主要内容

诊断特性设计器

交互式地从测量或模拟数据中提取、可视化和排序特征,用于机器诊断和预测

自从R2019a

描述

诊断特性设计器App允许您使用多功能图形界面完成预测性维护工作流程的功能设计部分。您可以交互地设计和比较特征,然后确定哪些特征最适合区分来自正常系统和故障系统的数据。最有效的特征最终成为故障诊断和预测的状态指示器。

使用这个应用程序,你可以:

  • 从单个文件、集成文件或引用应用程序外部文件的集成数据存储中导入测量或模拟数据。

  • 交互式可视化数据,以绘制您导入或在应用程序中计算的集成变量。在图中根据条件标签将数据分组,以便您可以清楚地看到成员数据是来自正常系统还是故障系统。

  • 推导出新的变量,如时间同步平均信号或阶谱。应用程序用一个命令对所有集成成员执行处理。

  • 从变量中生成特征,并使用直方图可视化其有效性。特性包括信号统计、非线性度量、旋转机械度量和光谱度量。您还可以创建自己的自定义功能。

  • 对特征进行排序,以确定哪些特征最擅长识别数据中的行为差异。

    • 使用带有标记特征的监督排序来确定哪些特征最有可能区分标称行为和错误行为。

    • 当数据没有条件变量或标签时,使用无监督排名来确定哪些特征与其他特征表现出最佳的聚类,并且最有可能指示不同的故障或运行条件。

    • 使用从运行到故障数据中提取的特征进行预后排序,以确定哪些特征最有可能指示剩余使用寿命(RUL)。

  • 将最有效的功能直接导出到分类学习者为了更深入地了解特征的有效性和算法训练。

  • 为您选择的特征生成代码,以便您可以在MATLAB中重现、自定义和自动化特征计算®函数。您还可以生成代码和Simulink万博1manbetx®支持流数据的块。万博1manbetx

要开始使用应用程序,必须在MATLAB工作区中有来自系统的数据。有关组织要导入应用程序的数据的信息,请参见为诊断功能设计器组织系统数据

有关预测性维护的状态指示器的详细信息,请参见用于监控、故障检测和预测的状态指标

打开诊断功能设计器应用程序

  • MATLAB工具条:在应用程序选项卡,在控制系统设计与分析“,,点击应用程序图标。

  • MATLAB命令提示符:输入diagnosticFeatureDesigner

参数

全部展开

功能设计器选项卡

通过将源数据从MATLAB工作区导入到应用程序中来启动一个新的应用程序会话。您可以从表、时间表、单元格数组或矩阵导入数据。您可以从组合了多个集成成员的数据的单个源导入数据,也可以从不同的源导入单个集成成员。您可以导入在“信号处理工具箱”中创建的标记信号集。您还可以导入集成数据存储,其中包含允许应用程序与外部数据文件交互的信息。您的文件可以包含实际或模拟的时域测量数据、光谱模型或表、变量名、条件和操作变量,以及之前生成的特征。诊断特性设计器将所有成员数据合并为一个集成数据集。在这个数据集中,每个变量都是一个包含所有个体成员值的集合信号或模型。

有关导入数据的详细信息,请参见将数据导入诊断功能设计器

有关与数据集合相关的术语的详细信息,请参见更多关于

有关组织要导入应用程序的数据的更多信息,请参见为诊断功能设计器组织系统数据

自动生成特征集并对其进行排序汽车的功能。当你选择一个或多个信号或光谱时,汽车的功能计算适用于变量类型的预定义特性集。自动计算包括:

  • 推导中间变量用于特征提取,如光谱和时间序列信号

  • 从扩展的变量集中提取特征

  • 对特征进行排序,绘制排名靠前的特征的直方图。

有关更多信息,请参见在诊断特征设计器中自动生成特征

为在应用程序会话期间生成的所有图形指定默认绘图选项。您可以在生成第一个图形之前设置这些选项,也可以在会话期间的任何时间设置这些选项。新设置仅应用于设置选项后生成的图,而不适用于先前生成的图。属性可以临时覆盖绘图选项为各个区域设置,而无需更改后续区域的指定默认值。当你点击绘图选项,您将打开一个对话框,该对话框允许您在以下窗格中设置选项。

