專(zhuān)利名稱(chēng)：旋轉(zhuǎn)機(jī)械啟停階段非平穩(wěn)振動(dòng)信號(hào)瞬時(shí)頻率估計(jì)算法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種旋轉(zhuǎn)機(jī)械啟停階段非平穩(wěn)振動(dòng)信號(hào)的瞬時(shí)頻率估計(jì)
算法，是一種基于Viterbi算法的旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)信號(hào)的瞬時(shí)頻率估計(jì)算法。
背景技術(shù)：
旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷是近年來(lái)國(guó)內(nèi)外發(fā)展較快的一門(mén)新興技術(shù)，在航 空、大型石油、電力、化工行業(yè)的發(fā)動(dòng)機(jī)、氣輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)等旋 轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備中有著廣泛的應(yīng)用前景。大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)的 研究與應(yīng)用對(duì)于避免巨額的經(jīng)濟(jì)損失和災(zāi)難事故的發(fā)生有著重要意義。在 故障診斷過(guò)程中，尤其是啟停非平穩(wěn)階段，最重要、最關(guān)鍵而且最困難的 問(wèn)題就是故障特征信息提取。這是故障診斷中的瓶頸問(wèn)題，直接關(guān)系到故 障診斷的準(zhǔn)確率和故障早期預(yù)報(bào)的可靠性。因此，為了從根本上解決故障 診斷信息提取這個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，必須借助于信號(hào)處理、特別是現(xiàn)代信號(hào)處理 的理論方法和技術(shù)手段。從而，階比分析技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。然而，如何精確 地獲得參考軸轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)頻率估計(jì)(IFE),對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械升降速階段振 動(dòng)信號(hào)階比分析則顯得尤為重要。瞬時(shí)頻率估計(jì)在原理上利用了參考軸瞬 時(shí)轉(zhuǎn)速"M刺G為時(shí)間，i表示瞬時(shí))和瞬時(shí)頻率/(,)的對(duì)應(yīng)關(guān)系 /yw,W=60你)，實(shí)現(xiàn)了無(wú)須安裝鑒相裝置的情況下獲取參考軸瞬時(shí)頻率值。
Boashash對(duì)1992年以前出現(xiàn)的瞬時(shí)頻率估計(jì)算法做了較為詳細(xì)的綜 述分析，從物理學(xué)觀點(diǎn)出發(fā)對(duì)多分量信號(hào)的估計(jì)算法進(jìn)行了簡(jiǎn)單分類(lèi)，其 中包括相位差分法、相位建模法、時(shí)頻分布(TFD)中心距法、時(shí)頻分布 譜峰檢測(cè)法等幾種算法，并指出了各種算法的適用性及存在的優(yōu)缺點(diǎn)。譜 峰檢測(cè)法是目前常用的檢測(cè)多分量信號(hào)瞬時(shí)頻率的方法，主要包含基于 TFD的譜峰檢測(cè)、基于短時(shí)傅立葉變換(STFT)的譜峰檢測(cè)、基于線性調(diào) 頻小波變換(CT)的譜峰檢測(cè)、基于離散演變變換(DET)的譜峰檢測(cè)法 及一種改進(jìn)的Wigner Distribution的瞬時(shí)頻率譜峰檢測(cè)法等。在這些方法 中，STFT又以其線性時(shí)頻變換、不存在交叉項(xiàng)等優(yōu)點(diǎn)應(yīng)用最為廣泛。針對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)信號(hào)的瞬時(shí)頻率估計(jì)，目前用到的方法是傳統(tǒng)的
