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状态监测与预测维修的数据预处理

数据预处理是预测性维护算法开发工作流程的第二阶段:

通常需要进行数据预处理,以清理数据并将其转换为可以从中提取条件指示符的形式。数据预处理可包括:

  • 异常值和缺失值移除、偏移移除和去趋势化。

  • 降噪,如滤波或平滑。

  • 时域和频域之间的转换。

  • 更高级的信号处理,如短时傅里叶变换和阶域变换。

您可以对使用“预测性维护工具箱”管理的测量或模拟数据的阵列或表格执行数据预处理™ 集成数据存储,如中所述用于状态监测和预测性维护的数据集成. 通常,在分析数据之前,需要对数据进行预处理,以确定有希望的条件指标,该指标随着系统性能下降而以可预测的方式变化。(见用于监测、故障检测和预测的条件指示器)预处理和识别条件指示器的步骤之间可能存在一些重叠。但是,通常情况下,预处理会产生一个经过清理或转换的信号,在该信号上执行进一步的分析,以将信号信息浓缩为条件指示器。

了解您的机器和数据类型有助于确定使用何种预处理方法。例如,如果要过滤噪声振动数据,了解最有可能显示有用特征的频率范围可以帮助您选择预处理技术。类似地,将齿轮箱振动数据转换为阶域可能很有用,当转速随时间变化时,阶域用于旋转机器。然而,同样的预处理对于来自汽车底盘(一个刚体)的振动数据没有用处。

基本预处理

MATLAB®包括许多对数组或表中数据的基本预处理有用的函数。这些功能包括:

  • 数据清理,例如填充物缺失填充异常值. 数据清理使用各种技术查找、删除和替换坏数据或丢失的数据。

  • 平滑数据,例如平滑数据莫维梅恩.使用平滑消除数据中不必要的噪声或高方差。

  • 删除趋势数据,例如德特伦德。从数据中删除趋势可以让您将分析重点放在有关趋势的数据波动上。虽然趋势可能有意义,但其他趋势是由于系统性影响造成的,某些类型的分析在删除后会产生更好的洞察力。删除偏移量是另一种类似的预处理类型。

  • 缩放或规范化数据,例如重新缩放. 缩放会更改数据的边界,例如,当您使用不同的单位处理数据时,缩放会非常有用。

另一种常见的预处理类型是提取信号的有用部分并丢弃其他部分。例如,您可能会丢弃某个启动瞬态信号的前五秒钟,而只保留稳态运行的数据。有关执行此类预处理的示例,请参见利用Simu金宝applink生成故障数据.

有关MATLAB中基本预处理命令的更多信息,请参见数据预处理.

过滤

滤波是从信号中去除噪声或不需要的成分的另一种方法。当您知道数据中的哪个频率范围最有可能显示用于状态监测或预测的有用功能时,滤波非常有用。基本MATLAB功能滤波器用于使用传递函数过滤信号。你可以用设计过滤器生成用于的过滤器的步骤滤波器,例如通带、高通和低通滤波器以及其他常见的滤波器形式。有关使用这些函数的更多信息,请参阅数字和模拟滤波器.

如果你有一个小波工具箱™ 许可证,您可以将小波工具用于更复杂的滤波方法。例如,您可以将数据划分为子带,分别处理每个子带中的数据,然后重新组合它们以构建原始信号的修改版本。有关此类滤波器的更多信息,请参阅滤波器组(小波工具箱). 您也可以使用信号处理工具箱™ 功能emd将混合信号分解为具有不同时频特性的分量。

时域预处理

“预测性维护工具箱”和“信号处理工具箱”提供的功能可用于在时域内研究和描述机械系统中的振动。使用这些功能可预处理或提取状态指示器。例如:

  • 运输安全管理局-使用时间同步平均法相干去除噪声,并使用包络谱分析磨损。榜样利用Simu金宝applink生成故障数据使用时间同步平均法对振动数据进行预处理。

  • 差价-从时间同步平均(TSA)信号中去除常规信号、一阶边带和其他特定边带及其谐波。

  • tsaregular-通过去除残余信号和特定边带,将已知信号与TSA信号隔离。

  • TSA残留-通过去除已知信号分量及其谐波,将残余信号与TSA信号隔离。

  • 订单跟踪-使用阶数分析来分析和可视化旋转机械中出现的光谱内容。跟踪和提取阶数及其时域波形。

  • rpmtrack-通过计算转速作为时间的函数,跟踪并从振动信号中提取转速曲线。

  • 环境光谱-计算包络谱。包络谱从信号中去除高频正弦分量,并集中于低频调制。示例滚动轴承故障诊断使用包络谱进行此类预处理。

有关这些功能和相关功能的更多信息,请参阅振动分析.

频域(频谱)预处理

对于振动或旋转系统,故障发展可通过频域行为的变化来指示,如共振频率的变化或新振动组件的存在。信号处理工具箱提供了许多分析此类频谱行为的功能。这些功能通常在执行f进一步分析提取条件指标。此类功能包括:

  • pspectrum-计算信号的功率谱、时频功率谱或功率谱图。频谱图包含有关功率分布如何随时间变化的信息。榜样基于模拟数据的多类故障检测使用以下命令执行数据预处理:pspectrum.

  • 环境光谱-计算包络谱。引起重复脉冲或模式的故障将对机器的振动信号施加振幅调制。包络谱从信号中去除高频正弦分量,并将重点放在低频调制上。榜样滚动轴承故障诊断使用包络谱进行此类预处理。

  • 有序谱-计算平均数量级谱。

  • 莫达尔夫-估计信号的频率响应函数。

有关这些功能和相关功能的更多信息,请参阅振动分析.

时频预处理

信号处理工具箱包括用于分析频域行为随时间变化的系统的函数。这种分析称为时频用于分析和检测与系统性能变化相关的瞬态或变化信号。这些职能包括:

  • 光谱图-使用短时傅里叶变换计算频谱图。频谱图描述信号的时间局部化频率内容及其随时间的演变。示例利用振动信号进行状态监测和预测使用光谱图对信号进行预处理,并帮助识别潜在条件指示器。

  • hht-计算信号的希尔伯特谱。希尔伯特谱可用于分析由光谱内容随时间变化的信号混合物组成的信号。该函数计算混合信号中每个分量的频谱,其中分量由经验模式分解确定。

  • emd-计算信号的经验模式分解。此分解描述在希尔伯特谱中分析的信号的混合,并可帮助您分离混合信号,以提取其时频行为随系统性能下降而变化的组件。你可以用emd为以下各项生成输入:hht.

  • 黑线图-计算时间局部化频谱峰度,该峰度通过在频域中将平稳高斯信号行为与非平稳或非高斯行为区分开来来表征信号。作为包络分析等其他工具的预处理,光谱峰度可以提供最佳频带等关键输入。(见肺结核)例如滚动轴承故障诊断使用光谱峰度对条件指标进行预处理和提取。

有关这些功能和相关功能的更多信息,请参阅时频分析.

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