CN115859083A - 一种水电机组中多振源耦合振动信号的解耦方法 - Google Patents

一种水电机组中多振源耦合振动信号的解耦方法 Download PDF

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CN115859083A CN202211558002.3A CN202211558002A CN115859083A CN 115859083 A CN115859083 A CN 115859083A CN 202211558002 A CN202211558002 A CN 202211558002A CN 115859083 A CN115859083 A CN 115859083A
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李橙橙
胡勇胜
谭文胜
万元
潘平衡
唐伟
张新华
胡边
陈淼
刘章进
李汉臻
曹旺
姜运
时志能
王佩
胡靖远
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Wuling Power Corp Ltd
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Abstract

本发明公开了一种水电机组中多振源耦合振动信号的解耦方法，包括如下步骤：根据预设频率采集水电机组水平方向和垂直方向的振动信号并进行预处理，得到实测振动信号；利用构建的时域卷积窗对实测振动信号进行加权后再进行傅里叶变换，得到恒定频率；对幅值和相位表示形式的实测振动信号的瞬时相量进行二阶泰勒展开，得到多振源耦合振动信号模型；求解实测振动信号与该模型的误差方程，得到实测振动信号的瞬时向量即为原振动信号的调制信号，实现振动信号的解耦。本发明通过构建新型窗函数实现振动信号原信号频率准确测量的基础上，基于泰勒展开式建立多振源耦合下的振动信号模型，然后通过求解模型参数以实现对快时变、强调频下振动信号的解耦。

