.2 非线性转子系统NARX模型的时域辨识方法 131
5.2.1 非线性不平衡转子系统的NARX模型 131
5.2.2 实验验证 139
5.3 非线性转子系统NARX模型的频域辨识方法 141
5.3.1 非线性转子系统NARX模型的辨识方法 142
5.3.2 实验验证 146
5.4 本章小结 149
参考文献 150
第6章 基于数据驱动模型的非线性转子系统设计与故障诊断 151
6.1 引言 151
6.2 基于NARX模型的非线性转子系统螺栓连接结构设计 152
6.2.1 螺栓连接结构刚度拐点设计 153
6.2.2 螺栓连接结构预紧力设计 156
6.3 基于NARX模型的非线性转子系统故障诊断方法 163
6.3.1 基于NARX模型的非线性响应谱函数 163
6.3.2 NARX-NRSF-SVM故障诊断方法 166
6.3.3 实验验证 174
6.4 本章小结 190
参考文献 190
附录 192
前言
第1章 绪论 1
1.1 研究意义 1
1.2 国内外研究现状 4
1.2.1 非线性转子-轴承系统振动特性分析研究现状 5
1.2.2 基于NARX模型的非线性系统建模研究现状 8
1.2.3 基于NARX模型的动态参数化建模研究现状 11
1.2.4 基于NARX模型的非线性系统设计与故障诊断方法研究 12
1.3 本书主要内容 15
参考文献 16
第2章 线性与非线性系统数据驱动模型 23
2.1 引言 23
2.2 线性系统及其ARX模型 24
2.2.1 线性系统输出特性 24
2.2.2 ARX模型 27
2.3 非线性系统及其NARX模型 28
2.3.1 非线性系统输出特性 28
2.3.2 NARX模型 33
2.4 数据驱动模型与系统辨识方法 35
2.4.1 数据驱动模型 35
2.4.2 系统辨识方法 37
2.4.3 模型验证 44
2.4.4 算例 46
2.5 本章小结 48
参考文献 49
第3章 基于谐波信号的NARX模型辨识 51
3.1 引言 51
3.2 基于谐波拼接的时域辨识方法 52
3.2.1 信号的选择与拼接 52
3.2.2 算例 58
3.3 基于谱分析的频域辨识方法 61
3.3.1 NARX模型的频域表达 62
3.3.2 谱分析与频域辨识方法 66
3.3.3 算例 69
3.4 非线性系统的参数化建模 74
3.4.1 时域参数化NARX模型辨识 74
3.4.2 算例 79
3.4.3 频域参数化NARX模型辨识 82
3.5 本章小结 84
参考文献 85
第4章 非线性转子系统动力学基础 87
4.1 引言 87
4.2 螺栓-盘连接转子系统建模 87
4.2.1 螺栓-盘连接结构简化模型建立及弯曲刚度分析 89
4.2.2 螺栓连接转子系统建模 93
4.2.3 模型验证 101
4.3 运动方程求解与结果分析 108
4.3.1 螺栓连接转子动力学特性分析 108
4.3.2 螺栓预紧力对转子系统振动特性影响分析 114
4.3.3 螺孔到盘心距离对转子系统振动特性影响分析 117
4.4 故障转子的非线性动力学特征 120
4.4.1 不对中和碰摩转子系统振动特征 120
4.4.2 转子系统不对中和碰摩模型 121
4.4.3 考虑不平衡与轴承故障的转子系统建模与分析 123
4.5 本章小结 126
参考文献 127
第5章 非线性转子系统NARX模型辨识方法 130
5.1 引言 130
5.2 非线性转子系统NARX模型的时域辨识方法 131
5.2.1 非线性不平衡转子系统的NARX模型 131
5.2.2 实验验证 139
5.3 非线性转子系统NARX模型的频域辨识方法 141
5.3.1 非线性转子系统NARX模型的辨识方法 142
5.3.2 实验验证 146
5.4 本章小结 149
参考文献 150
第6章 基于数据驱动模型的非线性转子系统设计与故障诊断 151
6.1 引言 151
6.2 基于NARX模型的非线性转子系统螺栓连接结构设计 152
