基于EEMD和GA-LSTM算法的行星齒輪故障診斷方法*

陶浩然,許 昕,潘宏俠,*,王 同,徐轟釗

(1.中北大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,山西 太原 030051;2.中北大學(xué) 系統(tǒng)辨識(shí)與診斷技術(shù)研究所,山西 太原 030051)

0 引 言

行星齒輪傳動(dòng)是一種多功能的機(jī)械傳動(dòng)方式。該傳動(dòng)方式可以實(shí)現(xiàn)功率分流,具有高效率、高承載能力、高可靠性等優(yōu)點(diǎn),是許多旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備的一個(gè)重要組成部分。然而,由于行星齒輪的齒面幾何形狀非常復(fù)雜,行星齒輪的制造和裝配需要很高的精度。另外,行星齒輪經(jīng)常處于高速和重載等惡劣工況[1],其關(guān)鍵部件的損壞都會(huì)導(dǎo)致設(shè)備的停機(jī),甚至導(dǎo)致嚴(yán)重的后果。

因此,研究行星齒輪各振動(dòng)模式的信號(hào)模型[2],保證設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性與可靠性,在實(shí)際工程應(yīng)用中具有重要的意義。

在強(qiáng)烈的背景噪聲下,如何較好地提取行星齒輪的微弱故障特征,這是行星齒輪故障診斷領(lǐng)域需要解決的難題[3]。由于旋轉(zhuǎn)機(jī)械的故障通常伴隨著振動(dòng)信號(hào)的變化,因此,其振動(dòng)信號(hào)分析方法成為故障診斷的有效手段[4]。

針對(duì)行星齒輪實(shí)際工作條件下,收集到的振動(dòng)信號(hào)的非線性和非平穩(wěn)性特點(diǎn),HUANG N E等人[5]提出了一種經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(empirical mode decomposition,EMD)算法,由于該算法在處理非線性、非平穩(wěn)信號(hào)上具有自適應(yīng)等的優(yōu)點(diǎn),使得其在一些領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。谷玉海等人[6]對(duì)軸承振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行了經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸夂皖l譜分析,將頻譜數(shù)據(jù)壓縮成特征二值化圖像,并將其作為卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行了訓(xùn)練,取得了不錯(cuò)的效果;但使用EMD方法處理振動(dòng)信號(hào)時(shí),容易發(fā)生模態(tài)混疊的現(xiàn)象。在此基礎(chǔ)上,WU Z等人[7]提出了一種將EMD方法與白噪聲信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特性相結(jié)合的新方法,即集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(EEMD),旨在提高經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸獾臏?zhǔn)確性和有效性,在特征量提取困難的情況下,利用其自適應(yīng)性來(lái)提取故障特征[8],獲得本征模態(tài)函數(shù)成分后,直接將其輸入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),作為特征值[9-10],并根據(jù)所需特征用于故障診斷和識(shí)別。目前,這種方法已經(jīng)在故障診斷領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

在實(shí)際工作條件下,收集到的振動(dòng)信號(hào)可能會(huì)被各種噪聲源所破壞。針對(duì)這一問(wèn)題,一些學(xué)者采用機(jī)器學(xué)習(xí)的方法,對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械進(jìn)行了故障診斷。JIN Y等人[11]開發(fā)了一種處理一維格式數(shù)據(jù)的標(biāo)記序列生成方法,即時(shí)間序列變換器,并對(duì)其超參數(shù)進(jìn)行了分析,采用該方法進(jìn)行了滾動(dòng)軸承故障診斷實(shí)驗(yàn),對(duì)該方法的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。

孫燦飛等人[12]采用參數(shù)自適應(yīng)變異模式分解方法,對(duì)強(qiáng)背景噪聲下的二階太陽(yáng)齒輪裂紋進(jìn)行了診斷;但其特征提取不夠充分。

