一種基于區(qū)間時(shí)間序列的軸承溫升預(yù)測方法
【專利摘要】一種基于區(qū)間時(shí)間序列的軸承溫升預(yù)測方法，所述方法采用模態(tài)區(qū)間的寬度來描述軸承溫升預(yù)測中的不確定性變量大小，通過模態(tài)區(qū)間理論處理軸承溫度信息獲取中的測量不確定性及傳統(tǒng)時(shí)間序列預(yù)測模型中的模型不確定性，將獲得的軸承溫升信息進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，并將測量數(shù)據(jù)模態(tài)區(qū)間化，建立區(qū)間時(shí)間序列模型，進(jìn)行軸承溫升預(yù)測。本發(fā)明基于模態(tài)區(qū)間的時(shí)間序列軸承溫升預(yù)測方法，既考慮了軸承溫度在信息獲取中的測量不確定性，又考慮傳統(tǒng)時(shí)間序列預(yù)測模型中的模型不確定性，為軸承溫升預(yù)測，提供了一種有效而且可靠的處理軸承溫度預(yù)測不確定性方法。本發(fā)明適用機(jī)床等使用軸承的行業(yè)對(duì)軸承的溫升預(yù)測。
【專利說明】一種基于區(qū)間時(shí)間序列的軸承溫升預(yù)測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于區(qū)間時(shí)間序列的軸承溫升預(yù)測方法，屬軸承應(yīng)用【技術(shù)領(lǐng)域】。【背景技術(shù)】
[0002]軸承是機(jī)床的重要組成部件，在軸承在旋轉(zhuǎn)過程中，由于摩擦力等因素將會(huì)隨著轉(zhuǎn)速升高出現(xiàn)溫度提升的現(xiàn)象，軸承溫度升高帶來的熱膨脹將使軸承軸向移動(dòng)、徑向伸長，從而改變軸承的剛度，進(jìn)而會(huì)影響機(jī)床加工質(zhì)量與效率，甚至?xí)馆S承損壞及機(jī)床停止運(yùn)行。因此，對(duì)于軸承溫升趨勢(shì)進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測，保證軸承乃至機(jī)床安全可靠的運(yùn)行具有重要的意義。
[0003]傳統(tǒng)的軸承溫升預(yù)測方法主要有時(shí)間序列預(yù)測法，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測法等。這兩種方法的一個(gè)共同特點(diǎn)是從信息獲取到特征提取及最后模型預(yù)測過程中，把所有參數(shù)都當(dāng)作精確參數(shù)處理，沒有考慮預(yù)測過程中的不確定性存在，如信息獲取中的測量不確定性，特征提取中的數(shù)值不確定性，模型預(yù)測中由于模型相似性而產(chǎn)生的模型不確定性。這些不確定性的存在將帶來誤差，從而減低預(yù)測可靠性。為了提高預(yù)測結(jié)果的可靠性，在預(yù)測過程中的不確定性必須加以考慮。
[0004]模態(tài)區(qū)間是經(jīng)典區(qū)間的延伸，模態(tài)區(qū)間數(shù)學(xué)理論Miguel等在《modal intervalAnalysis》(2014)中進(jìn)行了詳細(xì)闡述。模態(tài)區(qū)間的算法基礎(chǔ)是Kaucher算法,相比于傳統(tǒng)的區(qū)間，模態(tài)區(qū)間具有更好的代數(shù)特性和語義理解性?；谀B(tài)區(qū)間的不確定性分析方法是一種新的不確定性分析方法，其將不確定性變量通過模態(tài)區(qū)間量處理，而且基于模態(tài)區(qū)間構(gòu)建的模型其參數(shù)為區(qū)間形式，使模型具有較好的魯棒性。然而，基于模態(tài)區(qū)間的不確定性分析方法在工程應(yīng)用中剛剛起步，尚未應(yīng)用與軸承溫升預(yù)測中。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是，針對(duì)軸承溫升預(yù)測過程中存在的不確定性問題，提供一種基于模態(tài)區(qū)間的時(shí)間序列軸承溫升預(yù)測方法，利用模態(tài)區(qū)間理論處理軸承溫升預(yù)測中信息獲取及傳統(tǒng)時(shí)序序列預(yù)測模型中的模型不確定性問題，由區(qū)間時(shí)間序列模型對(duì)軸承溫升進(jìn)行可靠預(yù)測。
[0006]實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)方案是，本發(fā)明采用模態(tài)區(qū)間的寬度來描述軸承溫升預(yù)測中的不確定性變量大小，通過模態(tài)區(qū)間理論處理軸承溫度信息獲取中的測量不確定性及傳統(tǒng)時(shí)間序列預(yù)測模型中的模型不確定性，將獲得的軸承溫升信息進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，并將測量數(shù)據(jù)模態(tài)區(qū)間化，建立區(qū)間時(shí)間序列模型，對(duì)軸承溫升進(jìn)行預(yù)測。
