[發明專利]一種基于數據驅動NRSF的轉子系統故障辨識方法

有效

• 申請號: 202110832214.5
• 申請日: 2021-07-22
• 公開（公告）號: CN113761674B
• 公開（公告）日: 2023-09-08
• 發明（設計）人: 朱云鵬;高屹;羅忠;仇越;周廣澤
• 申請（專利權）人: 東北大學
• 主分類號: G06F30/17
• 分類號: G06F30/17;G06F30/20;G06F119/02
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 陳玲玉

一種基于數據驅動NRSF的轉子系統故障辨識方法，該方法通過多諧波信號建立轉子系統的數據驅動模型，并利用NRSF以及相應指標對數據驅動模型進行評估。將數據驅動的頻域分析方法有效應用于轉子系統領域，同時無需考慮頻率響應截斷階數的影響，操作方便，魯棒性好，為轉子系統故障辨識提供了一條有效途徑。利用多諧波輸入輸出信號建立NARX模型表征轉子系統在監測頻率范圍內的頻域特征，實現了數據驅動的頻域分析方法在轉子系統領域的應用。時域平均數據處理過程依據周期起始零點對數據分段，保證疊加后各段數據相位的一致性，同時有利于多諧波信號的時域拼接，拼接結果光滑且展現信號的統一規律，為NARX模型對轉子系統的表征能力提供保障。

技術領域

本發明屬于旋轉機械技術領域，涉及一種基于數據驅動NRSF的轉子系統故障辨識方法。

背景技術

轉子系統是生產生活中應用十分廣泛的一類機械系統，如航空發動機、汽輪機、壓縮機、風機、水泵等，同時在航空航天、能源、電力、交通等工業領域中發揮著重要作用。轉子系統作為旋轉機械的核心部件，工作時往往會產生振動現象，且常常由于出現各種不同形式的振動故障而影響其正常工作，有時甚至會發生嚴重的機毀人亡事故，造成重大的經濟損失。

由于結構系統動力學行為能反映結構內部情況，所以振動信號的改變往往可以用來作為結構損傷探測的切入點。且由于振動測試法具有信號易提取、無損傷、測點無需苛刻要求受到許多研究人員的重視也應廣泛用于實際轉子系統監測問題中。很多前人的研究已經表明，轉子系統故障的存在通常會引入非線性動力學結構特點,例如，轉子系統碰磨故障、不對中故障以及裂紋故障都會引起系統響應中基頻以外的倍頻成分。而這些非線性特征可以使用基于Volterra級數的方法GFRF(廣義頻率響應函數Generalized?FrequencyResponse?Function)和NOFRF(非線性輸出頻率響應函數Nonlinear?Output?FrequencyResponse?Function)系統地研究。GFRF是一種多維函數，計算時通常會引起維數災難，為了解決這個問題，一種新的非線性動力學特性頻域表示方法NOFRF被提出，其最大優點在于它的表示形式是一維的，更便于理解與應用，且已有大量學者將NOFRF的概念應用于轉子系統故障診斷的分析中。

如文獻《基于非線性輸出頻率響應函數的轉子不對中-碰摩耦合故障診斷方法研究》(DOI：10.3901/JME.2019.19.084)中，非線性輸出頻率響應函數對轉子系統故障有明顯的表征能力。現有技術通常通過對系統的頻率響應截斷至前四階，之后再用最小二乘法計算前四階的NOFRF，此過程需要進行多次測試且要求強度不同但相差不大的同頻信號激勵系統，條件嚴格不便于在實際轉子系統上操作。專利《基于非線性輸出頻率響應函數的結構損傷檢測方法》(CN102520070A)中介紹了一種基于數據驅動的NOFRF方法，首先利用輸入和輸出數據識別系統的數據驅動模型，無需先驗得知系統的內部結構，通過數據對系統進行表征，然后根據數據驅動模型對NOFRF進行評估，避免了實踐過程的復雜要求。

目前基于頻率響應函數的故障分析方法在轉子系統領域仍存在一些局限性：一方面在實際檢測時，NOFRF需要進行多次測試且要求強度不同但相差不大的同頻信號激勵系統，條件嚴格不便于實際操作。同時，計算NOFRF時系統頻率響應的合理截斷階數往往未知，盲目選取截斷階數會影響計算結果的準確性。

另一方面，現存的基于數據驅動的頻域分析方法只適用于系統輸入是隨機激勵或白噪聲激勵的條件，并不適用于轉子系統。

發明內容

為了解決上述問題，本發明提供一種基于數據驅動NRSF(非線性響應譜函數Nonlinear?Response?Spectrum?Function)的轉子系統故障辨識方法。該方法通過多諧波信號建立轉子系統的數據驅動模型，并利用一個新的頻域分析工具——NRSF以及相應指標對數據驅動模型進行評估。本發明將數據驅動的頻域分析方法有效應用于轉子系統領域，同時無需考慮頻率響應截斷階數的影響，操作方便，魯棒性好，為轉子系統故障辨識提供了一條有效途徑。

本發明通過以下技術方案實現：