一種線性化勢阱壁的路徑擴展隨機共振微弱特征提取方法
【專利摘要】一種線性化勢阱壁的路徑擴展隨機共振微弱特征提取方法，先對采集到的機械設備的不同故障程度振動信號進行預處理，使其滿足絕熱近似假設下的小參數信號輸入條件；然后將預處理后的信號分別作為線性化勢阱壁的路徑擴展隨機共振系統的輸入，并選擇該隨機共振系統的輸出信噪比作為遺傳算法的適應度函數，對系統參數進行自適應尋優，實現系統與輸入信號之間的最佳動態匹配；最后對不同故障程度的系統輸入信號，根據最佳動態系統匹配參數，將該最佳匹配參數下的路徑擴展隨機共振系統輸出作為最佳增強結果并進行故障特征提取與定性分析，本發明利用動態線性等效對傳統雙穩態隨機共振系統的兩側勢阱壁進行改進，提升了其微弱故障特征增強提取能力。
【專利說明】
-種線性化勢阱壁的路徑擴展隨機共振微弱特征提取方法
技術領域
[0001] 本發明屬于機械故障診斷技術領域，具體設及一種線性化勢阱壁的路徑擴展隨機 共振微弱特征提取方法。
【背景技術】
[0002] 由于復雜的多時變傳遞路徑、多個振源激勵與響應的相互禪合W及外界環境干擾 等諸多因素的影響，機械故障特征經常被嚴重的背景噪音所淹沒，必然導致所采集的故障 振動信號信噪比極低、故障特征極其微弱，難W直接提取與診斷。基于傳統消噪理論的信號 處理方法，在消除噪聲的同時必然造成微弱故障特征或多或少的損壞，導致兩敗俱傷，而隨 機共振是一個很有潛力的信號處理工具，它打破傳統思維利用噪聲來增強微弱故障特征， 可謂是互利共贏。簡言之，隨機共振就是非線性系統、噪聲和微弱特征Ξ者之間的協同作用 導致微弱特征增強的一種非線性現象。
[0003] 傳統雙穩態隨機共振系統被廣泛應用到機械故障診斷中顯示出一定的優勢，但是 往往通過調節參數獲得最佳的勢壘高度時卻造成睹峭的兩側勢阱壁，導致粒子運動路徑被 限制在狹小的勢阱寬度范圍內，不能隨著系統輸入信號的變化而持續變化，造成隨機共振 系統的輸出信號達到飽和，從而限制了傳統雙穩態隨機共振系統的微弱故障特征增強提取 能力，運一缺點可能導致傳統雙穩態隨機共振系統對機械設備的微弱故障特征增強提取能 力大打折扣，而且無法對故障發展程度進行定性分析。
【發明內容】
[0004] 為了克服上述現有技術的缺點，本發明的目的在于提供一種線性化勢阱壁的路徑 擴展隨機共振微弱特征提取方法，提升傳統雙穩態隨機共振系統的微弱故障特征增強提取 能力，實現了機械設備的有效故障診斷與定性分析。
[0005] 為了達到上述目的，本發明采取的技術方案為：
[0006] -種線性化勢阱壁的路徑擴展隨機共振微弱特征提取方法，包括W下步驟：
[0007] 1)對采集到的機械設備的不同故障程度振動信號進行預處理，使其滿足絕熱近似 假設下的小參數信號輸入條件；
[000引2)將步驟1)中預處理后的不同故障程度振動信號分別作為線性化勢阱壁的路徑 擴展隨機共振系統的輸入，并選擇該隨機共振系統的輸出信噪比作為遺傳算法的適應度函 數，對系統參數進行自適應尋優，實現系統與輸入信號之間的最佳動態匹配；
[0009] 3)對不同故障程度的系統輸入信號，根據步驟2)自適應尋優得到最佳動態系統匹 配參數，將該最佳匹配參數下的路徑擴展隨機共振系統輸出作為最佳增強結果并進行故障 特征提取與定性分析。
[0010] 所述的步驟1)中對采集的機械設備的不同故障程度振動信號sn(t)進行預處理是 指根據機械設備參數理論計算得到故障特征頻率fd，依據該特征頻率的理論值設置高通濾 波器通過頻率f pass，fpass<fd，對采集的原始振動信號實施高通濾波去除低頻干擾，將濾波后 的?曰虧進化頻移得到新的頻率fd-f shift, fd〉f shift, f shift為頻移里，f shift二f pass ,然后選取尺 度因子R使得
滿足絕熱近似假設下的小參數信號輸入條件。
[0011] 所述的步驟2)中線性化勢阱壁的路徑擴展隨機共振系統是將雙穩態隨機共振系 統雙勢阱的兩側非線性勢阱壁進行動態線性等效得到的路徑擴展隨機共振系統，U(X)為線 性等效后的系統勢函數
