壓縮感知及其在旋轉(zhuǎn)機(jī)械健康監(jiān)測中的應(yīng)用.pdf

1、旋轉(zhuǎn)機(jī)械作為大型裝備重要的組成部分，在裝備高效穩(wěn)定運(yùn)行過程中占據(jù)重要地位，其失效或者發(fā)生故障將會對裝備安全運(yùn)行和效能發(fā)揮造成重大影響。因此，研究旋轉(zhuǎn)機(jī)械的健康監(jiān)測對于保障裝備安全運(yùn)行和人員生命安全具有重要意義。隨著現(xiàn)代科技的不斷發(fā)展，裝備變得越來越復(fù)雜，要更為全面地評估裝備健康狀況就需要借助于更多類型、更多數(shù)量的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)。對于長期運(yùn)行的設(shè)備來說，實時地監(jiān)控裝備運(yùn)行狀態(tài)意味著長時間的不間斷連續(xù)采樣，該過程會產(chǎn)生海量的裝備狀態(tài)數(shù)據(jù)，一方

2、面會給數(shù)據(jù)存儲帶來巨大的壓力，對于需要遠(yuǎn)距離傳輸狀態(tài)數(shù)據(jù)到地面指揮站的裝備如戰(zhàn)斗機(jī)、直升機(jī)等，由于無線傳輸速率和帶寬的限制，海量數(shù)據(jù)也會加大數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾y度和壓力；另一方面，雖然數(shù)據(jù)量的增多可以提供更多裝備狀態(tài)信息，然而這些數(shù)據(jù)往往存在很大的冗余，因此獲得的數(shù)據(jù)越多，數(shù)據(jù)冗余量也就越大，這就會造成存儲和通信資源的巨大浪費(fèi)。同時，數(shù)據(jù)量越大，信號處理的負(fù)擔(dān)也就越重，計算代價也就越大。壓縮感知作為一種新型的狀態(tài)感知技術(shù)，在確保狀態(tài)信息量的同時

3、，只需采集少量的壓縮觀測值，可有效地緩解海量狀態(tài)數(shù)據(jù)的存儲和傳輸壓力，且由于低維壓縮觀測值中已包涵裝備運(yùn)行狀態(tài)信息，因此可直接用于裝備的健康監(jiān)測等。針對上述旋轉(zhuǎn)機(jī)械健康監(jiān)測中的問題，結(jié)合壓縮感知的特點(diǎn)，本文研究了壓縮感知技術(shù)在旋轉(zhuǎn)機(jī)械健康監(jiān)測中的應(yīng)用，主要工作如下。
　　（1）分析了壓縮感知基本理論和旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動信號的稀疏表示問題，構(gòu)建和分析了三類對振動信號擁有較好稀疏表示效果的字典，包括完備字典、固定的超完備字典以及基于字典學(xué)習(xí)

4、理論的超完備字典等，并分析了不同字典對振動信號的稀疏分解性能；研究了基于稀疏表示字典的振動數(shù)據(jù)壓縮方法和五種衡量振動數(shù)據(jù)壓縮效果的評價指標(biāo)，并基于此分析了適用于振動信號稀疏化的字典對振動數(shù)據(jù)的壓縮效果。
　　（2）提出了基于信號稀疏分解理論的軸承故障檢測和診斷方法，分別構(gòu)建了基于字典學(xué)習(xí)的軸承故障檢測模型和故障診斷模型，使用電機(jī)驅(qū)動端深溝球軸承運(yùn)行狀態(tài)振動數(shù)據(jù)對所提方法進(jìn)行了驗證，分析了稀疏表示誤差閾值和分解原子個數(shù)等對故障檢測和

5、診斷結(jié)果的影響。
　?。?）分析了直接使用壓縮感知觀測值實現(xiàn)信號檢測和分類的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)以及相應(yīng)的檢測與分類概率；分析了不同狀態(tài)振動信號頻域能量分布的區(qū)別，提出了基于信號頻域能量分布且直接使用壓縮感知觀測值的軸承故障檢測方法，使用電機(jī)驅(qū)動端深溝球軸承運(yùn)行狀態(tài)振動數(shù)據(jù)對該方法進(jìn)行驗證，并分析了壓縮觀測值數(shù)量等參數(shù)對檢測結(jié)果的影響。
　　（4）使用軸承不同狀態(tài)下的振動數(shù)據(jù)訓(xùn)練得到可分別表示相應(yīng)狀態(tài)振動信號的超完備字典，在這些不同類型

6、字典和稀疏分解理論的基礎(chǔ)上，提出了直接從低維壓縮觀測值出發(fā)且無需重構(gòu)原始信號的軸承故障檢測方法和軸承故障診斷方法，分析了閾值、觀測數(shù)量、稀疏度和壓縮觀測方式等因素對故障診斷結(jié)果的影響及其設(shè)置原則。
　?。?）提出了基于壓縮感知原理的振動數(shù)據(jù)修復(fù)方法。將數(shù)據(jù)丟失過程轉(zhuǎn)化為壓縮觀測過程，根據(jù)振動數(shù)據(jù)丟失行為的規(guī)律，構(gòu)建相應(yīng)的壓縮觀測向量和壓縮觀測矩陣并在此基礎(chǔ)上重構(gòu)原始完整信號實現(xiàn)振動數(shù)據(jù)的修復(fù)。使用仿真數(shù)據(jù)和電機(jī)驅(qū)動端深溝球軸承運(yùn)行

7、狀態(tài)振動數(shù)據(jù)對該方法進(jìn)行驗證，分析了不同丟失方式和丟失數(shù)據(jù)量對修復(fù)結(jié)果的影響。
　?。?）提出了基于壓縮感知原理的振動數(shù)據(jù)降噪方法。針對旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動數(shù)據(jù)的噪聲干擾問題，利用振動信號可通過某些字典實現(xiàn)稀疏化而噪聲信號在大多數(shù)字典上不能稀疏表示的特點(diǎn)，對受噪聲污染的振動信號執(zhí)行壓縮感知和信號重構(gòu)，在該轉(zhuǎn)化過程中實現(xiàn)振動數(shù)據(jù)降噪。使用齒輪仿真數(shù)據(jù)和電機(jī)驅(qū)動端深溝球軸承運(yùn)行狀態(tài)振動數(shù)據(jù)對所提方法進(jìn)行驗證，分析了使用不同字典時的降噪效果。<

8、br>　　綜上所述，本文研究了壓縮感知原理及其在旋轉(zhuǎn)機(jī)械健康監(jiān)測領(lǐng)域中的應(yīng)用。構(gòu)建了三類適用于振動數(shù)據(jù)稀疏表示的字典，分析結(jié)果表明這些字典均對軸承振動數(shù)據(jù)具有較好的稀疏分解效果；提出和驗證了基于信號稀疏分解理論的軸承故障檢測和診斷方法；分析了直接使用壓縮感知觀測值實現(xiàn)信號檢測和分類的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)以及相應(yīng)的檢測與分類概率，提出和驗證了直接使用低維壓縮感知觀測值的軸承故障檢測和診斷方法；提出了基于壓縮感知原理的振動數(shù)據(jù)修復(fù)方法和振動數(shù)據(jù)降噪方法