STFT譜峰檢測(cè)法。傳統(tǒng)的STFT譜峰檢測(cè)法求取多分量信號(hào)的瞬時(shí)頻率， 一般是通過(guò)時(shí)頻濾波將其它分量遮隔進(jìn)而求取某一分量的IF，依次遞推， 從而求取所有分量瞬時(shí)頻率。但是STFT譜峰檢測(cè)法存在以下缺陷 一是 遮隔技術(shù)增加了該類(lèi)算法的計(jì)算量；二是在對(duì)某一分量信號(hào)進(jìn)行遮隔時(shí)， 需要設(shè)定濾波寬度，帶寬的設(shè)定影響了瞬時(shí)頻率估計(jì)精度；三是復(fù)雜的旋 轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備在升降速階段的振動(dòng)信號(hào)中則有可能產(chǎn)生鄰近階比和交叉階 比分量，該方法則無(wú)能為力；四是在高噪聲、高干擾情況下，STFT譜峰 檢測(cè)法精度低，若依據(jù)偏差較大的估計(jì)值進(jìn)行階比分析，則階比分析結(jié)果 不具可信度，甚至是錯(cuò)誤的。
將STTT譜峰檢測(cè)與Viterbi算法結(jié)合對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械啟停階段非平穩(wěn)振動(dòng) 信號(hào)的瞬時(shí)頻率估計(jì)(我們把它自定義為STFTLVF算法，下同)，目前未 見(jiàn)報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)目前旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)信號(hào)的瞬時(shí)頻率估計(jì)算法 存在的問(wèn)題，尤其是廣泛使用的STFT譜峰檢測(cè)法存在的遮隔時(shí)濾波帶寬 會(huì)影響瞬時(shí)頻率估計(jì)精度、檢測(cè)中對(duì)鄰近階比和交叉階比分量無(wú)能為力、 在高噪聲、高干擾情況下STFT譜峰檢測(cè)法精度低等一系列問(wèn)題，提供一 種新的旋轉(zhuǎn)機(jī)械啟停階段非平穩(wěn)振動(dòng)信號(hào)瞬時(shí)頻率估計(jì)算法。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的 一種旋轉(zhuǎn)機(jī)械啟停階段非平穩(wěn)振動(dòng)信號(hào) 瞬時(shí)頻率估計(jì)算法，包括STFT譜峰檢測(cè)，其特征在于以啟停階段非平 穩(wěn)振動(dòng)信號(hào)的STFT時(shí)頻譜為基礎(chǔ)，利用Viterbi算法進(jìn)行估算，具體方法 是
a) 在試驗(yàn)臺(tái)上建立被測(cè)旋轉(zhuǎn)機(jī)械的工作模型，以電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的旋轉(zhuǎn) 機(jī)械轉(zhuǎn)軸為被測(cè)定軸，在被測(cè)定軸的水平和垂直方向安裝非平穩(wěn)振動(dòng)信號(hào) 傳感器，來(lái)測(cè)量軸在啟停階段的非平穩(wěn)振動(dòng)信號(hào)；同時(shí)安裝測(cè)量參考軸轉(zhuǎn) 速的光電傳感器；
b) 通過(guò)動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀獲得試驗(yàn)臺(tái)啟動(dòng)或停止階段參考軸水平振動(dòng)信號(hào)、垂直振動(dòng)信號(hào)、參考軸轉(zhuǎn)速，再經(jīng)上位機(jī)階比分析軟件進(jìn)行分析，
從而獲得含有多階分量的STFT時(shí)頻譜c) 將旋轉(zhuǎn)機(jī)械的工作頻率作為估算的起始頻率點(diǎn)；
d) 根據(jù)采樣頻率和計(jì)算精度的要求將STFT時(shí)頻分析得到的頻率等 分成M組，以參考軸工作頻率作為起始頻率點(diǎn)。啟動(dòng)階段按STFT分析得 到的N個(gè)時(shí)間點(diǎn)從^到f。計(jì)算；停機(jī)階段按STFT分析得到的N個(gè)時(shí)間點(diǎn) 從f。到^計(jì)算。建立啟動(dòng)過(guò)程和停機(jī)過(guò)程中N個(gè)時(shí)間點(diǎn)和M組頻率點(diǎn)的網(wǎng) 格面；
e) 在N個(gè)時(shí)間點(diǎn)和M組頻率點(diǎn)的網(wǎng)格中，通過(guò)Viterbi算法計(jì)算由 起始點(diǎn)到終點(diǎn)間非平穩(wěn)振動(dòng)信號(hào)參考軸瞬時(shí)最小偏差頻率點(diǎn)的路徑，對(duì)該 組最小偏差頻率點(diǎn)進(jìn)行集合，即為旋轉(zhuǎn)機(jī)械啟停階段參考軸的瞬時(shí)頻率曲 線，從而獲得旋轉(zhuǎn)機(jī)械啟停階段非平穩(wěn)振動(dòng)信號(hào)參考軸的瞬時(shí)頻率估計(jì)函 數(shù)值。
