基于階次譜的Vold-Kalman濾波帶寬優(yōu)選方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于機(jī)械設(shè)備故障監(jiān)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于階次譜的Void-Kalman濾波帶寬優(yōu)選方法的設(shè)計(jì)。
【背景技術(shù)】
[0002] 旋轉(zhuǎn)機(jī)械是各種類型機(jī)械設(shè)備中數(shù)量最多、應(yīng)用最廣泛的一類機(jī)械;特別是一些 大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械，如離心式壓縮機(jī)、氣輪機(jī)、球磨機(jī)、大型鉆機(jī)、風(fēng)力發(fā)電渦輪機(jī)組等，在石化、 電力、冶金等支持國家經(jīng)濟(jì)命脈的一些工業(yè)部門發(fā)揮著重要的作用。一旦機(jī)械發(fā)生故障，其 造成的損失及影響將是十分嚴(yán)重的。目前旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷的主要方法之一是采用振動(dòng)信 號(hào)進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷。傳統(tǒng)的振動(dòng)信號(hào)技術(shù)多是基于穩(wěn)態(tài)假設(shè)的分析方法，如基于 傅里葉變換的頻譜分析，這類分析技術(shù)在處理轉(zhuǎn)速不斷變化的旋轉(zhuǎn)機(jī)械的振動(dòng)信號(hào)時(shí)，會(huì) 發(fā)生頻率模糊現(xiàn)象，很難對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械進(jìn)行有效的故障診斷。而隨著現(xiàn)代工業(yè)迅猛發(fā)展，許多 重要的旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備的工作特點(diǎn)就是轉(zhuǎn)速不斷發(fā)生著變化，如風(fēng)力發(fā)電設(shè)備、汽車和輪船 在啟動(dòng)和停止時(shí)的齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)等等。此外，嚴(yán)格意義上講，任何一臺(tái)旋轉(zhuǎn)機(jī)械都不可能保 持一個(gè)非常精確的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，都會(huì)隨著工況的改變而發(fā)生相應(yīng)的轉(zhuǎn)速波動(dòng)。因此在旋轉(zhuǎn)機(jī) 械的故障診斷中，處理轉(zhuǎn)速變化情況下的振動(dòng)信號(hào)就變得越來越具有重要的實(shí)際意義。
[0003] Vold-Kalman跟蹤濾波階次跟蹤方法是一種跟蹤轉(zhuǎn)速變化而引起的旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng) 信號(hào)的濾波跟蹤技術(shù)。該方法在1993年由Void和Leuridan首先提出，并由Tftma對(duì)其理論進(jìn) 行程序化設(shè)計(jì)，最終在Mat lab中實(shí)現(xiàn)。然而，Vold-Kalman跟蹤濾波階次跟蹤方法仍然存在 一個(gè)重要的應(yīng)用過程瓶頸，就是合適濾波帶寬的選擇。雖然在1999年，Herlufen分析了 Vold-Kalman濾波器的時(shí)頻特性，并提出了一種基于信號(hào)共振頻率的濾波帶寬選擇經(jīng)驗(yàn)方 案，可是該方案需要信號(hào)中存在共振信息，同時(shí)還需要確定3dB的共振信號(hào)帶寬及階次通過 時(shí)間等信息，并且還要通過經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算，這些的實(shí)現(xiàn)難度均很大。因此，Blough也他 的著作中也特別提到Vold-Kalman濾波階次跟蹤的實(shí)現(xiàn)對(duì)分析人員的經(jīng)驗(yàn)要求很高，濾波 過程的準(zhǔn)確性很難保證。雖然Vold-Kalman濾波器可以很好的跟蹤旋轉(zhuǎn)機(jī)械由于轉(zhuǎn)速變化 而產(chǎn)生的非平穩(wěn)態(tài)振動(dòng)信號(hào)，但是其濾波帶寬的優(yōu)化選擇卻成為了該方法深入應(yīng)用的瓶 頸。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中Vold-Kalman濾波器帶寬選擇缺少簡(jiǎn)便而可 靠的方法的問題，提出了一種基于階次譜的Vold-Kalman濾波帶寬優(yōu)選方法。
[0005 ]本發(fā)明的技術(shù)方案為:一種基于階次譜的Vo 1 d-Ka lman濾波帶寬優(yōu)選方法，包括以 下步驟：
[0006] S1、結(jié)合轉(zhuǎn)速信息對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行計(jì)算階次分析，獲得振動(dòng)信號(hào)的完 整階次譜，記為階次譜〇;