為了彌補(bǔ)上述方法在特征提取方面的不足,一些學(xué)者在故障診斷系統(tǒng)中運(yùn)用了深度學(xué)習(xí)方法[13-14]。馮浩楠等人[15]提出了基于批量歸一化的一維卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,用于旋轉(zhuǎn)機(jī)械的故障診斷和故障特征的自適應(yīng)提取,該模型減少了故障診斷的工作量。HUANG W等人[16]使用一種多尺度級(jí)聯(lián)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),以端對(duì)端的形式,實(shí)現(xiàn)了輸入信號(hào)分類信息增強(qiáng)的目的,并自適應(yīng)地提取和識(shí)別了故障類型;但是上述方法都沒(méi)有考慮故障在時(shí)間序列上的特征。

從時(shí)間序列數(shù)據(jù)入手,為提取更全面的故障特征,學(xué)者們開始利用長(zhǎng)短期記憶(LSTM)網(wǎng)絡(luò)。作為一種經(jīng)改進(jìn)的遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),LSTM在時(shí)間序列任務(wù)中可以更好地捕捉長(zhǎng)期依賴關(guān)系[17-18],已在很多基于時(shí)間序列的應(yīng)用中取得了不錯(cuò)的成果。TAK A[19]在輸電系統(tǒng)的故障診斷中,使用LSTM網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了診斷分類。呂云開等人[20]使用孿生神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與LSTM相結(jié)合的故障診斷方法,在小樣本數(shù)據(jù)條件下,取得了不錯(cuò)的故障診斷效果。

然而,以上學(xué)者都未對(duì)LSTM網(wǎng)絡(luò)的超參數(shù)設(shè)置產(chǎn)生的影響進(jìn)行深入研究。

綜上所述,針對(duì)行星齒輪工作過(guò)程中存在的復(fù)雜工況(比如,工作環(huán)境差、齒輪輪齒易發(fā)生復(fù)合故障等),筆者提出一種基于EEMD和LSTM相結(jié)合的方法,將其用于行星齒輪故障診斷。

首先,使用EEMD對(duì)復(fù)雜行星齒輪故障振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分解,得到其本征模態(tài)分量;隨后,將輸入數(shù)據(jù)送入經(jīng)遺傳算法優(yōu)化的LSTM模型中進(jìn)行訓(xùn)練,并對(duì)網(wǎng)絡(luò)超參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)尋優(yōu),以提高模型的分類精度和泛化能力;最后,采用4種狀態(tài)下采集的行星齒輪故障信號(hào)制作樣本集,對(duì)基于EEMD和GA-LSTM方法的故障識(shí)別準(zhǔn)確率進(jìn)行驗(yàn)證。

1 數(shù)據(jù)處理

1.1 集成經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解理論

集成經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(EEMD)是為優(yōu)化EMD算法中模態(tài)混疊和端點(diǎn)效應(yīng)劣勢(shì),而提出的一種用于分解非線性、非平穩(wěn)信號(hào)的方法。

EEMD算法是通過(guò)向原始信號(hào)添加不同尺度和振幅的隨機(jī)高斯白噪聲,利用所加噪聲的頻率均勻分布的統(tǒng)計(jì)特性,得到多個(gè)與原始信號(hào)有相同物理意義的本征模態(tài)函數(shù)(IMF)。

在每個(gè)IMF中添加適當(dāng)振幅的隨機(jī)高斯白噪聲,有助于消除離群點(diǎn)和擬合誤差,從而提高數(shù)據(jù)的可靠性與準(zhǔn)確性。

1.2 EEMD算法步驟

以下為EEMD算法步驟:

1)將高斯白噪聲si(t)加入原始信號(hào)x(t)中,得到待處理信號(hào)Xi(t):

Xi(t)=x(t)+csi(t)

(1)

式中:c為白噪聲信號(hào)的幅值系數(shù);si(t)為第i次加入的白噪聲;Xi(t)為第i次加入的白噪聲時(shí)得到的待處理信號(hào);

