第1 部分 故障預(yù)測與健康管理的基本概況
第1 章 緒論 ....................................................................................................... 002
1.1 故障預(yù)測與健康管理概念 ................................................................... 002
1.2 故障預(yù)測與健康管理背景 ................................................................... 006
1.3 故障預(yù)測與健康管理應(yīng)用 ................................................................... 009
1.4 故障預(yù)測與健康管理方法 ................................................................... 011
1.5 故障預(yù)測與健康管理優(yōu)勢 ................................................................... 015
1.5.1 降低全壽命周期的成本 ............................................................ 016
1.5.2 優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的流程 ................................................................ 017
1.5.3 提升生產(chǎn)過程的質(zhì)量 ................................................................ 018
1.5.4 增強(qiáng)系統(tǒng)運(yùn)行的效果 ................................................................ 019
1.5.5 保障后勤維修的優(yōu)勢 ................................................................ 020
1.6 故障預(yù)測與健康管理面臨的挑戰(zhàn) ....................................................... 021
第2 部分 機(jī)械設(shè)備的故障預(yù)測與健康管理
第2 章 基于物理模型的機(jī)械設(shè)備故障預(yù)測與健康管理 ................................. 026
2.1 基于物理模型的機(jī)械設(shè)備故障預(yù)測簡介 ............................................ 027
2.2 非線性最小二乘法 ............................................................................... 029
2.3 貝葉斯方法 .......................................................................................... 037
2.3.1 馬爾可夫鏈蒙特卡羅抽樣方法 ................................................ 037
2.3.2 電池故障預(yù)測貝葉斯方法的MATLAB 實(shí)現(xiàn) .......................... 042
2.4 粒子濾波 .............................................................................................. 047
2.4.1 序列重要性重采樣過程 ............................................................ 048
2.4.2 電池故障預(yù)測的粒子濾波方法的MATLAB 實(shí)現(xiàn) ................... 053
2.5 基于物理模型的故障預(yù)測方法的實(shí)際應(yīng)用 ........................................ 058
2.5.1 問題定義 ................................................................................... 058
2.5.2 針對裂紋擴(kuò)展示例的代碼修改 ................................................ 060
2.5.3 結(jié)果 ........................................................................................... 062
2.6 基于物理模型的故障預(yù)測方法的優(yōu)點(diǎn)和不足 .................................... 064
2.6.1 模型充分性 ............................................................................... 064
2.6.2 參數(shù)估計(jì) ................................................................................... 066
2.6.3 退化數(shù)據(jù)質(zhì)量 ........................................................................... 066
第3 章 數(shù)據(jù)驅(qū)動的機(jī)械設(shè)備故障預(yù)測與健康管理 ........................................ 067
3.1 數(shù)據(jù)驅(qū)動的機(jī)械設(shè)備故障預(yù)測簡介 ................................................... 067
3.2 高斯過程回歸 ...................................................................................... 071
3.2.1 高斯過程模擬 ........................................................................... 074
3.2.2 基于高斯過程的電池故障預(yù)測的MATLAB 實(shí)現(xiàn) ................... 086
3.3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) .............................................................................................. 090
3.3.1 前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型 .................................................................... 091
3.3.2 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電池故障預(yù)測的MATLAB 實(shí)現(xiàn) ................... 103
3.4 數(shù)據(jù)驅(qū)動的故障預(yù)測方法的實(shí)際應(yīng)用 ................................................ 107
3.4.1 問題定義 ................................................................................... 107
3.4.2 裂紋擴(kuò)展示例的MATLAB 代碼 .............................................. 109
3.4.3 結(jié)果 ........................................................................................... 111
3.5 數(shù)據(jù)驅(qū)動的故障預(yù)測方法存在的問題 ................................................ 112
3.5.1 模型形式充分性 ....................................................................... 112
3.5.2 最優(yōu)參數(shù)估計(jì) ........................................................................... 113
3.5.3 退化數(shù)據(jù)的質(zhì)量 ....................................................................... 114
第3 部分 電子設(shè)備的故障預(yù)測與健康管理
第4 章 故障預(yù)測與健康管理的傳感器系統(tǒng) .................................................... 119
4.1 傳感器和傳感原理 ............................................................................... 119
4.1.1 熱傳感器 ................................................................................... 120
4.1.2 電傳感器 ................................................................................... 121
4.1.3 機(jī)械傳感器 ............................................................................... 122
4.1.4 濕度傳感器 ............................................................................... 122
4.1.5 生物傳感器 ............................................................................... 123