6.2.1 螺栓连接结构刚度拐点设计 153
6.2.2 螺栓连接结构预紧力设计 156
6.3 基于NARX模型的非线性转子系统故障诊断方法 163
6.3.1 基于NARX模型的非线性响应谱函数 163
6.3.2 NARX-NRSF-SVM故障诊断方法 166
6.3.3 实验验证 174
6.4 本章小结 190
参考文献 190
附录 192
展开全部
非线性转子系统数据驱动模型辨识与应用 节选
第1章 绪论 1.1 研 究 意 义 旋转机械广泛应用于现代工业与生产生活中，如航空发动机、汽车发动机、压缩机和发电机等[1]。其中，航空发动机作为飞机的动力装备，是一种高度复杂和精密的热力机械，也是一个国家科技和国防实力的重要体现。随着国防及社会发展的需求日渐提高，航空发动机在大推重比、高强度和轻量化等方面的要求不断提升，这就要求相关人员针对其结构特点开展深入研究。 由于制造、维修和搬运等方面的需要，航空发动机的各个部件并不是通过一次加工得到的，而是采用螺栓连接、止口连接、套齿连接和铆接等方式将大量零部件连接成的[2，3]。螺栓连接结构是转子系统中的一种典型连接结构，由于其具有可靠性高、拆卸方便、连接性能好等优点，广泛应用于发动机的静子结构(如机匣)和旋转结构(如转子系统)中。图1.1为某型航空发动机螺栓连接结构的转子结构简图，其中转子系统压气机和涡轮结构中存在大量的螺栓连接结构。 图1.1 某型航空发动机转子结构简图 大量的连接结构导致发动机整体结构的动力学特征与完整结构之间存在很大不同，容易使发动机振动呈现出宏观上的不稳定特征，进而导致航空发动机转子系统性能特别是动力学特性与理想的确定性系统特性存在较大差异，对航空发动机的设计具有重要影响。据有关部门统计，航空发动机连接结构会造成发动机工作中整机振动水平发生1～6倍的变化，特别是工作500h后的发动机性能变化高达6%～8%。近年来，国内航空发动机厂家在进行发动机大修的过程中，陆续发现了由螺栓连接结构设计中性能预测不足导致的故障及性能变化过大等问题。据美国空军材料实验室统计，在发动机故障引起的飞机事故中，由螺栓连接失效或连接结构引起的整机振动问题占比达到64%左右。从国内外的工程实际情况中可以发现，在设计过程中忽略螺栓连接的影响，会导致整机产生振动不稳定、运动状态改变等一系列的问题。因此，为了提高发动机设计水平，开展螺栓连接转子系统建模方法的研究及螺栓连接结构参数对转子动力学特性影响的分析具有重要意义。 此外，转子不平衡、不对中和碰摩等典型故障也严重影响发动机性能。航空发动机转子系统中可能存在多种不对中问题，诸如支点不同心、联轴器不对中和转子不对中等，会给航空发动机转子系统动力学特性带来非线性特征，造成转子系统异常振动。现在航空发动机设计在追求大推力、高性能的同时为保证压气机效率，将转子和定子的间隙尽可能地缩小，当转子系统中存在的不对中故障较为严重时，在不平衡故障的作用下，系统剧烈振动会引起转子与定子之间的碰摩，*终引发严重飞行事故[4]。 尽管近年来连接结构动力学建模与分析引起了大量学者的关注，但是对于包含连接结构及考虑故障的非线性转子系统动力学建模的相关研究尚不多见。在以往的大多数转子动力学研究中，往往忽略了连接结构及非线性特征的影响，将转子系统考虑成线性连续的整体。事实上，连接结构刚度、连接结合面的接触及轴承非线性特征等对转子系统动力学特性有重要影响。有必要充分考虑航空发动机转子系统中的螺栓连接结构及非线性特征，建立有效和准确的复杂转子系统动力学模型，分析连接结构与非线性参数对系统响应特征的影响，是当前航空发动机领域涉及的重要研究课题，这将为转子系统的振动控制、故障预防提供理论依据[5]。 描述系统动力学特性的数学模型一般可分为两种，即机理模型和数值模型[6]。机理模型是根据物理知识得到的动力学系统数学表征模型，这要求必须具备足够的先验知识[7]。建立系统机理模型时，通常需要相关的假设来简化物理参数关系，这就导致得到的模型可能无法捕捉到动力学系统的细微变化。对复杂系统而言，机理模型需要的先验知识更丰富，假设条件往往也会随之增多，导致建立的模型无法反映系统的真实动力学特性。