2)利用EMD對(duì)待處理信號(hào)Xi(t)進(jìn)行分解,得到各階IMF分量與余項(xiàng)Mi(t),其表達(dá)式如下:

(2)

3)對(duì)步驟1)和2)進(jìn)行重復(fù),每次都加入不同序列的隨機(jī)高斯白噪聲,其表達(dá)式如下:

(3)

4)每次分解都會(huì)得到分量與余項(xiàng)。為消除多次加入高斯白噪聲對(duì)真實(shí)IMF值的影響,將兩項(xiàng)相加求平均。采用高斯白噪聲頻譜的均值為零,計(jì)算上述各IMF均值,得到最終IMF分量為:

(4)

式中:kin為第i次EMD分解所產(chǎn)生的第n個(gè)IMF;n為EEMD的集成次數(shù)。

2 故障診斷網(wǎng)絡(luò)模型

2.1 遺傳算法

遺傳算法(GA)是一種用于尋找最佳方案的計(jì)算模型,它模擬了生物進(jìn)化的過(guò)程。GA模型使用選擇、交叉和變異運(yùn)算符來(lái)創(chuàng)建新的候選解決方案,并隨著時(shí)間的推移提高群體的適配性。GA算法廣泛用于優(yōu)化問(wèn)題,如工程設(shè)計(jì)、調(diào)度、機(jī)器學(xué)習(xí)等,對(duì)解決非線性和全局優(yōu)化問(wèn)題等具有良好的效果。

GA模型的基本原理如圖1所示。

圖1 GA模型的基本原理

2.2 長(zhǎng)短期記憶遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

長(zhǎng)短期記憶神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(recurrent neural networks,RNN)中的一種。與RNN相比,LSTM克服了梯度消失問(wèn)題,且具有更強(qiáng)的記憶能力,更擅長(zhǎng)處理冗長(zhǎng)的順序信號(hào)。LSTM引入特殊的“門”機(jī)制,通過(guò)其3個(gè)門控(遺忘門、輸入門和輸出門)學(xué)習(xí)時(shí)間序列特征[21]。

神經(jīng)單元結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 LSTM神經(jīng)單元結(jié)構(gòu)

LSTM的運(yùn)算過(guò)程為:遺忘門ft利用當(dāng)前輸入xt和最后時(shí)間步長(zhǎng)的外部狀態(tài)ht-1,同時(shí)執(zhí)行sigmoid函數(shù),評(píng)估是否保留先前的神經(jīng)元信息Ct-1。

遺忘門ft的輸出為0,表示先前神經(jīng)元信息將被丟棄;當(dāng)輸出為1時(shí),表示上一時(shí)刻信息被保留。

遺忘門的表達(dá)式如下:

ft=σ(Wf·(ht-1,xt)+bf)

(5)

式中:σ為sigmoid激活函數(shù);bf為偏置;Wf為權(quán)重;Ct-1為存儲(chǔ)先前記憶信息的單元狀態(tài);ft為由遺忘門控制的遺忘程度。

輸入門負(fù)責(zé)確定必要的新信息添加到單元狀態(tài)中,用來(lái)更新。輸入門的表達(dá)式如下:

it=σ(Wi·(ht-1,xt)+bc)

(6)

(7)

(8)

為了確定LSTM中當(dāng)前神經(jīng)元的輸出信息,采用了輸出門,其表達(dá)式如下:

ot=σ(Wo·(ht-1,xt)+bo)

(9)

ht=ot·tanh(Ct)

(10)

式中:ot為輸出門。

筆者使用sigmoid函數(shù)來(lái)確定當(dāng)前狀態(tài)信息中應(yīng)該被輸出的相關(guān)部分,然后將所得值與當(dāng)前狀態(tài)信息Ct相乘,由tanh激活;隨后,所得的內(nèi)部狀態(tài)信息被轉(zhuǎn)發(fā)到外部狀態(tài),即隱藏層輸出ht。

