一种旋转设备瞬时转速估计方法技术

本发明专利技术提供了一种旋转设备瞬时转速估计方法，该方法通过精确估计转子振动信号瞬时频率，实现设备转速估计。本发明专利技术首先利用参数化时频分析方法粗略估计振动信号瞬时频率，然后用一种新的包络跟踪滤波器对初始估计结果进行精确修正，最终得到的信号瞬时频率直接反映设备的瞬时转速，该包络跟踪滤波器利用傅立叶级数模型刻画信号包络，采用最小二乘法对包络参数优化求解。本发明专利技术采用参数化时频变换与包络跟踪滤波器结合的瞬时转速估计方法，能够克服传统技术估计精度受时频分辨率限制的缺点，具有估计精度高，实现简单的优点。

【技术实现步骤摘要】
一种旋转设备瞬时转速估计方法
本专利技术涉及信号处理领域，尤其是一种估计旋转设备瞬时转速的方法，具体是一种基于参数化时频变换与包络跟踪滤波的瞬时转速估计方法。
技术介绍
在大型旋转设备状态监测、故障诊断等应用中，通常需要精确测量设备的瞬时转速。键相测量是目前常用的一种设备瞬时转速测量方法。键相测量方法通过探测键相脉冲信号产生的时刻，确定转子在一个旋转周期内的位置。这种方法得到的是转子的平均转速，当转速变化时，测量误差较大。同时，键相测量需要额外的硬件设备，测量成本较高。转子振动信号的频率信息直接与转子瞬时转速相关。因此，通过分析振动信号，可以精确估计旋转设备瞬时转速。当旋转设备转速变化时，转子振动信号的频率成分呈现出时变特征。瞬时频率常用来刻画信号的这类瞬时变化特征。时频分析技术是估计信号瞬时频率的有效工具，根据分析参数是否与信号有关，时频方法可以分为非参数化时频方法和参数化时频方法。常见的短时傅里叶变换、小波变换、魏格纳威尔分布等方法属于非参数化时频方法。这些方法的缺点是：时频集中性差，交叉项干扰等。为了提高非参数化时频方法的分辨率，有学者提出了时频重排和同步压缩等方法。这些方法通过后处理手段，将时频分布上每一点的值搬移到信号能量重心，以压缩时频能量带，提高时频分辨率，但方法计算量大、抗噪性能差。另一类非参数化时频方法利用先进的数学优化方法提升信号瞬时频率估计精度，例如现有技术中提出的数据驱动时频分析方法。这类方法对优化初值敏感，当初值选择不当时，算法难以收敛。参数化时频方法采用与信号模型匹配的核函数，能够有效提高时频分辨率，减小瞬时频率估计偏差。线性调频小波变换是处理线性调频信号的一种参数化时频方法。已有现有技术扩展了线性调频小波变换，提出了多种处理非线性调频信号的时频分析方法。参数化时频分析方法虽然提升了时频分布的能量聚集性，但是其时频分辨率仍然有限，难以得到高精度的瞬时频率估计值。至今为止，还没有采用参数化时频方法和包络跟踪滤波相结合进行旋转设备瞬时转速估计。
技术实现思路
为了克服传统技术估计精度受时频分辨率限制的缺点，本专利技术提供一种基于参数化时频变换与包络跟踪滤波结合的方法实现对旋转设备瞬时转速的高精度估计：首先采用以傅立叶级数为核函数的参数化时频变换粗略估计振动信号瞬时频率；以瞬时频率初始估计值为输入，利用一种新的包络跟踪滤波器估计信号复数包络；利用信号包络的相位信息精确修正瞬时频率估计结果，得到的振动信号瞬时频率可以直接反映设备的瞬时转速。本专利技术提供的包络跟踪滤波算法利用傅立叶级数模型描述信号复数包络，用正则化最小二乘法估计包络模型参数。该包络跟踪算法可以有效抑制噪声，精确提取各种复杂的信号包络信息。本专利技术是根据以下技术方案实现的：一种旋转设备瞬时转速估计方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤S1，利用参数化时频变换估计设备振动信号的瞬时频率；步骤S2，利用包络跟踪滤波器估计信号复数包络；步骤S3，得到的信号包络被用于精确修正瞬时频率初始估计结果，信号的瞬时频率直接反映设备瞬时转速。上述技术方案中，步骤S1通过迭代拟合参数化时频分布脊线的方法估计信号瞬时频率，其过程包括：S101：参数初始化，令核参数α(i)＝{0，…，0}，设定傅立叶级数阶次M，收敛阈值ε，迭代次数i＝1；S102：以核参数α(i)计算参数化时频分布TF(t，f；α(i))；S103：从时频分布TF(t，f；α(i))中提取时频脊线S104：用M阶傅立叶级数似合更新核参数α(i+1)；S105：计算迭代终止条件S106：若ξ(i)＞ε，令i＝i+1并跳转至步骤S102；否则执行步骤S107；S107：返回瞬时频率估计结果上述技术方案中，步骤S1中的参数化时频变换具体包括：定义：其中z(t)是由希尔伯特变换得到的振动信号的解析形式，gσ(t)为高斯窗函数，α＝为变换核参数，F0＝Fs/2N为傅立叶级数的频率分辨率(Fs为信号采样频率)，参数化时频变换利用算子降低目标信号的频率调制程度，以得到集中的时频表示。上述技术方案中，步骤S2中的包络跟踪滤波器算法具体包括：假设当旋转设备转速发生变化时，转子振动信号模型用调幅-调频模型描述：其中t＝t0，…tN-1为采样时刻，A(t)、f(t)、分别表示振动信号基频分量的瞬时幅值、瞬时频率和初始相位，n(t)代表噪声和其他不相关的谐波成分。瞬时频率f(t)直接对应旋转设备的瞬时转速。假设参数化时频变换得到的瞬时频率估计值为振动信号模型重新整理为：其中为信号复数包络，a(t)的复数相位与瞬时频率估计误差有关，因此可以利用a(t)的相位信息精确修正瞬时频率估计结果。为了精确提取a(t)，用K阶傅立叶级数模型刻画a(t)：将上式带入信号模型，得到如下回归方程：z＝Ga+n其中z＝[z(t0)…z(tN-1)]T，a＝[a0…aKb1…bK]T，n＝[n(t0)…n(tN-1)]T，G矩阵的维数为N×(2K+1)，其元素为：其中信号包络系数向量a通过正则化最小二乘法估计：其中α为正则化参数，I代表单位矩阵，上标H代表矩阵共轭转置，由估计到的系数向量可以得到信号包络估计进而提取信号基频分量包络跟踪滤波器可视为时频滤波器，其中心频率为参数化时频变换得到的瞬时频率其带宽为2KF0。上述技术方案中，步骤S3中瞬时频率修正过程具体包括：S301：将步骤S1中估计到的瞬时频率作为步骤S2中包络跟踪滤波器输入，提取信号复数包络具体需建立信号包络傅立叶级数模型，并对模型参数优化求解；S302：提取包络信号的复数相位对相位函数求导得到包络瞬时频率用傅立叶级数模型对拟合得到瞬时频率修正量S303：修正瞬时频率估计与现有技术相比，本专利技术具有如下的有益效果：1.由于采用傅立叶级数瞬时频率模型，与传统的多项式模型相比，本专利技术能够处理更复杂的设备瞬时转速变化情况。2.本专利技术采用包络跟踪滤波器修正瞬时频率估计结果，能够克服传统技术估计精度受时频分辨率限制的缺点，能够得到高精度的瞬时转速估计。3.算法实现简单，性能稳定，能够适用于多种应用领域。附图说明通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本专利技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显：图1为本专利技术的瞬时转速估计方法流程示意图；图2为本专利技术的仿真信号的时频表示示意图；图3为本专利技术的仿真信号瞬时频率估计结果示意图；图4为本专利技术的不同信噪比下仿真信号瞬时频率估计误差示意图；图5为本专利技术的转子试验台示意图；图6为本专利技术的转子振动信号的时频表示示意图；图7为本专利技术的转子瞬时转速估计结果示意图。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本专利技术，但不以任何形式限制本专利技术。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本专利技术构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本专利技术的保护范围。图1为本专利技术的瞬时转速估计方法整体流程示意图，如图1所示，其特征在于，包括如下步骤：步骤S1，利用参数化时频变换估计设备振动信号的瞬时频率；步骤S2，利用包络跟踪滤波器估计信号复数包络；步骤S3，得到的信号包络被用于精确修正瞬时频率初始估计结果，信号的瞬时频率直接反映设备瞬时转速。步骤S1在估计过程中迭代拟合参数化时频分布脊线，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种旋转设备瞬时转速估计方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤S1，利用参数化时频变换估计设备振动信号的瞬时频率；步骤S2，利用包络跟踪滤波器估计信号复数包络；步骤S3，得到的信号包络被用于精确修正瞬时频率初始估计结果，信号的瞬时频率直接反映设备瞬时转速。

