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《重庆大学》 2007年
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面向机械故障特征提取的混合时频分析方法研究

程发斌  
【摘要】: 在机械故障诊断的发展过程中,最重要、最关键、也是最困难的问题之一就是故障特征信号的特征提取。动态信号的复杂性和特征提取的多学科交叉融合特性使得信号特征提取方法一直是人们广为关注的重要研究方向,其中信号的消噪预处理,时频分布的交叉项抑制,瞬时频率特征提取是研究的主要内容。本文综合利用非平稳、非高斯信号处理中最受关注的Wigner-Ville分布(WVD)、小波变换(WT)和Hilbert-Huang变换(HHT)等时频处理方法的优点,提出了面向机械故障特征提取的混合时频分析(Hybrid Time-Frequency Analysis, HTFA)方法,对机械振动信号的降噪、故障特征提取技术进行了深入的研究。主要研究工作如下: 在信号去噪方面,提出了基于最优Morlet小波和奇异值分解(SVD)的滤波消噪方法。机械振动信号的消噪对有效揭示机器故障信息具有重要意义。本文分析了传统的小波去噪方法及小波变换的滤波特性,利用小波变换技术、奇异值分解技术和Morlet小波良好的时域和频域特性,提出了基于最优Morlet小波和SVD的滤波消噪方法。该方法可以很好的降低噪声信号,有效的提取信号中周期成分,具有良好的瞬态信息提取能力,为正确识别故障特征提供了有力的保证。 在基于时频分布的特征提取方面,提出一种基于自适应短时傅里叶变换(ASTFT谱)抑制WVD交叉项的特征提取方法。时频分析方法已广泛应用于故障特征提取,然而以Wigner-Ville分布为基础的时频分析方法最大的不足就是交叉项的干扰。分析了WVD交叉项产生的原因及自项与交叉项的相互关系,研究了抑制交叉项的核函数法和分量组合法。提出一种基于自适应短时傅里叶变换抑制WVD交叉项的特征提取方法,并将该方法用于轴承故障的特征提取,很好地抑制了交叉项的产生,同时也保留了WVD分布的优良特性,为故障诊断提供了一种有效的分析方法。 在瞬时特征提取方面,提出一种基于小波包和改进HHT的瞬时特征提取方法。分析了小波包分析理论和HHT的原理,研究了经验模态分解(EMD)的完备性和近似正交性,提出一种基于小波包和改进HHT的瞬时特征提取方法。该方法可以很好的解决EMD带来的模态混叠现象,还可以减少噪声对信号的干扰,同时减少了EMD过程的计算量和分解层数,有利于故障特征的分析和提取。 在完善HHT分析方法方面,提出了基于新的曲线拟合及边界处理算法的改进HHT分析方法。HHT是一种新的具有自适应的时频分析方法,但是HHT目前还只能算是一种经验方法,其理论依据尚不完备,有待于进一步的完善。分析了三次样条插值法进行包络线或均值线拟合时容易引起过冲和欠冲的根本原因,提出了基于B样条曲线的分段插值算法及混合插值算法,解决了三次样条插值算法容易引起的过冲和欠冲现象,同时也有效的解决了模态混叠现象。对于HHT的边界效应,分析了几种典型边界处理算法的本质、特点、优点和不足,提出了改进包络延拓法及边界极值加权法,有效地抑制了HHT的边界效应。从而提高了HHT在信号特征提取的合理性和准确性。 在应用系统开发方面,成功研发了面向机械故障特征提取的非平稳信号分析系统。研究了共享参数模型的软件体系结构,设计了系统模块的统一构架和仪器界面,实现了基于混合时频分析方法的非平稳信号分析系统,并通过实际应用验证了系统的实用性和有效性。 文章最后对本文工作进行了总结和对故障特征提取技术的研究进行了展望。
【学位授予单位】:重庆大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:TH165.3

【引证文献】
中国期刊全文数据库 前5条
1 隋文涛;张丹;;平稳小波变换在轴承振动信号去噪中的应用[J];轴承;2012年01期
2 张丹;隋文涛;李志永;季画;;静态小波相关滤波法在振动信号处理中的应用[J];制造业自动化;2011年11期
3 李兆飞;柴毅;李华锋;;多重分形的振动信号故障特征提取方法[J];数据采集与处理;2013年01期
4 赵玲;程发斌;黄大荣;;基于SVD-高斯小波的振动信号非平稳特征提取方法[J];现代科学仪器;2012年01期
5 陈开富;;浅谈筑路机械电器故障排除[J];西南公路;2012年02期
中国博士学位论文全文数据库 前5条
1 蒋永华;旋转机械非平稳信号微弱特征提取方法研究[D];重庆大学;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
3 赵慧敏;柴油机非稳态振动信号分析与智能故障诊断研究[D];天津大学;2010年
4 李孟麟;融合叶尖定时信号的旋转机械转子故障诊断技术研究[D];天津大学;2011年
