基于振动信号同步压缩变换的旋转机械瞬时转速估测方法

基于振动信号同步压缩变换的旋转机械瞬时转速估测方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于振动信号同步压缩变换的旋转机械瞬时转速估测方法，包括以下步骤：1)获取旋转机械运行过程中的振动信号；2)对测得的振动信号进行频移处理；3)对频移后的振动信号进行同步压缩连续小波变换，得到频移后振动信号的时频分布；4)利用Viterbi算法从上述获得的时频分布中提取经频移处理后振动信号的一阶瞬时频率成分；5)利用提取的一阶瞬时频率恢复计算得到旋转机械的瞬时转速。本发明采用频移算法和同步压缩连续小波变换处理信号，实现振动信号瞬时频率的精确估计，Viterbi算法实现瞬时频率的精确提取，该方法可以实现对无法进行瞬时转速直接测量的旋转机械,通过振动信号准确地提取其瞬时转速。
【专利说明】基于振动信号同步压缩变换的旋转机械瞬时转速估测方法

【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种旋转机械瞬时转速估测方法。

【背景技术】
[0002] 旋转机械的瞬时转速中常常包含有大量自身运行状态信息，而这些信息对于设备 的实时控制、状态检测和故障诊断等都具有十分重要的意义。如何能够准确的提取旋转机 械的瞬时转速已经成为近年来的研究热点。
[0003] 旋转机械的瞬时转速的直接测量方法是利用旋转编码器，对编码器产生的脉冲信 号采用特定的信号处理方法进行处理，从而得到旋转机械的瞬时转速。但是由于一些诸如 运行工况不允许、设计装配不合理以及成本的原因，使得对旋转设备瞬时转速的直接测量 在很多时候无法实现。因此，许多基于旋转机械振动信号的瞬时转速提取方法被提出，诸如 相位解调方法、基于信号模型的方法以及时频分布的方法等。这些方法当中，基于时频分布 的方法由于其强大的时域信号分析能力，以及优异的抗噪声干扰特性而受到广泛的研究和 应用。
[0004] 由于旋转机械瞬时转速在工业应用中具有重要意义，国内许多学者对于瞬时转速 的估测进行了较多研究。史振盛（史振盛，王桂华，等.基于瞬时频率估计的谐振分析及应 用[J].内燃机与动力装置，2014,31(4) :11-15)提出了采用结合短时傅里叶变换和峰值搜 索的基于时频分布的瞬时频率估计方法，并将其应用于谐振分析。曹书峰（曹书峰，等.基 于时频融合的转速估计及轴承故障特征提取研究[J].振动与冲击，2013, 32(8) :184-178) 提出将Wigner-Vile分布与小波尺度谱进行融合，对融合后的时频分布用峰值搜索法估计 转速，并将其运用于轴承故障特征提取中。胡爱军（胡爱军，朱瑜.基于改进峰值搜索法的 旋转机械瞬时频率估计[J].振动与冲击，2013, 32(7) :113-117)提出基于改进峰值搜索法 的旋转机械瞬时频率估计方法，提出将瞬时频率中相邻两点一阶导数差值作为搜索峰值是 否合理的判别条件，可避免传统峰值搜索法在干扰信号作用下提取虚假峰值，并将此应用 与阶次跟踪。
[0005] 申请号为201410104252. 9的中国专利公开了一种基于拉格朗日插值多项式的 瞬时转速估计方法，其特征在于，利用2阶拉格朗日插值多项式对电机位置轨迹进行函 数拟合，然后把得到的位置函数对时间t求导得到其相应的速度函数，对指定的任一时 亥IJ，在速度函数中代入位置增量和时间间隔，即求得该时刻对应的瞬时速度。申请号为 201310247876. 1的中国专利公开了一种基于齿轮啮合振动的转速估计方法及装置，其特征 在于计算齿轮哨合振动信号的Wigner-Ville分布和小波尺度谱；对所述Wigner-Ville分 布和所述小波尺度谱进行时频融合，得到时频融合分布；根据所述时频融合分布，确定出 齿轮啮合频率曲线；根据所述齿轮啮合频率曲线以及主动轮的齿数，确定出主动轮的转速 曲线。
[0006] 基于时频分布的瞬时转速估计主要包含两个过程：1)信号时频分布的获得；2)信 号时频分布中瞬时频率的提取。而目前的研究多只考虑到这两个过程中的一个过程，而两 者中任何一个的误差都将降低瞬时转速提取的精度，因此目前对于旋转机械瞬时转速估计 的研究仍存在一定不足，提取的瞬时转速精度有待提1?。


