Hilbert spectrum and intrinsic oscillation mode of dynamic response of a bilinear SDOF system: influence of harmonic excitation amplitude

Under harmonic wave excitation, the dynamic response of a bilinear SDOF system can be expressed by the Hilbert spectrum. The Hilbert spectrum can be formulated by (1) the inter-wave combination mechanism between the steady response and the transient response when the system behaves linearly, or (2) the intra-wave modulation mechanism embedded in one intrinsic mode function (IMF) component when the system behaves nonlinearly. The temporal variation of the instantaneous frequency of the IMF component is consistent with the system nonlinear behavior of yielding and unloading. As a thorough study of this fundamental structural dynamics problem, this article investigates the influence of the amplitude of the harmonic wave excitation on the Hilbert spectrum and the intrinsic oscillatory mode of the dynamic response of a bilinear SDOF system.

Anchoring Bolt Detection Based on Morphological Filtering and Variational Modal Decomposition

The pull test is a damaging detection method that fails to measure the actual length of a bolt.Thus,the ultrasonic echo is an important non?destructive testing method for bolt quality detection.In this research,the variational modal decomposition(VMD)method is introduced into the bolt detection signal analysis.On the basis of morphological filtering(MF)and the VMD method,a VMD?combined MF principle is established into a bolt detection signal analysis method(MF?VMD).MF?VMD is used to analyze the vibration and actual bolt detection signals of the simulation.Results show that MF?VMD effectively separates intrinsic mode function,even under strong interference.In comparison with conventional VMD method,the proposed method can remove noise interference.An intrinsic mode function of the field detection signal can be effectively identified by reflecting the signal at the bottom of the bolt.

一种灰色关联分析优化ICEEMDAN的VP倾斜仪信号降噪模型

VP倾斜仪固体潮信号受仪器监测复杂环境限制,多含有大量环境噪声。为获得真实固体潮曲线,提出一种基于灰色关联分析优化改进的自适应噪声完备集合经验模态分解(ICEEMDAN)VP倾斜仪信号降噪模型(GRA-ICEEMDAN)。该方法首先将含噪信号进行ICCEMDAN处理,得到若干个固有模态函数(IMF),并依次排列与标记;然后基于这些IMF分别计算相关系数、互信息、R^(2)、Adj-R^(2)、MSE、SSE、RMSE、MAE、MAPE、样本熵等10个评价指标值,构建IMF可信度评价指标矩阵;最后借助灰色关联分析(GRA)计算各评价指标与不同IMF之间的关联系数和关联度,依据关联度大小对各个IMF进行排序,将排名靠前的IMF进行线性重构,即可完成信号降噪。仿真去噪实验和实测去噪实验均表明,GRA-ICEEMDAN模型优于卡尔曼滤波、70阶低通FIR滤波、Savitzky-Golay等经典降噪模型,能显著区分噪声成分和有效成分,原始信号分解后的重构误差与信号损失极小,可推广至其他仪器的复杂信号降噪中。

基于EEMD分解的阶次跟踪方法研究

摆线针轮减速器组成零部件繁多、构成复杂,工作时噪声干扰大且多在变转速、往复的复杂工况下工作,因此,难以准确提取其内部的故障特征。针对这一问题,提出了一种基于集合经验模态分解(EEMD)与阶次跟踪分析的方法,对摆线针轮减速器进行了故障诊断。首先,对采集到的时域振动信号和转速信号进行了等角度域差值采样,得到了振动信号的等角域平稳信号;然后,对等角域信号进行了集合经验模态分解,得到了若干个固有模态分量(IMFs),计算了各个固有模态分量的峭度值,选取目标模态分量进行了信号重构;接着,采用快速傅里叶变换得到了故障信号的阶次图;最后,根据减速器的传动方式、各零部件的模数,计算出了各主要部件的故障阶次,对比减速器在故障前后阶次图的能量峰值进行了故障诊断。研究结果表明:该方法能够准确提取包含故障信息的固有模态分量,实现从等时域信号到等角域信号的转换,并提取摆线针轮减速器的滚针故障阶次(8.37阶),故障准确率达到99.6%,可实现摆线针轮减速器在非平稳工况下的故障特征识别,并验证该方法的可行性和有效性。

