基于振動(dòng)信號(hào)同步壓縮變換的旋轉(zhuǎn)機(jī)械瞬時(shí)轉(zhuǎn)速估測(cè)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于振動(dòng)信號(hào)同步壓縮變換的旋轉(zhuǎn)機(jī)械瞬時(shí)轉(zhuǎn)速估測(cè)方法，包括以下步驟：1)獲取旋轉(zhuǎn)機(jī)械運(yùn)行過程中的振動(dòng)信號(hào)；2)對(duì)測(cè)得的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行頻移處理；3)對(duì)頻移后的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行同步壓縮連續(xù)小波變換，得到頻移后振動(dòng)信號(hào)的時(shí)頻分布；4)利用Viterbi算法從上述獲得的時(shí)頻分布中提取經(jīng)頻移處理后振動(dòng)信號(hào)的一階瞬時(shí)頻率成分；5)利用提取的一階瞬時(shí)頻率恢復(fù)計(jì)算得到旋轉(zhuǎn)機(jī)械的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速。本發(fā)明采用頻移算法和同步壓縮連續(xù)小波變換處理信號(hào)，實(shí)現(xiàn)振動(dòng)信號(hào)瞬時(shí)頻率的精確估計(jì)，Viterbi算法實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)頻率的精確提取，該方法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)無法進(jìn)行瞬時(shí)轉(zhuǎn)速直接測(cè)量的旋轉(zhuǎn)機(jī)械,通過振動(dòng)信號(hào)準(zhǔn)確地提取其瞬時(shí)轉(zhuǎn)速。
【專利說明】基于振動(dòng)信號(hào)同步壓縮變換的旋轉(zhuǎn)機(jī)械瞬時(shí)轉(zhuǎn)速估測(cè)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種旋轉(zhuǎn)機(jī)械瞬時(shí)轉(zhuǎn)速估測(cè)方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 旋轉(zhuǎn)機(jī)械的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速中常常包含有大量自身運(yùn)行狀態(tài)信息，而這些信息對(duì)于設(shè)備 的實(shí)時(shí)控制、狀態(tài)檢測(cè)和故障診斷等都具有十分重要的意義。如何能夠準(zhǔn)確的提取旋轉(zhuǎn)機(jī) 械的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速已經(jīng)成為近年來的研究熱點(diǎn)。
[0003] 旋轉(zhuǎn)機(jī)械的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速的直接測(cè)量方法是利用旋轉(zhuǎn)編碼器，對(duì)編碼器產(chǎn)生的脈沖信 號(hào)采用特定的信號(hào)處理方法進(jìn)行處理，從而得到旋轉(zhuǎn)機(jī)械的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速。但是由于一些諸如 運(yùn)行工況不允許、設(shè)計(jì)裝配不合理以及成本的原因，使得對(duì)旋轉(zhuǎn)設(shè)備瞬時(shí)轉(zhuǎn)速的直接測(cè)量 在很多時(shí)候無法實(shí)現(xiàn)。因此，許多基于旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)信號(hào)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速提取方法被提出，諸如 相位解調(diào)方法、基于信號(hào)模型的方法以及時(shí)頻分布的方法等。這些方法當(dāng)中，基于時(shí)頻分布 的方法由于其強(qiáng)大的時(shí)域信號(hào)分析能力，以及優(yōu)異的抗噪聲干擾特性而受到廣泛的研究和 應(yīng)用。