5 隋文涛;滚动轴承表面损伤故障的特征提取与诊断方法研究[D];山东大学;2011年
中国硕士学位论文全文数据库 前2条
1 汪凯;感应电动机转子和轴承故障检测方法研究[D];天津理工大学;2011年
2 钟晓;气象卫星运动部件故障特征提取及振动特性研究[D];上海交通大学;2009年
【参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 崔玲丽;丁芳;高立新;张建宇;王颖旺;;齿轮裂纹早期故障的完全解调分析[J];北京工业大学学报;2006年08期
2 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
3 许宝杰;张建民;徐小力;李建伟;;抑制EMD端点效应方法的研究[J];北京理工大学学报;2006年03期
4 程军圣,于德介,杨宇;基于EMD的信号瞬时特征的小波分析方法[J];地震工程与工程振动;2004年02期
5 魏云冰,黄进,牛发亮,任秉知;基于小波脊线的笼型异步电动机转子故障特征提取[J];电工技术学报;2003年04期
6 贾嵘;王小宇;张丽;罗兴锜;;基于EMD和AR模型的水轮机尾水管动态特征信息提取[J];电力系统自动化;2006年22期
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8 邹红星,周小波,李衍达;时频分析:回溯与前瞻[J];电子学报;2000年09期
9 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
10 谭善文,秦树人,汤宝平;Hilbert-Huang变换的滤波特性及其应用[J];重庆大学学报(自然科学版);2004年02期
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
4 郑海波;非平稳非高斯信号特征提取与故障诊断技术研究[D];合肥工业大学;2002年
5 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
6 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
7 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
8 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
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 任全民;非平稳信号特征提取方法在超高压压缩机故障诊断中的应用研究[D];大连理工大学;2006年
中国硕士学位论文全文数据库 前2条
1 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
2 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
【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
2 陈学锋;瞿金平;;注塑机曲肘式合模机构弹性振动的研究[J];工程塑料应用;2008年03期
3 陈建兵,顾祥林,敖鸿斐;矩阵迭代法求结构自振特性的初始向量及循环控制[J];四川建筑科学研究;2000年01期
4 陈文元;李雪梅;迟晓梅;;小波分析与神经网络在结构多处损伤监测中的应用[J];四川建筑科学研究;2006年03期
5 陶奇;廖海黎;李明水;刘明;;苏通长江公路大桥最大单悬臂施工状态结构模态参数识别[J];四川建筑科学研究;2009年05期
6 谢晓娣;基于小波包变换的地铁远方短路电流分析[J];安徽电气工程职业技术学院学报;2005年01期
7 孙泽宇;赵国增;舒云星;;二叉树后序遍历的递归和非递归算法[J];安徽电气工程职业技术学院学报;2006年01期
8 章品正,万遂人;基于小波包分解的白细胞胞核边缘提取算法与实现[J];安徽广播电视大学学报;2002年01期
9 李素云;张德祥;;基于小波变换的汽车齿轮箱振动信号故障分析[J];安徽电子信息职业技术学院学报;2012年01期
10 付彪,吴先良,李世雄;小波变换法求电磁波动方程的高频解[J];安徽大学学报(自然科学版);1999年03期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 朱成华;;基于USB总线的弧焊电参数虚拟检测分析系统设计[A];制造业数字化技术——2006中国电子制造技术论坛论文集[C];2006年
2 党丽华;高志明;韩夏冰;毕慧超;;Q235钢的大气腐蚀电化学噪声小波包分析[A];中国腐蚀电化学及测试方法专业委员会2012学术年会论文集[C];2012年
3 朱启兵;黄敏;崔宝同;;卷积型小波包在轧辊偏心信号检测中的应用[A];第二十六届中国控制会议论文集[C];2007年
