基于隨機(jī)共振的微弱信號(hào)檢測(cè)模型及應(yīng)用研究.pdf

1、機(jī)器設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷對(duì)于保障生產(chǎn)安全、減少停機(jī)損失以及避免因設(shè)備故障引發(fā)的人員傷亡，環(huán)境災(zāi)害等具有極其重要的意義。對(duì)機(jī)器開(kāi)展?fàn)顟B(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷，需要采集并分析能夠反映機(jī)器零部件運(yùn)行狀態(tài)的振動(dòng)、聲音等信號(hào)。然而，采集到的信號(hào)往往包含來(lái)自機(jī)器其他部件的運(yùn)行噪聲和環(huán)境噪聲，這些噪聲會(huì)干擾對(duì)信號(hào)的分析處理。因此，微弱信號(hào)檢測(cè)手段對(duì)于噪聲濾除，提高有用信號(hào)的信噪比具有十分重要的意義。
　　本文研究一種基于噪聲增強(qiáng)，被稱(chēng)為隨機(jī)共振的微

2、弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)，及其在狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷中的應(yīng)用。從信號(hào)處理的角度來(lái)看，隨機(jī)共振可以看做一種特殊的非線(xiàn)性濾波器。傳統(tǒng)的頻域?yàn)V波器主要基于噪聲抑制原理，即通過(guò)衰減或抑制噪聲分量，保留有用的頻率分量來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)濾波。然而，當(dāng)有用信號(hào)頻帶和噪聲頻帶重疊時(shí)，對(duì)噪聲的抑制會(huì)同時(shí)衰減有用信號(hào)，從而造成信噪比降低或波形失真。和傳統(tǒng)濾波器不同，隨機(jī)共振能夠通過(guò)非線(xiàn)性系統(tǒng)利用噪聲增強(qiáng)放大微弱的有用信號(hào)。這種獨(dú)特的濾波機(jī)理對(duì)于含噪微弱信號(hào)提取，特別是信號(hào)頻帶

3、和噪聲頻帶重疊的微弱信號(hào)提取，具有比基于噪聲抑制的濾波器更好的效果。
　　本文回顧和分析當(dāng)前基于隨機(jī)共振的微弱信號(hào)提取技術(shù)和算法，總結(jié)出影響隨機(jī)共振濾波器輸出的三個(gè)因素:勢(shì)阱，輸入信號(hào)類(lèi)型以及模型階數(shù)。從這三個(gè)方面出發(fā)，提出了一系列的新的或者改進(jìn)的技術(shù)和算法，以實(shí)現(xiàn)更好地從噪聲背景中有效地提取微弱信號(hào)。特別地，在對(duì)隨機(jī)共振勢(shì)阱的研究中，1）提出了基于三穩(wěn)態(tài)勢(shì)阱的隨機(jī)共振方法，并利用非線(xiàn)性機(jī)械懸臂梁結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)三穩(wěn)態(tài)隨機(jī)共振的微弱信號(hào)濾

4、波和增強(qiáng)，2）提出了基于Woods-Saxon勢(shì)阱的隨機(jī)共振方法。在對(duì)輸入信號(hào)類(lèi)型的研究中，提出了順序多尺度噪聲調(diào)節(jié)隨機(jī)共振算法，并將該算法移植到嵌入式系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)。在對(duì)隨機(jī)共振模型階數(shù)的研究中，提出了欠阻尼變步長(zhǎng)二階隨機(jī)共振算法。這些提出的方法在一定程度上提高了微弱信號(hào)檢測(cè)的效果，并被應(yīng)用到了對(duì)齒輪、軸承的信號(hào)濾波放大和故障診斷中。
　　同時(shí)，本文還研究了時(shí)延反饋隨機(jī)共振模型及其在微弱信號(hào)檢測(cè)上的應(yīng)用，提出了一種結(jié)合時(shí)延反饋隨機(jī)共

5、振優(yōu)點(diǎn)和參數(shù)調(diào)節(jié)隨機(jī)共振優(yōu)點(diǎn)的算法用于工程信號(hào)處理。此外，考慮到隨機(jī)共振是一個(gè)參數(shù)化的模型，其濾波效果同時(shí)受到多個(gè)參數(shù)的影響。因此，需要一個(gè)指標(biāo)來(lái)指導(dǎo)隨機(jī)共振的參數(shù)調(diào)整，才能獲得最優(yōu)參數(shù)及對(duì)應(yīng)的最優(yōu)濾波信號(hào)。針對(duì)這一問(wèn)題，本文提出一種基于過(guò)零點(diǎn)穩(wěn)定性檢測(cè)的指標(biāo)，以及相應(yīng)的自適應(yīng)隨機(jī)共振算法，并將該算法移植到嵌入式系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)含噪信號(hào)的在線(xiàn)濾波。
　　綜上，本文研究了基于隨機(jī)共振的噪聲增強(qiáng)微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)及其在機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診