  • 一般-这些选项适用于所有信号和频谱图。

    • 集团—通过条件变量标签对数据进行分组。该应用程序使用颜色来区分标签组。例如,如果你的条件变量是faultCode与标签健康的退化,应用程序使用一种颜色的成员数据与健康的属性的成员数据的另一种颜色退化标签

    • 曲线数量—指定要绘制的成员数量。当您有大量集成成员并且您只想绘制成员的一个子集时,请设置此选项。使用此选项可减少绘图时间,并允许您更轻松地评估单个成员的行为。

  • 光谱-这些选项仅适用于光谱图。

    • 要标记的峰数—指定要标记的峰数。设置此选项以限制标记的光谱峰值的数量,仅突出显示最重要的峰值。

  • 整体总结-这些选项仅适用于集合摘要图,这是一个特殊的图,显示集合作为一个整体的平均值和标准偏差。

    • 标准差数-指定集合汇总图显示的标准偏差数。

    • 显示最小和最大边界—是否显示集成的实际最小值和最大值的边界。

生成集合变量或特征表的图形。要生成图形,首先从数据浏览器中选择一个变量或特征表。图库显示了兼容图类型的图标。下表描述了每种选择类型的图类型。

输入类型 情节类型 描述 定制的
信号 信号跟踪 由时间或其他不代表频率的自变量绘制的集合信号数据。 信号跟踪标签
整体总结 均值,标准偏差,最小/最大边界集合作为一个整体。 集成摘要选项卡
光谱 功率谱 以频率表示的集合信号功率。 功率谱标签
阶谱 按顺序绘制的集合信号功率,它是特定频率与主旋转频率的比率。 顺序谱标签
功能表 柱状图 特征有效性,通过条形图显示,条形图中有条件标签的颜色编码。有效的特点,分离条件干净。

柱状图选项卡

功能选择器

特性表视图 包含每个集成成员的特征值及其条件标签的表。 N/A
特征跟踪 每个成员的特征值。这个图对于从基于框架的数据中计算出的预后特征(对于RUL)特别有用。 功能选择器

当您希望对信号的连续段而不是一次对整个信号执行数据处理时,请指定帧策略。帧策略由帧大小和帧速率组成。帧大小是帧数据被收集的时间间隔。帧速率是帧开始时间之间的时间间隔。

有关基于帧的处理的更多信息,请参见数据处理模式和帧策略

当您希望修改以下一个或两个设置时,请指定选项。

  • 独立变量-自变量(IV)的使用。当您导入数据时,您可以为一个信号指定多个自变量。例如,如果你的信号是基于时间的,你可能还想有一个自变量作为样本指数。完成导入后,您可以更改应用程序用于特定绘图或计算的自变量。当你选择选项>独立变量,应用程序会显示可用的自变量列表。你的选择改变了所有适用的信号或频谱的IV。有关指定替代IV的详细信息,请参见中将样本索引指定为替代IV将数据导入诊断功能设计器

  • 使用并行计算—并行处理集成成员。使用并行计算可以显著减少大型集成的处理时间。此选项仅在安装了并行计算工具箱™并获得许可后才可用。

选择将数据处理为新信号的选项。使用这些新信号作为其他处理选项的输入或作为特征生成的输入。大多数处理选项操作于每个集成成员。您还可以执行集成级处理,以查看集成作为一个整体的行为。每个选项选择为您的规格打开一个新选项卡。选择一个选项还可以打开一般数据处理选项卡,如果该选项卡尚未打开。的数据处理选项卡提供有关输入信号的信息。