4 朱启兵;杨慧中;;基于卷积型小波包奇异值分解的齿轮故障特征提取[A];第二十七届中国控制会议论文集[C];2008年
5 慕香永;裴润;刘志林;王经甫;;基于小波分析的船舶舵机加载系统多余力研究[A];第二十七届中国控制会议论文集[C];2008年
6 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
7 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
8 陶新民;刘福荣;;基于AR模型自相关系数熵的轴承故障检测新方法[A];第二十九届中国控制会议论文集[C];2010年
9 张博闻;祁炜;杨冬;唐小程;宋执环;;基于EMD的频率族分离法在滚动轴承故障诊断中的应用[A];第二十九届中国控制会议论文集[C];2010年
10 杨辰龙;;曲面变厚度工件超声检测中的波形自动跟踪技术研究[A];中国自动化学会控制理论专业委员会C卷[C];2011年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 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
2 陆满君;通信辐射源个体识别与参数估计[D];哈尔滨工程大学;2010年
3 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
4 张之猛;水声信号处理中的盲解卷积技术研究[D];哈尔滨工程大学;2009年
5 刘文海;水下被动目标瞬态特征检测技术研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
6 王咏胜;复数轮廓波变换的构造、扩展及其图像处理应用[D];哈尔滨工程大学;2009年
7 邹玮;荧光分子断层图像的重建技术研究[D];苏州大学;2010年
8 王德才;基于能量分析的地震动输入选择及能量谱研究[D];合肥工业大学;2010年
9 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
10 孙建;基于外骨骼机器人技术的人体手臂震颤抑制关键技术研究[D];中国科学技术大学;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 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
3 杨焱麟;基于小波变换理论与比值分析法的变压器励磁涌流识别的研究[D];山东科技大学;2010年
4 陈林;基于GIS的流域水文数据的时空分析[D];山东科技大学;2010年
5 赵奇;医学超声图像三维重建算法研究[D];山东科技大学;2010年
6 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
7 李朋勇;基于全矢高阶谱的故障诊断方法及其应用研究[D];郑州大学;2010年
8 韩冬振;远程诊断中心的设计与实现[D];郑州大学;2010年
9 吴国曾;实时信号小波分析中边界处理方法及应用[D];郑州大学;2010年
10 李卫鹏;正交小波变换支持向量数据描述方法在故障诊断中的应用研究[D];郑州大学;2010年
【同被引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 王邦元,王年,吴先良,汪炳权;一种基于高斯小波变换的红外热图象阈值自动选择方法[J];安徽大学学报(自然科学版);2000年02期
2 覃文洁;内燃机曲轴系振动响应的多体系统动力学分析方法[J];安全与环境学报;2002年02期
3 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
4 赵骞,郝志勇;柴油机曲轴系扭转振动的有限元模型研究[J];车辆与动力技术;2000年04期
5 郝大海;;基于Hilbert-Huang变换的发动机振动信号特征提取[J];兵工自动化;2007年12期
6 杨露;沈怀荣;;希尔伯特-黄变换与小波变换在故障特征提取中的对比研究[J];兵工学报;2009年05期
7 崔玲丽;丁芳;高立新;张建宇;王颖旺;;齿轮裂纹早期故障的完全解调分析[J];北京工业大学学报;2006年08期
8 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
9 宋友,柳重堪,李其汉;基于小波包分解的早期碰摩故障诊断研究[J];北京航空航天大学学报;2003年01期
10 杨国安;王泽栋;;基于改进希尔伯特-黄的泵阀故障诊断新方法[J];北京化工大学学报(自然科学版);2008年04期
中国重要会议论文全文数据库 前2条
1 韩清凯;张红军;黄振东;闻邦椿;;基于Kalman滤波的机械系统微弱突变振动信号的检测方法[A];第十二届全国非线性振动暨第九届全国非线性动力学和运动稳定性学术会议论文集[C];2009年