2.3 EEMD與GA-LSTM故障診斷模型

LSTM網(wǎng)絡(luò)使用一個(gè)存儲(chǔ)單元來(lái)存儲(chǔ)和檢索長(zhǎng)時(shí)間的信息,這使得網(wǎng)絡(luò)能夠保持順序數(shù)據(jù)的長(zhǎng)期依賴性。但是其泛化能力差,收斂速度慢。

筆者使用GA-LSTM就是在其基礎(chǔ)上進(jìn)行的改進(jìn),并利用GA選取最佳參數(shù)。

故障診斷模型如圖3所示。

圖3 故障診斷模型

故障診斷模型步驟如下:

步驟一。采集行星齒輪的時(shí)域加速度數(shù)據(jù),將各種狀態(tài)的振動(dòng)數(shù)據(jù)分割成固定長(zhǎng)度的序列;隨后進(jìn)行預(yù)處理,用數(shù)值進(jìn)行標(biāo)注,將其分為訓(xùn)練集和測(cè)試集,作為深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)故障診斷模型的輸入;

步驟二。在GA-LSTM層,利用遺傳算法優(yōu)化權(quán)重和偏差,在訓(xùn)練過(guò)程中分批接收訓(xùn)練樣本,并為學(xué)習(xí)率、LSTM單元數(shù)、訓(xùn)練次數(shù)等超參數(shù)選擇合適的值迭代;采用GA-LSTM層對(duì)時(shí)序數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算,整合計(jì)算值后,將其輸入到SoftMax層;

步驟三。SoftMax層為每個(gè)可能的輸出類別產(chǎn)生一個(gè)概率分?jǐn)?shù),預(yù)測(cè)的類別是具有最高分?jǐn)?shù)的類別。該層通過(guò)概率分布對(duì)故障狀態(tài)進(jìn)行分類。通過(guò)比較樣本的輸出概率和實(shí)際值,得到損失率,并使用梯度下降算法不斷優(yōu)化權(quán)重和偏置;

步驟四。模型訓(xùn)練達(dá)到指定的迭代次數(shù)后,使用訓(xùn)練好的模型對(duì)測(cè)試樣本進(jìn)行預(yù)測(cè),將預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際類別進(jìn)行對(duì)比,得到模型對(duì)測(cè)試集的分類準(zhǔn)確率。

3 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

3.1 故障模擬實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)集

故障模擬實(shí)驗(yàn)在晉中學(xué)院故障診斷實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。

該實(shí)驗(yàn)臺(tái)由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、扭矩速度傳感器和采集儀、螺旋錐齒輪箱、行星齒輪箱、底板、磁粉制動(dòng)器、保護(hù)罩和控制系統(tǒng)組成。

實(shí)驗(yàn)臺(tái)底板尺寸為1 800 mm×900 mm,齒輪箱尺寸為350 mm×250 mm。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為采集不同故障工況齒輪的振動(dòng)加速度信號(hào)。

行星齒輪故障模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)如圖4所示。

圖4 行星齒輪故障診斷實(shí)驗(yàn)臺(tái)

實(shí)驗(yàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速為2 200 r/min。筆者設(shè)定采樣頻率為5 kHz。

ICP三向加速度傳感器X、Y、Z軸分別對(duì)應(yīng)信號(hào)采集通道1、2、3;ICP單向加速度傳感器Z軸對(duì)應(yīng)信號(hào)采集通道4,筆者將其分別設(shè)置在大小齒輪軸線處的箱蓋上,每種工況采樣時(shí)間為10 s。

為了獲得IMF分量,需要對(duì)每種狀態(tài)的信號(hào)都用EEMD進(jìn)行分解。筆者將數(shù)據(jù)分為500個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的集合,并使用EEMD將每個(gè)集合分解為IMF分量。

在這項(xiàng)研究中,原始信號(hào)和前6個(gè)IMF分量被選為特征量,從而使每組數(shù)據(jù)被分解為一個(gè)特征樣本。筆者使用該方法對(duì)不同狀態(tài)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分解,共得到750組特征樣本。

