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《重庆大学》 2010年
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旋转机械非平稳信号微弱特征提取方法研究

蒋永华  
【摘要】:基于振动信号处理的特征提取方法是旋转机械故障特征提取最常用方法。由于旋转机械在运行中受到多种因素的影响,其振动信号往往是非平稳信号,另外,现场采集的信号经常受到各种噪声干扰的影响,有用信号往往被淹没在强噪声背景中,因此,非平稳信号的微弱故障特征提取是当前的一个研究热点。本文基于小波变换、HHT、重分配尺度谱和魏格纳时频谱等时频分析方法,以及奇异值分解(SVD)、形态滤波等降噪技术,提出了三类旋转机械非平稳信号微弱故障特征提取方法,并将这些微弱特征提取方法与支持向量机(SVM)相结合应用于旋转机械的故障诊断中。本文的主要研究内容如下: 在波形特征提取方面,研究了基于小波变换的微弱特征提取方法。利用小波变换的滤波特性和Morlet小波良好的时域和频域特性,提出了一种基于参数优化Morlet小波变换的微弱故障特征提取方法。利用最小Shannon熵方法优化Morlet小波的带宽参数,实现其与冲击特征成分的较优匹配,再根据小波系数矩阵的奇异值曲线中主要反映突变信息的过渡阶段求得最佳变换尺度。进一步的研究发现该方法依然存在着不足,为此对其进行了改进,提出了一种基于尺度周期性指数谱(SPE)的自适应Morlet小波微弱特征提取方法,利用修正的Shannon熵方法同时优化Morlet小波的中心频率与带宽参数,实现其与冲击特征成分的最优匹配,再根据得到的SPE谱求得最佳的小波变换尺度。试验信号分析和实际工程应用结果验证了该方法的有效性和优越性。 在谱图特征提取方面,对基于重分配谱的微弱特征提取方法进行了系统的研究。针对重分配小波尺度谱存在着时、频分辨率不能同时达到最佳及当振动信号中存在着能量较大的噪声时会降低其时频分布可读性的缺陷,提出了一种重分配小波尺度谱的时频分布优化方法。首先优化重分配尺度谱基函数的时间-带宽积(TBP),克服其时、频分辨率不能同时达到最佳的缺陷,再对重分配尺度谱进行SVD降噪降低噪声干扰影响,提高其时频分布的可读性。针对魏格纳时频谱存在的问题,提出了一种基于重分配魏格纳时频谱和SVD的微弱特征提取方法。利用重分配算法对魏格纳时频谱进行重分配,提高魏格纳时频谱的时频聚集性,再对重分配时频谱进行SVD降噪,提高其谱图的可读性。此外,针对基于小波尺度谱的模极大值法提取小波脊线存在着受噪声干扰影响大、高频部分频率分辨率低等不足,提出了一种基于最优重分配小波尺度谱的小波脊线提取方法,并将其应用于齿轮箱的故障分析中。 在瞬时特征提取方面,研究了基于形态奇异值分解和HHT的微弱特征提取方法。针对现场采集信号中的随机噪声和局部强干扰影响EMD分解质量的问题,提出一种形态奇异值分解滤波消噪方法,并将其与HHT相结合形成一种新的微弱故障特征提取方法。该方法首先对原始振动信号进行相空间重构和奇异值分解,根据奇异值分布曲线确定降噪阶次进行SVD降噪,再形态滤波,最后把消噪后的信号进行EMD分解,利用本征模模态分量(IMF)提取故障特征信息。对仿真信号和试验信号的应用分析结果表明,该方法能有效提取微弱故障特征,还可以减少EMD的分解层数和边界效应,提高EMD分解的时效性和精确度。 在故障诊断方面,研究了基于微弱特征提取和支持向量机(SVM)的故障诊断方法。利用SVM出色的多类分类性能和小生境遗传算法优化参数的全局寻优能力,分别结合自适应Morlet小波变换和形态奇异值分解-EMD的微弱特征提取方法,实现了基于微弱特征提取和遗传优化SVM的故障诊断方法,滚动轴承故障诊断实例验证了其有效性和可行性。 在软件开发方面,研发了基于本文所提方法的非平稳信号微弱特征提取模块。采用面向对象的编程技术以及VC++开发工具,设计开发了该模块,为旋转机械微弱特征提取和故障诊断提供了一个有效的分析工具,并通过实际应用验证了该模块的有效性和实用性。 文章最后对本文的工作进行了总结,并展望了下一步的研究方向。
【学位授予单位】:重庆大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TN911.7

【引证文献】
中国期刊全文数据库 前3条
1 李宏坤;练晓婷;周帅;;小波尺度谱同步平均在弱信息识别中的应用[J];机械工程学报;2013年05期
2 梅检民;肖云魁;曾锐利;李枫;任金成;;基于分数阶聚能带分析的微弱故障特征提取研究[J];振动与冲击;2013年17期