Description

一种水电机组中多振源耦合振动信号的解耦方法
技术领域
本发明属于水电机组振动信号处理领域，具体涉及一种水电机组中多振源耦合振动信号的解耦方法。
背景技术
水电机组运行可靠性对水电站的安全与稳定有着至关重要的影响。然而水电机组的运动状态会受到水力、机械和电气三个方面因素的耦合作用和影响，如机组的旋转机械部分的机械运动会导致机组中的水流和电机气隙间的磁场发生变化；机组中水流流场的变化也会导致机组中电机气隙间磁场的变化，同时也会引起机械的振动。因而水电机组是水-机-电耦合的多源非线性系统，振动信号也会表现出强烈的多振源耦合特性。
现有的振动信号处理方法主要分为时域、频域和时频域。时域方法通常计算信号自身的数学特征或概率分布作为检测依据，如互相关函数、概率密度函数等，但易受噪声干扰；以傅里叶变换为基础的频域方法可以获得振动信号的特征频谱，但缺乏对非平稳信号的时域描述信息；时频域方法可以从时间、频率两个维度刻画信号特征，在处理时变信号方面具有优势。
尽管目前对水电机组非平稳振动信号的故障特征提取方面的研究较多，但解决水电机组多振源耦合振动信号的辨识与分离方面并不多见。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对现有技术的不足而提供水电机组中多振源耦合振动信号的解耦方法，对水电机组多振源耦合振动信号进行辨识与分离。
为解决上述技术问题，本发明的内容包括：
一种水电机组中多振源耦合振动信号的解耦方法，包括如下步骤：
S1、根据预设频率采集水电机组水平方向和垂直方向的振动信号；
S2、对采集的振动信号进行初步去噪处理，得到实测振动信号；
S3、构建时域卷积窗；
S4、利用构建的时域卷积窗对实测振动信号进行加权，并对加权后的实测振动信号进行傅里叶变换，得到恒定频率；
S5、对幅值和相位表示形式的实测振动信号的瞬时相量进行二阶泰勒展开，得到的近似信号作为多振源耦合振动信号模型；
S6、求解实测振动信号与多振源耦合振动信号模型的误差方程，得到实测振动信号的瞬时向量，即为原振动信号的调制信号，从而实现振动信号的解耦。
进一步的，所述步骤S2中，采用滤波器及低秩稀疏分解法对采集的振动信号进行初步去噪处理。
进一步的，所述步骤S2中，实测振动信号用x(n)表示，其中n＝0,1,…,N，N为奇数。
进一步的，所述步骤S3中，将长度为M1的三阶最大旁瓣衰减窗和长度为M2的三阶最小旁瓣Nuttall窗进行时域卷积并补零后，得到长度为M的时域卷积窗w(m)，其中，M＝M1+M2，m＝0,1,…,M，M<N。
进一步的，所述步骤S4中，加权后的实测振动信号为xw(m)＝w(m)x(m)，对加权后的实测振动信号xw(m)进行傅里叶变换后得到恒定频率f0。
进一步的，所述步骤S4中，采用二谱线插值离散傅里叶变换或三谱线插值离散傅里叶变换求解得到恒定频率f0。
进一步的，所述步骤S5中，实测振动信号x(n)的幅值和相位表示形式为：
Figure BDA0003984023780000021
其中，A(n)和
Figure BDA0003984023780000022
分别表示实测振动信号x(n)的瞬时幅值和瞬时相位，fs为预设频率， i为虚数单位；
对幅值和相位表示形式的实测振动信号的瞬时相量
Figure BDA0003984023780000023
进行二阶泰勒展开，得到的多振源耦合振动信号模型：
Figure BDA0003984023780000024
其中，
Figure BDA0003984023780000025
p′(n0)、p″(n0)分别表示瞬时相量p(n)在n0的一阶导和二阶导。
进一步的，所述步骤S6中，实测振动信号x(n)与多振源耦合振动信号模型
Figure BDA0003984023780000026
的多组误差方程为：
Figure BDA0003984023780000027
进一步的，根据最小二乘法求得使多组误差方程en最小时的p(n0)、p′(n0)、p″(n0)，得到瞬时向量p(n)。
本发明的有益效果是：
1)构建新型窗函数实现振动信号原信号频率的测量，有效降低了离散频率校正方法中的频谱泄露；2)建立多振源耦合下振动信号模型，用泰勒展开式(即高阶多项式)实现对信号瞬时频率、瞬时幅值的精确估计；3)通过准确求解泰勒展开式系数，建立可读性强的动态信号特征表征方法，完成多振源耦合下振动信号动态特征的映射。
具体实施方式
为便于理解本发明，下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
本发明提供了一种水电机组中多振源耦合振动信号的解耦方法，包括如下步骤：
S1、根据预设频率fs采集水电机组水平方向和垂直方向的振动信号。
S2、对采集的振动信号进行初步去噪处理，得到实测振动信号x(n)，其中n＝0,1,…,N， N为奇数。
本步骤中，对于采集到的含噪程度高的振动信号，预先采用滤波器、低秩稀疏分解法等方法进行初步去噪处理。
S3、构建时域卷积窗：将长度为M1的三阶最大旁瓣衰减窗和长度为M2的三阶最小旁瓣 Nuttall窗进行时域卷积并补零后，得到长度为M的时域卷积窗w(m)，其中，M＝M1+M2， m＝0,1,…,M，M<N。
S4、利用构建的时域卷积窗w(m)对实测振动信号x(n)进行加权，并对加权后的实测振动信号xw(m)＝w(m)x(m)进行傅里叶变换，得到恒定频率f0。
本步骤中，恒定频率f0的求解可采用二谱线插值离散傅里叶变换、三谱线插值离散傅里叶变换等离散频谱校正方法获得。