基于多域信息融合与深度分离卷积的轴承故障诊断网络模型

针对传统卷积神经网络(CNN)对滚动轴承振动信号的故障识别准确率不高这一问题,提出了一种基于多域信息融合结合深度分离卷积(MDIDSC)的轴承故障诊断方法。首先,利用自适应噪声的完全集合经验模态分解(CEEMDAN)算法对轴承振动信号进行了分解;然后,利用分解出的本征模态函数(IMF)的各个分量构建了多空间状态矩阵,并将该多空间状态矩阵输入该深度分离卷积模型中,进行了卷积训练;同时,在该深度分离卷积模型中添加了残差结构,对数据特征进行了复利用,并对卷积核进行了深度分离,解决了深度模型的网络退化问题;最后,提出了一种空间特征提取方法,对模型参数进行了修剪,采用一种自适应学习率退火方法进行了梯度优化,以避免模型陷入局部最优。研究结果表明:通过对多个轴承故障数据集进行对比分析可知,MDIDSC在轴承故障诊断方面的准确率和稳定性明显优于其他方法,MDIDSC的最高测试准确率为100%,平均测试准确率为99.07%;同时,在测试集中的最大损失和平均损失分别为0.1345和0.0841;该结果表明MDIDSC在轴承故障诊断方面具有一定的优越性。

基于参数优化VMD-小波阈值的轴承振动信号降噪方法

为了解决复杂工况下滚动轴承振动信号存在随机噪声的问题,提出了一种基于参数优化变分模态分解(VMD)-小波阈值的滚动轴承降噪方法。首先,利用以包络熵为适应度函数的天鹰算法对变分模态分解算法的模态分解数K和惩罚因子α进行了自适应选择,代入VMD分解中,得到若干本征模态函数(IMFs);然后,根据峭度-相关系数将IMF分量划分为纯净分量和含噪分量,对含噪分量进行了小波阈值降噪处理;最后,对处理后的分量进行了重构,并用重构信号进行了包络谱分析,实现了滚动轴承的信号降噪目的,并利用仿真信号和美国凯斯西储大学公开的轴承数据集对上述降噪方法的有效性进行了验证。研究结果表明:基于参数优化VMD-小波阈值的降噪方法减少了滚动轴承运行状态下的随机噪声,相对小波阈值降噪方法,所得仿真信号信噪比提升53%,均方误差降低13%;在故障特征频率为162 Hz时,所得实验降噪信号包络谱的前6倍频谱峰值更为明显,且受随机噪声影响较小。该研究方法在滚动轴承等旋转机械信号降噪方面具有一定的参考价值。

基于EMD分量与小波包能量熵的轧辊磨削颤振在线预测

针对轧辊磨削颤振时的时频域单一处理方法存在部分特征丢失的问题,提出了时频域相结合的方法对信号进行特征处理,并利用智能算法实现轧辊磨削颤振的在线预测。首先,利用经验模态分解(empirical mode decomposition,EMD)方法对振动传感器信号进行分解获得各固有模态函数(intrinsic mode function,IMF),剔除“虚假分量”后计算表征轧辊磨削颤振的时域特征。然后,利用小波包能量熵对声发射传感器信号求解频率段节点能量熵值,获得表征轧辊磨削颤振的频域特征。最后,将上述时频域特征降维后代入智能算法模型实现对轧辊磨削加工的在线预测。结果表明:LV-SVM模型的磨削颤振分类平均准确率达92.75%,模型平均响应时间为0.7765 s;验证了时频域特性的EMD和小波包能量熵方法的LV-SVM在线预测轧辊磨削颤振的有效性。