3 蒋永华;程光明;阚君武;宣仲义;马继杰;张忠华;;基于NGA优化SVM的滚动轴承故障诊断[J];仪器仪表学报;2013年12期
中国硕士学位论文全文数据库 前3条
1 吕鹏;有色噪声的特征提取及其在电动机故障诊断中的应用[D];陕西科技大学;2012年
2 唐富强;经验模式分解在机车柴油机齿轮系故障诊断中的应用研究[D];北京交通大学;2012年
3 杨鑫;列车转向架轴承服役过程监测与故障诊断系统研究[D];北京交通大学;2012年
【参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 刘贵喜,扬万海,谢仕聘;光纤电流传感器微弱信号检测技术[J];半导体光电;1998年02期
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7 张亚楠;魏武;武林林;;基于小波包Shannon熵SVM和遗传算法的电机机械故障诊断[J];电力自动化设备;2010年01期
8 李惠玲;盛万兴;张学仁;孟晓丽;;改进小生境遗传算法在电力系统无功优化中的应用[J];电网技术;2008年17期
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10 盖强,张海勇,徐晓刚;Hilbert-Huang变换的自适应频率多分辨分析研究[J];电子学报;2005年03期
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 赵冲冲;基于支持向量机的旋转机械故障诊断[D];西北工业大学;2003年
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7 毛永芳;机械测试中多分量信号特征提取方法的研究[D];重庆大学;2008年
8 徐春生;微弱信号检测及机械故障诊断系统研究[D];天津大学;2008年
9 彭兵;基于改进支持向量机和特征信息融合的水电机组故障诊断[D];华中科技大学;2008年
10 刘美容;基于遗传算法、小波与神经网络的模拟电路故障诊断方法[D];湖南大学;2009年
【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 李祥阳;严洁;;往复机构混沌振动响应特征辩识[J];四川有色金属;2010年02期
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4 许光溱,董龙歧;柴油机运转危险状态故障树分析[J];安徽农学院学报;1990年03期
5 王希民,平鹏,徐泽宁,陈奉生,杜百禄;摆线针轮行星减速器点蚀故障的诊断[J];鞍山钢铁学院学报;1994年04期
6 曾喜娟;庄其仁;;光纤光栅传感器锁定放大电路的设计[J];鞍山师范学院学报;2010年06期
7 王永进;兰中文;余忠;郑飞雁;;GMR生物传感器的原理及研究现状[J];微纳电子技术;2007年Z1期
8 谢飞;唐小萍;胡松;严伟;;纳米检焦中双相锁相放大器的Simulink建模与仿真[J];微纳电子技术;2010年09期
9 高万良;;故障诊断在烧结SJ9000风机中的应用实例分析[J];包钢科技;2008年01期
10 赵冬青;;HHT在发动机实验数据处理中的应用[J];车辆与动力技术;2011年02期
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1 叶庆卫;汪同庆;叶俊勇;;基于振型小波构造的振动信号分析[A];第二十七届中国控制会议论文集[C];2008年
2 钱苏翔;焦卫东;胡红生;;某海洋油气平台压缩机振动信号的时频分析与故障诊断[A];第二十九届中国控制会议论文集[C];2010年
3 李健宝;彭涛;;基于EMD与相关性分析的滚动轴承智能故障诊断[A];第二十九届中国控制会议论文集[C];2010年
4 王志强;;离心压缩机动静碰摩的研究与分析[A];科学发展与社会责任(A卷)——第五届沈阳科学学术年会文集[C];2008年
5 尚中锋;张青云;陈海永;王书潜;张永怀;;基于车载激光甲烷泄漏检测系统[A];2011中国仪器仪表与测控技术大会论文集[C];2011年
6 魏静;朱欣华;褚鸿杰;苏岩;;热流微机械陀螺仪检测电路[A];中国仪器仪表学会第十三届青年学术会议论文集[C];2011年
7 孙红;李民赞*;郑立华;赵瑞娇;安晓飞;邓晓蕾;;基于小波消噪光谱的冬小麦生长期叶绿素含量检测[A];中国农业工程学会2011年学术年会论文集[C];2011年