故障數(shù)據(jù)集描述如表1所示。

表1 故障數(shù)據(jù)集

在試驗(yàn)過(guò)程中,筆者考慮了4種不同的條件(狀態(tài)):正常狀態(tài)、齒根斷裂、齒面磨損和缺齒。

在正常和3種故障條件下,從實(shí)驗(yàn)臺(tái)獲得的信號(hào)時(shí)域圖如圖5所示。

圖5 4種狀態(tài)信號(hào)的時(shí)域圖

由圖5可得:不同條件下的振動(dòng)信號(hào)表現(xiàn)出不同的特征,其中,正常情況下表現(xiàn)為穩(wěn)定的周期性振動(dòng)信號(hào),故障條件下的振動(dòng)信號(hào)更不規(guī)則,包含脈沖狀的特征。

3.2 EEMD分解與網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)置

筆者使用EEMD,對(duì)行星齒輪振動(dòng)加速度進(jìn)行信號(hào)分解,以獲得IMF分量,然后按頻率對(duì)IMF分量進(jìn)行排序,并在其中加入標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.1的高斯白噪聲,共得到6個(gè)IMF分量。

在不同的運(yùn)行條件下,對(duì)齒輪信號(hào)進(jìn)行分解,其中一種IMF分量如圖6所示。

圖6 齒根斷裂信號(hào)EEMD分解圖

為了提高預(yù)測(cè)精度,筆者采用遺傳算法(GA)[22-23]對(duì)LSTM進(jìn)行優(yōu)化,這樣可避免人為設(shè)置超參數(shù)時(shí)存在的主觀性影響,也節(jié)省了計(jì)算資源和時(shí)間成本。

GA-LSTM網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)置如表2所示。

表2 網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)置

筆者利用GA-LTSM網(wǎng)絡(luò)模型來(lái)識(shí)別最初的6個(gè)模態(tài)成分,并為其配置相應(yīng)的參數(shù)。GA-LSTM模型由1個(gè)GA-LTSM層、1個(gè)SoftMax層、1個(gè)全連接層和1個(gè)分類輸出層組成。其中,為避免模型的過(guò)擬合問(wèn)題,在全連接層中增加了Dropout隨機(jī)失活層,并在Dropout層中設(shè)置失活概率為0.6。

此外,還可以使用小批次設(shè)定,使模型更頻繁地更新參數(shù),并且可以降低對(duì)內(nèi)存的需求。

經(jīng)GA優(yōu)化的LSTM網(wǎng)絡(luò)的超參數(shù)如表3所示。

表3 GA-LSTM網(wǎng)絡(luò)模型超參數(shù)設(shè)置

循環(huán)數(shù)代表訓(xùn)練次數(shù),筆者設(shè)置為100次,每個(gè)循環(huán)后網(wǎng)絡(luò)都會(huì)迭代更新。模型的運(yùn)行環(huán)境為MATLAB。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在該實(shí)驗(yàn)中,筆者隨機(jī)選取90%的數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練樣本,并使用GA-LSTM網(wǎng)絡(luò)對(duì)樣本進(jìn)行訓(xùn)練。

損失隨迭代次數(shù)變化的情況如圖7所示。

圖7 迭代次數(shù)與模型的訓(xùn)練損失率的關(guān)系

從圖7中可以看出:該網(wǎng)絡(luò)的損失率低于2%,證明了該網(wǎng)絡(luò)具有良好的穩(wěn)定性。

筆者使用剩余10%的數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試。模型訓(xùn)練準(zhǔn)確率曲線如圖8所示。

圖8 模型訓(xùn)練準(zhǔn)確率曲線

由圖8可知:模型經(jīng)過(guò)測(cè)試后,得到了該模型的精度為94.17%;同時(shí),在迭代計(jì)算過(guò)程中,訓(xùn)練曲線會(huì)產(chǎn)生一定的波動(dòng),表明該模型在進(jìn)一步迭代中可以達(dá)到穩(wěn)定的預(yù)測(cè)效果。

