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 命产生很大危害。冲击性扭振信号的能量和特征是汽轮发电机组扭振在线监测和机组寿命 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