[0007]本發(fā)明一種基于區(qū)間時(shí)間序列的軸承溫升預(yù)測方法，具體包括以下步驟:
[0008](I)信息獲取
[0009]通過測量工具獲取機(jī)床加工中軸承溫升的測量信息。其中，測量信息為軸承溫度數(shù)據(jù)，測量工具可以為熱電阻、熱電偶、點(diǎn)溫計(jì)等溫度傳感器等。
[0010](2)數(shù)據(jù)預(yù)處理[0011]對(duì)獲取軸承溫度的測量數(shù)據(jù)通過濾波、去噪等方法進(jìn)行預(yù)處理，形成無噪的測量數(shù)據(jù)集U1, X2, K, xm}，其中，X為預(yù)處理后的測量數(shù)據(jù)，m為測量數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)。
[0012](3)測量數(shù)據(jù)模態(tài)區(qū)間化
[0013]考慮測量軸承溫度中的傳感器精度，觀測誤差及環(huán)境影響等測量不確定性，依據(jù)模態(tài)區(qū)間理論及誤差理論，把預(yù)處理了的測量數(shù)據(jù)集中的每個(gè)元素轉(zhuǎn)換
成模態(tài)區(qū)間形式以增加獲取數(shù)據(jù)的可靠性，則測量數(shù)據(jù)集轉(zhuǎn)換為
{ [X,, Α? ], [χ2, Χ2],..., [Xm, Xm] }，其中y為模態(tài)區(qū)間下界，3c為模態(tài)區(qū)間上界，X為模態(tài)區(qū)間。
[0014]其中，模態(tài)區(qū)間的數(shù)學(xué)表達(dá)式為:
[0015]X:= [x, x], (x, X e kR)
[0016]即模態(tài)區(qū)間X 通過一對(duì)實(shí)數(shù)Z，無來定義，kR表述廣義閉區(qū)間實(shí)數(shù)集合，式中的X不受叾<1的任何約束，即區(qū)間的上下界大小不受限制，如經(jīng)典區(qū)間只能為[1，3]，不能為
[3，I]，但模態(tài)區(qū)間不受限制，兩個(gè)區(qū)間都是許可的。模態(tài)區(qū)間的算法基礎(chǔ)是Kaucher算法。
[0017](4)建立區(qū)間時(shí)間序列模型
[0018]對(duì)測量數(shù)據(jù)特性進(jìn)行分析，選定合適的傳統(tǒng)時(shí)間序列預(yù)測方法，在此基礎(chǔ)上利用模態(tài)區(qū)間理論，把傳統(tǒng)時(shí)間序列預(yù)測方法中的參數(shù)轉(zhuǎn)化為模態(tài)區(qū)間參數(shù)，建立基于模態(tài)區(qū)
間的時(shí)間序列預(yù)測模型Χπ+/=/([?Λ?]，|^2,X2],...，[&,X〃])，其中，f(...)為模態(tài)區(qū)間待
估函數(shù)，η為用于預(yù)測的歷史數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)而且η < m，I為預(yù)測步長，當(dāng)I = I時(shí)，為單步預(yù)測，當(dāng)1>1時(shí)，為多步預(yù)測，xn+1為步長為I的區(qū)間預(yù)測值。
[0019]其中，傳統(tǒng)時(shí)間序列預(yù)測方法包括:移動(dòng)平均法、加權(quán)移動(dòng)平均法、趨勢(shì)移動(dòng)平均法、指數(shù)平滑法、自適應(yīng)濾波法、平穩(wěn)時(shí)間序列等。
[0020](5)軸承溫升預(yù)測
[0021]把模態(tài)區(qū)間化了的m個(gè)測量數(shù)據(jù)作為歷史數(shù)據(jù)，按時(shí)間順序選擇其中η個(gè)數(shù)據(jù)，代入模態(tài)區(qū)間時(shí)間序列預(yù)測模型\+1 = /([Χ|,Λ?]，[x2,X2],...,[X11,X11])，對(duì)未來時(shí)刻
n+1 (I ^ I)的溫度進(jìn)行預(yù)測。依據(jù)預(yù)測步長，求取軸承溫升區(qū)間預(yù)測值xn+1，由重心公式\+1 =(?+/+氣+/)/2計(jì)算xn+1, Xntl-Xntl^1即為軸承溫升預(yù)測結(jié)果，其中χη+1為時(shí)刻n+1的溫度值，xn+1-!為時(shí)刻n+1-l的溫度值。