在本發(fā)明中非平穩(wěn)振動(dòng)信號(hào)傳感器為測(cè)量軸振的非接觸式電渦流傳 感器，或測(cè)量瓦振的速度傳感器；非平穩(wěn)振動(dòng)信號(hào)傳感器通常是在水平和 垂直方向上測(cè)量旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)信號(hào)。
在本發(fā)明中參考軸是指以電機(jī)驅(qū)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)軸；在試驗(yàn)臺(tái)上 建立被測(cè)旋轉(zhuǎn)機(jī)械的工作模型是指在參考軸上安裝轉(zhuǎn)子，從而能夠?qū)崿F(xiàn) 在轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺(tái)上模擬現(xiàn)實(shí)旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障，建立旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺(tái)的工作 模型。
在本發(fā)明中參考軸是指電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)軸；在試驗(yàn)臺(tái)上 建立被測(cè)旋轉(zhuǎn)機(jī)械的工作模型是指將電動(dòng)機(jī)與試驗(yàn)臺(tái)的轉(zhuǎn)軸對(duì)接，形成 被測(cè)定軸的工作模型。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于STFT_VF算法和傳統(tǒng)的STFT譜峰檢測(cè)瞬時(shí)頻率 估計(jì)相比，其不再采用濾波技術(shù)而是將Viterbi算法引入STFT譜峰檢測(cè)中。 因此具有以下優(yōu)點(diǎn)(1)在高噪聲和強(qiáng)干擾的情況下，傳統(tǒng)的STFT譜峰 檢測(cè)瞬時(shí)頻率估計(jì)算法因時(shí)頻濾波帶寬的影響精度低，若依據(jù)偏差較大的 估計(jì)值進(jìn)行階比分析，則階比分析結(jié)果不具可信度，甚至是錯(cuò)誤的；而STFT_VF算法能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的參考軸瞬時(shí)頻率估計(jì)。(2) STFT一VF算 法采用加比選較小偏差策略，在保證精度的提前下提高了計(jì)算效率。(3) STF11W算法的實(shí)現(xiàn)，解除了階比分析技術(shù)對(duì)鑒相裝置的依賴(lài)，實(shí)現(xiàn)了純 軟件的階比分析技術(shù)。(4) STFT_VF算法能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)復(fù)雜旋轉(zhuǎn)機(jī)械非平穩(wěn) 振動(dòng)信號(hào)的鄰近階比和交叉階比分量分離，而傳統(tǒng)的STFT譜峰檢測(cè)算法 則無(wú)能為力。


圖1是在轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺(tái)上建立工作模型的實(shí)施例；
圖2是圖1實(shí)施例的啟動(dòng)階段含有多階分量的STFT時(shí)頻譜圖3是圖1實(shí)施例經(jīng)過(guò)STFT一VF算法后獲得的啟動(dòng)階段非平穩(wěn)振動(dòng)
信號(hào)參考軸的瞬時(shí)頻率估算的函數(shù)曲線；
圖4是在試驗(yàn)臺(tái)上建立臥式螺旋離心機(jī)(簡(jiǎn)稱(chēng)臥螺機(jī)，下同)工作模
型的實(shí)施例；
圖5是圖4實(shí)施例停機(jī)階段含有多階分量的STFT時(shí)頻譜圖； 圖6是圖4實(shí)施例經(jīng)過(guò)STFT一VF算法后獲得的停機(jī)階段非平穩(wěn)振動(dòng) 信號(hào)參考軸的瞬時(shí)頻率估算的函數(shù)曲線；
圖7是Viterbi算法實(shí)現(xiàn)過(guò)程的網(wǎng)格模型推演。
圖中1、試驗(yàn)臺(tái)，2、參考軸，3、轉(zhuǎn)子，4、水平方向電渦流傳感器， 5、垂直方向電渦流傳感器，6、水平方向速度傳感器，7、垂直方向速度 傳感器，8、光電傳感器，9、動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀，10、上位機(jī)，11、電動(dòng)機(jī)， 12、臥式螺旋離心機(jī)
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1
被測(cè)旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺(tái)，工作頻率為100Hz 試驗(yàn)臺(tái)揚(yáng)州聯(lián)能生產(chǎn)的旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺(tái) 動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀OROS R3.4動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀
非接觸式電渦流位移傳感器CWY-DO-502非接觸式電渦流位移傳感
器光電傳感器揚(yáng)州聯(lián)能生產(chǎn)
電腦CPU為Pentium以上，內(nèi)存不少于256M, 1G剩余硬盤(pán)空間 應(yīng)用軟件旋轉(zhuǎn)機(jī)械階比分析軟件(OrdTra) 本實(shí)施例以對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械啟動(dòng)階段參考軸瞬時(shí)頻率進(jìn)行估算。 由圖l可見(jiàn)在試驗(yàn)臺(tái)l上建立被測(cè)旋轉(zhuǎn)機(jī)械的工作模型轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺(tái) 轉(zhuǎn)軸為參考軸2;在參考軸2上安裝轉(zhuǎn)子3;在參考軸的水平方向安裝非 接觸式電渦流傳感器4;在參考軸的垂直方向安裝非接觸式電渦流傳感器
5;在試驗(yàn)臺(tái)1的基座上安裝測(cè)量參考軸2轉(zhuǎn)速的光電傳感器8。
經(jīng)過(guò)動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀9獲得啟動(dòng)階段參考軸2的水平方向振動(dòng)信號(hào)、
垂直方向振動(dòng)信號(hào)、參考軸轉(zhuǎn)速(轉(zhuǎn)速測(cè)量取值以脈沖前沿為觸發(fā)參考)，
經(jīng)上位機(jī)10的階比分析軟件處理后，從而得到轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺(tái)啟動(dòng)階段多分 階信號(hào)的STFT時(shí)頻譜圖(見(jiàn)圖2)。 實(shí)施例2
被測(cè)旋轉(zhuǎn)機(jī)械L504C的臥式螺旋離心機(jī)，工作頻率為55Hz 動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀OROS R3.4動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀 測(cè)量瓦振的傳感器本特利速度傳感器9200，靈敏度20 nw/mm/s 非接觸式電渦流位移傳感器東南儀器廠生產(chǎn)，靈敏度8v/mm 光電傳感器東南儀器廠生產(chǎn)
電腦CPU為Pentium以上，內(nèi)存不少于256M， 1G剩余硬盤(pán)空間 應(yīng)用軟件旋轉(zhuǎn)機(jī)械階比分析軟件(OrdTm) 本實(shí)施例以對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械停機(jī)階段參考軸瞬時(shí)頻率進(jìn)行估算。 由圖3可見(jiàn)，在試驗(yàn)臺(tái)1上建立被測(cè)旋轉(zhuǎn)機(jī)械的工作模型是將被測(cè) 定軸2 (以大端為例)與試驗(yàn)臺(tái)1的電動(dòng)機(jī)11對(duì)接，在被測(cè)定軸2上安裝 測(cè)量軸振的非接觸式電渦流位移傳感器4;在臥螺離心機(jī)的機(jī)座上安裝一
組測(cè)量瓦振的速度傳感器水平方向的速度傳感器6,垂直方向速度傳感 器7;同時(shí)在試驗(yàn)臺(tái)1的基座上安裝測(cè)量參考軸轉(zhuǎn)速的光電傳感器8。
通過(guò)動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀9獲得臥螺離心機(jī)停止階段被測(cè)定軸2的水平振 動(dòng)信號(hào)、垂直振動(dòng)信號(hào)、轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速(轉(zhuǎn)速測(cè)量取值以脈沖前沿為觸發(fā)參考)，再經(jīng)上位機(jī)10的階比分析軟件處理，從而形成含有停機(jī)階段多階信號(hào) STFT時(shí)頻譜圖(見(jiàn)圖4)。 實(shí)施例3
Viterbi算法的實(shí)現(xiàn)過(guò)程
根據(jù)采樣頻率和計(jì)算精度的要求將STFT時(shí)頻分析得到的頻率等分成 M組，以參考軸工作頻率作為起始頻率點(diǎn)。啟動(dòng)階段根據(jù)STFT分析得到 的N個(gè)時(shí)間點(diǎn)從^到f。計(jì)算；停機(jī)階段根據(jù)STFT分析得到的N個(gè)時(shí)間點(diǎn) 從f。到^計(jì)算。建立啟動(dòng)過(guò)程和停機(jī)過(guò)程中N個(gè)時(shí)間點(diǎn)和M組頻率點(diǎn)的網(wǎng) 格面；
在一個(gè)由N個(gè)時(shí)間點(diǎn)和M組頻率點(diǎn)組成的網(wǎng)格面中，求取第一個(gè)時(shí)間 點(diǎn)對(duì)應(yīng)的最優(yōu)頻率點(diǎn)到最后一個(gè)時(shí)間點(diǎn)對(duì)應(yīng)的最優(yōu)頻率點(diǎn)的最優(yōu)路徑。
對(duì)于任意時(shí)間間隔"e[n,.，/^],巧、"w之間的所有路徑屬于K。 ",、 兩點(diǎn)之間的最佳路徑表達(dá)式
，
^>2)=，忠[2洲"),*("+1))]=啤^「(,;巧，巧+1) (O
式中r(it(");",.,"<+1)是由",到沿路徑的代價(jià)函數(shù)。函數(shù) g0c,y) = g(k-y|)，它是關(guān)于卜-爿的非增函數(shù)，代表x與y之間的絕對(duì)差值，
即jc -和y - -i)兩個(gè)連續(xù)時(shí)間點(diǎn)之間的距離。
'd lx倆
^力+x-:H"A) A^lx-麵 (2) 《4-" >K
其中，A,、 A,為閾值，其最優(yōu)選擇為兩個(gè)連續(xù)點(diǎn)狀態(tài)變化的最大期望 值。在兩個(gè)連續(xù)時(shí)間點(diǎn)對(duì)應(yīng)的狀態(tài)點(diǎn)變化小于A,時(shí)，則代價(jià)函數(shù)為O。 x和 y之間狀態(tài)突變時(shí)，其代價(jià)函數(shù)為e(A「A,)。
Viterbi算法的迭代運(yùn)算過(guò)程
(1)選取從巧時(shí)刻到w,時(shí)刻的局部最優(yōu)路徑。將巧時(shí)刻到",時(shí)刻的局
部最優(yōu)路徑用7i,(",A)表示，其中"e[a,",]， /e[l,M]， fe[l，JV]
it,.(njfi^) = argminr(先(w);^，(w,-,G^.)) (3)
rot(");巧，(",，巧))是由a到w,沿路徑)t(")的代價(jià)函數(shù)和，包含從時(shí)刻a到點(diǎn)(",，必,)的所有路徑。從巧到n,的最佳狀態(tài)估計(jì)為
(2)第二步確定當(dāng)前時(shí)刻",到下一時(shí)刻",+1的最優(yōu)路徑，用式(4) 求得的巧到",的最優(yōu)路徑和",+1時(shí)刻的最優(yōu)路徑直接連接，得
兀w ("; %)=[兀,(";必/ )， , a )] (5)
其中，7'e[l,Jl/], /e[l，M]，對(duì)每一個(gè)巧，ye[l,M]，計(jì)算(4)的最小值， nX (";(",,叫))+ ,巧) (6)
為了確定式(5)的最小值，本文采用l^-^的線性增加函數(shù)g(^巧) ①設(shè)"厶；
<+i ("; % ) 二 IX ("; ^ )， (",+i ，必_/)]; ③如果
("; );巧，(w,., ,)) + , o》< g(o,+^ ， ％ )+min[7t,(",必乂 )， 乂 = 1， M〗 那 么 ^(";^X(";巧)為最優(yōu)路徑，停止搜索；否貝!]， p-p+l然后重復(fù)步驟②。
依據(jù)計(jì)算后獲得實(shí)施例1，旋轉(zhuǎn)機(jī)械啟動(dòng)階段非平穩(wěn)振動(dòng)信號(hào)的STFT 時(shí)頻譜圖(見(jiàn)圖2);旋轉(zhuǎn)機(jī)械啟動(dòng)階段非平穩(wěn)振動(dòng)信號(hào)參考軸的瞬時(shí)頻率 估算的函數(shù)曲線(見(jiàn)圖3)。
依據(jù)計(jì)算后獲得實(shí)施例2，旋轉(zhuǎn)機(jī)械停機(jī)階段非平穩(wěn)振動(dòng)信號(hào)的STFT 時(shí)頻譜圖(見(jiàn)圖5)，圖5的顏色深淺代表振動(dòng)信號(hào)幅值的高低，從圖中可 以看出振動(dòng)信號(hào)中除了臥螺機(jī)各階振動(dòng)信號(hào)外，還包含了高噪聲信號(hào)；利 用SFTF_VF算法對(duì)高噪聲、高干擾臥螺離心機(jī)停機(jī)階段非平穩(wěn)振動(dòng)信號(hào) 進(jìn)行參考軸瞬時(shí)頻率估算的函數(shù)曲線(見(jiàn)圖6)。