【发明内容】

[0007] 本发明的目的在于利用同步压缩连续小波变换时频分布低频处的高频率分辨率， 将高频成分平移到时频分布的低频位置以获得高的频率分辨率来处理信号，从而获得精确 的高频成分瞬时频率估计值，然后利用比传统峰值检索方法更精确有效的Viterbi算法从 时频分布中提取瞬时频率，进而获得精确的旋转机械的瞬时转速。
[0008] 为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现：
[0009] -种基于振动信号同步压缩变换的旋转机械瞬时转速估测方法，其特征在于，包 括下述步骤：
[0010] (1)对从旋转机械运行过程中测得的振动信号S (t)构造其解析信号：
[0011] s(0 = s(l) +jl/(S(D)
[0012] 其中H(s(t))是s(t)的希尔伯特黄变换；
[0013] (2)根据分析信号所需要满足的频率分辨率Af?来选择频移频率Coci，包含以下子 步骤：
[0014] 1)已知原始振动信号s(t)相邻两点之间的时间间隔为At，总数据长度为n，信 号持续时间为T，构造变量L f和Hf分别如下：
[0015]

【权利要求】
1. 一种基于振动信号同步压缩变换的旋转机械瞬时转速估测方法，其特征在于，包括 下述步骤： (1) 对从旋转机械运行过程中测得的振动信号S (t)构造其解析信号： s(t) = s(t) + jH(s(t)) 其中H(s(t))是s (t)的希尔伯特黄变换； (2) 根据分析信号所需要满足的频率分辨率Af来选择频移频率Oci，包含以下子步 骤： 1) 已知原始振动信号s(t)相邻两点之间的时间间隔为At，总数据长度为n，信号持 续时间为T，构造变量Lf和H f分别如下：
2) 由Lf和Hf，得到同步压缩变换时频分布中成指数增长的离散频率序列：
其中，na = (Iog2N-I) Xnv，N是比η大的2的下一个指数次幂，nv为同步压缩变换中 的一个参数； 3) 对离散频率序列求差分，计算得到同步压缩变换时频分布中成指数增长的频率间隔 序列，即相邻两个离散频率之间的差值：
4) 从频率间隔序列中找出所需频率分辨率Af在频率间隔序列中所处的位置Pci，然后 将Ptl带入到子步骤2)所得的离散频率序列中，即可得到所需频率分辨率在时频分布中所 对应的中心频率值CO tl ;该COtl即为频移频率；在获得频移频率COtl之后，构造解析信号七） 的频移信号：
(3) 对步骤（2)获得的频移信号进行同步压缩变换，以得到频移信号的时频 分布，所述同步压缩变换是基于连续小波变换来实现的，包含以下子步骤： 1) 对原始振动信号s (t)进行连续小波变换：
其中，Ψ是选取的母小波，a是小波变换的尺度因子，b是小波变换的时移因子； 2) 对信号连续小波变换结果，利用帕萨瓦尔定理计算得到信号基于连续小波变换的瞬 时频率：
3) 根据瞬时频率对信号连续小波变换时频分布进行映射变换，其离散表达式如下：
其中，Λ ω = CO1-CO1+ (Aa)k = ak-ag ;经映射变换之后的连续小波变换时频分布即 为同步压缩变换时频分布； (4) 对步骤（3)获得的时频分布，利用Viterbi算法提取时频分布中频移信号的第 一阶瞬时频率f#(t); (5) 利用步骤⑷中提取得到的瞬时频率f#(t)，根据f(t) + 计算原始 振动信号s (t)的瞬时频率，从而得到旋转机械的瞬时转速。
2.如权利要求1所述的基于振动信号同步压缩变换的旋转机械瞬时转速估测方法，其 特征在于，步骤（4)所述从时频分布中提取瞬时频率的方法具体如下： 对于得到的同步压缩时频分WTs(G)1, b)，定义时间间隔n e [ηι，η2]内的所有路径都 属于集合K，则信号s (t)从时刻Ii1到n2的瞬时频率估计是通过寻找最优路径，使得罚函数 之和取得最小值来实现的，表达式如下：
其中，g(x，y)和f(x)都是定义的不同罚函数；g(x，y)是一个线性形式的罚函数，表达 式如下：
其中，Λ为相邻两点之间的惩罚阈值，c为罚函数的权重；对于给定的时刻n，对获得的 同步压缩时频分布中不同频率点对应的函数值进行降序排列，罚函数f(x)被定义为： 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号。
【文档编号】G01P3/00GK104374939SQ201410620570
【公开日】2015年2月25日 申请日期:2014年11月6日 优先权日:2014年11月6日
【发明者】曹宏瑞, 席松涛, 訾艳阳, 陈雪峰, 成玮, 张兴武 申请人:西安交通大学