4.1.6 化學(xué)傳感器 ............................................................................... 124
4.1.7 光學(xué)傳感器 ............................................................................... 125
4.1.8 磁傳感器 ................................................................................... 126
4.2 故障預(yù)測與健康管理傳感器系統(tǒng)的運(yùn)行 ............................................ 127
4.2.1 需要監(jiān)測的參數(shù) ....................................................................... 128
4.2.2 傳感器系統(tǒng)的性能 .................................................................... 128
4.2.3 傳感器系統(tǒng)的物理屬性 ............................................................ 129
4.2.4 傳感器系統(tǒng)的功能屬性 ............................................................ 129
4.2.5 成本 ........................................................................................... 134
4.2.6 可靠性 ....................................................................................... 134
4.2.7 可用性 ....................................................................................... 135
4.3 傳感器選擇 .......................................................................................... 135
4.4 故障預(yù)測與健康管理實(shí)現(xiàn)的傳感器系統(tǒng)示例 .................................... 137
第5 章 基于物理模型的電子設(shè)備故障預(yù)測與健康管理 ................................. 141
5.1 硬件配置 .............................................................................................. 142
5.2 載荷 ...................................................................................................... 142
5.3 故障模式、機(jī)制及影響分析 ............................................................... 143
5.4 應(yīng)力分析 .............................................................................................. 147
5.5 可靠性評估和剩余使用壽命預(yù)測 ....................................................... 147
5.6 基于物理模型的故障預(yù)測與健康管理方法的輸出 ............................ 151
第6 章 數(shù)據(jù)驅(qū)動的電子設(shè)備故障預(yù)測與健康管理 ........................................ 152
6.1 參數(shù)統(tǒng)計(jì)方法 ...................................................................................... 154
6.1.1 似然比檢驗(yàn) ............................................................................... 154
6.1.2 最大似然估計(jì) ........................................................................... 155
6.1.3 Neyman-Pearson 準(zhǔn)則 ............................................................... 155
6.1.4 期望值最大化 ........................................................................... 156
6.1.5 最小均方差估計(jì) ....................................................................... 156
6.1.6 最大后驗(yàn)概率估計(jì) .................................................................... 157
6.1.7 Rao-Blackwell 估計(jì) ................................................................... 157
6.1.8 Cramer-Rao 下界 ....................................................................... 157
6.2 非參數(shù)統(tǒng)計(jì)方法 ................................................................................... 158
6.2.1 基于最近鄰的分類 .................................................................... 158
6.2.2 Parzen 窗（核密度估計(jì)） ........................................................ 159
6.2.3 Wilcoxon 秩和檢驗(yàn) ................................................................... 159
6.2.4 Kolmogorov-Smirnov 檢驗(yàn) ....................................................... 160
6.2.5 卡方擬合優(yōu)度假設(shè)檢驗(yàn) ............................................................ 160
6.3 機(jī)器學(xué)習(xí)方法 ...................................................................................... 161
6.3.1 有監(jiān)督分類 ............................................................................... 164
6.3.2 無監(jiān)督分類 ............................................................................... 169
6.4 本章小結(jié) .............................................................................................. 174
第4 部分 應(yīng)用案例
第7 章 機(jī)械設(shè)備故障預(yù)測與健康管理應(yīng)用案例 ............................................ 176
7.1 現(xiàn)場測量與關(guān)節(jié)磨損預(yù)測 ................................................................... 176
7.1.1 動機(jī)和背景 ............................................................................... 176
7.1.2 磨損模型和磨損系數(shù) ................................................................ 177
7.1.3 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)關(guān)節(jié)磨損的現(xiàn)場測量 ........................................ 179
7.1.4 貝葉斯方法用于預(yù)測關(guān)節(jié)漸進(jìn)磨損 ........................................ 182
7.1.5 磨損系數(shù)識別與磨損量預(yù)測 .................................................... 185
7.1.6 結(jié)論 ........................................................................................... 191
7.2 不同噪聲和偏差條件下使用貝葉斯方法識別模型參數(shù) .................... 191
7.2.1 動機(jī)和背景 ............................................................................... 191
7.2.2 損傷增長模型和測量不確定度模型 ........................................ 192
7.2.3 貝葉斯方法用于損傷特性描述 ................................................ 195
7.2.4 結(jié)論 ........................................................................................... 201
