[發明專利]參數誘導的欠阻尼穩態匹配隨機共振微弱特征增強方法

在審

• 申請號: 201710784357.7
• 申請日: 2017-09-04
• 公開（公告）號: CN107702921A
• 公開（公告）日: 2018-02-16
• 發明（設計）人: 雷亞國;王德龍;譙自健;林京
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: G01M13/04
• 分類號: G01M13/04
• 代理公司: 西安智大知識產權代理事務所61215
• 代理人: 賀建斌

1.一種參數誘導的欠阻尼穩態匹配隨機共振微弱特征增強方法，其特征在于，包括以下步驟：

1)利用希爾伯特變換對獲取的振動信號進行解調，釋放故障特征頻率到低頻區域，并獲得對應的包絡；

2)將步驟1)中解調后多故障類型振動信號的包絡輸入參數誘導的欠阻尼穩態匹配隨機共振系統，并以該系統共振響應的加權信噪比作為量子遺傳算法的目標函數，優化系統參數、阻尼比和尺度因子，觸發粒子運動模式以及躍遷速率與系統輸入之間的共振協同，使故障特征頻率恰好處于隨機共振非線性類帶通濾波器的狹窄通頻帶內，從而實現頻帶內的故障特征增強與提取，帶外噪聲能量的俘獲與利用，具體過程如下；

2.1)首先將步驟1)中獲取的振動信號的包絡input(t)作為參數誘導的欠阻尼穩態匹配隨機共振系統的輸入，即

d2x(t)dt2=-∂U(x)∂x-βdx(t)dt+input(t)]]>

式中β是阻尼比，且β∈(0,1]；而U(x)是具有多樣化穩態分布的多穩態勢函數，

U(x)=16ax6-1+b20x4+b2x2]]>

式中x(t)為系統共振響應，a和b是系統參數，且

2.2)為了使參數誘導的欠阻尼穩態匹配隨機共振系統處于最佳共振狀態，即噪聲能量的最大俘獲和微弱特征的最大增強，利用量子遺傳算法快速調節系統參數、阻尼比和尺度因子，并提出改進的加權信噪比作為目標函數量化隨機共振系統的共振響應，其表達式如下：

WSNR=(1-Amax-Asub-maxAmax)SNR,SNR<0(Amax-Asub-maxAmax)SNR,SNR≥0]]>

式中，A_max和A_sub-max分別表示系統共振響應x(t)的傅里葉變換譜中最大和次最大譜峰頻率的幅值，而SNR是系統共振響應的信噪比，

SNR=10log10(AdΣi=1M/2Ai-Ad)]]>

其中A_d是特征頻率的幅值，M是系統共振響應的數據長度，而且A_i表示系統共振響應的傅里葉變換譜中每根譜線的幅值；為了保證高的收斂速率和可接受的計算時間，量子遺傳算法初始化的基本參數為：種群大小N＝40，量子比特編碼長度L＝20，最大進化代數G_max＝50；然而，為了獲得足夠多的穩態類型分布初始化系統參數a∈(0,30]和b∈[-10,10]；阻尼比β∈[0,1]；根據需要診斷的機械裝備，由于低轉速運行解調后的故障特征頻率基本位于1000Hz以下頻段，因此尺度因子初始化為R∈(0,1000]能夠壓縮任意低于1000Hz的故障特征頻率滿足小參數條件；

2.3)記錄每個最優個體和對應的加權信噪比，判斷尋優過程是否終止，若滿足終止條件則退出，否則繼續優化更新；權衡計算時間和系統共振響應的質量，終止條件設置為進化代數達到初始化的最大進化代數或者每代最佳加權信噪比的增量小于0.001；最后，獲得最佳加權信噪比WSNR_best對應的最佳參數對(a_best,b_best,β_best,R_best)；

3)根據步驟2)獲得的最佳參數對(a_best,b_best,β_best,R_best)設置參數誘導的欠阻尼穩態匹配隨機共振系統，并將步驟1)中的包絡輸入設定的隨機共振系統，已知振動信號采樣頻率f_s利用最佳尺度因子設置四階龍格庫塔法的積分步長R_best/f_s，從而計算得到系統的共振響應x(t)；最后，利用傅里葉變換譜分析共振響應，實現機械故障特征頻率的增強與提取，根據提取的故障特征頻率判定故障的類型，進而實施機械裝備的運行維護。