基于振動信號同步壓縮變換的旋轉(zhuǎn)機(jī)械瞬時轉(zhuǎn)速估測方法

基于振動信號同步壓縮變換的旋轉(zhuǎn)機(jī)械瞬時轉(zhuǎn)速估測方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于振動信號同步壓縮變換的旋轉(zhuǎn)機(jī)械瞬時轉(zhuǎn)速估測方法，包括以下步驟：1)獲取旋轉(zhuǎn)機(jī)械運(yùn)行過程中的振動信號；2)對測得的振動信號進(jìn)行頻移處理；3)對頻移后的振動信號進(jìn)行同步壓縮連續(xù)小波變換，得到頻移后振動信號的時頻分布；4)利用Viterbi算法從上述獲得的時頻分布中提取經(jīng)頻移處理后振動信號的一階瞬時頻率成分；5)利用提取的一階瞬時頻率恢復(fù)計算得到旋轉(zhuǎn)機(jī)械的瞬時轉(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，實現(xiàn)振動信號瞬時頻率的精確估計，Viterbi算法實現(xiàn)瞬時頻率的精確提取，該方法可以實現(xiàn)對無法進(jìn)行瞬時轉(zhuǎn)速直接測量的旋轉(zhuǎn)機(jī)械,通過振動信號準(zhǔn)確地提取其瞬時轉(zhuǎn)速。
【專利說明】基于振動信號同步壓縮變換的旋轉(zhuǎn)機(jī)械瞬時轉(zhuǎn)速估測方法

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

【背景技術(shù)】
[0002] 旋轉(zhuǎn)機(jī)械的瞬時轉(zhuǎn)速中常常包含有大量自身運(yùn)行狀態(tài)信息，而這些信息對于設(shè)備 的實時控制、狀態(tài)檢測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) 械的瞬時轉(zhuǎn)速已經(jīng)成為近年來的研究熱點。
[0003] 旋轉(zhuǎn)機(jī)械的瞬時轉(zhuǎn)速的直接測量方法是利用旋轉(zhuǎn)編碼器，對編碼器產(chǎn)生的脈沖信 號采用特定的信號處理方法進(jìn)行處理，從而得到旋轉(zhuǎn)機(jī)械的瞬時轉(zhuǎn)速。但是由于一些諸如 運(yùn)行工況不允許、設(shè)計裝配不合理以及成本的原因，使得對旋轉(zhuǎn)設(shè)備瞬時轉(zhuǎn)速的直接測量 在很多時候無法實現(xiàn)。因此，許多基于旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動信號的瞬時轉(zhuǎn)速提取方法被提出，諸如 相位解調(diào)方法、基于信號模型的方法以及時頻分布的方法等。這些方法當(dāng)中，基于時頻分布 的方法由于其強(qiáng)大的時域信號分析能力，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)者對于瞬時轉(zhuǎn)速 的估測進(jìn)行了較多研究。史振盛（史振盛，王桂華，等.基于瞬時頻率估計的諧振分析及應(yīng) 用[J].內(nèi)燃機(jī)與動力裝置，2014,31(4) :11-15)提出了采用結(jié)合短時傅里葉變換和峰值搜 索的基于時頻分布的瞬時頻率估計方法，并將其應(yīng)用于諧振分析。曹書峰（曹書峰，等.基 于時頻融合的轉(zhuǎn)速估計及軸承故障特征提取研究[J].振動與沖擊，2013, 32(8) :184-178) 提出將Wigner-Vile分布與小波尺度譜進(jìn)行融合，對融合后的時頻分布用峰值搜索法估計 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)械瞬時頻率估計[J].振動與沖擊，2013, 32(7) :113-117)提出基于改進(jìn)峰值搜索法 的旋轉(zhuǎn)機(jī)械瞬時頻率估計方法，提出將瞬時頻率中相鄰兩點一階導(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作用下提取虛假峰值，并將此應(yīng)用 與階次跟蹤。
[0005] 申請?zhí)枮?01410104252. 9的中國專利公開了一種基于拉格朗日插值多項式的 瞬時轉(zhuǎn)速估計方法，其特征在于，利用2階拉格朗日插值多項式對電機(jī)位置軌跡進(jìn)行函 數(shù)擬合，然后把得到的位置函數(shù)對時間t求導(dǎo)得到其相應(yīng)的速度函數(shù)，對指定的任一時 亥IJ，在速度函數(shù)中代入位置增量和時間間隔，即求得該時刻對應(yīng)的瞬時速度。申請?zhí)枮?201310247876. 1的中國專利公開了一種基于齒輪嚙合振動的轉(zhuǎn)速估計方法及裝置，其特征 在于計算齒輪哨合振動信號的Wigner-Ville分布和小波尺度譜；對所述Wigner-Ville分 布和所述小波尺度譜進(jìn)行時頻融合，得到時頻融合分布；根據(jù)所述時頻融合分布，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輪的齒數(shù)，確定出主動輪的轉(zhuǎn)速 曲線。
[0006] 基于時頻分布的瞬時轉(zhuǎn)速估計主要包含兩個過程：1)信號時頻分布的獲得；2)信 號時頻分布中瞬時頻率的提取。而目前的研究多只考慮到這兩個過程中的一個過程，而兩 者中任何一個的誤差都將降低瞬時轉(zhuǎn)速提取的精度，因此目前對于旋轉(zhuǎn)機(jī)械瞬時轉(zhuǎn)速估計 的研究仍存在一定不足，提取的瞬時轉(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)小波變換時頻分布低頻處的高頻率分辨率， 將高頻成分平移到時頻分布的低頻位置以獲得高的頻率分辨率來處理信號，從而獲得精確 的高頻成分瞬時頻率估計值，然后利用比傳統(tǒng)峰值檢索方法更精確有效的Viterbi算法從 時頻分布中提取瞬時頻率，進(jìn)而獲得精確的旋轉(zhuǎn)機(jī)械的瞬時轉(zhuǎn)速。
[0008] 為達(dá)到以上目的，本發(fā)明是采取如下技術(shù)方案予以實現(xiàn)：
[0009] -種基于振動信號同步壓縮變換的旋轉(zhuǎn)機(jī)械瞬時轉(zhuǎn)速估測方法，其特征在于，包 括下述步驟：
[0010] (1)對從旋轉(zhuǎn)機(jī)械運(yùn)行過程中測得的振動信號S (t)構(gòu)造其解析信號：
[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)已知原始振動信號s(t)相鄰兩點之間的時間間隔為At，總數(shù)據(jù)長度為n，信 號持續(xù)時間為T，構(gòu)造變量L f和Hf分別如下：
[0015]

