[發明專利]基于定制化NARX建模的旋轉機械故障特征在線評估方法

在審

• 申請號: 202211343112.8
• 申請日: 2022-10-31
• 公開（公告）號: CN115683628A
• 公開（公告）日: 2023-02-03
• 發明（設計）人: 趙宇來;韓清凱;王浩博;林君哲;韓朔;劉楊
• 申請（專利權）人: 東北大學
• 主分類號: G01M13/045
• 分類號: G01M13/045;G01B7/02
• 代理公司: 沈陽東大知識產權代理有限公司 21109
• 代理人: 李在川

本發明提供一種基于定制化NARX建模的旋轉機械故障特征在線評估方法，利用諧波乘積譜確定轉子徑向振動信號的實時轉頻，并進行去趨勢化和低通濾波，結合最小二乘法提取感興趣的前n階諧波分量的幅值和相位，對感興趣的前m階諧波分量進行信號重構并作為輸出，將相應的周期性不平衡力作為輸入，并與輸出進行同步降采樣，然后利用前向正交最小二乘法辨識出定制化NARX模型，利用廣義相關線性函數方法評估定制化NARX模型的NOFRFs，并將該特征或其衍生特征作為健康指標用于轉子系統的狀態評價。本發明較好地解決了傳統NARX模型辨識過程中容易發生過擬合且因強噪聲導致的模型準確性不高甚至不收斂的問題，能夠讓使用者更加準確的提取出系統的微弱故障特征。

技術領域

本發明涉及故障診斷技術領域，具體涉及一種基于定制化NARX建模的旋轉機械故障特征在線評估方法。

背景技術

旋轉機械在裝配過程中以及服役期間，各零部件裝配質量以及運行狀態將對轉子系統的服役性能產生重要影響。如果在服役前期或者故障發展初期，這些微弱故障不被及時發現，而任其發展，不僅會縮短零部件的使用壽命，還會導致轉子系統服役性能的下降，最終導致產品質量的下降，嚴重還會導致安全事故的發生。因此，通過在線監測手段及時發現旋轉機械系統中的裝配質量問題以及運行期間的損傷故障狀態對于保證產品質量和生產安全來說尤為重要。基于此，學者們做了大量的研究以找出適合的在線條件監測方法來指導工程實際。傳統有時域、頻域、時頻域、以及軸心軌跡等方法來監測旋轉機械系統的運行狀態。這些方法雖然對系統的狀態監測提供了幫助，但這些方法受運行條件以及噪聲的影響嚴重，不能有效地監測轉子系統的運行狀態，特別是故障或者損傷發展初期。

近些年，以非線性分析方法為主的狀態監測手段逐漸引起了學者們的廣泛關注。基于Volterra級數提出的非線性輸出頻率響應函數(Nonlinear Output FrequencyResponse Functions,NOFRFs)能夠有效地提取出系統中的非線性故障特征(參見文獻：Z.Q.Lang,S.A.Billings,Energy transfer properties of non-linear systems in thefrequency domain,Int.J.Electr.Power Energy Syst.1(2015)60-67.)，并且已經在系統設計和故障診斷等領域進行了具體應用(參見文獻：Z.K.Peng,Z.Q.Lang,C.Wolters,S.A.Billings,K.Worden,Feasibility study of structural damage detection usingNARMAX modelling and nonlinear output frequency response function basedanalysis,Mech.Syst.Signal Process.25(2011),1045-1061.)。相比于傳統方法，非線性輸出頻率響應函數更能適應復雜的運行條件，對輸入條件以及噪聲具有更高的魯棒性。在此基礎上，朱云鵬提出了一種用于在線條件監測的基于NARX模型的NOFRFs評估方法，并將其用于機械系統及其關鍵零部件的運行狀態監測(參見文獻：Y.P.Zhu,Z.Q.Lang,H.L.Mao,H.Laalej,Nonlinear output frequency response functions:A new evaluationapproach and applications to railway and manufacturing systems’conditionmonitoring,Mech.Syst.Signal Process.163(2022),108179.)，實驗結果顯示新的非線性輸出頻率響應函數評估方法能夠滿足在線條件監測的需求。

通過進一步的研究發現，通過NARX(Nonlinear Auto Regressive witheXogenous inputs,非線性有源自回歸)模型評估的非線性輸出頻率響應函數及其相關指標受噪聲影響嚴重，嚴重影響特征的準確性和魯棒性。但可以通過本發明中提出的一種定制化NARX建模方法對非線性輸出頻率響應函數的評估做進一步改進，從而使系統故障特征的準確性和魯棒性得到增強。

發明內容