[0004] 由于旋轉(zhuǎn)機(jī)械瞬時(shí)轉(zhuǎn)速在工業(yè)應(yīng)用中具有重要意義，國內(nèi)許多學(xué)者對(duì)于瞬時(shí)轉(zhuǎn)速 的估測(cè)進(jìn)行了較多研究。史振盛（史振盛，王桂華，等.基于瞬時(shí)頻率估計(jì)的諧振分析及應(yīng) 用[J].內(nèi)燃機(jī)與動(dòng)力裝置，2014,31(4) :11-15)提出了采用結(jié)合短時(shí)傅里葉變換和峰值搜 索的基于時(shí)頻分布的瞬時(shí)頻率估計(jì)方法，并將其應(yīng)用于諧振分析。曹書峰（曹書峰，等.基 于時(shí)頻融合的轉(zhuǎn)速估計(jì)及軸承故障特征提取研究[J].振動(dòng)與沖擊，2013, 32(8) :184-178) 提出將Wigner-Vile分布與小波尺度譜進(jìn)行融合，對(duì)融合后的時(shí)頻分布用峰值搜索法估計(jì) 轉(zhuǎn)速，并將其運(yùn)用于軸承故障特征提取中。胡愛軍（胡愛軍，朱瑜.基于改進(jìn)峰值搜索法的 旋轉(zhuǎn)機(jī)械瞬時(shí)頻率估計(jì)[J].振動(dòng)與沖擊，2013, 32(7) :113-117)提出基于改進(jìn)峰值搜索法 的旋轉(zhuǎn)機(jī)械瞬時(shí)頻率估計(jì)方法，提出將瞬時(shí)頻率中相鄰兩點(diǎn)一階導(dǎo)數(shù)差值作為搜索峰值是 否合理的判別條件，可避免傳統(tǒng)峰值搜索法在干擾信號(hào)作用下提取虛假峰值，并將此應(yīng)用 與階次跟蹤。
[0005] 申請(qǐng)?zhí)枮?01410104252. 9的中國專利公開了一種基于拉格朗日插值多項(xiàng)式的 瞬時(shí)轉(zhuǎn)速估計(jì)方法，其特征在于，利用2階拉格朗日插值多項(xiàng)式對(duì)電機(jī)位置軌跡進(jìn)行函 數(shù)擬合，然后把得到的位置函數(shù)對(duì)時(shí)間t求導(dǎo)得到其相應(yīng)的速度函數(shù)，對(duì)指定的任一時(shí) 亥IJ，在速度函數(shù)中代入位置增量和時(shí)間間隔，即求得該時(shí)刻對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)速度。申請(qǐng)?zhí)枮?201310247876. 1的中國專利公開了一種基于齒輪嚙合振動(dòng)的轉(zhuǎn)速估計(jì)方法及裝置，其特征 在于計(jì)算齒輪哨合振動(dòng)信號(hào)的Wigner-Ville分布和小波尺度譜；對(duì)所述Wigner-Ville分 布和所述小波尺度譜進(jìn)行時(shí)頻融合，得到時(shí)頻融合分布；根據(jù)所述時(shí)頻融合分布，確定出 齒輪嚙合頻率曲線；根據(jù)所述齒輪嚙合頻率曲線以及主動(dòng)輪的齒數(shù)，確定出主動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速 曲線。
[0006] 基于時(shí)頻分布的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速估計(jì)主要包含兩個(gè)過程：1)信號(hào)時(shí)頻分布的獲得；2)信 號(hào)時(shí)頻分布中瞬時(shí)頻率的提取。而目前的研究多只考慮到這兩個(gè)過程中的一個(gè)過程，而兩 者中任何一個(gè)的誤差都將降低瞬時(shí)轉(zhuǎn)速提取的精度，因此目前對(duì)于旋轉(zhuǎn)機(jī)械瞬時(shí)轉(zhuǎn)速估計(jì) 的研究仍存在一定不足，提取的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速精度有待提1?。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的在于利用同步壓縮連續(xù)小波變換時(shí)頻分布低頻處的高頻率分辨率， 將高頻成分平移到時(shí)頻分布的低頻位置以獲得高的頻率分辨率來處理信號(hào)，從而獲得精確 的高頻成分瞬時(shí)頻率估計(jì)值，然后利用比傳統(tǒng)峰值檢索方法更精確有效的Viterbi算法從 時(shí)頻分布中提取瞬時(shí)頻率，進(jìn)而獲得精確的旋轉(zhuǎn)機(jī)械的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速。
[0008] 為達(dá)到以上目的，本發(fā)明是采取如下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：
[0009] -種基于振動(dòng)信號(hào)同步壓縮變換的旋轉(zhuǎn)機(jī)械瞬時(shí)轉(zhuǎn)速估測(cè)方法，其特征在于，包 括下述步驟：
[0010] (1)對(duì)從旋轉(zhuǎn)機(jī)械運(yùn)行過程中測(cè)得的振動(dòng)信號(hào)S (t)構(gòu)造其解析信號(hào)：
[0011] s(0 = s(l) +jl/(S(D)
[0012] 其中H(s(t))是s(t)的希爾伯特黃變換；
[0013] (2)根據(jù)分析信號(hào)所需要滿足的頻率分辨率Af?來選擇頻移頻率Coci，包含以下子 步驟：
[0014] 1)已知原始振動(dòng)信號(hào)s(t)相鄰兩點(diǎn)之間的時(shí)間間隔為At，總數(shù)據(jù)長度為n，信 號(hào)持續(xù)時(shí)間為T，構(gòu)造變量L f和Hf分別如下：
[0015]

【權(quán)利要求】
