系统故障诊断技术、算法及MATLAB实现
第1章 绪论 1
1.1 系统故障诊断技术的内涵 1
1.1.1 系统故障诊断技术的基本概念 1
1.1.2 系统故障诊断技术的目的与任务 2
1.1.3 系统故障诊断技术的基本理论与方法 5
1.1.4 系统故障诊断系统的结构与内容 13
1.2 系统故障诊断技术的发展趋势 15
1.2.1 故障预测与健康监测的技术内涵 15
1.2.2 故障预测与健康监测技术体系 17
1.2.3 故障预测与健康监测的系统功能层次 20
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1.1 系统故障诊断技术的内涵 1
1.1.1 系统故障诊断技术的基本概念 1
1.1.2 系统故障诊断技术的目的与任务 2
1.1.3 系统故障诊断技术的基本理论与方法 5
1.1.4 系统故障诊断系统的结构与内容 13
1.2 系统故障诊断技术的发展趋势 15
1.2.1 故障预测与健康监测的技术内涵 15
1.2.2 故障预测与健康监测技术体系 17
1.2.3 故障预测与健康监测的系统功能层次 20
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魏秀琨，北京交通大学教授，在系统建模、控制理论、故障诊断、人工智能应用等领域累计发表100多篇论文，其中SCI论文20余篇，EI/ISTP检索论文90多篇篇；发表的论文被国内外学者累计引用900多次。出版故障诊断、轨道安全状态检测和列车故障诊断方面的专著3部，编写教材1部，申请发明专利30多项，软件著作权10多项。
本书共9章（另有2个附录），涵盖了故障诊断信号分析基础、信号高级分析方法、滚动轴承故障诊断、齿轮故障诊断等基于信号分析的故障检测和故障诊断技术，同时，还包含了基于模型的故障诊断（对应第6～8章）、数据驱动的悬挂系统故障诊断方法。 为帮助读者更好地理解和学习，书中重要的理论和案例都配有MATLAB程序，每章都附有思考题（提供答案）。另外，编著者针对每章都制作了课件（可前往“华信教育资源网”下载），方便读者学习和教师课堂教学使用。
第1章 绪论 1
1.1 系统故障诊断技术的内涵 1
1.1.1 系统故障诊断技术的基本概念 1
1.1.2 系统故障诊断技术的目的与任务 2
1.1.3 系统故障诊断技术的基本理论与方法 5
1.1.4 系统故障诊断系统的结构与内容 13
1.2 系统故障诊断技术的发展趋势 15
1.2.1 故障预测与健康监测的技术内涵 15
1.2.2 故障预测与健康监测技术体系 17
1.2.3 故障预测与健康监测的系统功能层次 20
1.2.4 故障预测与健康监测的典型体系框架分析 23
1.2.5 故障预测与健康监测的发展展望 28
思考题 31
参考文献 31
第2章 故障诊断信号分析基础 33
2.1 信号分析的定义与意义 33
2.2 信号预处理 33
2.2.1 异常值处理 34
2.2.2 零均值化处理 34
2.2.3 消除趋势项 36
2.2.4 加窗处理 38
2.2.5 滤波 49
2.3 特征提取与信号处理方法 56
2.3.1 特征选择与提取 56
2.3.2 时域分析方法 57
2.3.3 频域分析方法 62
思考题 72
参考文献 73
第3章 信号高级分析方法 75
3.1 时频域分析 75
3.1.1 短时傅里叶变换 75
3.1.2 Wigner-Ville分布 77
3.1.3 小波变换 80
3.1.4 EMD信号分析方法 87
3.2 数据约减方法 92
3.2.1 主成分分析 92
3.2.2 核主元分析 94
3.2.3 粗糙集理论 98
3.3 传感器信息融合 101
3.3.1 信息融合的概念 101
3.3.2 信息融合的方法 104
3.3.3 信息融合的关键技术 107
思考题 108
参考文献 108
第4章 滚动轴承故障诊断 110
4.1 滚动轴承的基本概况 110
4.1.1 滚动轴承的基本结构 110
4.1.2 滚动轴承异常的基本形式 111
4.2 滚动轴承的振动类型及故障特征 112
4.2.1 滚动轴承的固有振动特征 113
4.2.2 滚动轴承的故障特征频率 114
4.3 滚动轴承故障诊断方法 121
4.3.1 常用振动诊断方法 121
4.3.2 现场振动监测及分析诊断的一般步骤 129
4.3.3 滚动轴承故障诊断案例 130
4.3.4 轴承故障诊断新技术介绍 137
思考题 138
参考文献 138
第5章 齿轮故障诊断 140
5.1 齿轮异常的基本形式 140
5.1.1 齿轮及啮合过程 140
5.1.2 齿轮故障的常见形式 142
5.1.3 齿轮故障的原因 149
5.2 齿轮振动频率及频谱特点 150
5.2.1 齿轮的振动类型 150
5.2.2 齿轮振动频率的计算 152
5.2.3 齿轮振动频谱的特点 154
5.3 齿轮故障分析方法 157
5.3.1 常用振动振动方法 157