此外，描述复杂动力学系统的机理模型往往需要采用大量自由度来描述动力学系统，因此会带来计算耗时的问题。由此可以看出，虽然机理模型中的参数具有明确、直观的物理意义，便于工程人员开展分析与设计，但该模型更适用于参数关系清晰、内部机理明确的动力学系统。对于复杂系统，建模过程中很有可能会丢失重要信息，导致其工程应用存在一定的局限性。而数值模型是一种基于系统辨识技术建立的动力学系统数学表征模型，该方法是基于实际系统的输入、输出数据建立输入、输出间的映射关系，从而得到可呈现系统动力学特性的代理模型[8]。当系统因外界激励的影响而产生相应的响应或使其状态发生变化时，*明显的就是数据的变化，所以通过数据驱动的方式建模来反映目标对象内部复杂的逻辑关系可以在一定程度上满足相关性和准确性。这种方法在不考虑目标研究对象内部机理的情况下只需要采集实际系统的数据来建立系统变量之间的某种映射关系或依赖关系。 数值模型作为一种起源于控制理论的数据驱动建模方法，提供了一种新的动力学建模与分析技术，已经在制造、化工、医疗和金融等领域中得到应用，实现基于传统方法难以完成的分析与设计工作，如图1.2所示。具体到依据非线性系统动力学响应建立系统模型方面，常用的方法是系统辨识方法。系统辨识无须掌握丰富的先验知识，仅凭输入、输出信号并结合相应的模型形式和算法即可。该建模方法的优势是适用性强，建模速度快，可有效解决物理关系复杂、难以合理简化的动力学系统建模问题，从而广泛应用于实际工程中[9]。 图1.2 数值模型应用场景 非线性系统无法用通用模型结构来描述，由于研究对象的多样性，形成了多种类型的数值模型，如Volterra级数模型[10，11]、Hammerstein模型[12，13]、Hammerstein- Wiener模型[14，15]等。上述数值模型通常需要特定的系统形式且对输入信号形式有严格要求，因而难以广泛应用于工程中的非线性动力学系统。NARX模型[16，17]作为一种更普遍的模型类型，因其结构简单、鲁棒性强、构建容易、能反映真实系统特性等特点，在实际非线性系统建模与分析中得到了广泛应用。与拟合能力较强的神经网络模型相比，NARX模型可以提供清晰的模型结构，便于进行分析和设计[9，18]。由于数据驱动模型的特点，辨识得到的数值模型通常不具有明确的实际物理意义，这对系统的参数化分析与设计产生了限制。为此，Zhu等[19]基于传统模型结构提出了用于系统设计的数值模型概念，物理参数作为系数出现在模型中，便于开展动力学系统的参数化分析，因此该模型也称为动态参数化模型[20]。此外，结合NARX模型的分析设计方法相比于其他数值模型，类型也更加丰富，如基于NARX模型的谐波分析[21]、结构损伤检测[22]、非线性系统设计[19]和特征参数影响分析[23]等，这也进一步说明基于NARX模型的动力学系统建模具有良好的工程应用前景和研究价值。 作者团队在国家大力发展航空动力装备背景下，结合非线性系统辨识技术，开展考虑航空发动机非线性的转子动力学建模方法研究以及航空发动机典型部件的振动特性分析工作，探明非线性结构如轴承非线性特征、螺栓连接结构等对转子系统振动响应特性的影响规律，并开展相关实验验证，丰富现有转子系统动力学建模方法，为复杂非线性转子系统的振动特性分析与振动控制提供理论依据和技术支撑。 1.2 国内外研究现状 非线性转子系统动力学建模与分析一直受到国内外研究人员的关注。近年来，考虑轴承非线性、结构非线性、螺栓连接等特征的转子系统振动问题引起了越来越多学者的关注，尽管当前已经开展了部分研究工作，但对于其机理方面的研究仍不够深入，主要原因是传统的物理建模方法存在诸多难点，且缺乏有效的实验验证技术，而起源于控制理论的数据驱动建模方法也不能完全适用于转子系统，所以仍需开展建模方法研究、参数化分析与实验验证等工作。 相关代表性研究成果主要集中在如下几个方面：非线性转子-轴承系统振动特性分析、基于NARX模型的非线性系统建模、基于NARX模型的动态参数化建模、基于NARX模型的非线性系统设计与故障诊断方法。 