若要指定要处理的信号,请在选择数据处理选项之前从变量窗格中选择一个变量。要在打开选项选项卡后更改信号,请关闭选项选项卡并在变量窗格中或从选项中选择一个新信号信号列于数据处理选项卡。

有关处理选项和可为每个选项设置的参数的详细信息,请参阅:

计算时域特征。信号特性适用于任何信号。时间序列特征是从平稳时间序列中提取的特征。基于模型的特征是使用自回归(AR)模型提取的特征。旋转机械特点是适用于齿轮传动的专门指标。非线性特性提供表征振动信号中混沌行为的度量。自定义特性您可以添加现有的MATLAB函数或使用模板创建新函数,然后生成并将这些功能与内置的应用程序功能并列

若要为特性指定信号源,请在选择时域特性选项之前从变量窗格中选择一个信号变量。要在打开选项选项卡后更改信号,请关闭选项选项卡并在变量窗格中或从选项中选择一个新信号信号菜单中的时域特征选项卡。

有关时域功能选项和可为每个选项设置的参数的详细信息,请参见:

计算频域特征。光谱特性是适用于任何频谱的一般度量,例如在整个指定频率范围内的峰值振幅。轴承故障特点,齿轮啮合故障特点,自定义故障特性是旋转机械的专用度量,专注于特定故障频带内的频谱行为,该频带绑定了系统组件的特征频率(故障可能发生的地方)。自定义特性是通过向应用程序添加自定义函数来定义的功能。您可以添加现有的MATLAB函数或使用模板创建新函数,然后生成功能并将其与内置应用程序功能并列。

有关频域特征的更多信息,请参见

打开特征排序选项卡,对所选择的特征表执行有监督、无监督或预测排序。有关更多信息,请参见特性排行页

导出特征或您的整个数据集,以使用它们或在应用程序之外共享它们。生成代码以在MATLAB函数或Simulink块中再现特征计算。万博1manbetx

  • 对于特性导出,两个选项都会打开一个特性列表。

    • 如果你还没有对你的功能进行排名,应用程序将根据名称对列表进行排序,默认情况下通过导出标记所有功能。如果您只想导出特定的特性,可以细化选择。

    • 如果你对你的特征进行了排名,应用程序会根据你的特征对列表进行排序排序特性排行页。使用选择顶级功能仅导出基于指定的功能部件数量的排名最高的功能部件。您可以通过选择将排序顺序更改为字母顺序名字特征按列表。使用任何一种排序顺序,您都可以单独选择或清除要导出的特性。

    导出到MATLAB工作区时,可以对这些特性使用命令行技术。当你导出到分类学习者,你打开一个分类学习者会话,使用所选功能作为输入。

  • 对于代码生成,第一个选项,为特征生成函数,让您生成MATLAB代码与一组简单的规范特征表,排名算法,和特征的数量。当您希望仅根据排名为特性生成代码,或者希望为所有特性生成代码时,请使用此选项。

    如果您选择流数据格式时,应用程序生成兼容的功能MATLAB编码器™因此支持流数据应用程序。万博1manbetx

    第二个代码生成选项,为…生成函数,允许您自定义要包含在功能中的项目的选择。例如,您可以根据输入或输出文本等条件筛选所选内容。您可以包含在所选特征中未使用的信号和频谱。选择为…生成函数打开已生成的所有信号、特征和排名表的可选择列表。为…生成函数还将打开代码生成选项卡,它为列表提供过滤功能。使用筛选器只查看满足筛选条件的项目。您可以使用不同的过滤器来选择所需的输出。若要查看所有选择,而不考虑筛选器,请单击按选择排序。此选项列出所有可用输出,并将您选择的项列在最上面。有关更多信息,请参见代码生成选项卡

    如果您指定了基于帧的数据(请参阅选项),点击为…生成函数首先打开一个列表,其中包含您所使用的框架规格的选择。生成的代码中的项必须全部对完整信号进行操作,或者全部使用相同的帧规范。