8 徐建立;杨飞宇;;基于声音信号的结构损伤识别方法[A];2011年全国失效分析学术会议论文集[C];2011年
9 温广瑞;刘石;张西宁;李兵;;基于多传感信息的转子无试重现场动平衡方法研究[A];机械动力学理论及其应用[C];2011年
10 曹宏瑞;何正嘉;;高速滚动轴承力学特性建模与损伤机理分析[A];第十届全国振动理论及应用学术会议论文集(2011)上册[C];2011年
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1 苏成志;瞄准具传光能力评价及测试方法的研究[D];长春理工大学;2010年
2 王婷;EMD算法研究及其在信号去噪中的应用[D];哈尔滨工程大学;2010年
3 吴冬梅;基于达芬振子的微弱信号检测方法研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
4 陈世同;高精度光纤陀螺建模及信号处理技术研究[D];哈尔滨工程大学;2009年
5 李关防;模态域信号处理在水声中的应用[D];哈尔滨工程大学;2009年
6 罗清林;抗强振动干扰数字涡街流量计信号处理方法研究与低功耗实现[D];合肥工业大学;2010年
7 黄伟国;基于振动信号特征提取与表达的旋转机械状态监测与故障诊断研究[D];中国科学技术大学;2010年
8 岑健;基于人工免疫系统的机组复合故障诊断技术研究[D];华南理工大学;2010年
9 赵晓丹;基于非先验函数系的信号识别[D];江苏大学;2010年
10 王宇;机械噪声监测中盲信号处理方法研究[D];昆明理工大学;2010年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 高昌鑫;Hilbert-Huang变换改进算法及其在齿轮箱故障诊断中的应用研究[D];河南理工大学;2010年
2 彭学文;双层钢管瞬变电磁检测技术研究[D];南昌航空大学;2010年
3 张亮;基于小波变换与希尔伯特黄变换的心音信号分析[D];山东科技大学;2010年
4 徐国栋;智能压力变送器的研究[D];山东科技大学;2010年
5 丁雷;白鼠脑电信号远控采集处理系统的设计与研究[D];山东科技大学;2010年
6 王文栋;GEP及SVM融合的分类技术研究[D];广西师范学院;2010年
7 钮庆良;时间分辨光谱技术在免疫分析中的应用[D];长春理工大学;2010年
8 张磊涛;HHT在结构健康监测中的应用研究[D];浙江理工大学;2010年
9 葛松林;基于CAN总线的纺织小张力智能传感器的研究[D];浙江理工大学;2010年
10 韩冬振;远程诊断中心的设计与实现[D];郑州大学;2010年
【同被引文献】
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1 朱明星,张德龙;RBF网络基函数中心选取算法的研究[J];安徽大学学报(自然科学版);2000年01期
2 申艳;王新民;陈后金;郝晓莉;;数字高斯白噪声的频域和时域特性分析[J];北京交通大学学报;2011年03期
3 赵兴浩,邓兵,陶然;分数阶傅里叶变换数值计算中的量纲归一化[J];北京理工大学学报;2005年04期
4 蔡振雄;李玩幽;李寒林;;利用振动噪声信号诊断柴油机故障研究的现状与发展[J];船舶工程;2006年05期
5 徐靖涛;王金根;;基于MATLAB的语音信号分析和处理[J];重庆科技学院学报(自然科学版);2008年01期
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7 张亚楠;魏武;武林林;;基于小波包Shannon熵SVM和遗传算法的电机机械故障诊断[J];电力自动化设备;2010年01期
8 徐小兵;沈勇;邬宁;;IIR数字粉红噪声滤波器的优化设计[J];电声技术;2005年12期
9 黄松华;马静;邱小军;;数字粉红噪声生成研究[J];电声技术;2006年11期
10 祁家堃;;音响设备开发使用中应进退取舍有据[J];电声技术;2008年03期
中国博士学位论文全文数据库 前8条
1 黄伟国;基于振动信号特征提取与表达的旋转机械状态监测与故障诊断研究[D];中国科学技术大学;2010年
2 赵玲;旋转机械系统故障特征提取中的分形方法研究[D];重庆大学;2010年
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7 冯志刚;自确认压力传感器的研究[D];哈尔滨工业大学;2009年