1.2.1 非线性转子-轴承系统振动特性分析研究现状 转子系统广泛应用于航空发动机、发电机和压缩机等旋转装备，一般由轴承支承，实现自由旋转和能量传递[1]。针对轴承支承的单盘或多盘非线性转子系统的动力学建模与振动分析已有大量研究，但传统研究中通常将复杂转子系统简化成一个连续的系统。事实上，复杂转子系统中通常存在大量的连接结构，其目的是将多个旋转部件连接在一起，以传递动力并提供足够的强度，从而提高经济性[24，25]，同时连接结构也引入了大量的非线性因素。研究人员在进行转子系统设计与分析时逐渐认识到连接结构的重要性，随之开展了相关的动力学建模与分析工作。本节主要从非线性轴承支承转子系统和螺栓连接转子系统动力学建模与振动特性分析方面回顾国内外学者们的相关研究工作。 关于非线性轴承支承转子系统的动力学建模及振动特性，随着研究的不断深入，转子轴承支承模型越来越接近实际模型，轴承模型由简化为线性支承[26]到考虑赫兹接触(Hertzian contact)、热耦合[27]以及进一步考虑轴承滚道表面波纹度[28]等因素不断发展。大量学者详细分析了轴承非线性因素对转子振动响应的影响。南京航空航天大学Chen[29]建立了滚动轴承支承的不平衡转子系统动力学模型，模型考虑轴承内部游隙、非线性赫兹接触力和滚动体接触位置周期变化引起的时变刚度，基于此模型研究了转速和游隙对转子系统动力学特性的影响。南京航空航天大学Leng等[30]基于哈密顿原理建立了电厂汽轮机转子-轴承-密封系统非线性模型，采用龙格-库塔(Runge-Kutta)法求解方程并分析整个系统的非线性振动特性。哈尔滨工业大学Zhang等[27]研究了基于轴承间隙和赫兹接触耦合作用下球轴承的主共振变柔度滞回特性，与无损耗赫兹接触的软滞后特性不同，其水平共振响应呈现燕尾结构，而竖直方向随着阻尼增大软滞后特性逐渐消失。希腊雅典国立技术大学Lioulios等[28]考虑了球与滚道之间的接触力、不同柔度和内部径向间隙的影响，建立了存在径向间隙球轴承支承的水平转子系统，研究了速度波动对转子动态特性的影响，并指出转子转速的小波动会引起系统动力学的重大变化以及转子系统中轴承非线性因素的影响不可忽略。建模方面，法国里昂中央学院Sinou[31]基于有限元研究了不平衡激励下球轴承支承的柔性转子的非线性动力学响应。南京航空航天大学陈果[32]建立了复杂转子-支承-机匣耦合的动力学模型，采用有限元法建立转子和机匣模型，采用集总参数法建立考虑非线性的支承模型，通过实验验证了转子-轴承整机振动系统的模态。东北大学Liu等[33]针对含非线性深沟球轴承支承的双盘转子系统采用有限元法建模，分析了轴承间隙和轴承内环加速度对转子系统动力学的影响。加拿大多伦多大学Al-Solihat等[34]利用假设模态法建立了柔性轴盘转子系统模型，并对其非线性动力学特性进行了数值研究。西安交通大学Wang等[35]提出了一种基于自由界面的复合元件模态综合方法并应用于广义转子-轴承系统的各向异性模型，研究了轴和轴承的各向异性对转子系统动力学的影响，考虑了转子系统在刚度、转动惯量和阻尼方面的各向异性。 非线性转子系统的振动特性分析方面，目前对于非线性系统解的形式尚未完全掌握，至今已知的解的形式有周期解、倍周期解、拟周期解、平衡点、混沌等。韩国焊接联合学会Saito[36]采用增量谐波平衡法求解转子-轴承系统的不平衡响应，并给出了非线性力的近似表达式。加拿大多伦多大学Al-Solihat等[34]将谐波平衡法与伪连续法相结合，建立了圆盘不平衡力作用下的非线性频率响应和力传递特性曲线。法国图卢兹大学Shad等[26]基于哈密顿原理建立了单个刚性盘和柔性轴组成的数学模型，并应用多尺度法求解其微分方程。日本名古屋大学Kano等[37]基于无限长轴承理论推导了非线性油膜力的计算式，并通过有限元法建立了转子-轴承系统的动力学模型，应用中心流形理论研究了系统不稳定点附近的分岔现
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