1. 一種基于振動(dòng)信號(hào)同步壓縮變換的旋轉(zhuǎn)機(jī)械瞬時(shí)轉(zhuǎn)速估測(cè)方法，其特征在于，包括 下述步驟： (1) 對(duì)從旋轉(zhuǎn)機(jī)械運(yùn)行過程中測(cè)得的振動(dòng)信號(hào)S (t)構(gòu)造其解析信號(hào)： s(t) = s(t) + jH(s(t)) 其中H(s(t))是s (t)的希爾伯特黃變換； (2) 根據(jù)分析信號(hào)所需要滿足的頻率分辨率Af來選擇頻移頻率Oci，包含以下子步 驟： 1) 已知原始振動(dòng)信號(hào)s(t)相鄰兩點(diǎn)之間的時(shí)間間隔為At，總數(shù)據(jù)長度為n，信號(hào)持 續(xù)時(shí)間為T，構(gòu)造變量Lf和H f分別如下：
2) 由Lf和Hf，得到同步壓縮變換時(shí)頻分布中成指數(shù)增長的離散頻率序列：
其中，na = (Iog2N-I) Xnv，N是比η大的2的下一個(gè)指數(shù)次冪，nv為同步壓縮變換中 的一個(gè)參數(shù)； 3) 對(duì)離散頻率序列求差分，計(jì)算得到同步壓縮變換時(shí)頻分布中成指數(shù)增長的頻率間隔 序列，即相鄰兩個(gè)離散頻率之間的差值：
4) 從頻率間隔序列中找出所需頻率分辨率Af在頻率間隔序列中所處的位置Pci，然后 將Ptl帶入到子步驟2)所得的離散頻率序列中，即可得到所需頻率分辨率在時(shí)頻分布中所 對(duì)應(yīng)的中心頻率值CO tl ;該COtl即為頻移頻率；在獲得頻移頻率COtl之后，構(gòu)造解析信號(hào)七） 的頻移信號(hào)：
(3) 對(duì)步驟（2)獲得的頻移信號(hào)進(jìn)行同步壓縮變換，以得到頻移信號(hào)的時(shí)頻 分布，所述同步壓縮變換是基于連續(xù)小波變換來實(shí)現(xiàn)的，包含以下子步驟： 1) 對(duì)原始振動(dòng)信號(hào)s (t)進(jìn)行連續(xù)小波變換：
其中，Ψ是選取的母小波，a是小波變換的尺度因子，b是小波變換的時(shí)移因子； 2) 對(duì)信號(hào)連續(xù)小波變換結(jié)果，利用帕薩瓦爾定理計(jì)算得到信號(hào)基于連續(xù)小波變換的瞬 時(shí)頻率：
3) 根據(jù)瞬時(shí)頻率對(duì)信號(hào)連續(xù)小波變換時(shí)頻分布進(jìn)行映射變換，其離散表達(dá)式如下：
其中，Λ ω = CO1-CO1+ (Aa)k = ak-ag ;經(jīng)映射變換之后的連續(xù)小波變換時(shí)頻分布即 為同步壓縮變換時(shí)頻分布； (4) 對(duì)步驟（3)獲得的時(shí)頻分布，利用Viterbi算法提取時(shí)頻分布中頻移信號(hào)的第 一階瞬時(shí)頻率f#(t); (5) 利用步驟⑷中提取得到的瞬時(shí)頻率f#(t)，根據(jù)f(t) + 計(jì)算原始 振動(dòng)信號(hào)s (t)的瞬時(shí)頻率，從而得到旋轉(zhuǎn)機(jī)械的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速。
2.如權(quán)利要求1所述的基于振動(dòng)信號(hào)同步壓縮變換的旋轉(zhuǎn)機(jī)械瞬時(shí)轉(zhuǎn)速估測(cè)方法，其 特征在于，步驟（4)所述從時(shí)頻分布中提取瞬時(shí)頻率的方法具體如下： 對(duì)于得到的同步壓縮時(shí)頻分WTs(G)1, b)，定義時(shí)間間隔n e [ηι，η2]內(nèi)的所有路徑都 屬于集合K，則信號(hào)s (t)從時(shí)刻Ii1到n2的瞬時(shí)頻率估計(jì)是通過尋找最優(yōu)路徑，使得罰函數(shù) 之和取得最小值來實(shí)現(xiàn)的，表達(dá)式如下：
其中，g(x，y)和f(x)都是定義的不同罰函數(shù)；g(x，y)是一個(gè)線性形式的罰函數(shù)，表達(dá) 式如下：
其中，Λ為相鄰兩點(diǎn)之間的懲罰閾值，c為罰函數(shù)的權(quán)重；對(duì)于給定的時(shí)刻n，對(duì)獲得的 同步壓縮時(shí)頻分布中不同頻率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的函數(shù)值進(jìn)行降序排列，罰函數(shù)f(x)被定義為： f (Ts (ω 1； n)) = q-1, q = I, 2, ···, m 其中，9是Ts(G)1, n)在降序序列中的所排的序號(hào)。
【文檔編號(hào)】G01P3/00GK104374939SQ201410620570
【公開日】2015年2月25日 申請(qǐng)日期:2014年11月6日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月6日
【發(fā)明者】曹宏瑞, 席松濤, 訾艷陽, 陳雪峰, 成瑋, 張興武 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)