CN103175604A

CN103175604A - 振动信号的周期辨识方法及周期辨识系统

Info

Publication number: CN103175604A
Application number: CN2011104392516A
Authority: CN
Inventors: 黄毅; 杨文�; 王佳茜; 邝昊
Original assignee: Zoomlion Heavy Industry Science and Technology Co Ltd
Current assignee: Zoomlion Heavy Industry Science and Technology Co Ltd
Priority date: 2011-12-23
Filing date: 2011-12-23
Publication date: 2013-06-26
Anticipated expiration: 2031-12-23
Also published as: CN103175604B; WO2013091477A1

Abstract

本发明提供了一种振动信号的周期辨识方法及周期辨识系统。周期辨识方法包括：步骤1，确定初始的周期线；步骤2，根据初始的周期线辨识并计算振动信号的前N个周期中的每个周期的平衡线，其中N为自然数；步骤3，根据N个平衡线，预先计算振动信号的下一周期的周期线；步骤4，根据预先计算出的周期线，判断振动信号的下一周期的周期，并得出振动信号的下一周期的平衡线；步骤5，计算下一周期的平衡线与该下一周期的上一周期的平衡线之间的变化量，根据变化量预先计算出下一周期的下一周期的周期线；步骤6，循环执行步骤4和步骤5。本发明可以通过几个周期的平衡线的变化量，预先计算出下一周期的周期线，可适用于振动信号的平衡点向上或上下偏移的情况。

Description

振动信号的周期辨识方法及周期辨识系统

技术领域

本发明涉及信号周期的辨识方法，更具体地，涉及一种振动信号的周期辨识方法及周期辨识系统。

背景技术

机械系统的振动测试中，一般通过传感器等测量运动机械在外界激励或运行工况中其重要部位的振动量(例如加速度、速度、位移等)，从而了解机械系统的工作状态。

在工程机械的振动试验中，采集得到的试验数据包括位移、速度、加速度、压力等振动信号。由于振动信号一般都比较复杂，属于非正弦类的信号。对于非正弦类的信号来说，不但周期会发生变化，而且其振动的平衡点也可能向上或向下偏移，另外噪声的影响也可能比较明显。

图1示出了现有技术中的一种周期辨识方法的流程图。如图1所示，采用图1所示的方法时，首先在估计出最大值和最小值的范围，然后确定最大值、最小值和中值的初始值，并确定门限值，然后开始波形检测。具体地说，在对一个波形进行辨识时，每检测到一个新值，就判断新值是否大于中值与门限值之和，如果大于，则进入“搜索最大值”状态以搜索最大值；否则判断该新值是否小于中值与门限值之差，如果小于，就进入“搜索最小值”状态以搜索最小值。在对下一个新的波形进行检测之前，用搜索到的最大值和最小值的算术平均值作为新的中值，同时用搜索到的最大值和最小值替换上一次波形时的最大值和最小值。

由于正弦类的信号的最大值和最小值的区间占周期一半，因此，采用图1中的方法时，可以得到较为准确的周期，但是对于非正弦类的复杂信号来说，采用图1中的方法得到的周期具有较大的误差。

另外，在工程机械的振动测试中，现有技术对振动信号的周期进行判断时通常还采用以下方法：给出一条固定周期线(即水平直线)，然后通过振动信号的曲线与周期线的交点来确定周期。但是，这种方法不能处理振动的平衡点向上或向下偏移的情形。

发明内容

本发明旨在提供一种振动信号的周期辨识方法及周期辨识系统，以解决现有技术难以辨识非正弦的周期及不能对平衡点发生偏移的信号进行辨识的问题。

为解决上述技术问题，根据本发明的第一方面，提供了一种振动信号的周期辨识方法，包括：步骤1，确定初始的周期线；步骤2，根据初始的周期线辨识并计算振动信号的前N个周期中的每个周期的平衡线，其中N为自然数；步骤3，根据N个平衡线，预先计算振动信号的下一周期的周期线；步骤4，根据预先计算出的周期线，判断振动信号的下一周期的周期，并得出振动信号的下一周期的平衡线；步骤5，计算下一周期的平衡线与该下一周期的上一周期的平衡线之间的变化量，根据变化量预先计算出下一周期的下一周期的周期线；步骤6，循环执行步骤4和步骤5。