5.3.2 齿轮的精密诊断 161
5.3.3 齿轮故障诊断案例 162
5.3.4 齿轮故障诊断新方法展望 166
思考题 167
参考文献 168
第6章 系统的状态空间描述 169
6.1 系统数学描述 169
6.2 状态空间的基本概念 170
6.3 线性系统状态空间表达式的建立 172
6.3.1 根据物理定律建立实际系统的动态方程 172
6.3.2 由系统的微分方程建立状态空间表达式 175
6.3.3 由传递函数建立状态空间表达式 177
6.4 线性系统的可控性和可观性 180
6.4.1 问题的提出 180
6.4.2 线性定常连续系统的可控性 180
6.4.3 可控标准型及输出可控性 183
6.5 状态空间表达式的标准形式 185
6.5.1 能控标准型 186
6.5.2 能观测标准型 186
6.5.3 对角线标准型 186
6.5.4 Jordan标准型 187
6.6 利用MATLAB进行系统模型之间的相互转换 188
6.6.1 传递函数系统的状态空间表达式 189
6.6.2 由状态空间表达式到传递函数的变换 190
思考题 193
参考文献 194
第7章 状态反馈和状态观测器设计 195
7.1 状态反馈与闭环系统极点的配置 195
7.1.1 状态反馈 195
7.1.2 闭环系统期望极点的选取 200
7.2 状态观测器的设计 201
7.2.1 全维状态观测器 202
7.2.2 极点配置的MATLAB实现 206
思考题 214
参考文献 214
第8章 基于观测器的故障诊断理论基础 215
8.1 故障诊断观测器 215
8.2 故障检测系统的鲁棒性及灵活性 216
8.3 故障检测残差评估及阈值的确定 218
8.4 故障分离 221
8.4.1 完全故障分离 221
8.4.2 故障分离滤波器 226
8.4.3 基于多个（一组）残差产生器的故障分离 227
8.5 故障辨识 233
8.5.1 故障辨识滤波器与完全故障辨识 234
8.5.2 故障辨识问题 236
思考题 238
参考文献 238
第9章 数据驱动的悬挂系统故障诊断方法 240
9.1 基于PCA的故障检测方法 240
9.2 基于DPCA的城轨车辆悬挂系统故障检测 242
9.3 T-PLS的算法思想与步骤 244
9.4 基于T-PLS的悬挂系统故障检测与诊断 249
9.5 SVM概述 255
9.6 SVM算法研究 256
9.6.1 二元分类 256
9.6.2 多元分类 259
9.7 在列车悬挂系统中应用SVM技术进行故障分离 260
9.7.1 故障特征值 262
9.7.2 SVM故障分离 263
思考题 265
参考文献 265
附录A 城轨车辆悬挂系统建模 266
A.1 车辆悬挂系统及车载故障诊断系统构架 266
A.1.1 车辆悬挂系统组成与功能 266
A.1.2 城轨车辆垂向悬挂系统动力学建模 269
A.1.3 Simpack车辆建模与悬挂系统故障仿真平台 278
A.2 小结 282
参考文献 282
附录B 思考题答案 283
^ 收 起
1.1 系统故障诊断技术的内涵 1
1.1.1 系统故障诊断技术的基本概念 1
1.1.2 系统故障诊断技术的目的与任务 2
1.1.3 系统故障诊断技术的基本理论与方法 5
1.1.4 系统故障诊断系统的结构与内容 13
1.2 系统故障诊断技术的发展趋势 15
1.2.1 故障预测与健康监测的技术内涵 15
1.2.2 故障预测与健康监测技术体系 17
1.2.3 故障预测与健康监测的系统功能层次 20
1.2.4 故障预测与健康监测的典型体系框架分析 23
1.2.5 故障预测与健康监测的发展展望 28
思考题 31
参考文献 31
第2章 故障诊断信号分析基础 33
2.1 信号分析的定义与意义 33
2.2 信号预处理 33
2.2.1 异常值处理 34
2.2.2 零均值化处理 34
2.2.3 消除趋势项 36
2.2.4 加窗处理 38
2.2.5 滤波 49
2.3 特征提取与信号处理方法 56
2.3.1 特征选择与提取 56
2.3.2 时域分析方法 57
2.3.3 频域分析方法 62
思考题 72
参考文献 73
第3章 信号高级分析方法 75
3.1 时频域分析 75
3.1.1 短时傅里叶变换 75
3.1.2 Wigner-Ville分布 77
3.1.3 小波变换 80
3.1.4 EMD信号分析方法 87
3.2 数据约减方法 92
3.2.1 主成分分析 92
3.2.2 核主元分析 94
3.2.3 粗糙集理论 98
3.3 传感器信息融合 101
3.3.1 信息融合的概念 101
3.3.2 信息融合的方法 104
3.3.3 信息融合的关键技术 107
思考题 108
参考文献 108
第4章 滚动轴承故障诊断 110
4.1 滚动轴承的基本概况 110
4.1.1 滚动轴承的基本结构 110
4.1.2 滚动轴承异常的基本形式 111