    最后一个选项,生成特征提取Simulink块万博1manbetx,导出一个包含您在其中生万博1manbetx成的流格式代码的Simulink为特征生成函数

    有关如何在应用程序中生成代码或Simulink的更多信息,请参见万博1manbetx自动特征提取生成的MATLAB代码,在诊断特征设计器中生成MATLAB函数,流数据特征提取函数导出及Simulink模型万博1manbetx

有关的更多信息出口选项,请参阅:

信号跟踪、集成摘要、功率谱和顺序谱图选项卡

使用淘洗沙金的人将重点放在指定的x轴范围内的数据段上,并更改图标度。的淘洗沙金的人在主情节下面提供一个条状情节。要专注于主要情节的一部分,请移动手柄。中选择一个选项,可更改绘图的比例规模

属性的第一列中的选项视图控件中的默认值绘图选项规范。可用的选项因地块类型而异。在plot选项卡中更改这些设置时,只能为当前的plot更改它们。有关这些选项的详细信息,请参见绘图选项

使用Y轴归一化当您正在绘制多个变量,并希望以相同的[- 1,1]比例查看变量时。一个变量内的相对信号振幅不变。

在信号或频谱图中,通过将光标定位在成员轨迹上,可以突出显示单个成员。选择显示信号信息以显示您高亮显示的变量成员和该成员在右下角的条件标签。

如果您选择数据游标,显示信号信息还显示两个游标之间的距离。有关更多信息,请参见数据游标

指定如何一起绘制多个变量。

  • 选择此选项可创建覆盖所有轨迹并使用单个y轴刻度的单个图形。

  • 清除,以创建垂直显示的单独图形,每个图形具有唯一的y轴缩放。

选择数据游标显示信号中关键点的值。数据游标是您放置在感兴趣的点(如峰值)上的水平和垂直条。游标显示x和y的位置。如果要显示游标之间的距离,请选择显示信号信息。若要锁定条形图以便它们一起移动,请选择其中一个锁间距选项。

柱状图选项卡

点击选择功能打开要绘制的可选择特征列表。使用选择功能例如,当您已经生成了许多特征,但您希望专注于单个绘图面板中的一个子集时。

有关选择功能的详细信息,请参见功能选择器

选择条件变量作为特征直方图的基础。特征直方图使用颜色来可视化具有该条件变量不同标签的数据组的分离。

例子:faultCode

使用指定直方图分辨率本宽度,本方法,箱数,本限制。bin设置应用于特征表的所有直方图。

bin设置不是独立的。应用程序直方图算法使用优先顺序来决定使用什么:

  • 装箱方法是bin宽度的默认驱动程序。

  • 一个本宽度规范覆盖了Binning方法。

  • 仓宽与仓宽无关本限制驱动箱子的数量。一个箱数的值时,规格才有效集团没有一个

    有关解释和自定义直方图的详细信息,请参见生成和定制特征直方图

特性排行页

选择一种监督分类排序方法来评估每个特征如何有效地分离具有不同条件标签的数据。如果您已经对您的功能进行了排名,您可以使用不同的方法再次排名,并一起显示结果排名。每种方法都使用不同的统计方法。

菜单区分了两类和多类排名方法。

  • 两类方法-当你的条件变量(CV)只有两个标签时使用,例如健康的错误的。双类方法的默认值为学习任务

  • 多类方法——当条件变量有两个或多个标签时使用,例如健康的,faultCode1,faultCode2。多类方法的默认值为单向方差分析

两类条件变量的默认排序方法,学习任务,是最简单的方法,因为它只考虑两个标记组的均值是否相等。学习任务主要用于识别要丢弃的无效特性。

下表列出了具体标准对排名方法选择的影响。

标准 排序法
条件变量类型
  • 多类CV -单向方差分析,Kruskal-Wallis

  • 两类CV -t检验,熵,Bhattacharyya, Wilcoxon, ROC

特征评分标准
  • 平均差值- t检验(主要用于丢弃无效的特征)