8 苏文胜;滚动轴承振动信号处理及特征提取方法研究[D];大连理工大学;2010年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 李青松;基于定子电流分析的机车牵引电机轴承故障诊断[D];北京交通大学;2011年
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3 高云超;希尔伯特—黄变换方法的仿真研究[D];哈尔滨工程大学;2005年
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6 郭斌;分数阶Fourier变换的基本原理与应用[D];电子科技大学;2006年
7 冯坤;振动信号处理技术及其在机械故障诊断中的应用[D];北京化工大学;2006年
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9 黄志强;声信号在小型柴油机故障诊断上的应用[D];福建农林大学;2006年
10 任玥;基于Hilbert-Huang变换的滚动轴承智能诊断方法研究[D];西南交通大学;2007年
【二级引证文献】
中国期刊全文数据库 前4条
1 薛光辉;赵新赢;吉晓冬;;基于冲击脉冲法滚动轴承状态监测研究[J];煤炭工程;2013年04期
2 林炎;张友益;;改进疯爬算法及其在获取跳频图案中的应用[J];计算机应用研究;2014年06期
3 孟宗;王亚超;;基于微分局部均值分解的旋转机械故障诊断方法[J];机械工程学报;2014年11期
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【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 朱明星,张德龙;RBF网络基函数中心选取算法的研究[J];安徽大学学报(自然科学版);2000年01期
2 刘贵喜,扬万海,谢仕聘;光纤电流传感器微弱信号检测技术[J];半导体光电;1998年02期
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6 杜修力;何立志;侯伟;;基于经验模态分解(EMD)的小波阈值除噪方法[J];北京工业大学学报;2007年03期
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中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 盖强;局域波时频分析方法的理论研究与应用[D];大连理工大学;2001年
2 张海勇;基于局域波法的非平稳随机信号分析中若干问题的研究[D];大连理工大学;2001年
3 谭善文;多分辨希尔伯特—黄(Hilbert-Huang)变换方法的研究[D];重庆大学;2001年
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6 钟佑明;希尔伯特—黄变换局瞬信号分析理论的研究[D];重庆大学;2002年
7 纪跃波;多分辨时频分析理论与多功能时频分析系统的研究[D];重庆大学;2002年
8 马艳;基于小波变换的畸变信道检测和目标特征提取研究[D];西北工业大学;2002年
9 蒋鹏;小波理论在信号去噪和数据压缩中的应用研究[D];浙江大学;2004年
10 余红英;机械系统故障信号特征提取技术研究[D];中北大学;2005年
中国硕士学位论文全文数据库 前8条
1 张义军;基于高阶统计量的舰船辐射噪声特征提取及分类识别研究[D];西北工业大学;2001年
2 赵道利;水电机组振动故障的信息融合诊断与仿真研究[D];西安理工大学;2004年
3 周春健;基于小波变换的旋转机械故障诊断[D];南京航空航天大学;2004年
4 赵玉宝;小波变换在地震信号去噪中的应用研究[D];中南大学;2005年
5 李继军;小波分析及其在信号、图像降噪中的应用研究[D];西安电子科技大学;2006年
6 王脂丹;基于FPGA的遗传算法实现技术研究[D];南京航空航天大学;2006年
7 傅建湘;压缩机组在线监测系统的应用研究[D];西南石油大学;2006年
8 李亮;基于虚拟仪器技术的柴油机智能故障诊断系统的研究[D];南京农业大学;2007年
【相似文献】
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1 王成,胡卫东,郁文贤;基于非平稳时间序列处理的雷达信号融合[J];信号处理;2005年04期
2 何文雪,高军伟,原明亭;多时延解相关准则下的非平稳信号在线盲分离[J];系统工程与电子技术;2005年09期