[0022]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)比較的有益效果是，本發(fā)明基于模態(tài)區(qū)間的不確定性分析方法，其算法基礎(chǔ)是Kaucher算法，相比經(jīng)典區(qū)間，其運(yùn)算具有更好的代數(shù)特性及語義理解特性；基于模態(tài)區(qū)間的時(shí)間序列軸承溫升預(yù)測方法在預(yù)測過程中，預(yù)測數(shù)據(jù)、參數(shù)及結(jié)果為模態(tài)區(qū)間形式，區(qū)間值明顯比精確值包含了更多的信息，使獲取的信息更加可靠，預(yù)測模型具有更好的魯棒性，預(yù)測結(jié)果更加可靠。本發(fā)明基于模態(tài)區(qū)間的時(shí)間序列軸承溫升預(yù)測方法，既考慮了軸承溫度在信息獲取中的測量不確定性，又考慮傳統(tǒng)時(shí)間序列預(yù)測模型中的模型不確定性，為軸承溫升預(yù)測，提供了一種有效而且可靠的處理軸承溫度預(yù)測不確定性方法。
[0023]本發(fā)明適用機(jī)床等使用軸承的行業(yè)對(duì)軸承的溫升預(yù)測?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0024]圖1是本發(fā)明實(shí)施例區(qū)間時(shí)間序列的軸承溫升預(yù)測方法的流程框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025]本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】如圖1所示。以下結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。此處說明若涉及到具體實(shí)例時(shí)，僅僅用以解釋本發(fā)明，并不限定本發(fā)明。
[0026]本發(fā)明將通過以對(duì)軸承溫升預(yù)測中不確定性處理為例實(shí)施例作進(jìn)一步的說明。
[0027](I)信息獲取
[0028]通過測量工具獲取機(jī)床加工中軸承溫升的測量信息。其中，測量信息為軸承溫度數(shù)據(jù)，測量工具可以為熱電阻、熱電偶、點(diǎn)溫計(jì)等溫度傳感器等中的任何一種，本實(shí)施例選用熱電偶獲取軸承溫度數(shù)據(jù)。
[0029](2)數(shù)據(jù)預(yù)處理
[0030]對(duì)獲取的測量數(shù)據(jù)通過濾波及小波去噪方法進(jìn)行預(yù)處理，形成無噪的測量數(shù)據(jù)集Ix1, X2, K, xm}，其中，X為預(yù)處理后的測量數(shù)據(jù)，m為測量數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)。
[0031](3)測量數(shù)據(jù)模態(tài)區(qū)間化
[0032]考慮測量軸承溫度中的傳感器精度，觀測誤差及環(huán)境影響等測量不確定性，選取測量數(shù)據(jù)值的總體誤差±5%，把預(yù)處理了的測量數(shù)據(jù)集中的每個(gè)元素轉(zhuǎn)換成模
態(tài)區(qū)間形式X/;; = [.r/;?.rw]，其中Um x95%，xm~xm x 105%，則得到測量數(shù)據(jù)集為
，其中$為模態(tài)區(qū)間下界，&為模態(tài)區(qū)間上界，X為模態(tài)區(qū)
間。本實(shí)施例中選取的總體誤差為±5%，但本發(fā)明中并不限定于此，總體誤差也可以為其它值，例如±2%、±6%、±10%等，具體可根據(jù)實(shí)際情況確定。
[0033]其中，模態(tài)區(qū)間的數(shù)學(xué)表達(dá)式為:
[0034]X:= [χ, χ],(χ,.? e kR)
[0035]即模態(tài)區(qū)間X通過一對(duì)實(shí)數(shù)2，無來定義，kR表述廣義閉區(qū)間實(shí)數(shù)集合，式中的X不受叾<1的任何約束，即區(qū)間的上下界大小不受限制，如經(jīng)典區(qū)間只能為[1，3]，不能為
[3，I]，但模態(tài)區(qū)間不受限制，兩個(gè)區(qū)間都是許可的。模態(tài)區(qū)間的理論基礎(chǔ)是Kaucher算法。
[0036](4)建立區(qū)間時(shí)間序列模型
[0037]對(duì)測量數(shù)據(jù)特性進(jìn)行分析，選定合適的傳統(tǒng)時(shí)間序列模型。本實(shí)施例中，根據(jù)對(duì)獲取的軸承溫度數(shù)據(jù)特性進(jìn)行分析，選擇的時(shí)間序列預(yù)測模型為加權(quán)移動(dòng)平均法預(yù)測模型。在此基礎(chǔ)上利用模態(tài)區(qū)間理論，把加權(quán)移動(dòng)平均法預(yù)測模型中的參數(shù)轉(zhuǎn)化為模態(tài)區(qū)間參



W1X1 + W7X7 +...+ WnXn
數(shù)，建立基于模態(tài)區(qū)間的加權(quán)移動(dòng)平均法預(yù)測模型x?+l = ^Wi + h；2+.+w^ ’其中，η預(yù)
測歷史數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)，W為對(duì)應(yīng) X的權(quán)值，預(yù)測步長I = I。