[0012]
[OOU]式中a, b和C是系統參數，且c = V^，該路徑擴展隨機共振系統由郎之萬方程描 述為
[0014]
[0015] 式中x(t)為系統輸出，sn/(t)為預處理后系統輸入信號，利用四階龍格庫塔法求 解路徑擴展隨機共振系統的輸出信號x(t)，并進行FFT變換求解系統輸出信噪比
[0016]
[0017]式中Ai是系統輸出信號x(t)的功率譜X(i)，i = l，2，...，N/2的每根譜線對應的幅 值，Ad是故障特征頻率的幅值，初始化參數ae(0,10]，be(0,10]，并設置遺傳算法最大進 化代數Gmax = 50,將SNR作為遺傳算法的適應度函數對系統參數(a，b)進行優化，得到最大 SNRmax對應的最佳匹配系統參數(abest，bbest)。
[001引所述的步驟3)中故障特征增強提取與定性分析是將最佳匹配參數(abest，bbest)下 的路徑擴展隨機共振系統輸出進行反頻移-尺度變換得到原始信號的增強信號，對增強信 號使用FFT變換進行頻譜分析，提取出機械設備的故障特征頻率，并根據時域波形的沖擊大 小定性判斷故障的嚴重程度。
[0019] 本發明的有益效果為：
[0020] 利用動態線性等效對傳統雙穩態隨機共振系統的兩側勢阱壁進行改進，得到一種 動態線性化勢阱壁的隨機共振系統，擴展了粒子的運動路徑，從而消除了傳統雙穩態隨機 共振系統的輸出飽和問題，提升了其微弱故障特征增強提取能力，然后將其應用到機械設 備的不同程度故障特征檢測中，實現了故障特征的增強提取與定性分析。
【附圖說明】
[0021] 圖1為本發明方法的流程圖。
[0022] 圖2為傳統雙穩態勢函數與線性化勢阱壁勢函數的對比圖。
[0023] 圖3為余弦信號輸入下傳統雙穩態隨機共振系統與路徑擴展隨機共振系統輸出的 對比圖。
[0024] 圖4為行星齒輪箱的不同故障程度，圖4(a)、圖4(b)、圖4(c)分別為正常、斷齒、缺 齒的原始信號時頻譜及其局部放大圖。
[0025] 圖5為行星齒輪箱的不同故障程度，圖5(a)、圖5(b)、圖5(c)分別為正常、斷齒、缺 齒的信號經過路徑擴展隨機共振方法增強后的時頻譜及局部放大圖。
[0026] 圖6為行星齒輪箱的不同故障程度，圖6(a)、圖6(b)、圖6(c)分別為正常、斷齒、缺 齒的信號經過傳統雙穩態隨機共振方法增強后的時頻譜及局部放大圖。
【具體實施方式】
[0027] 下面結合附圖對本發明做進一步詳細描述：
[0028] 參照圖1，一種線性化勢阱壁的路徑擴展隨機共振微弱特征提取方法，包括W下步 驟：
[0029] 1)對采集的機械設備的不同故障程度信號sn(t)進行預處理，使其滿足絕熱近似 假設下的小參數信號輸入條件，具體為:根據機械設備參數理論計算得到故障特征頻率fd， 依據該特征頻率的理論值設置高通濾波器通過頻率fpass，fpass<fd，對采集的原始振動信號 實施高通濾波去除低頻干擾，將濾波后的信號進行頻移得到新的頻率fd-fshift(fd>fshift， fshift為頻移量，fshift = fpass)，然后選取尺度因子R使得^d << 1 Ηζ滿足絕熱近似假設 Λ 下的小參數信號輸入條件；
[0030] 2)將步驟1)中預處理后的不同故障程度信號sn/(t)分別作為線性化勢阱壁的路 徑擴展隨機共振系統的輸入，U(x)為該系統的勢函數
[0031]
[0032] 式中a，b和C是系統參數，且('二該路徑擴展隨機共振系統由郎之萬方程描 述為
[0033]
[0034] 式中x(t)為系統輸出，sn/(t)為預處理后系統輸入信號，如圖2所示，圖2給出了路 徑擴展隨機共振系統勢函數與傳統雙穩態隨機共振系統勢函數的對比結果，兩者不同之處 在于將傳統雙穩態隨機共振系統勢函數的兩側非線性勢阱壁進行動態線性等效，擴展了粒 子在勢阱中的運動路徑，有效克服了傳統雙穩態隨機共振系統由于勢阱壁過睹導致的系統 輸出飽和問題，從而改善了傳統雙穩態隨機共振系統的微弱特征增強能力；利用四階龍格 庫塔法求解路徑擴展隨機共振系統的輸出信號X(t)，并進行FFT變換求解系統輸出信噪比 / \
