本發(fā)明涉及振動(dòng)控制與振動(dòng)測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種可抑制直流擾動(dòng)的振動(dòng)信號(hào)最大功率頻率分量實(shí)時(shí)檢測(cè)算法。

背景技術(shù)：

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及控制理論的發(fā)展，利用控制器產(chǎn)生反向力來(lái)抑制機(jī)械振動(dòng)的反饋補(bǔ)償控制方法在精密儀器、機(jī)加工及化工過程機(jī)械等領(lǐng)域受到廣泛重視。其中，振動(dòng)信號(hào)最大功率對(duì)應(yīng)頻率分量的頻率、幅值、相位檢測(cè)精度及檢測(cè)算法的實(shí)時(shí)性能是制約控制系統(tǒng)帶寬、穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。本申請(qǐng)人曾在專利申請(qǐng)201510375357.2中公開過一種振動(dòng)信號(hào)幅值、相位實(shí)時(shí)計(jì)算方法，但該方法需預(yù)先測(cè)量信號(hào)中的直流分量，并在軟件做偏移處理將振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成雙極性歸一化信號(hào)。如果直流分量處理不當(dāng)，將導(dǎo)致頻率、幅值、信號(hào)估計(jì)結(jié)果不正確。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的是提出一種可抑制直流擾動(dòng)的振動(dòng)信號(hào)最大功率頻率分量實(shí)時(shí)檢測(cè)算法，克服已有技術(shù)的缺點(diǎn)，避免直流分量的影響，快速準(zhǔn)確地檢測(cè)出具有功率譜最大分量振動(dòng)信號(hào)的頻率、幅值和相位。

一種可抑制直流擾動(dòng)的振動(dòng)信號(hào)最大功率頻率分量實(shí)時(shí)檢測(cè)算法，其特征在于具體步驟包括：

采用四階系統(tǒng)狀態(tài)方程及自適應(yīng)律迭代處理振動(dòng)信號(hào)獲取最大功率頻率分量，其中，狀態(tài)方程為：

設(shè)為振動(dòng)信號(hào)，為增益，式中，為四階系統(tǒng)輸入信號(hào)，并且有，為四階系統(tǒng)狀態(tài)變量，為阻尼比，為振動(dòng)信號(hào)最大功率頻率分量對(duì)應(yīng)的角頻率估計(jì)值；與之相應(yīng)的自適應(yīng)律為，式中，為自適應(yīng)因子；對(duì)于正弦輸入信號(hào)，迭代執(zhí)行狀態(tài)方程及自適應(yīng)律，角頻率估計(jì)值收斂于，并且有，四階系統(tǒng)微分方程的周期解為：

可見，狀態(tài)變量，準(zhǔn)確跟蹤上了輸入信號(hào)。當(dāng)輸入信號(hào)包含多種頻率成分時(shí)，，跟蹤的是輸入信號(hào)中的最大功率頻率分量。

預(yù)處理。設(shè)置、，通帶帶寬，角頻率估計(jì)初值，采樣頻率；計(jì)算極半徑，計(jì)算采樣時(shí)間。對(duì)ADC采樣振動(dòng)信號(hào)u 做乘增益k 處理以加快頻率跟蹤的動(dòng)態(tài)過程。預(yù)處理參數(shù)設(shè)置規(guī)則為：假設(shè)為最大功率頻率分量，預(yù)設(shè)，時(shí)，需保證；通常采樣頻率越高相位估計(jì)越準(zhǔn)確，并且有，。

迭代執(zhí)行算法

①計(jì)算阻尼比，，，；

②根據(jù)輸入及該瞬時(shí)的系統(tǒng)狀態(tài)，計(jì)算四階系統(tǒng)下一時(shí)刻的狀態(tài)，算法如下：

③根據(jù)當(dāng)前時(shí)刻的頻率估計(jì)值、狀態(tài)變量及自適應(yīng)律公式計(jì)算下一個(gè)時(shí)刻的頻率估計(jì)值，算法如下：

④迭代計(jì)算①、②、③。

根據(jù)角頻率估計(jì)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后的收斂值及狀態(tài)變量，得到振動(dòng)信號(hào)最大功率頻率分量的頻率、幅值及相位，算法如下：