[0038](5)軸承溫升預(yù)測
[0039]把模態(tài)區(qū)間化了的m個(gè)測量數(shù)據(jù)作為歷史數(shù)據(jù)，按時(shí)間順序選擇其中η個(gè)數(shù)據(jù)，代入基于模態(tài)區(qū)間的加權(quán)移動(dòng)平均法預(yù)測模型'
【權(quán)利要求】
1.一種基于區(qū)間時(shí)間序列的軸承溫升預(yù)測方法，其特征在于，所述方法采用模態(tài)區(qū)間的寬度來描述軸承溫升預(yù)測中的不確定性變量大小，通過模態(tài)區(qū)間理論處理軸承溫度信息獲取中的測量不確定性及傳統(tǒng)時(shí)間序列預(yù)測模型中的模型不確定性，將獲得的軸承溫升信息進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，并將測量數(shù)據(jù)模態(tài)區(qū)間化，建立區(qū)間時(shí)間序列模型，進(jìn)行軸承溫升預(yù)測。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于區(qū)間時(shí)間序列的軸承溫升預(yù)測方法，其特征在于，所述方法在測量數(shù)據(jù)模態(tài)區(qū)間化時(shí)，把預(yù)處理了的測量數(shù)據(jù)集中的每個(gè)元素轉(zhuǎn)換成模態(tài)區(qū)間形式以增加獲取數(shù)據(jù)的可靠性，則測量數(shù)據(jù)集轉(zhuǎn)換為{ [X,, Xl ], [x2, X2],..-, [X,?, Xm] }；其中Z為模態(tài)區(qū)間下界，；為模態(tài)區(qū)間上界，X為模態(tài)區(qū)間。 其中，模態(tài)區(qū)間的數(shù)學(xué)表達(dá)式為:
X: 二 [x, x], (x, X e kR) 即模態(tài)區(qū)間X通 過一對(duì)實(shí)數(shù)?，無來定義，kR表述廣義閉區(qū)間實(shí)數(shù)集合，式中的X不受f <X的任何約束。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于區(qū)間時(shí)間序列的軸承溫升預(yù)測方法，其特征在于，所述區(qū)間時(shí)間序列模型為:Xw+/=/([S,X|],[a:2，X2]，...，[&,AV|)，其中，f (...)為模態(tài)區(qū)間待估函數(shù)；n為用于預(yù)測的歷史數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)，而且η < m，I為預(yù)測步長，當(dāng)I = I時(shí)，為單步預(yù)測，當(dāng)1>1時(shí)，為多步預(yù)測，xn+1為步長為I的區(qū)間預(yù)測值。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于區(qū)間時(shí)間序列的軸承溫升預(yù)測方法，其特征在于，所述軸承溫升預(yù)測方法為:把模態(tài)區(qū)間化了的m個(gè)測量數(shù)據(jù)作為歷史數(shù)據(jù)，按時(shí)間順序選擇其中η個(gè)數(shù)據(jù)，代入模態(tài)區(qū)間時(shí)間序列預(yù)測模型ΧΜ+/ =./'([X],λ?],[λ-2,Χ2],,[Xn,X1,])，對(duì)未來時(shí)刻η+1(1 ^ I)的溫度進(jìn)行預(yù)測；依據(jù)預(yù)測步長，求取軸承溫升區(qū)間預(yù)測值χη+1，由重心公式'+/ =(4+/ +?+/)/2計(jì)算xn+1，即為軸承溫升預(yù)測結(jié)果，其中xn+1為時(shí)刻n+1的溫度值，xn+1_!為時(shí)刻n+1-l的溫度值。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于區(qū)間時(shí)間序列的軸承溫升預(yù)測方法，其特征在于，所述數(shù)據(jù)預(yù)處理，指的是對(duì)獲取軸承溫度的測量數(shù)據(jù)通過濾波、去噪方法進(jìn)行預(yù)處理，形成無噪的測量數(shù)據(jù)集Ix1, X2, K, Xm}，其中，X為預(yù)處理后的測量數(shù)據(jù)，m為測量數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)。
【文檔編號(hào)】G06F19/00GK103984865SQ201410210909
【公開日】2014年8月13日 申請(qǐng)日期:2014年5月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月19日
【發(fā)明者】謝鋒云, 周建民, 曹青松, 謝三毛 申請(qǐng)人:華東交通大學(xué)