[0035]
[0036] 式中Ai是系統輸出信號x(t)的功率譜X(i)，i = l，2，...，N/2的每根譜線對應的幅 值，Ad是故障特征頻率的幅值，初始化參數ae(0,10]，be(0,10]，并設置遺傳算法最大進 化代數Gmax = 50,將SNR作為遺傳算法的適應度函數對系統參數(a，b)進行優化，得到最大 SNRmax對應的最佳匹配系統參數(abest，bbest);
[0037] 3)將遺傳算法優化得到的最佳匹配系統參數Uest，bbest)代入步驟2)的路徑擴展 隨機共振系統，并利用四階龍格庫塔法求解得到最佳的系統共振輸出，然后進行反頻移-尺 度變換得到原始信號的增強信號，最后對其進行頻譜分析提取機械設備故障特征，并根據 時域波形中的沖擊大小對故障程度進行定性分析。
[0038] 為了研究線性化勢阱壁的路徑擴展隨機共振系統的內在屬性，將余弦信號(頻率 為o.omz，采樣頻率10化，采樣時間300s)作為具有相同勢壘高度和勢阱寬度的動態線性化 勢阱壁的路徑擴展隨機共振系統與傳統雙穩態隨機共振系統（其參數均為a = b=l)的輸 入，隨著輸入信號幅值A的增大，路徑擴展隨機共振系統輸出快速增長，相反傳統雙穩態隨 機共振系統輸出趨于飽和，如圖3所示，說明本發明方法克服了傳統雙穩態隨機共振系統自 身輸出的飽和問題，使得系統輸出跟隨輸入的大小變化。
[0039] 為了進一步證明線性化勢阱壁的路徑擴展隨機共振微弱特征提取方法的增強性 能，W行星齒輪箱的故障特征增強提取為例，設置電機轉頻為40化空載運行，采樣頻率為 5120Hz，行星齒輪箱的相關特征頻率如表1所示。
[0040] 表1:行星齒輪箱相關特征頻率
[0041]
[0042] 如圖4所示，圖4為行星齒輪箱第二級太陽輪故障狀況(a)正常、（b)斷齒及(C)缺齒 的時頻譜及其局部放大圖，其中，時域波形上沒有出現明顯的沖擊成分，頻譜上四倍轉頻 fmDtDr=160Hz比較突出，除此之外觀察不到任何有用的診斷信息，而且Ξ種不同故障狀況下 頻譜并無明顯不同。因此，對原始信號直接進行頻譜分析是無法診斷行星齒輪箱有無故障。
[0043] 于是，利用線性化勢阱壁的路徑擴展隨機共振微弱特征提取方法進行診斷，經過 參數尋優最終得到最佳的路徑擴展隨機共振系統輸出如圖5所示，從Ξ種不同故障程度的 時域波形可W看出斷齒和缺齒的時域信號有明顯的沖擊，而且缺齒的沖擊更加明顯，說明 基于線性化勢阱壁隨機共振系統的提取方法可W定性反映故障的嚴重程度；同時，從相應 的頻譜發現頻率146.3Hz，接近于第二級行星齒輪的曬合頻率145.細Z，說明故障發生在第 二級行星齒輪箱上；除此之外，還可W看到明顯的邊頻帶（139.細Z和153Hz)，它們與頻率 146.3化的差值分別為6.甜Z和6.7Hz，接近于第二級行星輪上太陽輪的轉頻，說明故障發生 在第二級行星齒輪箱的太陽輪上，診斷結果和實際故障位置符合，證明線性化勢阱壁的路 徑擴展隨機共振微弱特征提取方法能準確地檢測出故障特征。結合時域波形和頻譜的結 論，說明線性化勢阱壁的路徑擴展隨機共振微弱特征提取方法不僅可w提取故障特征頻率 而且可W定性分析故障程度。
[0044] 為了證明線性化勢阱壁的路徑擴展隨機共振微弱特征提取方法的優越性，用傳統 雙穩態隨機共振系統代替線性化勢阱壁的路徑擴展隨機共振系統得到檢測結果如圖6所 示，可W看出傳統雙穩態隨機共振系統的提取方法同樣具有提取故障特征的能力，但是相 對于線性化勢阱壁的路徑擴展隨機共振微弱特征提取方法而言，其能力受到系統本身的輸 出飽和性限制，因此增強能力不及線性化勢阱壁的路徑擴展隨機共振微弱特征提取方法。 首先體現在處理后的時域波形中含有大量噪聲，導致沖擊特征并沒有線性化勢阱壁的路徑 擴展隨機共振系統的輸出中那么明顯，而且從圖6(b)和6(c)的對比中無法定性判斷故障的 嚴重程度;其次，頻譜中特征頻率W及邊頻帶的幅值明顯比線性化勢阱壁的路徑擴展隨機 共振系統的輸出結果低很多；最后，表2給出了Ξ種故障狀況下，傳統雙穩態隨機共振提取 方法和線性化勢阱壁的路徑擴展隨機共振提取方法的輸出信噪比，可W看出線性化勢阱壁 的路徑擴展隨機共振提取方法有更優越的增強能力，尤其對故障較為嚴重的情況。