實(shí)施例4
Viterbi算法實(shí)現(xiàn)過(guò)程的網(wǎng)格模型推演，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。 計(jì)算過(guò)程中，假設(shè)每一步最多保存4條幸存路徑。如圖7，假設(shè)有6 (N=6)個(gè)時(shí)間點(diǎn)，4 (M=4)組頻率點(diǎn)的網(wǎng)格面建 立，兩點(diǎn)之間的數(shù)值為代價(jià)函數(shù)值，作為幸存路徑選取的依據(jù)(代價(jià)函數(shù) 值和最小)，如圖7 (a)所示。
第一步針對(duì)圖7(a)中，以(巧，w)作為起始點(diǎn)，計(jì)算(/tp")點(diǎn)到("2，附,) 點(diǎn)之間的幸存路徑，從圖中可以看出，從(巧，^)點(diǎn)到( ，^)點(diǎn)有兩條代價(jià) 函數(shù)值為1的路徑。根據(jù)每一步保留4條幸存路徑的原則，因此在圖7 (b)
中保留了(Wp 卄(n2,W)和(巧， 4(/Z2,附3)兩條路徑。
第二步在圖7 (b)的基礎(chǔ)上計(jì)算(n2,^)點(diǎn)和( ,巧)點(diǎn)到( ,加》之間
的幸存路徑。結(jié)合圖7(a)和圖7(b)可以看出(^/^)點(diǎn)和("2,^3)點(diǎn)到("3,^) 之間共有4 了路徑(a，;^)點(diǎn)到( 的代價(jià)函數(shù)值為1,則化，/^)到(K3，m) 路徑的代價(jià)函數(shù)值和為2; (^mj點(diǎn)到(^^)點(diǎn)的代價(jià)函數(shù)值為1，則(np^) 到",^s)的代價(jià)函數(shù)值和為2; (^m3)點(diǎn)到(^,^)的代價(jià)函數(shù)值為2，則 (巧， 到( ^)的代價(jià)函數(shù)值和為3; ("2,/ 3)點(diǎn)到(《3，附4)點(diǎn)的代價(jià)函數(shù)值為 0,則0v^)到(a，加4)的代價(jià)函數(shù)值和為1。根據(jù)每一步保留4條幸存路徑 的原則，則在圖7 (c)中保留了 (",，加,)—("2，加J—("3，m,)、
(W^W) —(W2,OT!) —(Wj,OTj)、 —(W2,m3)4(nj，m2)、(巧,/^)卄(M2，W3)卄(Wj，OT4)
四條路徑。
第三步計(jì)算(W3,")點(diǎn)、(n3，7M2)點(diǎn)、(《3,^3)點(diǎn)和(《3,加4)點(diǎn)到("4，附,)之間
的幸存路徑，結(jié)果如圖7(d)。從圖7(a)中可看出，(n3,^)點(diǎn)、(《3，2)點(diǎn)、 (nj,W3)點(diǎn)和( 附4)點(diǎn)到("4,w,)之間共有8條路徑(W3，m!)點(diǎn)到("4,/^)點(diǎn)的代 價(jià)函數(shù)值為0，則(巧,mj)卄( ,/^) —(W3,^)卄(/v^)權(quán)重因子和為2; ( 3, 0點(diǎn)
到("4,W3)點(diǎn)的權(quán)重因子為2，則(巧，^)4("2,")4( m)4("4，)路徑的代價(jià)
函數(shù)值和為4 ; 點(diǎn)到("4,m)點(diǎn)的代價(jià)函數(shù)值為2 ，則
(A，")"K/^,m3) —(W3,W2)4("4，)代價(jià)函數(shù)值和為5; (Mj，mj)點(diǎn)到("4,W3)點(diǎn)的
代價(jià)函數(shù)值為0，則(巧，")—^，附3)4(W3，化)—("4，^3)的代價(jià)函數(shù)值和為3; (Wj，/^)點(diǎn)到("4,m2)點(diǎn)的代價(jià)函數(shù)值為1，則",Wj)卄(W2,")卄(;^，W3)4("4，7W2)
的代價(jià)函數(shù)值和為3; ( 3,^3)點(diǎn)到("4,附4)點(diǎn)的代價(jià)函數(shù)值為1，則 ( W!)"K^,mj) —(/^,/ 3)4("4，加4)的代價(jià)函數(shù)值和為3; (n3,附4)點(diǎn)到( ,m2)點(diǎn)的代價(jià)函數(shù)值為1，則"，W)4( ,m3)"K 加4) —("4,/^)代價(jià)函數(shù)值和為2;
( j,/K4)點(diǎn)到("4，附4)的代價(jià)函數(shù)值為1 ,則( 2，/ 3) 4 ( 3， W4) 4 ("4, 14)路
徑的代價(jià)函數(shù)值和為2。根據(jù)每一步保留4條幸存路徑的原則，因此在圖
7 (d)中保留了O,,(w"加,)—("3,加,)—("4附,)、
(Wp加!) ~ ("2,附3) ~> (W3，W2) ~> (W4,/W3)、(巧，mj)-^(W2，/W3) — (W3,加4)"^("4,加2)、 (Wl,W!) ( 2,/ 3) ~> ( 3,附4) ~> ("4，附4)四條路徑。
第四步從圖7(a)中可以看到("4，W)點(diǎn)、("4,W2)點(diǎn)、("4,W3)點(diǎn)和("4,W4)
點(diǎn)到("5，w,)之間的共有四條路徑。結(jié)合圖7 (d)計(jì)算("4，,)到("5，^.)的幸
存路徑("4，W)點(diǎn)到("5，W)點(diǎn)的代價(jià)函數(shù)值為2 ,則 (""加,)" ("2,W) — ("3，W,) — ("4,加?！?"5,加,)路徑的代價(jià)函數(shù)值和為
4 ; ("4，加2)點(diǎn)到("5，加J點(diǎn)的代價(jià)函數(shù)值為0 ，則 (np^)"K"2,^3) —( 3,加4)卄("4,^2) —("5，W)的權(quán)重因子和為2; ("4,mj)點(diǎn)至廿 ("5，附2)點(diǎn)的代價(jià)函數(shù)值為1，則(np^)4(W2,Wj) —(nj,/n2)4("4,m3)卄("5,W2)的 代價(jià)函數(shù)值和為4; ("4，加4)點(diǎn)到(《5,%)點(diǎn)的代價(jià)函數(shù)值為1,則路徑 (巧,M) —(A，W) —(A,加4)卄("4，加4)卄(/^,m2)的代價(jià)函數(shù)值和為3。根據(jù)每一 步最多保留 4條幸存路徑的原則，選擇保留
(W,，附i) — ("2,加3)~> ("3，附4)— (W4，W2)~ ( 5,加,)和 (巧，m!) ~> (K2，Wj) ~> (Wj，附4)卄(W4,OT4) ~> ("5,m2)兩條幸存路，圣。
第五步計(jì)算(^，/^)點(diǎn)、(A,m2)點(diǎn)到K,")點(diǎn)的幸存路徑。 (w 5 ，加t ) 點(diǎn)到("6 , m i ) 點(diǎn)的代價(jià)函數(shù)值子為1 ，則路徑 (巧,w)4(W2,;n3)4(nj,加4)4(W4,加2) —("5,;^)4("6,/^)的代價(jià)函數(shù)值和為3;
("5,附2)點(diǎn)到("6，Wl)點(diǎn)的代價(jià)函數(shù)值為1，則路徑
(巧，M) —(W2,/W3)卄(^，加4)卄("4,附4)4("5，附2) —("6,/"i)的代價(jià)函數(shù)值和為4。根 據(jù)最優(yōu)路徑選取原則，最終計(jì)算得最優(yōu)路徑為 (巧，")—(W2,Wj) —(A,附4)卄("4,W2)卄("5，Wj) —("6，M)，如圖7 (f)。并依此作 為估算的函數(shù)值。
權(quán)利要求
1、一種旋轉(zhuǎn)機(jī)械啟停階段非平穩(wěn)振動(dòng)信號(hào)瞬時(shí)頻率估計(jì)算法，其特征在于以啟停階段非平穩(wěn)振動(dòng)信號(hào)的STFT(Short Time FrequencyTransform)時(shí)頻譜圖為基礎(chǔ)，采用Viterbi算法對(duì)參考軸非平穩(wěn)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行瞬時(shí)頻率估算，具體方法是a)建立旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺(tái)工作模型，在參考軸的水平方向和垂直方向安裝非平穩(wěn)振動(dòng)信號(hào)傳感器，以測(cè)量參考軸在兩個(gè)方向的振動(dòng)信號(hào)；安裝光電傳感器測(cè)量參考軸的旋轉(zhuǎn)速度；b)通過(guò)動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀獲得實(shí)驗(yàn)臺(tái)啟動(dòng)或停止階段參考軸水平振動(dòng)信號(hào)、垂直振動(dòng)信號(hào)、參考軸轉(zhuǎn)速，再經(jīng)上位機(jī)階比分析軟件進(jìn)行分析，從而得到含有多階分量的STFT時(shí)頻譜圖；c)將旋轉(zhuǎn)機(jī)械的工作頻率作為估算的起始頻率點(diǎn)；d)根據(jù)采樣頻率和計(jì)算精度的要求將STFT時(shí)頻分析得到的頻率等分成M組，以參考軸工作頻率作為起始頻率點(diǎn)；啟動(dòng)階段按STFT分析得到的N個(gè)時(shí)間點(diǎn)從tN到t0計(jì)算，停機(jī)階段按STFT分析得到的N個(gè)時(shí)間點(diǎn)從t0到tN計(jì)算，建立啟動(dòng)過(guò)程和停機(jī)過(guò)程中N個(gè)時(shí)間點(diǎn)和M組頻率點(diǎn)的網(wǎng)格面；e)在N個(gè)時(shí)間點(diǎn)和M組頻率點(diǎn)的網(wǎng)格中，通過(guò)Viterbi算法計(jì)算由起始點(diǎn)到終點(diǎn)之間非平穩(wěn)振動(dòng)信號(hào)參考軸瞬時(shí)最小偏差頻率點(diǎn)的路徑，對(duì)該組最小偏差頻率點(diǎn)進(jìn)行擬合，即旋轉(zhuǎn)機(jī)械啟停階段參考軸的瞬時(shí)頻率曲線，從而獲得旋轉(zhuǎn)機(jī)械啟停階段非平穩(wěn)振動(dòng)信號(hào)參考軸的瞬時(shí)頻率估計(jì)函數(shù)值。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)機(jī)械啟停階段非平穩(wěn)振動(dòng)信號(hào)瞬時(shí)頻率估計(jì)算法，其特征在于非平穩(wěn)振動(dòng)信號(hào)傳感器為測(cè)量軸振的非接觸式 電渦流位移傳感器，或測(cè)量瓦振的速度傳感器。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的旋轉(zhuǎn)機(jī)械啟停階段非平穩(wěn)振動(dòng)信號(hào)瞬時(shí)頻率估計(jì)算法，其特征在于參考軸是指電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺(tái)轉(zhuǎn) 軸；建立轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺(tái)的工作模型是指在參考軸上安裝轉(zhuǎn)子，以實(shí)現(xiàn)在轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺(tái)上模擬故障，建立旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺(tái)的工作模型。
4、根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的旋轉(zhuǎn)機(jī)械啟停階段非平穩(wěn)振動(dòng)信號(hào)瞬 時(shí)頻率估計(jì)算法，其特征在于參考軸是指電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)軸; 在試驗(yàn)臺(tái)上建立被測(cè)旋轉(zhuǎn)機(jī)械的工作模型是指將電動(dòng)機(jī)與試驗(yàn)臺(tái)的轉(zhuǎn)軸 對(duì)接，形成被測(cè)定軸的工作模型。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種旋轉(zhuǎn)機(jī)械啟停階段非平穩(wěn)振動(dòng)信號(hào)瞬時(shí)頻率估計(jì)算法，首先建立旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺(tái)工作模型，在參考軸水平、垂直方向安裝測(cè)量振動(dòng)信號(hào)的非平穩(wěn)振動(dòng)信號(hào)傳感器，以及測(cè)量參考軸旋轉(zhuǎn)速度的光電傳感器；通過(guò)動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀對(duì)獲得的信號(hào)經(jīng)上位機(jī)階比分析軟件分析后，得到含有多階分量的STFT時(shí)頻譜圖；將旋轉(zhuǎn)機(jī)械的工作頻率作為估算的起始頻率點(diǎn)，根據(jù)采樣頻率和計(jì)算精度的要求將STFT時(shí)頻分析得到的頻率等分成M組，啟停階段等分成N個(gè)時(shí)間點(diǎn)建立N個(gè)時(shí)間點(diǎn)和M組頻率點(diǎn)的網(wǎng)格面；通過(guò)Viterbi算法計(jì)算起止間的最小偏差頻率點(diǎn)的路徑，擬合后獲得旋轉(zhuǎn)機(jī)械啟停階段非平穩(wěn)振動(dòng)信號(hào)參考軸的瞬時(shí)頻率估計(jì)函數(shù)值。
文檔編號(hào)G01H11/06GK101603854SQ20091003188
公開(kāi)日2009年12月16日 申請(qǐng)日期2009年7月15日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月15日
發(fā)明者侯榮濤, 薛勝軍, 趙曉平 申請(qǐng)人:南京信息工程大學(xué)