基于主元分析的桥梁健康监测系统传感器故障诊断

发布时间：2021-05-09 22:06

　　传感器是桥梁结构健康监测系统最前端的设备,传感器发生故障时,其返回的错误数据可能会使结构安全状态评估出现漏报或误报,影响最终的评估结果。因此,在进行安全状态评估前有必要检测和隔离潜在的传感器故障。论文基于多元统计分析的过程控制理论,建立了基于主元分析（PCA）的传感器故障诊断方法。提出累积贡献率法和权重统计量法对传统主元分析法的诊断效果进行改进。为了将主元分析应用于非线性、非高斯随机系统,建立了核主元分析（KPCA）方法。将改进的诊断方法应用于实际桥梁健康监测系统,提出分时段检验法,实现加速度传感器的故障诊断,为确保系统自身的正常运营提供一个有效手段。论文的主要研究内容和结果如下:（1）基于主元分析的原理,建立传感器故障诊断方法。针对传统贡献图法在故障定位时容易产生误判的不足,提出了累积残差贡献率法。通过三跨连续梁数值模拟算例分析,结果表明:主元分析法能够识别出传感器的4类典型故障,累积残差贡献率不但能更好地定位单传感器故障,两个传感器同时发生故障时也能准确定位。（2）针对PCA对传感器小故障识别不明显的弱点,提出加权统计量的方法。通过故障敏感因子量化PCA每个主元方向识别故障的敏感程... 

【文章来源】：重庆大学重庆市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：99 页

【学位级别】：硕士

【文章目录】：
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英文摘要
主要符号
1 绪论
    1.1 研究背景和意义
    1.2 故障诊断的主要内容
    1.3 故障诊断技术的发展状况
    1.4 基于多元统计分析的故障诊断方法
    1.5 本文主要研究内容
2 传感器的故障类型与主元分析方法
    2.1 引言
    2.2 传感器故障分类及其特性描述
        2.2.1 传感器故障的数学模型
        2.2.2 传感器数据的向量及矩阵表示
    2.3 主元分析方法
        2.3.1 主元分析法概述
        2.3.2 PCA的原理
        2.3.3 PCA的几何意义
        2.3.4 PCA的高维解释
        2.3.5 PCA建模过程
        2.3.6 主元数目的确定
    2.4 故障检测方法
    2.5 累积残差贡献率故障定位法
        2.5.1 残差贡献图
        2.5.2 累积残差贡献率
    2.6 算例分析
        2.6.1 模型及实验方法
        2.6.2 单个传感器故障识别
        2.6.3 两个传感器同时发生故障
        2.6.4 累积次数对故障定位的影响
    2.7 本章小结
3 WPCA在故障诊断中的应用
    3.1 引言
    3.2 主元方向敏感程度分析
    3.3 故障敏感因子
        3.3.1 T2统计量敏感因子
        3.3.2 Q统计量敏感因子
    3.4 基于WPCA的传感器故障诊断方法
        3.4.1 贝叶斯推论
        3.4.2 故障隔离方案
    3.5 故障诊断程序
    3.6 算例分析
    3.7 本章小结
4 基于KPCA的传感器故障诊断
    4.1 引言
    4.2 核函数理论及常用核函数
    4.3 核主元分析的基本原理
    4.4 基于KPCA的故障诊断
        4.4.1 KPCA模型的建立
        4.4.2 故障检测策略
    4.5 基于贡献图法的KPCA故障定位
    4.6 算例分析
    4.7 本章小结
5 故障诊断方法在实桥上的应用
    5.1 引言
    5.2 桥梁的基本信息
    5.3 加速度传感器故障诊断
        5.3.1 分时段检验
        5.3.2 不同工况对诊断结果的影响
        5.3.3 传感器故障诊断
    5.4 本章小节
6 结论和展望
    6.1 主要工作和结论
    6.2 论文创新点
    6.3 后续研究工作展望
致谢
参考文献
附录
    A.作者攻读硕士学位期间发表的学术论文
    B.作者攻读硕士学位期间参与的科研项目


【参考文献】：
期刊论文
[1]基于KPCA的监控系统传感器异常诊断方法[J]. 彭红星,潘梨莉,赵鸿图.  传感器与微系统. 2016(12)
[2]基于残差分析的挠度传感器故障时间定位算法[J]. 胡顺仁,赵宁博,张建科.  仪器仪表学报. 2016(09)
[3]基于主元分析的桥梁挠度传感器故障诊断研究[J]. 胡顺仁,李瑞平,包明,张建科.  传感器与微系统. 2014(06)
[4]基于自适应粒子滤波的涡扇发动机故障诊断[J]. 黄金泉,冯敏,鲁峰.  航空动力学报. 2014(06)
[5]中国桥梁工程学术研究综述·2014[J]. 马建,孙守增,杨琦,赵文义,王磊,马勇,刘辉,张伟伟,陈红燕,陈磊,康军.  中国公路学报. 2014(05)
[6]基于PCA-SDG的水轮机调节系统故障诊断[J]. 刘明华,南海鹏,余向阳.  排灌机械工程学报. 2013(12)
[7]一种基于小波变换与神经网络的传感器故障诊断方法[J]. 赵劲松,李元,邱彤.  清华大学学报(自然科学版). 2013(02)
[8]基于功率谱分析的机械故障免拆检测装置设计[J]. 李绍令,张磊,张漫,常华.  仪表技术与传感器. 2012(07)
[9]基于PCA和SDG的传感器故障诊断方法研究及应用[J]. 高东,吴重光,张贝克,马昕.  系统仿真学报. 2011(03)
[10]传感器的故障诊断技术研究[J]. 何富君,刘小磊,卢晓昭,塔月月.  科学技术与工程. 2010(26)

博士论文
[1]基于健康监测系统的桥梁结构承载能力评估关键问题研究[D]. 廖威.华南理工大学 2016
[2]基于健康监测的钢桥面板疲劳寿命评估[D]. 李星新.中南大学 2012
[3]基于车致振动响应的铁路桥梁损伤识别方法研究[D]. 付春雨.西南交通大学 2011
[4]基于现场总线的大跨空间结构健康监测系统研究[D]. 卢伟.哈尔滨工业大学 2010
[5]基于城市桥梁集群监测平台的系杆拱桥健康监测研究[D]. 李毅.浙江大学 2010
[6]基于模型的故障诊断方法研究及在航天中的应用[D]. 邵继业.哈尔滨工业大学 2009

硕士论文
[1]桥梁结构健康监测系统传感器自诊断方法研究[D]. 罗浩恩.重庆大学 2016
[2]基于协整和多变量控制图的大型桥梁结构安全状态评估方法研究[D]. 秦平.重庆大学 2015
[3]基于多元统计分析的过程系统故障诊断方法研究[D]. 刘美玲.南京理工大学 2013
[4]传感器失效船舶定位控制重构容错方法研究[D]. 陈善瑶.哈尔滨工程大学 2012
[5]大跨径连续刚构桥健康监测研究[D]. 张治军.长安大学 2012
[6]基于PCA的混合化工过程故障诊断系统研究[D]. 任伟.青岛科技大学 2011
[7]主元分析及在故障传感器数据重构的应用[D]. 何孝清.东北大学 2010
[8]基于数据分析的传感器故障诊断方法研究[D]. 马彩君.中国石油大学 2007



本文编号：3178107