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基于时频分析与特征约简的水电机组故障诊断方法研究

薛小明  
【摘要】:在新时代绿色能源背景下,大力发展水电能源对我国能源结构优化调整和社会经济可持续发展具有重要的战略意义。作为水电站能源转换的关键核心设备,目前,水电机组呈现出巨型化、综合化、高速化、超临界化和智能化的发展趋势,其运行过程面临的故障安全问题日益突出。为降低机组故障事故风险,确保机组安全稳定运行,积极开展水电机组故障诊断研究已在工程界和学术界达成共识。实际应用中,除因机组自身复杂结构特性和多种激励振源干扰外,现有故障诊断理论方法的不足和局限性,在一定程度上阻碍了故障诊断从理论研究向工程应用的转化。基于此,本文围绕水电机组故障诊断中存在的非平稳信号分析处理和特征提取、多维特征约简以及复杂故障模式识别等问题,以经验模态分解、流行学习、混合引力搜索、支持向量机和随机森林等为理论基础与研究手段,探索并克服现有方法存在的理论与应用缺陷,提出了若干有效的水电机组非平稳振动信号分析与特征提取改进方法,针对高维特征冗余干扰等问题,探索并构建了基于空间映射和智能搜索的两种特征约简方法,最终通过引入支持向量机和随机森林故障识别理论,构建了融合时频分析和特征约简的水电机组混合故障诊断模型,为该领域的理论方法创新提供了新的研究思路,并具有一定的工程应用价值。论文的主要研究内容及创新性成果如下:(1)针对经验模态分解存在的端点飞翼现象,深入分析了端点效应发生的本质原因与解决方法,提出了一种极值点混合延拓的经验模态分解端点效应抑制方法,该方法有效融合了支持向量回归机和镜像偶延拓的方法优点。在信号分解初始阶段,利用支持向量回归机良好的近端点预测能力对信号极值点序列进行两端延拓;在信号低频部分,通过镜像偶延拓方法有效规避了支持向量回归机极值点样本训练数据不充足,且抑制效果不理想的问题。最后,采用所提方法对水电机组多故障振动仿真信号进行分解,并与镜像延拓和支持向量回归机信号序列延拓方法进行对比分析,结果表明所提方法能够有效抑制端点效应,并具有较低的计算时耗。(2)考虑到水电机组尾水管压力脉动信号的非平稳及噪声冲击特性,为提高经验模态分解方法的模态混叠抑制能力,引入集成经验模态分解时频分析方法。针对集成经验模态分解存在的参数选择难、高时耗、残噪污染等问题,在互补集成经验模态分解的基础上,创造性地提出了一种自适应快速集成经验模态分解算法。研究通过揭示白噪声频率上限与集成经验模态分解计算效率的间接正比例增长规律,描述了集成经验模态分解小噪声幅值情况下模态混叠问题的消除机制,基于此,将白噪声幅值和集成试验次数分别固定设置为目标信号序列标准差的0.01倍和2,提出了一种相对均方根误差指标的白噪声频率上限自适应确定方法,突破了集成经验模态分解关键参数难以设定的难题。通过仿真实例和国际标准故障诊断案例验证了所提方法的有效性与先进性。最终,将所提方法应用到水电机组尾水管压力脉动信号分析中,表明了方法的工程实用性。(3)为了抑制高维特征空间存在的特征冗余和敏感信息易淹没等问题,通过分析局部和总体主成分分析算法的优势和局限性,构建了样本点邻域关系的皮尔逊相似系数的衡量指标和边权重确定规则,进而提出了自适应近邻关系的监督型局部和总体主成分分析新型数据约简方法。同时考虑到水电机组故障小样本特性,建立了融合流行学习特征约简和支持向量机的多类故障诊断模型,通过电站实际故障案例验证了模型的有效性,并与其他特征降维方法进行了对比分析。此外,针对更为复杂的故障诊断问题,提出了一种多维广域特征的振动故障混合诊断策略,该方法有效融合了概率统计分析和基于机器学习的诊断方法,将整个诊断过程简化为三大步骤:故障初步监测、故障类型识别和故障程度确定。最后,将混合诊断策略应用于旋转机械故障诊断中,结果表明所提方法不仅提高了故障诊断精度,而且有效降低了诊断模型的复杂度,改善了计算效率,同时,为水电机组复杂故障诊断问题提供了一种有效的解决思路。(4)针对基于空间映射的特征约简方法难以评价各特征属性优劣程度的问题,同时为消除模型参数对随机森林诊断精度的影响。从另一特征约简角度出发,提出了一种基于混合引力搜索算法和随机森林的转子系统故障诊断模型。该模型从特征子集和模型参数两方面对随机森林故障诊断模型进行了优化改进,针对特征子集选择,采用二进制引力搜索算法进行最优子集寻优,同时采用实数引力搜索算法对随机森林的决策树数目进行优化处理。最后,将所提方法应用于转子系统故障诊断中,通过8种故障类型诊断试验,结果表明所提方法能够有效剔除冗余特征信息干扰,解决了随机森林决策树数目选择难的问题,在一定程度上提高了随机森林诊断模型的精度和效率,此外,基于随机森林的袋外数据估计特性,进一步实现了最优特征属性的重要度评估。


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