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非平稳信号特征提取新方法和实用诊断技术的研究

作　者: 李强
导　师: 王太勇
学　校: 天津大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 非平稳信号变步长随机共振经验模式分解循环平稳特征提取故障诊断
分类号: TH17
类　型: 硕士论文
年　份: 2005年
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内容摘要

故障的发生和发展、设备工况的变化以及设备自身的非线性,使机械设备的动态信号表现出非平稳性。如果对非平稳信号进行有效的消噪、分解和解调,提取有用信息,抑制其他成分的干扰,将有助于提高信号的信噪比和诊断信息的质量。本课题以回转机械和往复机械为对象,研究了基于非平稳信号特征提取原理的多种故障诊断实用技术。针对绝热近似小参数随机共振难以满足工程实践中大参数下的弱信号检测,及当前研究主要集中于单一频率共振分析的问题,本文提出了一种新的变步长随机共振数值算法。该算法在大参数条件下可对淹没在强噪声中的多个弱信号产生共振输出。同时,作为小波分析的预处理,它可以有效抑制小波分析中由强噪声引起的边频干扰,提高小波分析在低信噪比信号检测中的可靠性。经验模式分解方法是一种新的非线性非平稳信号分析工具。该方法基于信号的局部特征,可以根据信号自身的时间特征尺度进行自适应分解,得到若干个基本模式分量。本文研究了基于经验模式分解的时频分析理论及算法。通过对分解得到的各基本模式分量进行Hilbert变换,就可以得到信号的瞬时频率,从而给出信号频率变化的精确表达。信号最终以Hilbert时频谱的形式表示为时频平面上的能量分布。旋转机械振动信号的非平稳性常表现为统计特性呈周期性的循环平稳。本文在对循环自相关解调及其性能分析的基础上,提出了基于经验模式分解的分频带循环自相关解调方法。该方法有效地抑制了多调制源和多载波对循环平稳结果带来的交叉项干扰,提高了分析的可靠性。将该方法应用于滚动轴承的故障诊断中,成功地从振动信号中分离出故障源。作为本课题关键技术的载体,本文总结了作者在开发基于LabVIEW的振动信号分析系统中运用的一些实用技术,提出了一种基于频域积分的振动参量转换修正算法,为设备动态信息的完整性和准确性提供了技术上的支持和保障。

全文目录

第一章绪论  9-20
  1.1 选题意义  9-11
  1.2 状态监测与故障诊断技术的现状与进展  11-16
    1.2.1 故障信息的获取  11-12
    1.2.2 故障机理及故障征兆研究  12-13
    1.2.3 信号分析与特征提取技术  13-15
    1.2.4 故障判断与决策方法  15-16
  1.3 基于LabVIEW的振动信号分析系统的开发  16-17
  1.4 课题的来源和研究内容  17-20
    1.4.1 课题的目的、意义和来源  17-18
    1.4.2 论文的主要工作和全文章节安排  18-20
第二章变步长随机共振理论及其应用  20-34
  2.1 引言  20-21
  2.2 随机共振基本原理  21-24
  2.3 变步长随机共振  24-25
  2.4 变步长随机共振在小波分析中的应用  25-29
    2.4.1 小波变换  25-26
    2.4.2 低信噪比信号的小波变换结果优化  26-29
  2.5 工程应用  29-32
  2.6 小结  32-34
第三章基于EMD的时频分析理论及其应用  34-50
  3.1 引言  34-35
  3.2 基本模式分量  35-37
    3.2.1 瞬时频率的概念  35-36
    3.2.2 基本模式分量  36-37
  3.3 EMD方法的基本原理和算法  37-42
    3.3.1 EMD方法的基本原理  37-39
    3.3.2 EMD方法的完备性和正交性  39-41
    3.3.3 EMD的基本算法  41-42
  3.4 基于EMD的希尔伯特变换(HHT)的基本原理和算法  42-47
    3.4.1 基于EMD的希尔伯特变换的基本原理  42-43
    3.4.2 基于EMD的希尔伯特变换的算法  43-44
    3.4.3 基于EMD的时频分析方法的仿真验证  44-47
  3.5 工程应用  47-49
  3.6 小结  49-50
第四章循环平稳理论及其应用  50-64
  4.1 引言  50
  4.2 循环平稳理论基础  50-53
    4.2.1 循环平稳信号  51-52
    4.2.2 正弦波抽取运算  52
    4.2.3 循环频率  52-53
  4.3 非平稳信号的二阶循环统计特性  53-55
    4.3.1 循环自相关函数  53-54
    4.3.2 循环平稳度函数  54-55
  4.4 非平稳信号二阶循环平稳特性的仿真分析  55-56
  4.5 循环自相关解调及其性能分析  56-57
    4.5.1 调幅信号的解调性能分析  56
    4.5.2 调频信号的解调性能分析  56-57
  4.6 工程应用  57-62
  4.7 小结  62-64
第五章基于LabVIEW的振动信号分析系统的开发  64-81
  5.1 引言  64-65
  5.2 基于LabVIEW的振动信号分析系统的总体设计方案  65-67
    5.2.1 分布式在线监测与诊断系统的结构模型  65-66
    5.2.2 基于LabVIEW的振动信号分析系统的总体结构  66-67
  5.3 振动信号分析系统的软件功能  67-71
    5.3.1 单信号分析  68-70
    5.3.2 多信号分析  70
    5.3.3 信号发生器  70-71
  5.4 基于频域积分的振动参量转换修正算法  71-75
    5.4.1 振动信号趋势项对软件积分的影响  71-72
    5.4.2 基于频域积分的波形基线修正算法  72-74
    5.4.3 算法应用实例  74-75
  5.5 振动信号分析系统中的新分析方法的实现  75-80
    5.5.1 MATLAB脚本节点  75-76
    5.5.2 动态链接库的调用  76
    5.5.3 软件实例  76-80
  5.6 小结  80-81
第六章结论与展望  81-83
参考文献  83-89
发表论文和科研情况说明  89-90
致谢  90

非平稳信号特征提取新方法和实用诊断技术的研究

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