  • 分布重叠-所有其他

分布的形状
  • 高斯- t检验,熵,Bhattacharyya,单向方差分析

  • 非高斯- ROC, Wilcoxon, Kruskal-Wallis

所需方法基础
  • 假设检验- t检验,单因素方差分析,Wilcoxon, Kruskal-Wallis

  • 距离测量-熵,Bhattacharyya, ROC

选择一个方法会激活一个名称与排名方法匹配的新选项卡。有关此方法激活选项卡的详细信息,请参见排名方法

有关监督排名方法的更多信息,请参见:

选择无监督分类排序方法来评估在没有标记数据时每个特征的执行效果。该应用程序提供了两个无监督排名选项:

  • 拉普拉斯分数-分数反映了特征与其他特征聚类形成不同分组的程度。

  • 方差——分数反映特征的方差。具有低方差的特征倾向于向模型添加较少有用的信息。

选择一个方法会激活一个名称与排名方法匹配的新选项卡。有关此选项卡的详细信息,请参见排名方法

有关非监督排名评分的更多信息,请参见:

无监督排名可在诊断特性设计器,但不在分类学习者。如果您计划将功能导出到分类学习者要训练模型,必须使用包含标签的集成数据。

选择一种预测排序方法,以评估当您拥有运行到故障数据时,每个特性跟踪集成成员退化的有效程度。排名靠前的特征最能预测剩余使用寿命(RUL)。

该应用程序提供了三种预后排名方法,所有这些方法都在0到1的范围内对特征进行评分。一个方法,单调性,总是可用的。另外两种方法,TrendabilityPrognosability,只有在使用基于帧的数据时才可用。基于帧的数据中较小的数据段允许跟踪由退化引起的微小变化。

  • 单调性描述一个特性在系统走向失败时的趋势。当系统逐渐接近故障时,合适的状态指示器具有单调的正或负趋势。有关更多信息,请参见单调性

  • Trendability提供在多个运行到故障实验中测量的特征轨迹之间的相似性度量。候选条件指标的趋势性定义为测量值之间的最小绝对相关性。有关更多信息,请参见trendability

  • Prognosability是相对于其初始值和最终值之间的范围,一个特征在失效时的可变性的度量。相对于其初始值和最终值之间的范围,一个更可预测的特征在失效时的变化较小。有关更多信息,请参见prognosability

选择一个方法会激活一个名称与排名方法匹配的新选项卡。有关此方法激活选项卡的详细信息,请参见排名方法表

有关在应用程序中使用预测排名的示例,请参见使用诊断特征设计器对退化系统进行预后特征排序

选择为分类排序算法提供要使用的标签的条件变量。

在比较不同排序方法的结果时,请指定排序方法。当您使用单一排名方法时,应用程序将按重要性顺序显示结果,由该方法的排名得分指示。当比较多种方法的结果时,请更改排序更改驱动排序顺序的方法。

指定此参数可消除特定方法的排名分数。例如,在比较多个排名的结果时使用此参数,并且希望通过删除不影响特征选择的排名来简化显示。

导出功能以使用它们或在应用程序之外共享它们。这两个选项都会打开一个按排名排序的可选列表供选择。导出到MATLAB工作区时,可以对这些特性使用命令行技术。当您导出到分类学习者,你打开一个分类学习者会话,使用所选功能作为输入。

如果您想从应用程序导出您的整个数据集,请使用出口功能设计选项卡。

您还可以生成代码,为所选择的变量和特性重新生成计算结果。方法中的代码生成选项说明,以获得更多信息出口章节。功能设计选项卡。生成代码时使用为特征生成函数功能的排名选项卡,排序法中指定的方法排序

