壓縮感知及其在旋轉(zhuǎn)機(jī)械健康監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用.pdf

1、旋轉(zhuǎn)機(jī)械作為大型裝備重要的組成部分，在裝備高效穩(wěn)定運(yùn)行過(guò)程中占據(jù)重要地位，其失效或者發(fā)生故障將會(huì)對(duì)裝備安全運(yùn)行和效能發(fā)揮造成重大影響。因此，研究旋轉(zhuǎn)機(jī)械的健康監(jiān)測(cè)對(duì)于保障裝備安全運(yùn)行和人員生命安全具有重要意義。隨著現(xiàn)代科技的不斷發(fā)展，裝備變得越來(lái)越復(fù)雜，要更為全面地評(píng)估裝備健康狀況就需要借助于更多類型、更多數(shù)量的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)。對(duì)于長(zhǎng)期運(yùn)行的設(shè)備來(lái)說(shuō)，實(shí)時(shí)地監(jiān)控裝備運(yùn)行狀態(tài)意味著長(zhǎng)時(shí)間的不間斷連續(xù)采樣，該過(guò)程會(huì)產(chǎn)生海量的裝備狀態(tài)數(shù)據(jù)，一方

2、面會(huì)給數(shù)據(jù)存儲(chǔ)帶來(lái)巨大的壓力，對(duì)于需要遠(yuǎn)距離傳輸狀態(tài)數(shù)據(jù)到地面指揮站的裝備如戰(zhàn)斗機(jī)、直升機(jī)等，由于無(wú)線傳輸速率和帶寬的限制，海量數(shù)據(jù)也會(huì)加大數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾y度和壓力；另一方面，雖然數(shù)據(jù)量的增多可以提供更多裝備狀態(tài)信息，然而這些數(shù)據(jù)往往存在很大的冗余，因此獲得的數(shù)據(jù)越多，數(shù)據(jù)冗余量也就越大，這就會(huì)造成存儲(chǔ)和通信資源的巨大浪費(fèi)。同時(shí)，數(shù)據(jù)量越大，信號(hào)處理的負(fù)擔(dān)也就越重，計(jì)算代價(jià)也就越大。壓縮感知作為一種新型的狀態(tài)感知技術(shù)，在確保狀態(tài)信息量的同時(shí)

3、，只需采集少量的壓縮觀測(cè)值，可有效地緩解海量狀態(tài)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和傳輸壓力，且由于低維壓縮觀測(cè)值中已包涵裝備運(yùn)行狀態(tài)信息，因此可直接用于裝備的健康監(jiān)測(cè)等。針對(duì)上述旋轉(zhuǎn)機(jī)械健康監(jiān)測(cè)中的問(wèn)題，結(jié)合壓縮感知的特點(diǎn)，本文研究了壓縮感知技術(shù)在旋轉(zhuǎn)機(jī)械健康監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用，主要工作如下。
　?。?）分析了壓縮感知基本理論和旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)信號(hào)的稀疏表示問(wèn)題，構(gòu)建和分析了三類對(duì)振動(dòng)信號(hào)擁有較好稀疏表示效果的字典，包括完備字典、固定的超完備字典以及基于字典學(xué)習(xí)

4、理論的超完備字典等，并分析了不同字典對(duì)振動(dòng)信號(hào)的稀疏分解性能；研究了基于稀疏表示字典的振動(dòng)數(shù)據(jù)壓縮方法和五種衡量振動(dòng)數(shù)據(jù)壓縮效果的評(píng)價(jià)指標(biāo)，并基于此分析了適用于振動(dòng)信號(hào)稀疏化的字典對(duì)振動(dòng)數(shù)據(jù)的壓縮效果。
　　（2）提出了基于信號(hào)稀疏分解理論的軸承故障檢測(cè)和診斷方法，分別構(gòu)建了基于字典學(xué)習(xí)的軸承故障檢測(cè)模型和故障診斷模型，使用電機(jī)驅(qū)動(dòng)端深溝球軸承運(yùn)行狀態(tài)振動(dòng)數(shù)據(jù)對(duì)所提方法進(jìn)行了驗(yàn)證，分析了稀疏表示誤差閾值和分解原子個(gè)數(shù)等對(duì)故障檢測(cè)和