基于多尺度散布熵的磁声发射信号特征识别方法

在工程中对设备进行应力检测和微损伤检测时,采集磁声发射信号易受噪声干扰,同时其特征的提取也存在困难,为此,将变分模态分解与散布熵相结合,提出了一种基于自适应多尺度散布熵的磁声发射(MAE)信号特征识别方法。首先,设计搭建了检测实验平台,采集了Q345钢静载拉伸实验中0 MPa~400 MPa应力状态下的MAE信号;然后,采用变分模态分解方法,对磁声发射信号进行了自适应分解,生成了一系列从低频到高频分布的本征模态函数(IMF)分量;其次,计算了每个本征模态函数分量的散布熵值,构建了MAE信号的特征向量矩阵;最后,将特征向量矩阵输入到基于支持向量机建立的识别分类模型中,进行了信号的训练和识别。研究结果表明:使用基于自适应多尺度散布熵的磁声发射(MAE)信号特征识别方法,能够自适应地实现MAE信号的多尺度化目的,并且准确地识别出不同应力状态下的信号特征,分类识别准确率高达95.3704%,验证了该方法的有效性;说明基于自适应多尺度散布熵和多分类支持向量机的信号特征识别方法能够快速且有效地识别不同应力状态,在信号特征识别方面具有较好的应用潜力。

基于参数自适应VMD的滚动轴承故障特征提取

针对提取的滚动轴承故障特征信号易受复杂工作环境的影响以及变分模态分解(variational mode decomposition,VMD)参数依赖人为经验选择的问题,课题组提出了一种基于参数自适应的VMD的滚动轴承故障特征提取方法。首先,以原始信号经过VMD后的固有模态函数(intrinsic mode function,IMF)的包络谱熵作为适应度函数,采用猎豹优化(cheetah optimizer,CO)算法对分解阶数k、惩罚因子α进行自适应寻优;其次,基于峭度准则对各IMF分量进行重构;然后,对重构信号进行Hilbert包络谱分析从而提取故障特征,并通过滚动轴承故障仿真信号和实验信号经VMD和SSA-VMD处理结果对比验证可行性。研究结果表明:该方法相比于经典VMD所得故障特征更为准确;在参数寻优时间方面CO算法相比麻雀搜索算法(sparrow search algorithm,SSA)提升了65%。课题组的研究具有一定工程应用价值。

AOA-CEEMDAN和融合特征在齿轮箱故障诊断中的应用

自适应噪声完备集成经验模态分解(CEEMDAN)的参数由于是人为设置的,从而会导致其信号的分解不彻底。针对这一问题,提出了一种基于算术优化算法(AOA)优化CEEMDAN、融合特征和随机森林(RF)的齿轮箱故障诊断方法。首先,采用AOA算法对CEEMDAN方法的关键参数进行自适应选取,并采用优化后的CEEMDAN方法对齿轮箱振动信号进行了分解,生成若干个本征模态函数(IMF);随后,利用相关系数准则选择了前4阶IMF分量作为故障敏感分量;接着,利用由注意熵和散度熵组成的融合特征提取方法挖掘了故障敏感分量的故障特征,得到了故障敏感特征样本;最后,将表征齿轮箱故障特性的故障特征输入至RF多故障分类器中,建立了故障分类模型,完成了齿轮箱的故障识别;利用QPZZ-Ⅱ型齿轮箱数据集进行了实验,并将其结果与采用其他方法所得结果进行了对比。研究结果表明:相较于原始CEEMDAN,优化后的CEEMDAN能够更加准确地分解非线性齿轮箱振动信号,故障识别准确率提高了4%;相较于单一的故障特征,融合特征能够更加准确地表征齿轮箱的故障状态,故障识别准确率分别提高了3.2%和8%。基于AOA-CEEMDAN和融合特征提取以及RF分类器的故障诊断方法为齿轮箱的故障特征提取和故障诊断提供一种可行的思路和方案。

CEEMDAN与改进形态差值滤波结合的滚动轴承故障诊断

受电机所处工作环境中诸多因素的影响,轴承故障振动数据通常会混杂大量噪声,使得故障特征被无效噪声信息所淹没。为了将轴承故障冲击特征信息从含噪信号中提取出来,提出了一种CEEMDAN与改进形态差值滤波结合的故障诊断方法。在诊断初始阶段利用CEEMDAN对故障信号加以处理,得到相应的固有模态函数(IMF);用归一化互信息及峭度值作为评判标准,筛选所需的IMFs分量信号,并以此为基础完成信号重构;利用改进形态差值滤波实现对重构信号的去噪处理;求取处理后的信号频谱并加以探究,提取故障特征信息,完成对故障的有效诊断。由实例验证结果可知,该方法可在背景噪声干扰下对故障特征频率进行较好的定位,能够作为滚动轴承故障诊断的有效方法。