【技术特征摘要】
1.一种旋转设备瞬时转速估计方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤S1，利用参数化时频变换估计设备振动信号的瞬时频率；步骤S2，利用包络跟踪滤波器估计信号复数包络；步骤S3，得到的信号包络被用于精确修正瞬时频率初始估计结果，信号的瞬时频率直接反映设备瞬时转速。2.根据权利要求1所述的一种旋转设备瞬时转速估计方法，其特征在于，步骤S1通过迭代拟合参数化时频分布脊线的方法估计信号瞬时频率，其过程包括：S101：参数初始化，令核参数α(i)＝{0，…，0}，设定傅立叶级数阶次M，收敛阈值ε，迭代次数i＝1；S102：以核参数α(i)计算参数化时频分布TF(t，f；α(i))；S103：从时频分布TF(t，f；α(i))中提取时频脊线S104：用M阶傅立叶级数拟合更新核参数α(i+1)；S105：计算迭代终止条件S106：若ξ(i)＞ε，令i＝i+1并跳转至步骤S102；否则执行步骤S107；S107：返回瞬时频率估计结果3.根据权利要求1所述的一种旋转设备瞬时转速估计方法，其特征在于，步骤S1中的参数化时频变换具体包括：定义：其中z(t)是由希尔伯特变换得到的振动信号的解析形式，gσ(t)为高斯窗函数，为变换核参数，F0＝Fs/2N为傅立叶级数的频率分辨率(Fs为信号采样频率)，参数化时频变换利用算子降低目标信号的频率调制程度，以得到集中的时频表示。4.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭志科，陈是扦，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海,31