S5、对幅值和相位表示形式的实测振动信号的瞬时相量进行二阶泰勒展开，得到的近似信号作为多振源耦合振动信号模型
Figure BDA0003984023780000031
本步骤中，实测振动信号x(n)的幅值和相位表示形式为：
Figure BDA0003984023780000032
其中，A(n)和
Figure BDA0003984023780000033
分别表示实测振动信号x(n)的瞬时幅值和瞬时相位，fs为预设频率， i为虚数单位。
对幅值和相位表示形式的实测振动信号的瞬时相量
Figure BDA0003984023780000041
进行二阶泰勒展开，得到的多振源耦合振动信号模型/>
Figure BDA0003984023780000042
Figure BDA0003984023780000043
其中，
Figure BDA0003984023780000044
p′(n0)、p″(n0)分别表示瞬时相量p(n)在n0的一阶导和二阶导。
S6、根据最小二乘法求得使实测振动信号x(n)与多振源耦合振动信号模型
Figure BDA0003984023780000045
的多组误差方程/>
Figure BDA0003984023780000046
最小时的p(n0)、p′(n0)、p″(n0)，得到实测振动信号x(n)的瞬时向量p(n)，即为原振动信号的调制信号，从而实现振动信号的解耦。
本发明通过构建新型时域卷积窗函数实现振动信号原信号频率准确测量的基础上，基于泰勒展开式建立多振源耦合下的振动信号模型，然后通过求解模型参数以实现对快时变、强调频下振动信号的解耦。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种水电机组中多振源耦合振动信号的解耦方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、根据预设频率采集水电机组水平方向和垂直方向的振动信号；
S2、对采集的振动信号进行初步去噪处理，得到实测振动信号；
S3、构建时域卷积窗；
S4、利用构建的时域卷积窗对实测振动信号进行加权，并对加权后的实测振动信号进行傅里叶变换，得到恒定频率；
S5、对幅值和相位表示形式的实测振动信号的瞬时相量进行二阶泰勒展开，得到的近似信号作为多振源耦合振动信号模型；
S6、求解实测振动信号与多振源耦合振动信号模型的误差方程，得到实测振动信号的瞬时向量，即为原振动信号的调制信号，从而实现振动信号的解耦。
2.根据权利要求1所述的水电机组中多振源耦合振动信号的解耦方法，其特征在于：所述步骤S2中，采用滤波器及低秩稀疏分解法对采集的振动信号进行初步去噪处理。
3.根据权利要求1所述的水电机组中多振源耦合振动信号的解耦方法，其特征在于：所述步骤S2中，实测振动信号用x(n)表示，其中n＝0,1,…,N，N为奇数。
4.根据权利要求3所述的水电机组中多振源耦合振动信号的解耦方法，其特征在于：所述步骤S3中，将长度为M1的三阶最大旁瓣衰减窗和长度为M2的三阶最小旁瓣Nuttall窗进行时域卷积并补零后，得到长度为M的时域卷积窗w(m)，其中，M＝M1+M2，m＝0,1,…,M，M<N。
5.根据权利要求4所述的水电机组中多振源耦合振动信号的解耦方法，其特征在于：所述步骤S4中，加权后的实测振动信号为xw(m)＝w(m)x(m)，对加权后的实测振动信号xw(m)进行傅里叶变换后得到恒定频率f0。
6.根据权利要求5所述的水电机组中多振源耦合振动信号的解耦方法，其特征在于：所述步骤S4中，采用二谱线插值离散傅里叶变换或三谱线插值离散傅里叶变换求解得到恒定频率f0。
7.根据权利要求5所述的水电机组中多振源耦合振动信号的解耦方法，其特征在于：所述步骤S5中，实测振动信号x(n)的幅值和相位表示形式为：
Figure FDA0003984023770000021
其中，A(n)和
Figure FDA0003984023770000022
分别表示实测振动信号x(n)的瞬时幅值和瞬时相位，fs为预设频率，i为虚数单位；
对幅值和相位表示形式的实测振动信号的瞬时相量
Figure FDA0003984023770000023
进行二阶泰勒展开，得到的多振源耦合振动信号模型：
Figure FDA0003984023770000024
其中，
Figure FDA0003984023770000025
p′(n0)、p″(n0)分别表示瞬时相量p(n)在n0的一阶导和二阶导。
8.根据权利要求7所述的水电机组中多振源耦合振动信号的解耦方法，其特征在于：所述步骤S6中，实测振动信号x(n)与多振源耦合振动信号模型
Figure FDA0003984023770000026
的多组误差方程为：/>
Figure FDA0003984023770000027
9.根据权利要求8所述的水电机组中多振源耦合振动信号的解耦方法，其特征在于：根据最小二乘法求得使多组误差方程en最小时的p(n0)、p′(n0)、p″(n0)，得到瞬时向量p(n)。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117040339A (zh) * 2023-10-09 2023-11-10 潍柴动力股份有限公司 一种永磁同步电机矢量解耦方法、装置、设备和存储介质
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