2 李春枝;何荣建;田光明;;基于数学形态滤波的振动信号降噪分析[A];第二十一届全国振动与噪声高技术及应用学术会议论文集[C];2008年
中国博士学位论文全文数据库 前10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 李志敏;基于振动分析的内燃机主轴承状态监测与故障诊断方法研究[D];大连理工大学;2001年
3 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
4 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
5 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
6 孙颖楷;内燃机智能故障诊断系统的研究及应用[D];重庆大学;2001年
7 赵瑞珍;小波理论及其在图像、信号处理中的算法研究[D];西安电子科技大学;2001年
8 郑海波;非平稳非高斯信号特征提取与故障诊断技术研究[D];合肥工业大学;2002年
9 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
10 魏云冰;小波变换在电机故障诊断与测试中的应用研究[D];浙江大学;2002年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 陈暾;小波变换在电机性能测试中的应用研究[D];浙江大学;2003年
2 孙宇扬;叶尖定时旋转叶片测振信号获取及处理技术研究[D];天津大学;2004年
3 方志强;叶尖定时传感器及叶片振动信号处理技术的研究[D];天津大学;2004年
4 王庆华;基于分形理论的液压系统故障诊断技术研究[D];大连海事大学;2004年
5 张韧;旋转机械故障特征提取技术及其系统研究[D];浙江大学;2004年
6 陈岳良;分形在齿轮箱故障诊断中的应用[D];中北大学;2005年
7 姜小荧;基于小波分析的滚动轴承故障诊断方法的研究及应用[D];大连理工大学;2005年
8 边宝峰;基于神经网络和D-S证据理论的信息融合方法的研究[D];华北电力大学(河北);2005年
9 曾海平;基于经验模态分解法的滚动轴承故障诊断系统研究[D];浙江大学;2005年
10 蔚兰;基于小波分析的异步电动机故障诊断的研究[D];太原理工大学;2005年
【二级引证文献】
中国期刊全文数据库 前2条
1 陈祥龙;胡春艳;梅检民;肖云魁;贾继光;;基于非线性小波变换和经验模式分解的轴承故障特征提取[J];军事交通学院学报;2011年11期
2 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
中国硕士学位论文全文数据库 前5条
1 王晋;基于粒子滤波信号处理的柴油机故障诊断[D];中北大学;2012年
2 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
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4 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
5 王健松;柴油机机身及主轴承振动特性分析[D];武汉理工大学;2012年
【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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2 吴贵芳;徐科;徐金梧;;基于LVQ神经网络的冷轧带钢表面缺陷分类方法[J];北京科技大学学报;2005年06期
3 马彦斌,吴祈耀;维格纳分布在脑电信号处理中的应用[J];北京理工大学学报;1995年02期
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10 王伟杰,赵学增,黄文涛;基于BP网络的故障诊断正向推理方法[J];车用发动机;2001年04期
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 冯象初;偏微分方程的小波分析方法[D];西安电子科技大学;1998年
2 邹虹;多分量线性调频信号的时频分析[D];西安电子科技大学;2000年
3 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
4 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
5 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
6 赵瑞珍;小波理论及其在图像、信号处理中的算法研究[D];西安电子科技大学;2001年