基于DIGWO-VMD-CMPE的轴承故障识别方法

针对滚动轴承故障信号特征提取困难和识别准确率低的问题,提出了一种基于维度学习的改进灰狼优化算法(DIGWO)优化变分模态分解(VMD)和复合多尺度排列熵(CMPE)的轴承故障识别方法。首先,采用基于维度学习的狩猎(DLH)搜索策略、余弦收敛因子a和个体狼ω位置更新的方法将灰狼优化算法(GWO)改进为DIGWO,并利用DIGWO算法的自适应性优化VMD分解,得到了多个本征模态函数(IMFs);然后,利用复合多尺度排列熵计算IMFs的特征值,选取适当维数的特征,构建了故障特征向量;最后,利用DIGWO算法优化支持向量机(SVM)的惩罚系数C和径向基函数g,建立了DIGWO-SVM滚动轴承故障诊断分类器,并利用滚动轴承的振动数据验证了算法的有效性。研究结果表明:基于CMPE的DIGWO-SVM滚动轴承故障诊断方法能够有效地识别轴承的运行状况,识别准确率达到了99.42%,相较于PSO-SVM、SSA-SVM方法提高了7.75%、1.68%,证明了该方法的分类性能在滚动轴承故障诊断中更具优势。

GIS不同耦合方式下注入脉冲的加权IMF局放信号等效性

注入脉冲模拟局放是气体绝缘金属封闭组合电器(gas insulated switchgear,GIS)特高频(ultra high frequency,UHF)局放监测装置功能校验的主要方法,由于现场校验脉冲注入的耦合方式不同,模拟局放与实际局放等效性规律尚不明确,无法保证监测装置功能校验的有效性。文中首先建立126 kV GIS典型局放缺陷(尖端、悬浮、绝缘子气泡)和内/外置式脉冲注入UHF局放检测平台,并对UHF信号有效脉冲进行归一化提取;接着提出基于经验模态分解的加权本征模函数(intrinsic mode functions,IMF)信号处理方法,通过计算局放信号欧式距离平均值和最大值表征其等效性;最后与常规信号偏差法进行对比验证。研究表明,相较于常规信号等效性分析方法,加权IMF法可有效解决UHF信号波形局部差异较大的问题;使用内置传感器脉冲注入的模拟局放信号与悬浮局放信号等效性最高,局放信号的欧式距离平均值M_(e)和最大值M_(a)分别为3.82%和10.28%。因此,UHF监测装置功能校验可采用恒定参数注入脉冲代替悬浮缺陷,且模拟局放可优先选择内置UHF传感器注入脉冲。文中研究可为UHF局放监测装置功能校验的脉冲注入方法提供参考。

基于季节与趋势模式的基坑顶部变形预测

提出一种通过粒子群算法(PSO)优化变分模态分解(VMD)控制参数,并结合回声状态网络(ESN)和自注意力机制的基坑顶部变形预测方法。首先,利用粒子群算法优化VMD的控制参数,将基坑顶部变形序列数据分解成不同的本征模态函数(IMF),根据不同频率特征,将变形序列分解成季节项、趋势项与随机项。将自注意力机制与回声状态网络结合,对重构后的长时间序列数据进行建模,并对比筛选不同时长的输入数据,以确定最佳输入时长,从而提高预测精度。以广州某基坑的变形监测数据为例,对所提方法进行验证。实验结果表明,在输入步长为3的情况下,模型的MSE(均方误差)为0.62,R2为0.986,有效提升了基坑顶部变形预测的准确性与稳定性。

基于整体经验模态分解和支持向量回归的北京市PM2.5预测

为了更好地掌握大气中PM2.5浓度的变化规律,利用EEMD-SVR混合模型对该地区的PM2.5浓度值进行了短期预测。首先,通过采用整体经验模态分解(EEMD)方法分析北京市PM2.5,把原始时间序列分解成多个固有模态函数和趋势项;然后,对各阶固有模态函数进行周期性分析,揭示了北京市PM2.5的周期性变化特点;最后,对经过EEMD分解后的各阶固有模态函数和趋势项用支持向量机回归(SVR)方法进行预测。结果表明,EEMD-SVR混合模型比单一的SVR模型预测精度更高。