7.3 加速壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)在故障預(yù)測中的實(shí)際應(yīng)用 .................................... 202
7.3.1 動機(jī)和背景 ............................................................................... 203
7.3.2 問題定義 ................................................................................... 204
7.3.3 加速壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)的應(yīng)用 ........................................................ 205
7.3.4 結(jié)論 ........................................................................................... 214
7.4 基于特定頻域中熵變的軸承故障預(yù)測方法 ........................................ 214
7.4.1 動機(jī)和背景 ............................................................................... 214
7.4.2 退化特征的提取方法和屬性 .................................................... 216
7.4.3 故障預(yù)測 ................................................................................... 224
7.4.4 方法通用性討論 ....................................................................... 228
7.4.5 結(jié)論和未來工作的建議 ............................................................ 230
7.5 其他應(yīng)用實(shí)例 ...................................................................................... 231
第8 章 電子設(shè)備故障預(yù)測與健康管理應(yīng)用案例 ............................................ 235
8.1 基于核學(xué)習(xí)的電子部件健康評估 ....................................................... 235
8.1.1 基于核的學(xué)習(xí)方法 .................................................................... 235
8.1.2 健康評估方法 ........................................................................... 237
8.1.3 實(shí)施結(jié)果 ................................................................................... 243
8.2 基于模型濾波的剩余使用壽命預(yù)測 ................................................... 257
8.2.1 故障預(yù)測問題 ........................................................................... 258
8.2.2 電路退化建模 ........................................................................... 259
8.2.3 基于模型的故障預(yù)測方法 ........................................................ 261
8.2.4 試驗(yàn)結(jié)果 ................................................................................... 265
8.3 鋰離子電池的故障預(yù)測與健康管理 ................................................... 274
8.3.1 充電狀態(tài)估計(jì) ........................................................................... 274
8.3.2 鋰離子電池故障預(yù)測 ................................................................ 289
8.3.3 結(jié)論 ........................................................................................... 295
8.4 發(fā)光二極管的故障預(yù)測與健康管理 ................................................... 295
8.4.1 發(fā)光二極管芯片級的建模和故障分析..................................... 296
8.4.2 發(fā)光二極管封裝級的建模和故障分析..................................... 303
8.4.3 發(fā)光二極管系統(tǒng)級的建模和故障分析..................................... 307
8.4.4 結(jié)論 ........................................................................................... 309
附錄A 美國政府及軍事領(lǐng)域中的故障預(yù)測與健康管理 ................................. 311
A.1 美國國家航空航天局 .......................................................................... 311
A.1.1 故障預(yù)測與健康管理方法 ....................................................... 312
A.1.2 相關(guān)出版物 .............................................................................. 313
A.2 美國桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室 ...................................................................... 314
A.2.1 故障預(yù)測與健康管理方法 ....................................................... 314
A.2.2 相關(guān)出版物 .............................................................................. 315
A.3 美國陸軍 ............................................................................................. 315
A.3.1 故障預(yù)測與健康管理方法 ....................................................... 315
A.3.2 擴(kuò)展的基于狀態(tài)的維修 ........................................................... 317
A.3.3 美國陸軍裝備系統(tǒng)分析局 ....................................................... 317
A.3.4 美國陸軍研究實(shí)驗(yàn)室車輛技術(shù)局 ........................................... 319
A.3.5 相關(guān)出版物 .............................................................................. 323
A.4 美國海軍 ............................................................................................. 327
A.4.1 故障預(yù)測與健康管理方法 ....................................................... 327
A.4.2 相關(guān)出版物 .............................................................................. 329
A.5 美國空軍 ............................................................................................. 329
A.5.1 故障預(yù)測與健康管理方法 ....................................................... 330
A.5.2 相關(guān)出版物 .............................................................................. 332
附錄B 故障預(yù)測與健康管理相關(guān)的期刊和會議清單 ..................................... 333
B.1 期刊 ..................................................................................................... 333
B.2 會議論文集 .......................................................................................... 334
參考文獻(xiàn) ............................................................................................................... 336