Master's Thesis

The use of neural networks in the vibration diagnostics of electrical machines

Final Thesis 3.75 MB

Author of thesis: Ing. Samuel Petráček

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Marcel Janda, Ph.D.

Reviewer: doc. Ing. Radoslav Cipín, Ph.D.

Abstract:

This diploma thesis deals with the basics of vibrodiagnostics and neural networks and the possible use of the aforementioned neural networks in vibrodiagnostics. The theoretical part discusses the basics of vibrodiagnostics from the description of vibrations, sources of vibrations in electrical machines such as rotor eccentricity, to possible basic diagnostic methods. For neural networks, the history is briefly summarized, a comparison with a biological neuron, the basics of a neuron in neural networks and what types of networks exist. For the practical part, data from 4 different engines with different eccentricity disturbances were measured for training and testing the created neural network. The network topology options were explored, the required data size for testing, data editing options for more effective training, testing data from other engines, up to test data with lower voltage and noise, to evaluate the functionality of the network.

Keywords:

Vibration, oscillation, frequency, deflection, speed, acceleration, frequency spectrum, vibration sources, eccentricity, bearings, bearing faults, diagnostic methods, FFT, Crest Factor, amplitude, effective value, neural network, artificial neuron, weight, bias, input, output, topology, Backpropagation network, data, sample.

Date of defence

09.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaCznamka

Grading

C

Process of defence

Student prezentoval diplomovou práci na téma Použití neuronových sítí ve vibrodiagnostice elektrických strojů. Student vysvětlil excentricitu motoru a neuronové sítě. Detailněji byla popsána síť backpropagation. Následně bylo vysvětleno vytvoření sítě v Matlabu. Student také popsal použité motory a postup trénování a testování sítě. Student odpověděl na otázky oponenta s určitými nepřesnostmi. Student odpověděl na otázky komise s drobným zaváháním.

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Power Electrical and Electronic Engineering (MPC-SVE)

Composition of Committee

Ing. Petr Procházka, Ph.D. (místopředseda)
Ing. Jiří Valenta, Ph.D. (člen)
Ing. Jan Knobloch, Ph.D. (člen)
Ing. Jan Martiš, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Radoslav Cipín, Ph.D. (předseda)

Supervisor’s report
Ing. Marcel Janda, Ph.D.

Student vypracoval diplomovou práci na témaPoužití neuronových sítí ve vibrodiagnostice elektrickcých strojů. V průběhu práce se seznámil s metodami, které se používají k zjišťování poruch elektrických strojů na základě naměřených vibračních signálů. Seznámil se se strukturou neuronových sítí a možnostmi jejich případného využití v diagnostice vibrací elektrických strojů.  Na základě nastudovaných informací vytvořil modely neuronových sítí v prostředí MATLAB a prozkoumal možnosti jejich využití pro diagnostiku elektrických strojů. Vyhodnotil i vliv různých źprav vstupních dat na přesnost sítě.
Student pracoval s velkým množstvím informací z oblasti mechaniky a z oblasti neuronových sítí.  Musel nastudovat široký rozsah informačních zdrojů. Points proposed by supervisor: 96

Grade proposed by supervisor: A

Předložená diplomová práce se zabývá možnostmi využití neuronových sítí ve vibrační diagnostice elektrických točivých strojů.

V první teoretické části práce student rozebírá různé zdroje vibrací v elektrických točivých strojích. Ve druhé části následně představuje princip fungování neuronových sítí (NN) a jejich základní architektury. V této části však do značné míry opomíjí modernější architektury, zejména konvoluční neuronové sítě (CNN), architektury využívající Long Short-Term Memory (LSTM) či Attention-Based Models (Transformers). Tyto architektury by mohly být pro zpracování signálů v časové oblasti vhodnější než studentem použitá architektura označená jako „Backpropagation“.

V praktické části práce student provedl měření několika motorů s poruchami i bez poruch a následně natrénoval neuronovou síť. V této části lze ocenit autorovu snahu o diskusi dosažených výsledků a možných zdrojů chyb jednotlivých experimentů s NN. Na druhou stranu však není zřejmé, jakou aktivační funkci student použil. Stejně tak není zcela jasné, jak ve skutečnosti vypadá vstupní signál do NN a zda je normalizován. Trénování NN bylo provedeno na signálech změřených se vzorkovací frekvencí 25,6 kHz, přičemž v kapitole 3.3.4 bylo testování provedeno na signálech se vzorkovací frekvencí 65 kHz. Není zřejmé, proč nebyly testované signály převzorkovány na 25,6 kHz, aby bylo možné ověřit funkčnost NN za stejných podmínek, za jakých probíhalo její trénování. Při vyhodnocování poruch by bylo vhodnější nejprve využít neuronovou síť určující, zda stroj poruchu vykazuje, či nikoliv. Taková síť by byla jednodušší na natrénování. Teprve následně by bylo možné použít druhou neuronovou síť pro identifikaci konkrétního typu poruchy. Student by se měl k výše uvedeným připomínkám vyjádřit během obhajoby své práce.

Po formální stránce je nutné práci vytknout zejména výskyt gramatických chyb, překlepů a ponechávání jednopísmenných předložek a spojek na konci řádků, což snižuje celkovou úroveň jinak poměrně dobře napsaného textu.

Předložená diplomová práce zpracovává zajímavou a aktuální problematiku. Zadání práce bylo splněno, a proto ji i přes uvedené nedostatky doporučuji k obhajobě. Topics for thesis defence:
  1. Na str. 41 píšete: „Při trénování se síť učila z hrubých naměřených dat, ze kterých byly ještě vypočítány a přiděleny parametry rms (střední kvadratická hodnota), variace, amplituda a mean (aritmetický průměr).“. Uveďte prosím ukázku skutečné podoby vstupních dat. Byla tato data před vstupem do neuronové sítě nějakým způsobem normována? Jaká aktivační funkce byla použita a jak vypadá její průběh?
  2. Může se v rotačním elektrickém stroji, viz obr. 1.4, vyskytovat neharmonické kmitání s nenulovou střední hodnotou zrychlení? Jaké by byly důsledky takového kmitání?
  3. Je možné, aby aktivační funkce, viz kapitola 2.3, byla čistě lineární?
Points proposed by reviewer: 85

Grade proposed by reviewer: B

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová