基于机匣宽频信号的航空发动机瞬态转频精确提取方法技术

本发明专利技术涉及一种基于机匣宽频信号的航空发动机瞬态转频精确提取方法，转子、叶片是航空发动机最重要、最易发生故障的部件，准确、实时的特征频率提取对于航空发动机故障诊断尤为重要。针对目前方法难以快速、准确地从机匣信号中提取转频的缺陷，提出基于稀疏

【技术实现步骤摘要】
基于机匣宽频信号的航空发动机瞬态转频精确提取方法


[0001]本专利技术属于信号处理领域，涉及特征提取方法，特别涉及一种基于机匣宽频信号的航空发动机瞬态转频精确提取的方法。

技术介绍

[0002]高低压转子、叶片等是航空发动机关键的部件，其运行状态直接影响着整台发动机的性能。因此，对航空发动机高低压转子及叶片进行实时监控与故障诊断具有重要的意义。基于振动信号的故障诊断方法是最常用的方法之一，无论是对转子或叶片的监测，首要的思路都是从机匣诊断信号中提取振动信号精确的转频。
[0003]然而，机匣信号成分复杂、转频幅值微弱，难以直接提取；发动机自带转速信号采样率低，且又会存在一定误差，只能作为参考。一些传统的转频修正方法需要较高精度的转频做参考，难以直接运用于机匣信号中；同步挤压变换等时频后处理方法运算时间长，无法满足实时监测的需求。谐波乘积谱法可以根据倍频之间的关系较为准确的凸显转频，但其提取精度取决于原始信号的频谱分辨率。即便原始信号频谱分辨率可以达到1Hz，那么乘上叶片数时误差将会线性扩大至几十赫兹甚至上百。因此如何快速、准确提取瞬态下航空发动机基频仍然是故障诊断领域中一个亟需解决的难题。

