機(jī)械振動(dòng)源的分離和識(shí)別方法方法研究.pdf

1、機(jī)械系統(tǒng)振動(dòng)信號(hào)是各個(gè)振動(dòng)源信號(hào)和噪聲以不同方式的混合，借助現(xiàn)代信號(hào)處理理論和方法分離振動(dòng)源信號(hào)能有效提取故障特，從而提高故障診斷的準(zhǔn)確性。因此，機(jī)械系統(tǒng)振動(dòng)源的分離和識(shí)別對(duì)于機(jī)械系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。本文結(jié)合國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（863計(jì)劃，2008AA04Z410）-“超臨界、超超臨界大型汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)及其系統(tǒng)研究”和國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào)50675194)-“機(jī)械振動(dòng)

2、本底源信號(hào)半盲分離與重建方法的研究”，對(duì)機(jī)械系統(tǒng)振動(dòng)源的分離和識(shí)別方法開(kāi)展研究。論文主要研究了機(jī)械系統(tǒng)振動(dòng)源的盲分離和識(shí)別方法，結(jié)合盲源分離理論分析了機(jī)械系統(tǒng)振動(dòng)源及其傳播特性并闡述了盲源分離方法在機(jī)械振動(dòng)源的分離和識(shí)別中急須解決的源數(shù)估計(jì)、相關(guān)振動(dòng)源的盲分離和識(shí)別、觀測(cè)信號(hào)數(shù)小于振動(dòng)源數(shù)時(shí)振動(dòng)源的盲分離和識(shí)別和如何先驗(yàn)知識(shí)在振動(dòng)源盲分離和識(shí)別中的應(yīng)用等問(wèn)題，針對(duì)上述問(wèn)題開(kāi)展了相應(yīng)的研究，提出了一種單觀測(cè)振動(dòng)信號(hào)的源數(shù)估計(jì)方法、一種相關(guān)

3、振動(dòng)源的分離和識(shí)別方法、一種單觀測(cè)振動(dòng)信號(hào)的盲分離和識(shí)別方法和一種基于參考源約束的振源半盲分離和識(shí)別方法，并進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。本文主要的研究工作包括:
　　第1章概述了機(jī)械系統(tǒng)振動(dòng)源的分離和識(shí)別在機(jī)械系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷中的重要性，綜述了機(jī)械系統(tǒng)振動(dòng)源的分離和識(shí)別技術(shù)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，分析了現(xiàn)有機(jī)械振源分離與識(shí)別方法存在的問(wèn)題，論述了應(yīng)用盲源分離技術(shù)進(jìn)行機(jī)械振動(dòng)源分離和識(shí)別的必要性和重要性。綜述了盲源分離技術(shù)及其在機(jī)械振動(dòng)源

4、的分離和識(shí)別領(lǐng)域的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，提出了基于振動(dòng)源盲分離和識(shí)別的機(jī)械故障診斷架構(gòu)。最后根據(jù)機(jī)械振源的盲源分離和識(shí)別中存在的源數(shù)估計(jì)問(wèn)題、相關(guān)源的分離和識(shí)別問(wèn)題以及先驗(yàn)知識(shí)的應(yīng)用問(wèn)題，給出了本文的選題背景、主要研究?jī)?nèi)容、總體架構(gòu)和技術(shù)路線及創(chuàng)新點(diǎn)。
　　第2章根據(jù)盲源分離理論，從統(tǒng)計(jì)獨(dú)立性的角度分析了機(jī)械系統(tǒng)中“源”的概念，給出了一種機(jī)械系統(tǒng)振動(dòng)源的盲分離和識(shí)別中源信號(hào)的定義（本底振源）。以齒輪箱為例，研究了機(jī)械系統(tǒng)中振動(dòng)源產(chǎn)生的機(jī)

5、理及其傳播和混合特性，分析了機(jī)械系統(tǒng)中本底振源的來(lái)源和特性以及振動(dòng)模型。研究了現(xiàn)有的機(jī)械振動(dòng)源的分離和識(shí)別方法，分析了存在的問(wèn)題，提出了機(jī)械振動(dòng)源的盲分離和識(shí)別的體系架構(gòu)。
　　第3章分析了機(jī)械系統(tǒng)振動(dòng)觀測(cè)信號(hào)數(shù)與振動(dòng)源數(shù)之間的關(guān)系，研究了不同關(guān)系下的源數(shù)估計(jì)方法，分析了這些方法在估計(jì)機(jī)械系統(tǒng)中振動(dòng)源數(shù)時(shí)存在的問(wèn)題。針對(duì)機(jī)械系統(tǒng)振動(dòng)觀測(cè)信號(hào)小于振源數(shù)的情況，提出了一種基于EMD分解的單觀測(cè)振動(dòng)信號(hào)的源數(shù)估計(jì)方法。新方法通過(guò)對(duì)單觀測(cè)