排名方法

相关重要性设置允许您筛选出与排名较高的特性传递相似信息的特性。这种筛选在高层提供了更多样化的特征集。

筛选的标准是一个特征与更高级别特征的相互关联系数集。两个特征之间的高相互相关性意味着两个特征相似地分离条件组并提供冗余信息。默认值为0时,应用程序不会将特征冗余纳入排名得分。随着相关性重要性值的增加,应用程序会增加特征相互关联对特征排名得分的影响。这种不断增加的影响会逐渐降低冗余特征的分数。

归一化方案在每个特性的成员之间执行独立的归一化。标准化允许在特征之间进行更直接的比较。应用程序会在你选择的选项下面直接显示你选择的方案的定义方程。

此选项仅适用于监督排序和非监督拉普拉斯排序方法。

指定定义用于计算拉普拉斯分数的关键值的参数,该分数表示给定特征与其他特征聚类的好程度。拉普拉斯分数是基于从一个给定的特征到它最近的邻居的成对距离。

  • 邻居数量—用于计算评分的最近邻居个数

  • 距离度量—方法,如欧几里得cityblock,用于计算每对距离

  • 内核规模-将成对距离转换为a的核的比例因子相似度图它提供了分数

此选项仅适用于无监督的拉普拉斯排序方法。有关拉普拉斯排名的更多信息,请参见fsulaplacian

点击应用用指定的参数计算排名。的功能的排名标绘区域中的选项卡以图形和表格的方式显示结果。此显示还包括默认排名算法的结果,以及之前计算的任何其他排名方法的结果。

一旦你计算出排名,应用程序就会禁用应用直到你改变一个参数。您可以多次计算一个标签内的排名。每次修改参数并计算排名时,新的结果都会覆盖绘图区域选项卡中的先前结果。

在排名方法选项卡中完成排名后,关闭该选项卡以将控制权返回到功能的排名选项卡。的功能的排名当任何排名方法标签被激活时被禁用。

代码生成选项卡

该参数为只读。

框架策略信息反映了您在选择时所做的选择导出>生成函数…功能设计选项卡。

在为生成的函数选择项时,设置标准以细化选项。所有条件都允许您用字符串覆盖可选选项。字符串匹配不区分大小写。过滤器适用于所有输出项,包括信号、特性和排名表。标准包括:

  • 输出-输出名称中出现的字符串,为生成的函数选择变量、特征或排名表的名称

  • 输入-计算输出变量或特征的输入信号或计算排名表的特征表

  • 方法-产生输出项的计算,例如运输安全管理局峰度

  • 分析类型—数据处理、特征处理或特征排序

要重置单个过滤器,删除内容并单击应用程序中的任何位置。要一次性重置所有过滤器,单击重置过滤器

一起显示所有选定的项目。使用排序选择特别是当您使用多个过滤器组合来组合所选的代码原时。所有的选择显示在一起。

在生成的代码中指定是否使用并行计算。默认值为中指定的值选项。即使执行交互处理时没有使用并行计算,也可以指定并行计算。如果您计划在一个比用于开发特性的集成更大的集成上运行生成的代码,那么这种方法可以帮助您的代码更具可伸缩性。如果在开发特性时使用了并行计算,也可以关闭并行计算。

要在生成的代码中利用并行处理,用户必须安装并许可并行计算工具箱。但是,在没有工具箱的系统上,代码仍将以串行模式运行。

单击生成函数按钮,当您完成配置您的选择。应用程序打开一个函数,其中包含用于您选择的所有输出项的计算。

有关在应用程序中生成代码的更多信息,请参见自动特征提取生成的MATLAB代码

编程使用

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diagnosticFeatureDesigner打开诊断特性设计器应用程序。

diagnosticFeatureDesigner (sessionFile)打开应用程序并加载之前保存的会话。sessionFile为MATLAB路径下会话数据文件的名称。数据包括你导入到应用程序或在应用程序中计算的所有变量和功能。数据还包括你的应用程序设置和生成代码所需的处理信息。

中保存会话诊断特性设计器应用,在功能设计选项卡上,单击保存会话

更多关于

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版本历史

在R2019a中引入