[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

技術領域

本發明屬于機械故障診斷技術領域，具體涉及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。

背景技術

隨著機械裝備的結構復雜化、工作環境惡劣化，致使早期故障微弱特征的增強與提取困難重重，難以實現裝備的狀態監測與及時維護。信號處理作為機械裝備故障診斷的強有力工具，能夠通過揭示潛藏在振動信號中的早期故障征兆信息，實現裝備的故障診斷與維護。而隨機共振作為噪聲輔助的信號處理方法之一，能夠利用非線性系統俘獲噪聲能量增強與提取機械早期故障微弱特征，這種變廢為寶的觀念致使隨機共振成為潛在的信號處理工具。

隨機共振的能量俘獲機理是通過調節布朗粒子在勢阱內的運動速率實現與周期激勵力的周期之間的協同匹配，因此對固定周期激勵力而言形成兩種隨機共振誘導方案，即噪聲誘導隨機共振和參數誘導隨機共振。對獲取的機械振動信號成分而言，噪聲與特征相互耦合難以單獨調節，而且添加外部噪聲容易惡化信號本身，因此參數誘導隨機共振成為一種行之有效的方案。

然而，傳統參數誘導的單一穩態過阻尼隨機共振存在以下缺點：(1)不同工況、故障類型必然導致不同時間、傳感器位置獲取的振動信號千差萬別，因此利用單一穩態隨機共振難以實現與多變振動信號之間的有效穩態匹配；(2)過阻尼隨機共振的噪聲響應具有洛倫茲分布形式，即噪聲能量向低頻區域聚集，致使其難以抑制多尺度噪聲，需依賴于高通濾波器進行預處理。若濾波器參數人為設置不當，可能造成系統輸出發散或故障的誤檢誤報；(3)尺度因子決定了隨機共振系統的響應頻帶特性，固定尺度因子容易造成隨機共振系統難以俘獲最多的噪聲能量實現故障特征的增強，甚至過寬的通頻帶致使系統共振響應殘留大量背景噪聲，干擾故障特征的提取與辨別。這些缺點已經限制了傳統參數誘導的單一穩態過阻尼隨機共振的早期故障微弱特征增強與提取能力。

發明內容

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參數誘導的欠阻尼穩態匹配隨機共振微弱特征增強方法，改善傳統參數誘導的單一穩態過阻尼隨機共振的機械早期故障微弱特征增強能力，從而實現機械裝備的故障診斷與運行維護。

為了達到上述目的，本發明采取的技術方案為：

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，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

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，

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：

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，

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；