进一步地，步骤2中的平衡线是每个周期的最大值和最小值的算术平均值。

进一步地，步骤3中预先计算出的周期线是第N个周期的平衡线与N个平衡线的变化量之和。

进一步地，步骤5中预先计算出的周期线是当前周期的平衡线与步骤5中计算出的变化量之和。

进一步地，初始的周期线是未施加振动激励时的一段时间内的信号平均值与该段时间内最大峰的峰值之和。

根据本发明的第二方面，提供了一种振动信号的周期辨识系统，包括依次连接的用于检测振动信号的传感器、信号采集单元、信号滤波单元和信号周期辨识单元，该信号周期辨识单元根据上述的周期辨识方法对来自信号滤波单元的信号进行辨识。

因此，本发明可以通过几个周期的平衡线的变化量，预先计算出下一周期的周期线，可适用于振动信号的平衡点向上或上下偏移的情况。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示意性示出了现有技术中的周期辨识方法的流程图；

图2示意性示出了本发明中的周期辨识方法的流程图；

图3示意性示出了采用本发明对一种类型的振动信号的周期进行辨识的过程示意图；

图4示意性示出了采用本发明对另一种类型的振动信号的周期进行辨识的过程示意图；

图5示意性示出了本发明中的振动信号的周期辨识系统的结构示意图；以及

图6示意性示出了实验装置的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

作为本发明的第一方面，提供了一种振动信号的周期辨识方法。请参考图2，本发明中的振动信号的周期辨识方法包括以下步骤：

步骤1，确定初始的周期线2。周期线2是一条水平的线段，通过周期线2与振动信号1的曲线的交点可以判断一个周期的开始和结束。例如，由于采集到的振动信号1是离散的，在相邻两个数据点中，如果前一个数据点的数值小于或等于周期线2的纵坐标值，而后一个数据点的数值大于或等于周期线2的纵坐标值，那么该时刻可作为前一个周期的结束点或下一个周期的开始点，因此，可以通过上述的方法确定每个周期的结束点。假设第N周期与第N+1周期是相邻的两个周期，那么第N周期的结束点与第N+1周期的结束点之间的时间即为第N+1周期的周期，从而可以判定周期线的起始点和结束点。另外，初始的周期线可以是未施加振动激励时的一段时间内的信号平均值与该段时间内最大峰的峰值之和，当然也可以采用本领域的其它方式确定的。

步骤2，根据初始的周期线辨识并计算振动信号1的前N个周期中的每个周期的平衡线(未示出)，其中，N为自然数。平衡线用来描述振动的平衡位置，平衡线可根据不同的需要采用不同的方法计算得到，例如，本发明中可将每个周期的最大值和最小值的算术平均值当作该周期的平衡线。

步骤3，根据N个平衡线，预先计算振动信号的下一周期(即第N+1个周期)的周期线2。优选地，该预先计算出的周期线2是第N个周期的平衡线与N个平衡线的变化量之和，该变化量根据振动信号1的变化趋势而定，可能是正值，也可以是负值。

步骤4，根据预先计算出的周期线2，判断振动信号1的该下一周期的周期(例如，可以通过步骤1中所述的方法确定周期)，并得出振动信号1的该下一周期的平衡线。优选地，步骤3中预先计算出的周期线2是当前周期的平衡线与N个平衡线的变化量之和。

步骤5，计算该下一周期的平衡线与该下一周期的上一周期的平衡线之间的变化量(该变化量根据振动信号的变化趋势而定，可能是正值，也可以是负值)，根据变化量预先计算出该下一周期的下一周期的周期线2。优选地，该预先计算出的周期线2是当前周期的平衡线与步骤5中计算出的变化量之和。

步骤6，循环执行步骤4和步骤5，直到测量结束。

其中，图2中的横轴表示时间，纵值表示信号值的大小。

需要说明的是，本发明中的周期线和平衡线是指在振动信号的一个或几个周期中，与该振动信号的振动曲线(该振动曲线的纵坐标为振动信号的幅值，横坐标为时间)的横坐标相平行的线段。

因此，本发明可以通过几个周期的平衡线的变化量，预先计算出下一周期的周期线，从而可以实时地对振动信号的下一个周期进行识别，判断出下一个周期的周期(例如，可以通过步骤1中所述的方法确定周期)，同时还可获得下一周期的最大值和最小值，并依据该最大值和最小值计算出该下一周期的平衡值，以适应振动信号的平衡点向上或上下偏移的情况。如此不断地循环，就能实现对振动信号周期的实时辨识。