筆者利用混淆矩陣展示模型分類的評(píng)估性能,如圖9所示。

圖9 測(cè)試結(jié)果混淆矩陣

由圖9可以發(fā)現(xiàn):模型能比較準(zhǔn)確地識(shí)別出行星齒輪的缺齒、正常和齒面磨損情況,但是對(duì)行星齒輪齒根斷裂情況的識(shí)別率最低,為90.0%,這表明模型還存在齒根斷裂被誤判的問(wèn)題,導(dǎo)致結(jié)果偏差增加(其原因是在特征判斷上,與其他故障類型相比,齒根斷裂容易被誤判為正常情況)。

因此,筆者還需要進(jìn)一步優(yōu)化模型,以提高對(duì)齒根斷裂的識(shí)別率。

綜上所述,該網(wǎng)絡(luò)在行星齒輪故障識(shí)別方面表現(xiàn)良好,是一個(gè)可靠的分類工具。

3.4 對(duì)比分析

3.4.1 必要性驗(yàn)證

未經(jīng)EEMD處理以及經(jīng)過(guò)EEMD處理的網(wǎng)絡(luò),在迭代測(cè)試精度方面的情況如圖10所示。

圖10 網(wǎng)絡(luò)精度隨EEMD處理前后迭代次數(shù)的變化

由圖10可以得知:未進(jìn)行EEMD處理的網(wǎng)絡(luò)表現(xiàn)出相對(duì)較差的穩(wěn)定性,其精度僅能達(dá)到78%;經(jīng)過(guò)使用EEMD處理后的網(wǎng)絡(luò),可以實(shí)現(xiàn)94%的準(zhǔn)確率,同時(shí)穩(wěn)定性和精度也得到了顯著提升。

這表明,使用EEMD方法處理數(shù)據(jù)有利于改善網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和精度,同時(shí)也說(shuō)明LSTM網(wǎng)絡(luò)更適合用于處理時(shí)序信號(hào)。

由于該實(shí)驗(yàn)是模擬的,而在實(shí)際工作條件下,行星齒輪可能會(huì)遇到更多的噪聲干擾,這會(huì)大大削弱故障信號(hào)的特征,使得其特征提取更具有挑戰(zhàn)性。

為了進(jìn)一步模擬行星齒輪的實(shí)際工作情況,筆者在其原始振動(dòng)信號(hào)中加入了噪聲,并對(duì)這種添加噪聲的影響進(jìn)行了分析,結(jié)果如圖11所示。

圖11 添加噪聲后EEMD處理對(duì)模型精度的影響

由圖11可以看出:如果沒(méi)有對(duì)添加噪聲的信號(hào)進(jìn)行EEMD降噪處理,其分類結(jié)果會(huì)變差;反之,添加噪聲后,對(duì)EEMD和GA-LSTM網(wǎng)絡(luò)而言,其分類精度仍然保持在相對(duì)較高的水準(zhǔn)上。這說(shuō)明,在實(shí)際應(yīng)用中,EEMD方法能有效地減少噪聲的干擾,提高行星齒輪的故障診斷精度;

當(dāng)加入噪聲后,該模型的準(zhǔn)確度達(dá)到了90.0%;而當(dāng)使用沒(méi)有經(jīng)EEMD分解的信號(hào)時(shí),其準(zhǔn)確度只有75.3%。這證明,使用EEMD算法的信號(hào)分解有效地減輕了噪聲的影響,并提高了模型的準(zhǔn)確性;

此外,與直接將噪聲信號(hào)輸入模型相比,使用分解后的信號(hào),其在精確度上顯著提高了15%。因此,可以推斷:EEMD處理方法及其結(jié)合LSTM網(wǎng)絡(luò)的方法可能會(huì)在時(shí)序信號(hào)處理領(lǐng)域有更為廣闊的應(yīng)用。