。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例可以具有如下優(yōu)點(diǎn)：

本發(fā)明通過將拾取到的轉(zhuǎn)子振動(dòng)信號(hào)乘一增益后送入一四階系統(tǒng)，并通過角頻率自適應(yīng)律動(dòng)態(tài)跟蹤振動(dòng)信號(hào)角頻率。在頻率跟蹤進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，根據(jù)角頻率收斂值及狀態(tài)變量的穩(wěn)態(tài)值計(jì)算振動(dòng)信號(hào)相位、幅值。本發(fā)明的主要優(yōu)點(diǎn)有：

可消除直流偏置對(duì)振動(dòng)信號(hào)頻率、幅值、相位計(jì)算值的影響，無(wú)需預(yù)先測(cè)量振動(dòng)信號(hào)中的直流量，再將振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成雙極性歸一化信號(hào)。

只需要設(shè)置自適應(yīng)因子，角頻率預(yù)估值及通帶帶寬三個(gè)初值，并給出了阻尼比的計(jì)算算法。

振動(dòng)最大功率頻率分量相位、幅值的計(jì)算值不受阻尼比影響。

無(wú)需整周期截取、整數(shù)倍采樣、抗混疊濾波處理輸入信號(hào)。

算法實(shí)時(shí)性強(qiáng)，可內(nèi)嵌至電機(jī)驅(qū)動(dòng)器內(nèi)實(shí)現(xiàn)振動(dòng)控制或振動(dòng)測(cè)試。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明所述的算法原理框圖。

圖2是帶直流偏置的正弦波曲線。

圖3是直流偏置正弦波頻率跟蹤曲線。

圖4是原始機(jī)械振動(dòng)信號(hào)時(shí)域曲線。

圖5是最大功率頻率分量振動(dòng)信號(hào)頻率估計(jì)曲線。

圖6是12~13s期間振動(dòng)信號(hào)的FFT幅度譜。

圖7是12~12.09s期間振動(dòng)信號(hào)的FFT幅度譜。

圖8是12~12.09s期間的四階系統(tǒng)狀態(tài)變量曲線。

圖9是最大功率頻率分量振動(dòng)信號(hào)相位曲線圖。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合實(shí)施例及附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述。根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案，在不變更本發(fā)明的實(shí)質(zhì)精神下，本領(lǐng)域一般技術(shù)人員可以提出本發(fā)明的多種相關(guān)設(shè)計(jì)。因此以下具體實(shí)施方式以及附圖僅是本發(fā)明技術(shù)方案的具體說(shuō)明，而不應(yīng)當(dāng)視為本發(fā)明的全部或者視為對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案的限定或限制。

參照?qǐng)D1，一種可抑制直流擾動(dòng)的振動(dòng)信號(hào)最大功率頻率分量實(shí)時(shí)檢測(cè)算法，其特征在于具體步驟包括：

采用四階系統(tǒng)狀態(tài)方程及自適應(yīng)律迭代處理振動(dòng)信號(hào)獲取最大功率頻率分量，其中，狀態(tài)方程為：

設(shè)為振動(dòng)信號(hào)，為增益，式中，為四階系統(tǒng)輸入信號(hào)，并且有，為四階系統(tǒng)狀態(tài)變量，為阻尼比，為振動(dòng)信號(hào)最大功率頻率分量對(duì)應(yīng)的角頻率估計(jì)值；與之相應(yīng)的自適應(yīng)律為，式中，為自適應(yīng)因子；對(duì)于正弦輸入信號(hào)，迭代執(zhí)行狀態(tài)方程及自適應(yīng)律，角頻率估計(jì)值收斂于，并且有，四階系統(tǒng)微分方程的周期解為：

可見，狀態(tài)變量，準(zhǔn)確跟蹤上了輸入信號(hào)。當(dāng)輸入信號(hào)包含多種頻率成分時(shí)，，跟蹤的是輸入信號(hào)中的最大功率頻率分量。

預(yù)處理。設(shè)置、，通帶帶寬，角頻率估計(jì)初值，采樣頻率；計(jì)算極半徑，計(jì)算采樣時(shí)間。對(duì)ADC采樣振動(dòng)信號(hào)u 做乘增益k 處理以加快頻率跟蹤的動(dòng)態(tài)過程。預(yù)處理參數(shù)設(shè)置規(guī)則為：假設(shè)為最大功率頻率分量，預(yù)設(shè)，時(shí)，需保證；通常采樣頻率越高相位估計(jì)越準(zhǔn)確，并且有，。