本发明在辨识的过程中，可同时地计算振动信号的特征参数，如最大值、最小值、平衡线等。本发明可从位移、速度、加速度、压力等信号中辨识出振动的周期。另外，本发明可用于实时、快速、准确地对各种正弦类的生理信号和非生理信号的周期和极值点进行辨识，且能够很好地跟随波形突变和波动的情况。

优选地，本发明中的周期辨识方法还包括对振动信号进行滤波的步骤，以除去噪声干扰信号。

下面对过一个简单的实施例，对本发明中的方法进行详细说明。

在未施加激励信号时，获取传感器的输出信号，测得该信号在一段时间内的变化范围是10～15，经过计算确定初始的周期线为12。然后，利用该初始的周期线对N个(例如两个)连接的周期进行辨识，假设辨识后这N个周期的平衡线的变化值为+2，且第N个周期的平衡线为15，那么可以预先计算出第N+1个周期的周期线为17(即将第N个周期的平衡线的值加上该平衡线的变化值)。

对于第N+2个周期来说，可以采用第N+1个周期的平衡线以及第N+1个周期与第N个周期的平衡线的变化量来预先计算一个周期线。在一个实施例中，第N+1个周期的平衡线为14，那么第N+1个周期与第N个周期的平衡线之间的变化量为-1，此时，预先计算出第N+2个周期的周期线为13。在另一个实施例中，第N+1个周期的平衡线为16，那么第N+1个周期与第N个周期的平衡线之间的变化量为1，此时，预先计算出第N+2个周期的周期线为17。

进一步地，图3和图4示意性地给出了使用本发明对两种类型的复杂信号的周期进行辨识的过程，其中T表示一个周期。从图3和图4可以看出，周期线是实时调整的。

因此，通过本发明可对周期线进行实时的调整，可用于辨识复杂信号的周期，如辨识振动平衡线向上或向下偏移的信号周期。

作为本发明的第二方面，提供了一种振动信号的周期辨识系统。如图5所示，该系统包括依次连接的用于检测振动信号的传感器、信号采集单元、信号滤波单元和信号周期辨识单元，该信号周期辨识单元根据上述各实施例中的周期辨识方法对来自所述信号滤波单元的信号进行辨识。

进一步地，可采用图6中的实验装置对本发明进行验证。如图6所示，实验装置包括试验平台3和设置在试验平台3的两端的弹簧4，且弹性4分别与试验平台3的两端连接。实验装置还包括激振器5和传感器6，激振器5与试验平台3的中部连接，传感器6固定在试验平台3上。实验时，使激振器5以某一周期(例如1s)进行振动，然后通过本发明对该传感器6采集到的试验平台3的振动信号进行辨识，从而识别出试验平台的振动周期(例如1.01s)。通过对实验结果的对比，本发明辨识的周期与实际周期之间的误差在允许的范围内。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种振动信号的周期辨识方法，其特征在于，包括：

步骤1，确定初始的周期线；

步骤2，根据所述初始的周期线辨识并计算所述振动信号的前N个周期中的每个周期的平衡线，其中N为自然数；

步骤3，根据N个所述平衡线，预先计算所述振动信号的下一周期的周期线；

步骤4，根据预先计算出的所述周期线，判断所述振动信号的所述下一周期的周期，并得出所述振动信号的所述下一周期的平衡线；

步骤5，计算所述下一周期的平衡线与该所述下一周期的上一周期的平衡线之间的变化量，根据所述变化量预先计算出所述下一周期的下一周期的周期线；

步骤6，循环执行所述步骤4和步骤5。

2.根据权利要求1所述的周期辨识方法，其特征在于，所述步骤2中的平衡线是每个周期的最大值和最小值的算术平均值。

3.根据权利要求1所述的周期辨识方法，其特征在于，所述步骤3中预先计算出的所述周期线是第N个周期的平衡线与所述N个平衡线的变化量之和。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的周期辨识方法，其特征在于，所述步骤5中预先计算出的所述周期线是当前周期的平衡线与所述步骤5中计算出的变化量之和。

5.根据权利要求1-3中任一项所述的周期辨识方法，其特征在于，所述初始的周期线是未施加振动激励时的一段时间内的信号平均值与该段时间内最大峰的峰值之和。

6.一种振动信号的周期辨识系统，包括依次连接的用于检测所述振动信号的传感器、信号采集单元、信号滤波单元和信号周期辨识单元，其特征在于，所述信号周期辨识单元根据权利要求1-5中任一项所述的周期辨识方法对来自所述信号滤波单元的信号进行辨识。