6、振動(dòng)信號(hào)的EMD分解，構(gòu)造虛擬的多維觀測(cè)信號(hào)，將欠盲定的源數(shù)估計(jì)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為一般的源數(shù)估計(jì)問(wèn)題;再利用虛擬觀測(cè)信號(hào)相關(guān)矩陣的特征值，用BIC方法確定虛擬觀測(cè)信號(hào)中信號(hào)子空間的真實(shí)維數(shù)實(shí)現(xiàn)振動(dòng)源數(shù)的估計(jì)。仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的有效性。
　　第4章分析了機(jī)械振動(dòng)源的統(tǒng)計(jì)特性，研究了源相關(guān)性對(duì)傳統(tǒng)盲源分離方法的影響;分析了傳統(tǒng)盲源分離方法在機(jī)械振動(dòng)源的分離和識(shí)別中存在的問(wèn)題，針對(duì)機(jī)械系統(tǒng)中存在相關(guān)振動(dòng)源的問(wèn)題，提出了一種基于小波包分解的

7、相關(guān)機(jī)械振動(dòng)源的盲分離和識(shí)別方法。新方法利用獨(dú)立的局部觀測(cè)信號(hào)估計(jì)分離矩陣，從而能夠?qū)崿F(xiàn)相關(guān)機(jī)械振動(dòng)源信號(hào)的分離和識(shí)別，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)盲源分離方法無(wú)法有效分離和識(shí)別相關(guān)振動(dòng)源的不足。仿真試驗(yàn)驗(yàn)證了新方法的可行性和有效性。
　　第5章分析了機(jī)械振動(dòng)源的分離和識(shí)別中觀測(cè)信號(hào)數(shù)小于振源數(shù)的主要原因，研究了單觀測(cè)信號(hào)的盲源分離和識(shí)別的一般方法，分析了用小波分解構(gòu)造虛擬觀測(cè)信號(hào)局限性，研究了EMD方法并探討了其構(gòu)造虛擬振動(dòng)觀測(cè)信號(hào)可能性及其優(yōu)勢(shì)

8、;針對(duì)振動(dòng)觀測(cè)信號(hào)數(shù)小于振動(dòng)源數(shù)的問(wèn)題，提出了一種基于EMD分解的單觀測(cè)振動(dòng)信號(hào)的的盲源分離和識(shí)別方法，用單觀測(cè)振動(dòng)信號(hào)EMD分解得到的IMF估計(jì)觀測(cè)信號(hào)中源的個(gè)數(shù)，依據(jù)估計(jì)的源數(shù)選擇合適的IMF和原始觀測(cè)信號(hào)共同組成多維虛擬觀測(cè)振動(dòng)信號(hào)，從而將單觀測(cè)的盲源分離問(wèn)題轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)的盲源分離問(wèn)題;用傳統(tǒng)的盲源分離方法實(shí)現(xiàn)單觀測(cè)的盲源分離。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了新方法的可行性和有效性。
　　第6章研究了CICA方法和ICA-R方法，深入分析了ICA-

9、R方法的性質(zhì)及其性能的影響因素，分析了一般機(jī)械振動(dòng)源的盲分離和識(shí)別方法的不足之處，針對(duì)一般機(jī)械振動(dòng)源的盲分離和識(shí)別方法先全部分離后識(shí)別的問(wèn)題，提出一種基于參考源約束的機(jī)械振動(dòng)源的半盲分離與識(shí)別方法;用目標(biāo)振動(dòng)源的先驗(yàn)知識(shí)構(gòu)造參考源信號(hào)，通過(guò)接近性測(cè)度設(shè)定閾值在ICA方法增加不等式約束，同時(shí)實(shí)現(xiàn)機(jī)械振源分離和識(shí)別;針對(duì)參考源信號(hào)構(gòu)造和閾值的設(shè)定問(wèn)題，提出了機(jī)械振源的ICA-R分離和識(shí)別改進(jìn)方法，用源信號(hào)的先驗(yàn)知識(shí)構(gòu)造一組不同相位的參考源信