[發(fā)明專利]通過聲源定位實(shí)現(xiàn)球磨機(jī)設(shè)備工作狀態(tài)檢測的方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710419078.0
• 申請日: 2017-06-06
• 公開（公告）號: CN107238506B
• 公開（公告）日: 2019-04-26
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 葉中付;付加飛
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
• 主分類號: G01M99/00
• 分類號: G01M99/00;G01H17/00
• 代理公司: 北京凱特來知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11260
• 代理人: 鄭立明;鄭哲

1.一種通過聲源定位實(shí)現(xiàn)球磨機(jī)設(shè)備工作狀態(tài)檢測的方法，其特征在于，包括：

利用麥克風(fēng)陣列采集信號的能量信息，挑選出疑似介質(zhì)球撞擊襯板的信號段；

采用非相干信號子空間方法對所述疑似介質(zhì)球撞擊襯板的信號段進(jìn)行聲源定位，獲得相應(yīng)的撞擊角度信息；

根據(jù)撞擊角度信息與物料線的關(guān)系，檢測球磨機(jī)設(shè)備的工作狀態(tài)；

其中，所述采用非相干信號子空間方法對所述疑似介質(zhì)球撞擊襯板的信號段進(jìn)行聲源定位，獲得相應(yīng)的撞擊角度信息包括：

球磨機(jī)設(shè)備的滾筒是圓柱形的，所獲得的疑似介質(zhì)球撞擊襯板的信號段均來自于與弧形的麥克風(fēng)陣列在同一平面的橫截面上；弧形的麥克風(fēng)陣列擺放位置與滾筒橫截面形成同心圓，則以麥克風(fēng)陣列中最上端的麥克風(fēng)作為參考點(diǎn)，以參考點(diǎn)與圓心的連線作為y軸，以在同一平面并與y軸垂直的線作為x軸；

第i個(gè)麥克風(fēng)的位置為：

loc_i＝[r×cos((i-1)×d/r),r×sin((i-1)×d/r)]；

式中，r為弧形的麥克風(fēng)陣列的半徑，d為相鄰麥克風(fēng)的弧長；

從第i個(gè)麥克風(fēng)挑選出疑似撞擊的信號中包含了多個(gè)數(shù)據(jù)幀，假設(shè)一個(gè)數(shù)據(jù)幀中只有一個(gè)聲源，以y軸與滾筒表面交點(diǎn)處的聲源位置為零度，向下方向?yàn)榻嵌仍黾拥姆较颍绻骋粩?shù)據(jù)幀中的聲源角度為θ，滾筒的半徑為R，聲源對應(yīng)的坐標(biāo)為：

obj＝[R×cos((π/180)×θ),R×sin((π/180)×θ)]；

聲源與第i個(gè)麥克風(fēng)之間的距離為：

假設(shè)聲音在當(dāng)前條件下傳播的速度為c，則聲源到達(dá)第i個(gè)麥克風(fēng)的時(shí)間為：

t_i＝dis_i/c；

從而得到聲源到達(dá)第i個(gè)麥克風(fēng)與到達(dá)參考麥克風(fēng)之間的時(shí)延為：

τ_i＝t_i-t₁；

式中，t₁為當(dāng)前聲源到達(dá)參考麥克風(fēng)的時(shí)間；

因?yàn)槁曅盘枮閹挒锽的寬帶信號，將疑似介質(zhì)球撞擊襯板的信號段分成N_t個(gè)幀長為Fr的子信號段，每一子信號段即為一幀，對每個(gè)子信號段進(jìn)行Fr點(diǎn)的離散傅里葉變換，得到如下的寬帶信號模型：

X_s(f_l)＝a(f_l,θ)S_s(f_l)+N_s(f_l),l＝1,2,...,F_r；s＝1,2,...,N_t；

其中，X_s(f_l)和N_s(f_l)是M×1維矢量，其元素分別是由第s幀中麥克風(fēng)陣列接收信號x_s(t)和噪聲n_s(t)在頻率f_l處的離散傅里葉系數(shù)構(gòu)成，而S_s(f_l)的元素是由無噪聲的信號s_s(t)的離散傅里葉系數(shù)構(gòu)成；

當(dāng)聲源角度為θ時(shí)，麥克風(fēng)陣列在f_l頻率點(diǎn)處的導(dǎo)向矢量為：

利用非相干信號子空間方法估計(jì)聲源方向，首先估計(jì)f_l頻率點(diǎn)數(shù)據(jù)X_s(f_l)的協(xié)方差矩陣：

R_s(f_l)＝E[X_s(f_l)X_s(f_l)^H]；

其中，E[·]表示求期望的操作；

接著對其進(jìn)行特征分解，得到正交的信號子空間U_S(f_l)和噪聲子空間U_N(f_l)；最后，綜合利用所有頻率點(diǎn)的噪聲子空間，采用MUSIC算法估計(jì)聲源方向：

根據(jù)球磨機(jī)設(shè)備實(shí)際的運(yùn)作狀態(tài)，球磨機(jī)設(shè)備內(nèi)介質(zhì)球只可能在某個(gè)角度范圍內(nèi)與襯板撞擊，在對空間譜搜索的過程中，設(shè)定搜索的角度間隔以及角度范圍，找出空間譜的峰值對應(yīng)的角度，即得到最終的撞擊角度信息；