[0045] 表2:傳統雙穩態隨機共振方法與線性化勢阱壁的路徑擴展隨機共振方法輸出信 噪比
[0046]
[0047] 綜上所述，將傳統雙穩態隨機共振系統的勢函數進行動態線性等效，擴展粒子運 動路徑，進而消除傳統雙穩態隨機共振系統的輸出飽和問題，然后利用提出的基于動態線 性化勢阱壁的路徑擴展隨機共振方法對機械設備故障進行增強提取和定性分析，實現機械 設備故障的有效診斷。運種方法克服了傳統雙穩態隨機共振方法的增強能力受限問題，提 升了微弱故障特征的增強提取和定性分析能力，對機械設備的故障診斷具有重要意義。
【主權項】
1. 一種線性化勢阱壁的路徑擴展隨機共振微弱特征提取方法，其特征在于，包括以下 步驟： 1) 對采集到的機械設備的不同故障程度振動信號進行預處理，使其滿足絕熱近似假設 下的小參數信號輸入條件； 2) 將步驟1)中預處理后的不同故障程度振動信號分別作為線性化勢阱壁的路徑擴展 隨機共振系統的輸入，并選擇該隨機共振系統的輸出信噪比作為遺傳算法的適應度函數， 對系統參數進行自適應尋優，實現系統與輸入信號之間的最佳動態匹配； 3) 對不同故障程度的系統輸入信號，根據步驟2)自適應尋優得到最佳動態系統匹配參 數，將該最佳匹配參數下的路徑擴展隨機共振系統輸出作為最佳增強結果并進行故障特征 提取與定性分析。2. 根據權利要求1所述的一種線性化勢阱壁的路徑擴展隨機共振微弱特征提取方法， 其特征在于:所述的步驟1)中對采集的機械設備的不同故障程度振動信號sn(t)進行預處 理是指根據機械設備參數理論計算得到故障特征頻率fd，依據該特征頻率的理論值設置高 通濾波器通過頻率f Pass，f Pass〈f d，對采集的原始振動信號實施高通濾波去除低頻干擾，將濾 波后的信號進行頻移得到新的頻率fd-f shift，fd >f shift，f shift為頻移量，f shift = fpass，然后選 取尺度因子R使得':滿足絕熱近似假設下的小參數信號輸入條件。3. 根據權利要求1所述的一種線性化勢阱壁的路徑擴展隨機共振微弱特征提取方法， 其特征在于:所述的步驟2)中線性化勢阱壁的路徑擴展隨機共振系統是將雙穩態隨機共振 系統雙勢阱的兩側非線性勢阱壁進行動態線性等效得到的路徑擴展隨機共振系統，U(x)為 線性等效后的系統勢函數式中a，b和c是系統參數，，該路徑擴展隨機共振系統由郎之萬方程描述為式中x(t)為系統輸出，snlt)為預處理后系統輸入信號，利用四階龍格庫塔法求解路 徑擴展隨機共振系統的輸出信號x(t)，并進行FFT變換求解系統輸出信噪比式中Ai是系統輸出信號X(t)的功率譜X(i)，i = 1，2，…，N/2的每根譜線對應的幅值，Ad 是故障特征頻率的幅值，初始化參數&6(〇，1〇]，136(〇，1〇]，并設置遺傳算法最大進化代數 Gmax = 50，將SNR作為遺傳算法的適應度函數對系統參數(a，b)進行優化，得到最大SNRmax對 應的最佳匹配系統參數(abest，bbest)。4.根據權利要求1所述的一種線性化勢阱壁的路徑擴展隨機共振微弱特征提取方法， 其特征在于:所述的步驟3)中故障特征增強提取與定性分析是將最佳匹配參數(abest，bbest) 下的路徑擴展隨機共振系統輸出進行反頻移-尺度變換得到原始信號的增強信號，對增強 信號使用FFT變換進行頻譜分析，提取出機械設備的故障特征頻率，并根據時域波形的沖擊 大小定性判斷故障的嚴重程度。
【文檔編號】G06K9/00GK105825197SQ201610186864
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2016年3月29日
【發明人】雷亞國, 薛朗, 譙自健, 林京
【申請人】西安交通大學