【權(quán)利要求】
1. 一種基于振動信號同步壓縮變換的旋轉(zhuǎn)機(jī)械瞬時轉(zhuǎn)速估測方法，其特征在于，包括 下述步驟： (1) 對從旋轉(zhuǎn)機(jī)械運(yùn)行過程中測得的振動信號S (t)構(gòu)造其解析信號： 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) 已知原始振動信號s(t)相鄰兩點之間的時間間隔為At，總數(shù)據(jù)長度為n，信號持 續(xù)時間為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的下一個指數(shù)次冪，nv為同步壓縮變換中 的一個參數(shù)； 3) 對離散頻率序列求差分，計算得到同步壓縮變換時頻分布中成指數(shù)增長的頻率間隔 序列，即相鄰兩個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頻分布中所 對應(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)造解析信號七） 的頻移信號：
(3) 對步驟（2)獲得的頻移信號進(jìn)行同步壓縮變換，以得到頻移信號的時頻 分布，所述同步壓縮變換是基于連續(xù)小波變換來實現(xiàn)的，包含以下子步驟： 1) 對原始振動信號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是小波變換的時移因子； 2) 對信號連續(xù)小波變換結(jié)果，利用帕薩瓦爾定理計算得到信號基于連續(xù)小波變換的瞬 時頻率：
3) 根據(jù)瞬時頻率對信號連續(xù)小波變換時頻分布進(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)小波變換時頻分布即 為同步壓縮變換時頻分布； (4) 對步驟（3)獲得的時頻分布，利用Viterbi算法提取時頻分布中頻移信號的第 一階瞬時頻率f#(t); (5) 利用步驟⑷中提取得到的瞬時頻率f#(t)，根據(jù)f(t) + 計算原始 振動信號s (t)的瞬時頻率，從而得到旋轉(zhuǎn)機(jī)械的瞬時轉(zhuǎn)速。
2.如權(quán)利要求1所述的基于振動信號同步壓縮變換的旋轉(zhuǎn)機(jī)械瞬時轉(zhuǎn)速估測方法，其 特征在于，步驟（4)所述從時頻分布中提取瞬時頻率的方法具體如下： 對于得到的同步壓縮時頻分WTs(G)1, b)，定義時間間隔n e [ηι，η2]內(nèi)的所有路徑都 屬于集合K，則信號s (t)從時刻Ii1到n2的瞬時頻率估計是通過尋找最優(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)是一個線性形式的罰函數(shù)，表達(dá) 式如下：
其中，Λ為相鄰兩點之間的懲罰閾值，c為罰函數(shù)的權(quán)重；對于給定的時刻n，對獲得的 同步壓縮時頻分布中不同頻率點對應(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。
【文檔編號】G01P3/00GK104374939SQ201410620570
【公開日】2015年2月25日 申請日期: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 申請人:西安交通大學(xué)