(19)中华 人民共和国 国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111590659.3 (22)申请日 2021.12.23 (71)申请人 安徽农业大 学 地址 230036 安徽省合肥市长江西路13 0号 (72)发明人 李庆　方梁菲　唐千升　 (74)专利代理 机构 合肥天明专利事务所(普通 合伙) 34115 代理人 苗娟 (51)Int.Cl. G06F 30/17(2020.01) G06F 30/20(2020.01) G06F 17/16(2006.01) G06F 119/02(2020.01) G06F 119/04(2020.01) (54)发明名称 旋转机械装备关键零部件服役退化轨迹预 测方法及设备 (57)摘要 本发明的一种旋转机械装备关键零部件服 役退化轨迹预测方法及设备， 其方法采用四元数 框架下加权增量分数阶卡尔曼滤波算法作为退 化预测模型， 包括利用加速度传感器采集旋转机 械装备关键零部件运行过程中的多通道振动加 速度数据； 对采集数据进行预处理， 计算得到设 备关键零部件的多通道健康因子时间序列及其 Hurst指数与分数阶数； 根据建立的四元数框架 下加权增量 分数阶卡尔曼滤波预测模 型， 可对未 来退化趋势健康因子时间序列进行预测跟踪。 本 发明无需考虑外界环境与复杂工况对设备关键 零部件的性能退化影响， 也无需考虑系统物理结 构参数的影 响， 考虑了多通道 健康因子序列的时 空与分数阶特性， 适合多通道退化数据一次性预 测， 运行速度快， 预测精度高。 权利要求书4页 说明书12页 附图4页 CN 114372324 A 2022.04.19 CN 114372324 A 1.一种旋转机械装备关键零部件服役退化轨迹预测方法及设备， 其特征在于： 包括以 下步骤， 步骤1： 利用加速度传感器采集旋转机械装备关键零部件运行过程中的多通道振动加 速度数据； 步骤2： 对采集的多通道振动加速度数据进行预处理， 剔除数据的野点； 然后根据预处 理后的数据， 计算得到 旋转机械装备关键零部件的多通道健康因子时间序列； 步骤3： 计算多通道健康因子时间序列的Hurst指数与分数阶数； 步骤4： 基于四元数框架下加权增量分数阶卡尔曼滤波算法， 建立退化预测模型， 将多 通道健康因子时间序列作为多通道输入， 未来多通道健康因子退化时间序列作为预测输 出； 步骤5： 根据建立的退化预测模型， 对未来退化趋势时间序列进行预测跟踪， 进而实现 预测性维护。 2.根据权利要求1所述的旋转机械装备关键零部件服役退化轨迹预测方法及设备， 其 特征在于： 其中步骤3的计算多通道健康因子时间序列的Hurst指数与分数 阶数； 具体步骤 如下： 根据重标极差法估计Hurst指数， 对于单通道随机时间序列X(t),其Hurst指数方法估 计方法为， 其中R(n)为数据重整化范围， S(n)为标准差， 即 则Hurst指数 H(i),i＝1:k， k为通道个数。 3.根据权利要求2所述的旋转机械装备关键零部件服役退化轨迹预测方法及设备， 其 特征在于： 对于单通道时间序列数据的Hurst指数H可通过在对数图上绘制log(R(n)/S(n)) 与log(S(n))的曲线得到。 对于多通道时间序列数据， 其Hurst指数为 则分数 阶数γ为γ＝H ‑0.5。 4.根据权利要求1所述的旋转机械装备关键零部件服役退化轨迹预测方法及设备， 其 特征在于： 步骤4所述的基于四元数框架下加权增量分数阶卡尔曼滤波算法， 建立退化预测 模型， 将多通道健康因子时间序列作为多通道输入， 未来多通道健康因子退化时间序列作 为预测输出， 具体步骤如下： 步骤4.1： 根据经典分数阶扩展卡尔曼 滤波方法， 其离 散非线性系统动态方程 为， 其中， xk为在时刻k的状态 向量， uk为系统输入， yk为系统输出， γ∈为分数阶数， f( ·) 与h(·)分别为非线性状态转移函数与测量函 数； 参数wk和vk为相互独立且服从正态分布的 白噪声， 其中参数wk是k时刻的系 统噪声或过程激励噪声， vk是k时刻的测量噪声或输出噪权　利　要　求　书 1/4 页 2 CN 114372324 A 2声； 分数阶的后向差分为， 系数 表示为， 步骤4.2： 根据分数阶扩展卡尔曼滤波方法的递推更新方程进行改进， 其递推更新预测 模型为， 其中， 为状态转移矩阵， Kk为卡尔曼滤波增益， 为 测量矩阵， Pk为估计误差协方差矩阵， 状态向量xk与估计误差协方差矩阵的初始值分别为 系数Ω是正常数； 系统噪声的协方差矩阵为 测量噪声的协方差矩阵为 步骤4.3： 引入加权系数增量项和累积长记 忆特征， 则状态预测模型为， 其中， 参数 η为学习速率， 且 η>0， α 为惯性系数， 且0 <α <1， 步骤4.4： 非线性状态转变函数为，权　利　要　求　书 2/4 页 3 CN 114372324 A 3