技术实现思路

[0004]为了解决现有技术的问题，本专利技术实施例提供了一种基于机匣宽频信号的航空发动机瞬态转频精确提取方法。所述技术方案如下：
[0005]提供了一种基于机匣宽频信号的航空发动机瞬态转频精确提取方法，包括以下步骤：
[0006]1)测量航空发动机机匣宽频振动信号x(t)、转速Ω；计算机匣宽频振动信号频谱X(ω)；
[0007]2)频谱稀疏化：任取2级转子叶片，叶片数分别为n1，n2。设转速采集存在10％的误差，因此保留频谱中频率区间为[90％Ω，110％Ω]，[90％Ωn1，110％Ωn1]，[90％Ωn2，110％Ωn2]内的值，其余值置零或舍去；
[0008]3)计算稀疏乘积算子：将步骤2)中计算的稀疏频谱分别上采样n1n2，n2，n1倍并将其点乘，得到的结果即为稀疏乘积算子；
[0009]4)计算稀疏谐波乘积谱：由于步骤3)中计算的稀疏乘积算子采取了上采样的计算方法，因此将稀疏乘积算子尺度变换至真实频率区间内即可获得稀疏谐波乘积谱；
[0010]5)根据稀疏谐波乘积谱提取转频：在稀疏谐波乘积谱中，基频所处位置的幅值已经被多次乘积而放大，其余无关频率及噪声被置0，因此通过峰值搜索即可确定准确的基频频率。
[0011]进一步地，所述步骤2)中：
[0012]任取2级转子叶片，叶片数分别为n1，n2。设转速采集存在10％的误差，因此保留频
谱中频率区间为[90％Ω，110％Ω]，[90％Ωn1，110％Ωn1]，[90％Ωn2，110％Ωn2]内的值，其余值置零或舍去。
[0013]进一步地，所述步骤3)中；
[0014]计算稀疏乘积算子：将步骤2)中计算的稀疏频谱分别上采样n1n2,n1,n2倍并将其点乘，得到的结果即为稀疏乘积算子。
[0015]本专利技术实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
[0016]本专利技术提供了一种基于机匣宽频信号的航空发动机瞬态转频精确提取方法，充分利用了机匣宽频振动信号的特征，可以实现快速、准确地提取航空发动机瞬态基频。既保留传统算法地简便性还提高了运算结果。在频率分辨率为1Hz稳定工况下，本专利技术提取基频误差最小仅有0.02Hz，计算时间小于0.02s。
[0017]综合而言，本专利技术简单可靠，具有很高的灵活性，且适用范围广，便于工程实践中使用。
附图说明
[0018]为了更清楚地说明本专利技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0019]图1是本专利技术实施例的一种基于机匣宽频信号的航空发动转频精确提取的方法流程图；
[0020]图2是本专利技术实施例中仿真信号的时域图；
[0021]图3是本专利技术实施例中仿真信号的时频图；
[0022]图4是本专利技术实施例中多种方法的提取结果对比。
具体实施方式
[0023]为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本专利技术实施方式作进一步地详细描述。
[0024]本专利技术所述的一种基于机匣宽频信号的航空发动转频精确提取的方法，参见图1，包括以下步骤：
[0025]1)采集航空发动机机匣宽频振动信号x(t)，采集航空发动机转速信号Ω；
[0026]这里采集振动信号的传感器必须是宽频加速度传感器，采样频率应大于25600Hz，安装位置应确保能够采集到转子的多级叶片通过频率；转速信号用做参考转速，误差在真实转速的10％以内即可。
[0027]2)对采集到的机匣宽频振动信号进行傅里叶变换并计算得到频谱X(ω)；
[0028]3)计算稀疏乘积算子：以计算某型航空发动机低压转子转频为例，任取2级低压转子叶片数，分别为n1,n2。设参考转速的误差为10％，则对频谱稀疏化，仅保留频谱中频率区间为[90％Ω,110％Ω],[90％Ωn1,110％Ωn1],[90％Ωn2,110％Ωn2]内的值，其余值置零或舍去
[0029]需要说明的是，n1<n2。
[0030]将上述稀疏化的频谱分别上采样n1n2,n2,n1倍并将其点乘，得到的结果即为稀疏乘积算子。
[0031]上采样的计算方法可使用如下定义：
[0032]对于一个1
×
N维的向量u＝[u1,u2,u3,
…
u
N
]，其s倍上采样可以看作是对其中的每个值复制s次，表示如下：
[0033][0034]4)计算稀疏谐波乘积谱：由于步骤3中计算的稀疏乘积算子采取了上采样的计算方法，因此将稀疏乘积算子尺度变换至真实频率区间内即可获得稀疏谐波乘积谱。
[0035]具体的，这里给出尺度变换应使频谱中的所有频率值同除n2倍。
[0036]5)根据稀疏谐波乘积谱提取转频：在稀疏谐波乘积谱中，基频处的幅值已经被多次相乘而放大，其余无关频率及噪声被置0，因此通过峰值搜索即可确定基频的精确频率。
[0037]本实施例中，本专利技术提出了一种基于稀疏
‑
谐波乘积法的航空发动机机匣信号基频快速、精确提取方法。本专利技术所用的方法利用了宽频机匣振动信号叶片通过频率与基频存在固定倍数的特性，通过一系列的上采样方法计算基频的准确值，并将频谱稀疏化从而加快计算速度。通过仿真数据验证了本专利技术可以实现变工况下发动机转子频率的快速、准确提取，所提取出的基频进而可以直接用于准确计算与转频相关的叶片通过频率或其他相关特征频率。
[0038]仿真数据验证
[0039]为验证本专利技术在宽频信号中的有效性，对一仿真信号进行了分析。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于机匣宽频信号的航空发动机瞬态转频精确提取方法，其特征在于，包括以下步骤：1)测量航空发动机机匣宽频振动信号x(t)、转速Ω；计算机匣宽频振动信号频谱X(ω)；2)频谱稀疏化：任取2级转子叶片，叶片数分别为n1，n2；设转速采集存在10％的误差，因此保留频谱中频率区间为[90％Ω，110％Ω]，[90％Ωn1，110％Ωn1]，[90％Ωn2，110％Ωn2]内的值，其余值置零或舍去；3)计算稀疏乘积算子：将步骤2)中计算的稀疏频谱分别上采样n1n2，n2，n1倍并将其点乘，得到的结果即为稀疏乘积算子；4)计算稀疏谐波乘积谱：由于步骤3)中计算的稀疏乘积算子采取了上采样的计算方法，因此将稀疏乘积算子尺度变换至真实频率区间内即可获得稀疏谐波乘积谱；5)根据稀疏谐波乘积谱...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯坤，肖袁，李周正，
申请(专利权)人：北京化工大学，
类型：发明
国别省市：