3.4.2 優(yōu)越性驗(yàn)證

在初始迭代測(cè)試階段中,2個(gè)網(wǎng)絡(luò)都表現(xiàn)出了快速收斂狀態(tài),GA-LSTM和LSTM網(wǎng)絡(luò)的準(zhǔn)確性對(duì)比如圖12所示。

圖12 迭代次數(shù)與不同網(wǎng)絡(luò)模型準(zhǔn)確性之間的關(guān)系

由圖12可知:實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,與沒(méi)有優(yōu)化的模型相比,用GA算法優(yōu)化的LSTM網(wǎng)絡(luò)的準(zhǔn)確性從85%提升到94%,預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確度提高了9%,其原因是兩種網(wǎng)絡(luò)都采用類似的訓(xùn)練方式,即單向的往前訓(xùn)練方式;

兩者相比而言,GA-LSTM網(wǎng)絡(luò)更加平滑,這是因?yàn)镚A優(yōu)化是通過(guò)優(yōu)化LSTM層參數(shù)去除其人為設(shè)定的隨意性,避免了網(wǎng)格尋優(yōu)方式耗費(fèi)大量時(shí)間和計(jì)算資源。隨著迭代次數(shù)的增加,2個(gè)網(wǎng)絡(luò)的精度逐漸提高。

值得注意的是,到達(dá)后期迭代階段時(shí),GA-LSTM網(wǎng)絡(luò)比未經(jīng)過(guò)優(yōu)化的LSTM網(wǎng)絡(luò)獲得了更好的精度。這證明了GA-LSTM網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化策略確實(shí)有效地提升了網(wǎng)絡(luò)性能。

4 結(jié)束語(yǔ)

筆者將EEMD與基于GA-LSTM的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合,提出了一種新的行星齒輪故障診斷方法,并利用故障模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái),對(duì)4種不同狀態(tài)的行星齒輪數(shù)據(jù)集進(jìn)行了測(cè)試,對(duì)該方法的有效性與泛化性進(jìn)行了驗(yàn)證。

研究結(jié)論如下:

1)相比于傳統(tǒng)的故障診斷技術(shù),EEMD方法能有效地將非線性和非平穩(wěn)信號(hào)分解為多個(gè)本征模式函數(shù)分量,IMF分量可以作為進(jìn)一步處理和分析的特征,從而提高故障診斷的準(zhǔn)確性和可靠性;

2)使用遺傳算法來(lái)優(yōu)化LSTM網(wǎng)絡(luò)模型,可以顯著提高網(wǎng)絡(luò)的泛化能力,并且在加快訓(xùn)練過(guò)程和降低過(guò)擬合的風(fēng)險(xiǎn)方面也具有優(yōu)勢(shì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,相比于傳統(tǒng)LSTM算法,GA-LSTM算法的準(zhǔn)確率更高(達(dá)到了94%),而傳統(tǒng)LSTM算法僅能達(dá)到85%的準(zhǔn)確率;

3)GA-LSTM模型的總體故障診斷準(zhǔn)確率達(dá)到了94.17%。在人為加入噪聲信號(hào)后,與未經(jīng)EEMD分解的模型相比,該模型在精確度上提升了15%,表明該模型對(duì)噪聲信號(hào)具有較強(qiáng)的魯棒性,具備良好的抗噪聲能力。

綜上所述,筆者所提出的故障診斷方法具有更高的識(shí)別率和更強(qiáng)的魯棒性,該方法可為行星齒輪故障診斷提供良好的應(yīng)用前景。

在未來(lái)的研究中,筆者旨在將上述行星齒輪故障診斷方法擴(kuò)展到更具挑戰(zhàn)性的場(chǎng)景中,如強(qiáng)噪聲干擾和可變工況,以進(jìn)一步優(yōu)化并提高該模型的抗噪聲能力和泛化能力,使其更加適用于不同的環(huán)境和場(chǎng)景。