5、診斷結(jié)果的影響。
　?。?）分析了直接使用壓縮感知觀測(cè)值實(shí)現(xiàn)信號(hào)檢測(cè)和分類的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)以及相應(yīng)的檢測(cè)與分類概率；分析了不同狀態(tài)振動(dòng)信號(hào)頻域能量分布的區(qū)別，提出了基于信號(hào)頻域能量分布且直接使用壓縮感知觀測(cè)值的軸承故障檢測(cè)方法，使用電機(jī)驅(qū)動(dòng)端深溝球軸承運(yùn)行狀態(tài)振動(dòng)數(shù)據(jù)對(duì)該方法進(jìn)行驗(yàn)證，并分析了壓縮觀測(cè)值數(shù)量等參數(shù)對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響。
　?。?）使用軸承不同狀態(tài)下的振動(dòng)數(shù)據(jù)訓(xùn)練得到可分別表示相應(yīng)狀態(tài)振動(dòng)信號(hào)的超完備字典，在這些不同類型

6、字典和稀疏分解理論的基礎(chǔ)上，提出了直接從低維壓縮觀測(cè)值出發(fā)且無(wú)需重構(gòu)原始信號(hào)的軸承故障檢測(cè)方法和軸承故障診斷方法，分析了閾值、觀測(cè)數(shù)量、稀疏度和壓縮觀測(cè)方式等因素對(duì)故障診斷結(jié)果的影響及其設(shè)置原則。
　?。?）提出了基于壓縮感知原理的振動(dòng)數(shù)據(jù)修復(fù)方法。將數(shù)據(jù)丟失過(guò)程轉(zhuǎn)化為壓縮觀測(cè)過(guò)程，根據(jù)振動(dòng)數(shù)據(jù)丟失行為的規(guī)律，構(gòu)建相應(yīng)的壓縮觀測(cè)向量和壓縮觀測(cè)矩陣并在此基礎(chǔ)上重構(gòu)原始完整信號(hào)實(shí)現(xiàn)振動(dòng)數(shù)據(jù)的修復(fù)。使用仿真數(shù)據(jù)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)端深溝球軸承運(yùn)行

7、狀態(tài)振動(dòng)數(shù)據(jù)對(duì)該方法進(jìn)行驗(yàn)證，分析了不同丟失方式和丟失數(shù)據(jù)量對(duì)修復(fù)結(jié)果的影響。
　?。?）提出了基于壓縮感知原理的振動(dòng)數(shù)據(jù)降噪方法。針對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)數(shù)據(jù)的噪聲干擾問(wèn)題，利用振動(dòng)信號(hào)可通過(guò)某些字典實(shí)現(xiàn)稀疏化而噪聲信號(hào)在大多數(shù)字典上不能稀疏表示的特點(diǎn)，對(duì)受噪聲污染的振動(dòng)信號(hào)執(zhí)行壓縮感知和信號(hào)重構(gòu)，在該轉(zhuǎn)化過(guò)程中實(shí)現(xiàn)振動(dòng)數(shù)據(jù)降噪。使用齒輪仿真數(shù)據(jù)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)端深溝球軸承運(yùn)行狀態(tài)振動(dòng)數(shù)據(jù)對(duì)所提方法進(jìn)行驗(yàn)證，分析了使用不同字典時(shí)的降噪效果。<

8、br>　　綜上所述，本文研究了壓縮感知原理及其在旋轉(zhuǎn)機(jī)械健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中的應(yīng)用。構(gòu)建了三類適用于振動(dòng)數(shù)據(jù)稀疏表示的字典，分析結(jié)果表明這些字典均對(duì)軸承振動(dòng)數(shù)據(jù)具有較好的稀疏分解效果；提出和驗(yàn)證了基于信號(hào)稀疏分解理論的軸承故障檢測(cè)和診斷方法；分析了直接使用壓縮感知觀測(cè)值實(shí)現(xiàn)信號(hào)檢測(cè)和分類的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)以及相應(yīng)的檢測(cè)與分類概率，提出和驗(yàn)證了直接使用低維壓縮感知觀測(cè)值的軸承故障檢測(cè)和診斷方法；提出了基于壓縮感知原理的振動(dòng)數(shù)據(jù)修復(fù)方法和振動(dòng)數(shù)據(jù)降噪方法