[發(fā)明專利]一種克服非階次頻率成分干擾的階次分析方法

有效

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• 申請日: 2019-07-18
• 公開（公告）號: CN110376437B
• 公開（公告）日: 2020-04-24
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 陳小旺;馮志鵬
• 申請（專利權(quán)）人: 北京科技大學(xué)
• 主分類號: G01R23/165
• 分類號: G01R23/165;G01H17/00
• 代理公司: 北京市廣友專利事務(wù)所有限責任公司 11237
• 代理人: 張仲波

本發(fā)明提供一種克服非階次頻率成分干擾的階次分析方法，包括：對采集到的旋轉(zhuǎn)機械設(shè)備信號進行時頻分析，得到時頻分布矩陣；將得到的時頻分布矩陣的每一行提取為獨立的一維行信號；利用傅里葉變換代理測試，以及瞬時頻率熵量化指標，判斷提取的一維行信號是否對應(yīng)真實頻率成分；對判斷出的真實頻率成分進行重構(gòu)，得到非階次頻率成分的時域波形；從原始的旋轉(zhuǎn)機械設(shè)備信號中減去非階次頻率成分；根據(jù)旋轉(zhuǎn)機械設(shè)備的轉(zhuǎn)速信號進行角域重采樣，對重采樣后的信號進行快速傅里葉變換，得到去除非階次頻率成分的階次譜。本發(fā)明能夠有效提高階次譜分析的準確性，避免非階次成分影響，對于旋轉(zhuǎn)機械的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷，具有重要的理論意義和應(yīng)用價值。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及信號時變特征提取技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種克服非階次頻率成分干擾的階次分析方法。

背景技術(shù)

信號特征提取技術(shù)，是航空航天、能源動力等領(lǐng)域的關(guān)鍵共性技術(shù)之一。通過準確分析機械裝備的振動、噪聲等信號的幅值和頻率結(jié)構(gòu)，能夠揭示復(fù)雜裝備的運行特征及內(nèi)部組件的健康狀態(tài)。由于在實際的工程應(yīng)用中，許多裝備在時變工況下運行，所采集的信號呈現(xiàn)時變頻率結(jié)構(gòu)特點。常用的頻譜分析方法不具備揭示時變頻率結(jié)構(gòu)的能力，時變信號特征提取方法，是解決諸多領(lǐng)域精密狀態(tài)識別與監(jiān)測診斷的關(guān)鍵難點之一。

階次分析方法將一系列互成比例的時變頻率成分表達為某個參照成分的倍數(shù)關(guān)系的譜圖，即階次譜。其中每個階次峰值對應(yīng)于與參照頻率成階次倍數(shù)關(guān)系的時變頻率成分，從而將時間-頻率二維信息簡化為階次信息。階次分析方法適合于分析時變頻率結(jié)構(gòu)信號，尤其在旋轉(zhuǎn)機械信號分析領(lǐng)域受到廣大關(guān)注，因為旋轉(zhuǎn)機械中的信號成分多與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)頻成倍數(shù)關(guān)系，通過階次譜能夠直觀簡單地識別時變的信號結(jié)構(gòu)。計算階次分析方法不需要額外的硬件控制等角度采樣，而是通過重采樣的方法將等時間間隔采樣的信號轉(zhuǎn)換為等角度采樣信號，從而使得到的等角度采樣信號中轉(zhuǎn)速相關(guān)的時變頻率成分轉(zhuǎn)化為固定的頻率階次，以進行階次譜分析。中國發(fā)明專利201410253655.X公布了一種基于等角度重采樣階次分析的風電機組齒輪故障診斷方案。首先，求取所采集振動信號的時頻譜圖；其次，根據(jù)脊線提取算法，擬合瞬時頻率曲線，生成等角度鍵相時標；進一步基于鍵相時標對振動信號進行等角度插值重采樣，并對重采樣后的等角度信號進行快速Fourier變換，得到階次譜；最后，通過分析階次譜中特征階次結(jié)構(gòu)及幅值大小，確定風電機組發(fā)生故障的部件及故障程度。

上述方法的特點是能夠利用譜圖較為直觀地分析時變的頻率結(jié)構(gòu)信息，但無法避免非階次頻率成分造成的干擾，使得所得的階次譜中，除了噪聲干擾外，還存在虛假的階次成分。定義與脊線提取得到的瞬時頻率曲線成倍數(shù)關(guān)系的頻率成分為階次成分，其余頻率成分為非階次成分。實際實施過程中，只有階次成分在重采樣過程中被轉(zhuǎn)化為角域平穩(wěn)信號，即能夠在譜圖中表現(xiàn)為清晰的譜峰；而實際信號中還存在著非階次成分，如振動信號中的共振頻率成分等，這些非階次成分經(jīng)過重采樣后，仍然表現(xiàn)為角域的時變成分，在階次譜中呈現(xiàn)寬帶分布。這些非階次成分在階次譜中造成虛假的寬帶峰值干擾，容易誤導(dǎo)特征提取與狀態(tài)判斷，使得階次分析結(jié)果不準確。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種克服非階次頻率成分干擾的階次分析方法，在角域重采樣前，識別、定位、重構(gòu)并移除非階次成分，克服由于非階次成分導(dǎo)致的階次譜干擾，從而得到更為準確的信號時變頻率特征表示，適用于旋轉(zhuǎn)機械裝備的狀態(tài)監(jiān)測故障診斷等領(lǐng)域。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的實施例提供一種克服非階次頻率成分干擾的階次分析方法，包括以下步驟：

S1、對采集到的旋轉(zhuǎn)機械設(shè)備信號進行時頻分析，得到時頻分布矩陣；

S2、將得到的時頻分布矩陣的每一行提取為獨立的一維行信號；

S3、利用傅里葉變換代理測試，以及瞬時頻率熵量化指標，判斷提取的一維行信號是否對應(yīng)真實頻率成分；

S4、對判斷出的真實頻率成分進行重構(gòu)，得到非階次頻率成分的時域波形；