3 吴道虎;李朝晖;;提高工程非平稳信号频谱分析精度的方法与措施[J];电子技术应用;2006年01期
4 周辉林;田茂;熊俊志;;探地雷达回波信号的特征提取和分类[J];电波科学学报;2006年04期
5 赵雯雯;曾兴雯;;一种新的EMD去噪方法[J];电子科技;2008年05期
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7 吕亚平;李志农;曾宇冬;;基于Cohen类时频分布的机械故障源分离[J];机床与液压;2010年07期
8 冯涛;袁超伟;;基于时频分布的跳频信号盲分离方法[J];系统工程与电子技术;2010年05期
9 郭靖;曾孝平;;盲源分离的一种时频比方法[J];计算机工程与应用;2010年30期
10 郭靖;曾孝平;;一种重排时频谱的非平稳信号盲源分离方法[J];西南师范大学学报(自然科学版);2010年06期
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1 曲卫;贾鑫;王宏艳;;小波分析与傅立叶分析消除非平稳信号噪声效果的分析[A];第十四届全国遥感技术学术交流会论文摘要集[C];2003年
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5 高磊;任章;;小波变换及其在控制系统故障检测中的应用[A];1998年中国控制会议论文集[C];1998年
6 程军圣;于德介;杨宇;邓乾旺;;基于EMD的滤波方法研究及应用[A];第八届全国振动理论及应用学术会议论文集摘要[C];2003年
7 叶大鹏;丁启全;吴昭同;;二维隐Markov模型的故障诊断方法[A];第16届中国过程控制学术年会暨第4届全国故障诊断与安全性学术会议论文集[C];2005年
8 蔡宗义;吴祖堂;门朝举;陈立强;;基于HHT方法的地运动信号时频分析[A];第一届全国工程安全与防护学术会议论文集[C];2008年
9 李强伟;;Hilbert-Huang变换中边界问题的分析[A];第六届全国信息获取与处理学术会议论文集(3)[C];2008年
10 于伟凯;刘彬;;轧机扭振非平稳瞬态冲击信号的处理方法[A];第七届青年学术会议论文集[C];2005年
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1 伍小芹;非平稳信号的压缩算法研究[D];北京交通大学;2012年
2 边海龙;非平稳信号联合时频分析方法的若干问题研究与应用[D];电子科技大学;2008年
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4 周勃;基于盲分离的空调机组故障振声诊断研究[D];沈阳工业大学;2008年
5 汪玲;非平稳雷达信号多参量估计方法研究[D];电子科技大学;2007年
6 李岳霖;弹道测速雷达微弱信号处理方法研究[D];哈尔滨工程大学;2008年
7 王惠刚;自适应盲信号处理理论及应用研究[D];西北工业大学;2002年
8 赵宏钟;毫米波多卜勒制导雷达信号处理方法研究[D];中国人民解放军国防科学技术大学;2003年
9 朱启兵;基于小波理论的非平稳信号特征提取与智能诊断方法研究[D];东北大学;2006年
10 刘建强;非平稳环境中的盲源分离算法研究[D];西安电子科技大学;2009年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 陈文武;基于DSP的EMD方法实现技术研究[D];武汉理工大学;2003年
2 许慰玲;基于小波变换的时变相干分析及其应用[D];汕头大学;2005年
3 李微微;旋转机械非平衡同源信息融合方法研究[D];郑州大学;2005年
4 李强;非平稳信号特征提取新方法和实用诊断技术的研究[D];天津大学;2005年
5 田立芳;基于非平稳信号盲源分离的研究[D];太原理工大学;2007年
6 甄莉;非平稳信号广义S变换及其在SAR图像分析中的应用研究[D];电子科技大学;2008年
7 郭书超;非平稳信号Choi-Williams分布研究与应用[D];大连理工大学;2012年
8 董宁娟;基于参数识别的往复压缩机气阀故障诊断方法的研究[D];哈尔滨工业大学;2006年
9 常乐;基于时变自回归的非平稳信号建模及故障诊断应用研究[D];天津大学;2007年
10 刘锐;非平稳信号时频分析技术研究[D];山东大学;2009年
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