基于IMF能量谱的水声信号特征提取与分类

经验模态分解(EMD)是用来处理非平稳时变信号的一种信号分析方法,该方法对所分析信号的局部特征信号进行不同时间尺度的分解,从而得到这些局部特征信号的各阶本征模函数(IMF)。提出了一种基于IMF能量谱的水声信号特征提取与选择方法,通过对水声信号进行经验模态分解,提取信号的本征模式分量并转换为能量谱特征向量,从而观测不同信号子频带能量谱的特征变化。分类实验采用支持向量机(SVM)分类器进行。实验结果表明,相对于小波能量谱特征提取法而言,利用IMF能量谱作为特征向量的分类实验具有更佳的分类效果,平均正确率达88%以上。

适用于电力系统非平稳功率振荡信号特征提取的自适应迭代滤波算法研究

规模化新能源并网及大容量电力电子设备的应用使得电力系统功率振荡表征出很强非平稳特性。该文提出了一种适用于电力系统非平稳功率振荡信号特征提取的自适应迭代滤波算法。自适应迭代滤波算法利用Fokker-Planck方程构建滤波函数,经滤波筛选获取具有平稳特征的本征模态分量,算法具有坚实的数学基础,能够有效避免经验模态分解算法存在的模态混叠问题。首先利用自适应迭代滤波算法分解得到振荡分量,对各分量进行Hilbert变换,实现振荡特征参数的提取。测试信号、仿真信号及实测数据分析结果证明了该文方法的有效性,与经验模态分解的对比结果充分验证了该方法在电力系统非平稳功率振荡特征提取中的强适应性。

基于集合经验模态分解敏感固有模态函数选择算法的滚动轴承状态识别方法

为了更有效地提取滚动轴承各状态振动信号的特征,该文提出了一种基于集合经验模态分解(EEMD)的敏感固有模态函数(IMF)选择算法。该算法对振动信号经EEMD分解后得到的固有模态函数采用峭度值、相关系数相结合的方法自动提取其敏感分量,以此获得振动信号的初始特征。再运用奇异值分解和自回归(AR)模型方法得到滚动轴承各状态振动信号的特征向量,并将其输入到改进的超球多类支持向量机中进行智能识别,从而实现滚动轴承的正常状态,不同故障类型及不同性能退化程度的各状态识别。实验结果表明,相比基于经验模态分解结合自回归模型或奇异值分解的特征提取方法,该方法可更有效地提取滚动轴承故障特征信息,且识别精度更高。

基于EMD的灰色模型的疲劳剩余寿命预测方法研究

工程上的振动信号多为非线性非平稳信号,为了利用工程振动信号预测机械产品的疲劳剩余寿命,提出改进的经验模态分解方法对振动信号进行分解,分离故障特征频率到某本征模态函数中,计算全寿命周期各阶段故障特征频率所在本征模态函数的均方根值、峭度等时域特征指标,将其作为刻画机械产品健康状态的退化特征量,形成退化特征量序列,根据经验设定机械产品完全失效对应的退化特征量阈值。用退化特征量序列训练灰色模型,然后用训练好的灰色模型预测退化特征量的变化趋势,判断不同退化特征量用于刻画机械产品退化过程的可行性,估计可用退化特征量达到退化特征量阈值的时间并据此预测机械产品的剩余疲劳寿命。通过6205深沟球轴承全寿命周期振动信号对其进行验证,结果表明,可用的退化特征量结合该方法可以有效地预测小型球轴承的疲劳剩余寿命。

基于EMD能量熵和支持向量机的齿轮故障诊断方法

针对齿轮振动信号的非平稳特征和现实中难以获得大量典型故障样本的实际情况,提出了基于经验模态分解(empirical mode decomposition,EMD)和支持向量机的齿轮故障诊断方法。首先通过EMD方法将非平稳的原始加速度振动信号分解成若干个平稳的本征模函数(intrinsic mode function,IMF);齿轮发生不同的故障时,在不同频带内的信号能量值会发生改变,故可以通过计算不同振动信号的EMD能量熵判断是否发生故障;从包含有主要故障信息的IMF分量中提取出来的能量特征作为输入建立支持向量机(support vector machine,SVM),判断齿轮的工作状态和故障类型。实验结果表明,该方法能有效地应用于齿轮的故障诊断。