一种旋转机械扭振冲击信号特征提取方法
【专利摘要】本发明提出一种旋转机械扭振冲击信号特征提取方法。本发明将旋转机械扭振冲击响应信号看作为一组衰减响应信号，指出扭振幅值衰减过程可以用包络曲线来模拟，提出通过Hilbert变换来提取幅值衰减过程的包络特性。在此基础上，根据包络曲线面积来评定冲击响应能量，用指数函数来逼近包络曲线。将包络曲线取对数，得到对数包络曲线。用斜线来逼近对对数包络曲线，由斜线斜率和起点值求得冲击响应信号阻尼特性和冲击幅度。这种方法充分利用了Hilbert变换对瞬态信号的包络分析能力，简化了Prony算法，方法简便、可行。
【专利说明】一种旋转机械扭振冲击信号特征提取方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种旋转机械振动信号特征提取方法，能突出反映扭振信号中的冲击 特征，尤其适用于旋转机械扭振监测分析时扭振冲击特征提取需求，进而帮助机组开展扭 振状态监测和疲劳寿命预测。主要应用领域包括：动力、冶金、石化、航空等大型旋转机械， 如压缩机、发电机、燃气轮机、泵、风机、电动机等。
【背景技术】
[0002] 在非同期并网、电力系统扰动、甩负荷、重合闸、线路开关操作等外界因素作用下， 汽轮发电机组转轴上会收到瞬态扭转激励，激发起次同步振荡，形成冲击性扭振，对机组寿 命产生很大�：Α３寤餍耘ふ裥藕诺哪芰亢吞卣魇瞧址⒌缁榕ふ裨谙呒嗖夂突槭倜� 损耗评价的重要指标。
[0003] 汽轮发电机组扭振分析时，Prony法和ITD法是最常用的两种瞬态信号分析方法。 Prony算法是一种能够根据采样值直接估算出信号幅值、频率、衰减因子、初相角的分析方 法。该法假设按等间隔采样的N个数据点可由p个指数函数的线性组合来模拟（N > 2p)。 为了使拟合值向实际值逼近，根据平方误差最小原则，采取最小二乘法求得各系数值。该 法实际使用时存在以下几点缺陷：（1)算法复杂；（2)需要将观测窗口人为分为若干段来辨 识；（3)模型阶数的确定对识别结果影响较大；(4)对噪声很敏感。ITD (随机减量）法把环 境激励看做是随机激励，根据检测到的多个随机响应信号计算结构自由衰减响应。该法认 为，结构瞬态冲击响应由确定性部分（脉冲或阶跃信号）和随机部分组成。对测试到的响 应信号进行足够多的样本平均后，响应的随机部分被平均掉，剩余则为冲击响应信号。这种 方法能够从含噪信号中提取微弱冲击响应信号，但存在以下缺点：（1)测试结果对初值选 取的依赖度很大。不同初值下的计算结果可能差别很大，影响了该方法的实用性和可靠性； (2)需要有足够长的样本来做平均，一次样本分析所需的样本数量较大。
[0004] 本发明提出一种新的扭振冲击信号特征提取和分析方法。本发明将扭振冲击响应 信号看作为一组衰减响应信号，指出扭振幅值衰减过程可以用包络曲线来模拟，提出通过 Hilbert变换来提取幅值衰减过程的包络特性。在此基础上，根据包络曲线面积来评定冲击 响应能量，用指数函数来逼近包络曲线，用斜线来逼近对包络信号取对数值后的曲线，由斜 线斜率和起点值求得冲击响应信号阻尼特性和冲击幅度。这种方法充分利用了 Hilbert变 换对瞬态信号的包络分析能力，简化了 Prony算法，方法简便、可行。
【发明内容】
[0005] 本发明提出一种新的旋转机械扭振冲击信号特征提取方法。
[0006] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
[0007] -种旋转机械扭振冲击信号特征提取方法，本发明特征是：
[0008] 1)将扭振冲击响应信号看作为一组衰减响应信号，用Hilbert变换来提取幅值衰 减过程
[0009] 的包络曲线；
[0010] 2)根据包络曲线面积评定冲击响应能量；
[0011] 3)求取对数包络曲线，用斜线来逼近对数包络曲线，由斜线斜率和起点值求得冲 击响应
[0012] 信号阻尼特性和冲击幅度；
[0013] 其具体步骤为：
[0014] (1)测量原始扭振信号y(t)，用五点平滑法降噪得到待分析信号yi(t);
[0015] (2)应用Hilbert变换求取待分析信号yi(t)的包络信号；首先，计算待分析信号 y! (t)的 Hilebrt 变换信号 y2 (t)
[0016]
【权利要求】
1. 一种旋转机械扭振冲击信号特征提取方法，其特征是： 1) 将扭振冲击响应信号看作为一组衰减响应信号，用Hilbert变换来提取幅值衰减过 程 的包络曲线； 2) 根据包络曲线面积评定冲击响应能量； 3) 求取对数包络曲线，用斜线来逼近对数包络曲线，由斜线斜率和起点值求得冲击响 应 信号阻尼特性和冲击幅度； 其具体步骤为： (1) 测量原始扭振信号y(t)，用五点平滑法降噪得到待分析信号yi(t); (2) 应用Hilbert变换求取待分析信号yi(t)的包络信号；首先，计算待分析信号yi(t) 的Hilebrt变换信号 72(〇
由原始信号yi (t)和Hilbert变换后的信号构造新的解析信号： y3(t) = y1(t)+jy2(t) 解析信号的幅值就是实信号yi(t)的包络信号y4(t):
(3) 设定冲击信号的触发阈值为b，将待分析时间段内的包络曲线74(〇分为若干组冲 击事件4^ = 1，2，...，11;一组冲击事件41的定义如下： 信号起点处：74(1^)〈1：|，74(1:+八 1:)彡匕 信号终点处：(t) >b, y4 (t+ Δ t)彡b 其中，At为采样时间间隔； (4) 计算一组冲击事件&的包络面积Si
其中，h，t2为冲击事件所对应的起点和终点时刻； (5) 用指数衰减函数^(〇来逼近包络曲线74(〇 y5(t) = Ae_〇t 其中，A为冲击响应幅值，σ为反映冲击事件衰减快慢程度的量，与系统阻尼有关； (6) 求解Α和σ 将上式等号两边取对数得 y6(ti) = ln[y5(t)] = ln[Ae_〇t] = 1η(Α)-σ t t = Ο时刻信号y6 (tD的函数值为In (A),信号y6 (tD的斜率为-σ。
【文档编号】G01H17/00GK104111108SQ201410338983
【公开日】2014年10月22日 申请日期:2014年7月16日 优先权日:2014年7月16日
【发明者】彭斌, 董川, 董鸿魁, 崔海波, 周成建, 沈发荣, 杨辰曜 申请人:云南电力试验研究院（集团）有限公司电力研究院, 云南电网公司技术分公司
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