[0007] S2、根據(jù)目標(biāo)跟蹤階次及其置信度構(gòu)建一個(gè)階次矩形窗；
[0008] S3、利用S2中的階次矩形窗在階次譜0中獲得給定置信區(qū)間的目標(biāo)階次譜，記為階 次譜1;
[0009] S4、對(duì)S1中的振動(dòng)信號(hào)，在設(shè)定的帶寬庫中選擇一個(gè)濾波帶寬，通過Vold-Kalman 濾波器獲得目標(biāo)跟蹤階次的時(shí)域信號(hào)；
[0010] S5、對(duì)S4中獲得的目標(biāo)跟蹤階次時(shí)域信號(hào)進(jìn)行計(jì)算階次分析，獲得該帶寬下相應(yīng) 的目標(biāo)跟蹤階次的階次譜，記為階次譜2;
[0011] S6、將階次譜1和階次譜2相減得到剩余信號(hào)；
[0012] S7、計(jì)算剩余信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)差；
[0013] S8、在設(shè)定的帶寬庫中依次選擇一個(gè)濾波帶寬，重復(fù)S4到S7,直到帶寬庫中的所有 濾波帶寬都經(jīng)過選擇，得到一系列剩余信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)差；
[0014] S9、在得到的所有剩余信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)差中選擇最小值，其對(duì)應(yīng)的濾波帶寬即為最佳 帶寬。
[0015] 進(jìn)一步地，S2中階次矩形窗的幅值設(shè)定為1。
[0016] 進(jìn)一步地，S3中獲得階次譜1的具體方法為:利用S2中構(gòu)建的階次矩形窗，將目標(biāo) 階次譜按照置信區(qū)間的形式從階次譜0中分離開來，從而得到階次譜1，以實(shí)現(xiàn)后續(xù)與Vold-Kalman 濾波跟蹤結(jié)果的對(duì)比。
[0017] 進(jìn)一步地，S4中濾波帶寬的個(gè)數(shù)取決于對(duì)濾波精確度的要求。
[0018] 本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明實(shí)現(xiàn)過程簡(jiǎn)便，為該技術(shù)在旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷中的 有效利用起到了重要的推動(dòng)作用，為工程維護(hù)人員提供了一種簡(jiǎn)便、可靠而有效的方法實(shí) 現(xiàn)Vold-Kalman濾波階次跟蹤。通過采用本發(fā)明提供的方法，工程維護(hù)人員可以自行設(shè)置置 信區(qū)間，有效的評(píng)價(jià)Vold-Kalman濾波結(jié)果的準(zhǔn)確性。
【附圖說明】
[0019] 圖1為本發(fā)明提供的一種基于階次譜的Vold-Kalman濾波帶寬優(yōu)選方法流程圖。
[0020] 圖2為本發(fā)明實(shí)施例的旋轉(zhuǎn)機(jī)械的仿真模型圖。
[0021] 圖3為本發(fā)明實(shí)施例的轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速圖。
[0022]圖4為本發(fā)明實(shí)施例的轉(zhuǎn)子的振動(dòng)信號(hào)時(shí)域圖。
[0023]圖5為本發(fā)明實(shí)施例的轉(zhuǎn)子振動(dòng)信號(hào)計(jì)算階次分析后的階次譜圖。
[0024] 圖6為本發(fā)明實(shí)施例的利用階次矩形窗獲得目標(biāo)階次譜的過程圖。
[0025] 圖7為本發(fā)明實(shí)施例的轉(zhuǎn)子振動(dòng)信號(hào)經(jīng)過階次矩形窗獲得的目標(biāo)階次譜圖。
[0026] 圖8為本發(fā)明實(shí)施例的轉(zhuǎn)子振動(dòng)信號(hào)經(jīng)過Vold-Kalman濾波器后時(shí)域信號(hào)波形圖。 [0027]圖9為本發(fā)明實(shí)施例的轉(zhuǎn)子振動(dòng)信號(hào)經(jīng)Vold-Kalman濾波器后的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行計(jì) 算階次分析后的譜圖。
【具體實(shí)施方式】
[0028]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作進(jìn)一步的說明。
[0029 ]本發(fā)明提供了一種基于階次譜的Vo 1 d-Ka lman濾波帶寬優(yōu)選方法，如圖1所示，包 括以下步驟：
[0030] S1、結(jié)合轉(zhuǎn)速信息對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行計(jì)算階次分析，獲得振動(dòng)信號(hào)的完 整階次譜，記為階次譜0。
[0031] S2、根據(jù)目標(biāo)跟蹤階次及其置信度構(gòu)建一個(gè)階次矩形窗。
[0032]本發(fā)明實(shí)施例中，階次矩形窗幅值設(shè)定為1。階次矩形窗的寬度可由分析者自行選 定，通常應(yīng)包含目