所述根據(jù)撞擊角度信息與物料線的關(guān)系，檢測球磨機(jī)設(shè)備的工作狀態(tài)包括：

在保持球磨機(jī)設(shè)備內(nèi)物料和介質(zhì)球體積一定的情況下，物料線的位置是球磨機(jī)滾筒轉(zhuǎn)速的函數(shù)，將這個(gè)函數(shù)假設(shè)為線性函數(shù)，在每一個(gè)滾筒轉(zhuǎn)速條件下，都有一個(gè)相應(yīng)的物料線位置；根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)過程中積累的先驗(yàn)知識，在固定的一段時(shí)間內(nèi)正常轉(zhuǎn)速下介質(zhì)球撞擊襯板的次數(shù)在(v1,v2)范圍內(nèi)；

根據(jù)撞擊角度信息，統(tǒng)計(jì)在固定時(shí)間內(nèi)在物料線上方的撞擊次數(shù)，如果大于v2，則表明當(dāng)前球磨機(jī)設(shè)備處于高速狀態(tài)，需要降低球磨機(jī)轉(zhuǎn)速；如果統(tǒng)計(jì)的撞擊次數(shù)小于v1，則表明當(dāng)前球磨機(jī)設(shè)備處于低速狀態(tài)，需要提高球磨機(jī)轉(zhuǎn)速；如果統(tǒng)計(jì)的撞擊個(gè)數(shù)在(v1,v2)范圍內(nèi)，則表明當(dāng)前球磨機(jī)設(shè)備處于正常轉(zhuǎn)速狀態(tài)，維持當(dāng)前轉(zhuǎn)速即可。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種通過聲源定位實(shí)現(xiàn)球磨機(jī)設(shè)備工作狀態(tài)檢測的方法，其特征在于，所述利用麥克風(fēng)陣列采集信號的能量信息，挑選出疑似介質(zhì)球撞擊襯板的信號段的步驟包括：

麥克風(fēng)陣列接收的信號如下：

x_i(t)＝s(t-τ_i)+n_i(t),i＝1,2,...,M；

其中，x_i(t)為t時(shí)刻第i個(gè)麥克風(fēng)通道接收到的時(shí)域信號，s(t)表示介質(zhì)球撞擊襯板的信號，當(dāng)沒有介質(zhì)球撞擊襯板時(shí)s(t)＝0，τ_i表示撞擊信號到達(dá)第i個(gè)麥克風(fēng)通道相對于到達(dá)參考麥克風(fēng)通道的時(shí)延，n_i(t)表示第i個(gè)麥克風(fēng)通道接收的所有噪聲，M表示麥克風(fēng)個(gè)數(shù)；

對于第i個(gè)麥克風(fēng)通道，在球磨機(jī)設(shè)備開機(jī)后并進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)后，獲得時(shí)間長度為T分鐘的采樣數(shù)據(jù)，計(jì)算采樣數(shù)據(jù)的能量，作為初始能量：

其中，norm是矢量2范數(shù)，為第i個(gè)麥克風(fēng)通道接收到的長度為T分鐘的離散數(shù)據(jù)，x_i(k)為第i個(gè)麥克風(fēng)通道接收到的第k個(gè)點(diǎn)的離散數(shù)據(jù)；

對于第i個(gè)麥克風(fēng)通道，在球磨機(jī)設(shè)備工作后，實(shí)時(shí)獲取聲音數(shù)據(jù)，當(dāng)累計(jì)到T分鐘的數(shù)據(jù)時(shí)，作為一個(gè)數(shù)據(jù)段；計(jì)算該數(shù)據(jù)段的能量TP_i，并按下式計(jì)算其能量與初始能量P_i的比值：

RP_i＝TP_i/P_i；

對第i個(gè)麥克風(fēng)通道的該數(shù)據(jù)段以幀長為Fr進(jìn)行分幀，并且相鄰幀之間沒有重疊，得到N幀數(shù)據(jù)，接著計(jì)算第s幀數(shù)據(jù)的能量

然后，計(jì)算第i個(gè)麥克風(fēng)通道所有幀的平均能量值，作為比較的參考：

AE_i＝TP_i/N；

從而初步挑選出第i個(gè)麥克風(fēng)通道中符合條件的疑似介質(zhì)球撞擊襯板的信號幀以及其索引：

統(tǒng)計(jì)每一個(gè)幀索引在所有麥克風(fēng)通道初步挑選的信號幀中出現(xiàn)的次數(shù)，如果有一半以上麥克風(fēng)通道包含當(dāng)前信號幀索引，則認(rèn)為當(dāng)前信號幀數(shù)據(jù)包含有撞擊信號，并保存當(dāng)前信號幀的數(shù)據(jù)；

將每個(gè)通道最終挑選出信號幀的數(shù)據(jù)各自拼接在一起，構(gòu)成疑似介質(zhì)球撞擊襯板的信號段，該信號段是一個(gè)M行，N_t×Fr列矩陣，其中N_t是挑選后的幀數(shù)。