迭代執(zhí)行算法

①計(jì)算阻尼比，，，；

②根據(jù)輸入及該瞬時(shí)的系統(tǒng)狀態(tài)，計(jì)算四階系統(tǒng)下一時(shí)刻的狀態(tài)，算法如下：

③根據(jù)當(dāng)前時(shí)刻的頻率估計(jì)值、狀態(tài)變量及自適應(yīng)律公式計(jì)算下一個(gè)時(shí)刻的頻率估計(jì)值，算法如下：

④迭代計(jì)算①、②、③。

根據(jù)角頻率估計(jì)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后的收斂值及狀態(tài)變量，得到振動(dòng)信號(hào)最大功率頻率分量的頻率、幅值及相位，算法如下：

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下面采用具體的實(shí)例驗(yàn)證算法性能：

例1：跟蹤頻率為150Hz的純正弦波，設(shè)輸入信號(hào)為，采樣頻率，，角頻率預(yù)估初值 rad/s，通帶帶寬Hz，自適應(yīng)因子?？捎?jì)算出，發(fā)明算法迭代執(zhí)行步驟的離散化形式為：

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圖2為帶直流偏置的原始正弦波曲線，對(duì)正弦波進(jìn)行定標(biāo)處理，正弦波幅值為1PU，直流偏置為3PU。圖3為增益分別為1、5時(shí)的頻率跟蹤曲線，可見算法很好抑制了直流干擾。同時(shí)，增加可加快頻率跟蹤速度，當(dāng)時(shí)，頻率跟蹤可在0.8s內(nèi)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，頻率估計(jì)最大相對(duì)誤差為0.25%。

例2：實(shí)驗(yàn)裝置采用單級(jí)漸開線圓柱齒輪減速器，減速比2.24，減速箱所用齒輪模數(shù)均為1.5，齒數(shù)分別為91、41，故障軸承座滾動(dòng)軸承型號(hào)為6313ZZ(內(nèi)含8個(gè)人為磨損滾珠)。通過變頻器設(shè)定三相異步電機(jī)轉(zhuǎn)速為1200rpm，采用AC192振動(dòng)傳感器拾取軸承座徑向機(jī)械振動(dòng)信號(hào)，AC192輸出信號(hào)經(jīng)過調(diào)理電路調(diào)整電平范圍，再經(jīng)過ADS1205實(shí)現(xiàn)Δ-Σ過采樣，AMC1210實(shí)現(xiàn)sinc濾波， TMS320LF2808以10KHz的采樣頻率讀取AMC1210的寄存器獲取振動(dòng)信號(hào)。設(shè)置角頻率預(yù)估初值rad/s，通帶帶寬Hz，自適應(yīng)因子。發(fā)明算法迭代執(zhí)行步驟的離散化形式與例1相同。

圖4為帶直流偏置的原始機(jī)械振動(dòng)時(shí)域曲線圖，圖5為最大功率頻率分量振動(dòng)信號(hào)頻率估計(jì)曲線，進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，估計(jì)頻率在152Hz上下波動(dòng)。圖6為12~13s期間振動(dòng)信號(hào)的FFT幅度譜，幅值譜峰值對(duì)應(yīng)的頻率分量為152.58Hz。圖7為12~12.09s期間振動(dòng)信號(hào)的FFT幅度譜，幅值譜峰值對(duì)應(yīng)的頻率分量為152.39Hz。圖5、圖6、圖7說(shuō)明算法可動(dòng)態(tài)跟蹤轉(zhuǎn)速變化，頻率估計(jì)最大相對(duì)誤差0.31%。圖8為12~12.09s期間的四階系統(tǒng)狀態(tài)變量曲線，其中為最大功率頻率分量振動(dòng)信號(hào)的時(shí)域曲線。圖9為最大功率頻率分量振動(dòng)信號(hào)相位曲線圖，可驗(yàn)證所估計(jì)的相位跟信號(hào)頻率一致，但相位估計(jì)精度受信號(hào)頻率及采樣頻率的影響。在輸入信號(hào)頻率不變的前提下，采樣頻率越高，相位估算精度越高。