7 郑海波;非平稳非高斯信号特征提取与故障诊断技术研究[D];合肥工业大学;2002年
8 王珍;基于局域波分析的柴油机故障诊断方法的研究及应用[D];大连理工大学;2002年
9 翟永杰;基于支持向量机的故障智能诊断方法研究[D];华北电力大学(河北);2004年
10 李宏坤;基于信息融合技术船舶柴油机故障诊断方法的研究与应用[D];大连理工大学;2003年
【相似文献】
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1 訾方;张科;赵大炜;刘冬;;基于模极大值矩阵奇异值分解的信号特征提取与分类识别[J];弹箭与制导学报;2004年S6期
2 江四厚;陈小虎;王汉功;陈中华;;基于Hilbert-Huang变换的振动信号特征提取[J];机床与液压;2008年11期
3 罗忠亮;林土胜;杨军;赵晓芳;;基于EMD和SVD的虹膜特征提取及识别[J];华南理工大学学报(自然科学版);2011年02期
4 赵学智;叶邦彦;林颖;;奇异值分解对轴承振动信号中调幅特征信息的提取[J];北京理工大学学报;2011年05期
5 周雷;席泽敏;刘涛;黄雪军;;基于奇异值分解和小波变换的特征提取[J];装备制造技术;2008年05期
6 程发斌;汤宝平;赵玲;;最优Morlet小波滤波及其在机械故障特征分析中的应用[J];中国机械工程;2008年12期
7 吴宏钢;秦毅;秦树人;;基于重分配配算法和奇异值分解的多小波脊线提取[J];振动与冲击;2009年12期
8 杜林;戴斌;陆国俊;孙才新;王有元;;基于S变换局部奇异值分解的过电压特征提取[J];电工技术学报;2010年12期
9 程发斌;汤宝平;钟佑明;;基于最优Morlet小波和SVD的滤波消噪方法及故障诊断的应用[J];振动与冲击;2008年02期
10 汤宝平;蒋永华;董绍江;;重分配小波尺度谱的时频分布优化方法研究[J];仪器仪表学报;2010年06期
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5 余香敏;焦占亚;;一种基于DWT与SVD的数字图像水印算法[A];2008年全国开放式分布与并行计算机学术会议论文集(下册)[C];2008年
6 夏庆观;路红;陈桂;;基于小波神经网络的零件图像特征提取和识别[A];第三届全国信息获取与处理学术会议论文集[C];2005年
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中国重要报纸全文数据库 前10条
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10 孙哲南 谭铁牛;生物识别的十大关键技术[N];计算机世界;2007年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 程发斌;面向机械故障特征提取的混合时频分析方法研究[D];重庆大学;2007年
2 张旗;基于属性的图像分类研究[D];大连海事大学;2005年
3 蒋永华;旋转机械非平稳信号微弱特征提取方法研究[D];重庆大学;2010年
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5 陈晓娟;模拟电路神经网络故障诊断方法的研究[D];吉林大学;2006年
6 苏彩红;墙地砖质量自动检测技术的研究[D];华南理工大学;2004年
7 李勇明;尿沉渣图像自动识别算法的研究[D];重庆大学;2007年
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10 冯坤;基于内积变换的机械故障特征提取原理与早期识别方法研究[D];北京化工大学;2012年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 陈军;基于支持向量机的脱机手写体汉字识别方法的研究[D];合肥工业大学;2006年
2 唐步尧;基于奇异值量化的小波域数字水印算法研究[D];湖南大学;2006年
3 曹鹏;基于小波变换与蚁群算法的纹理分析方法[D];长沙理工大学;2009年
4 苏盛曲;图像信息隐藏中的数字水印技术研究[D];南昌大学;2010年
5 高水平;织物疵点检测的图像处理技术[D];青岛大学;2005年
6 周冬生;肺音信号的特征提取与模式识别[D];山东大学;2005年
7 张金辉;基于神经网络和SVD的数字水印技术研究[D];福州大学;2006年
8 罗雪萍;鲁棒性数字图像水印技术研究[D];兰州大学;2006年
9 聂双双;基于模极大值特征提取的超声波海底沉积物分类识别研究[D];中南大学;2008年
10 柳奇芳;基于组合去噪方法的语音识别抗噪技术研究[D];电子科技大学;2008年
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