4.2 滚动轴承的振动类型及故障特征 112
4.2.1 滚动轴承的固有振动特征 113
4.2.2 滚动轴承的故障特征频率 114
4.3 滚动轴承故障诊断方法 121
4.3.1 常用振动诊断方法 121
4.3.2 现场振动监测及分析诊断的一般步骤 129
4.3.3 滚动轴承故障诊断案例 130
4.3.4 轴承故障诊断新技术介绍 137
思考题 138
参考文献 138
第5章 齿轮故障诊断 140
5.1 齿轮异常的基本形式 140
5.1.1 齿轮及啮合过程 140
5.1.2 齿轮故障的常见形式 142
5.1.3 齿轮故障的原因 149
5.2 齿轮振动频率及频谱特点 150
5.2.1 齿轮的振动类型 150
5.2.2 齿轮振动频率的计算 152
5.2.3 齿轮振动频谱的特点 154
5.3 齿轮故障分析方法 157
5.3.1 常用振动振动方法 157
5.3.2 齿轮的精密诊断 161
5.3.3 齿轮故障诊断案例 162
5.3.4 齿轮故障诊断新方法展望 166
思考题 167
参考文献 168
第6章 系统的状态空间描述 169
6.1 系统数学描述 169
6.2 状态空间的基本概念 170
6.3 线性系统状态空间表达式的建立 172
6.3.1 根据物理定律建立实际系统的动态方程 172
6.3.2 由系统的微分方程建立状态空间表达式 175
6.3.3 由传递函数建立状态空间表达式 177
6.4 线性系统的可控性和可观性 180
6.4.1 问题的提出 180
6.4.2 线性定常连续系统的可控性 180
6.4.3 可控标准型及输出可控性 183
6.5 状态空间表达式的标准形式 185
6.5.1 能控标准型 186
6.5.2 能观测标准型 186
6.5.3 对角线标准型 186
6.5.4 Jordan标准型 187
6.6 利用MATLAB进行系统模型之间的相互转换 188
6.6.1 传递函数系统的状态空间表达式 189
6.6.2 由状态空间表达式到传递函数的变换 190
思考题 193
参考文献 194
第7章 状态反馈和状态观测器设计 195
7.1 状态反馈与闭环系统极点的配置 195
7.1.1 状态反馈 195
7.1.2 闭环系统期望极点的选取 200
7.2 状态观测器的设计 201
7.2.1 全维状态观测器 202
7.2.2 极点配置的MATLAB实现 206
思考题 214
参考文献 214
第8章 基于观测器的故障诊断理论基础 215
8.1 故障诊断观测器 215
8.2 故障检测系统的鲁棒性及灵活性 216
8.3 故障检测残差评估及阈值的确定 218
8.4 故障分离 221
8.4.1 完全故障分离 221
8.4.2 故障分离滤波器 226
8.4.3 基于多个（一组）残差产生器的故障分离 227
8.5 故障辨识 233
8.5.1 故障辨识滤波器与完全故障辨识 234
8.5.2 故障辨识问题 236
思考题 238
参考文献 238
第9章 数据驱动的悬挂系统故障诊断方法 240
9.1 基于PCA的故障检测方法 240
9.2 基于DPCA的城轨车辆悬挂系统故障检测 242
9.3 T-PLS的算法思想与步骤 244
9.4 基于T-PLS的悬挂系统故障检测与诊断 249
9.5 SVM概述 255
9.6 SVM算法研究 256
9.6.1 二元分类 256
9.6.2 多元分类 259
9.7 在列车悬挂系统中应用SVM技术进行故障分离 260
9.7.1 故障特征值 262
9.7.2 SVM故障分离 263
思考题 265
参考文献 265
附录A 城轨车辆悬挂系统建模 266
A.1 车辆悬挂系统及车载故障诊断系统构架 266
A.1.1 车辆悬挂系统组成与功能 266
A.1.2 城轨车辆垂向悬挂系统动力学建模 269
A.1.3 Simpack车辆建模与悬挂系统故障仿真平台 278
A.2 小结 282
参考文献 282
附录B 思考题答案 283
^ 收 起
魏秀琨，北京交通大学教授，在系统建模、控制理论、故障诊断、人工智能应用等领域累计发表100多篇论文，其中SCI论文20余篇，EI/ISTP检索论文90多篇篇；发表的论文被国内外学者累计引用900多次。出版故障诊断、轨道安全状态检测和列车故障诊断方面的专著3部，编写教材1部，申请发明专利30多项，软件著作权10多项。
本书共9章（另有2个附录），涵盖了故障诊断信号分析基础、信号高级分析方法、滚动轴承故障诊断、齿轮故障诊断等基于信号分析的故障检测和故障诊断技术，同时，还包含了基于模型的故障诊断（对应第6～8章）、数据驱动的悬挂系统故障诊断方法。 为帮助读者更好地理解和学习，书中重要的理论和案例都配有MATLAB程序，每章都附有思考题（提供答案）。另外，编著者针对每章都制作了课件（可前往“华信教育资源网”下载），方便读者学习和教师课堂教学使用。
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