基于局域均值分解的机械故障欠定盲源分离方法研究

结合局域均值分解(Local mean decomposition,LMD)和盲源分离各自的特点,提出一种基于局域均值分解的欠定盲源分离方法.该方法利用LMD对观测信号进行分解,得到一系列的生产函数分量,将所得到的生产函数(Production functions,PF)分量和原观测信号组成新的观测信号.对构成的新观测信号进行白化处理和联合近似对角化,得到源信号的估计.该方法能有效解决传统的盲源分离方法要求源信号满足非高斯、平稳和相互独立的假设,且要求观测信号数多于源数的不足等问题.仿真结果表明,所提出的方法是有效的,在处理非平稳信号混合的欠定盲分离方面,比传统时频域的盲源分离方法得到了更好的分离效果.将提出的方法应用到滚动轴承的混合故障分离中,试验结果进一步验证该方法的有效性.     

基于经验模式分解的单通道机械信号盲分离

盲源分离是机械设备复合故障诊断的一种有效方法,经验模式分解是非平稳信号分析的有力工具,它将非线性、非平稳信号分解成为一系列线性、平稳的本征模函数信号。在机械故障信号盲分离中,单通道机械信号盲分离是一个病态问题。针对单通道机械信号盲分离的困境,综合盲源分离和经验模式分解各自的优点,提出基于经验模式分解的单通道机械信号源数估计和盲源分离方法。针对单通道机械观测信号进行经验模式分解,并将单通道信号和其本征模函数组成多维信号,利用奇异值分解估计机械源数目,根据源信号数目重组多通道机械混合信号,并利用FastICA算法实现机械信号的盲分离。将该方法应用于轴承和齿轮的仿真研究,正确分离出轴承和齿轮源信号,仿真研究表明,它能很好地解决单通道机械信号的源数估计和盲源分离难题。     

基于LCD的齿轮箱混合故障盲源分离研究

盲源分离是一种有效的混合故障诊断方法,而局部特征尺度分解（LCD）是非平稳信号的有效分析处理工具,综合两者的优点,提出了基于LCD的齿轮箱混合故障盲源分离方法。将源信号LCD分解,得到新的多维信号,采用Bayesian信息准则（BIC）估计盲源的数目并对多维信号进行重组。最后进行联合近似对角化处理,实现源信号的盲分离。仿真和实验结果表明,该方法能够有效地实现齿轮箱混合故障盲源分离。     

基于EMMD和BSS的单通道旋转机械故障诊断方法

针对在欠定的观测信号情况下,传统基于矩阵的盲源分离算法效果比较差的问题,提出一种基于极值域均值模式分解和盲源分离的单通道旋转机械信号故障特征提取方法,并应用于实际的故障诊断中.该方法先通过极值域均值模式分解法分解观测信号,把得到的固有模态函数和原观测信号一起组成新观测信号,从而实现了信号升维,使欠定问题转化为正定问题;然后,由奇异值分解和贝叶斯准则进行源数估计;最后,利用基于四阶累积量的特征矩阵联合对角化方法实现信号的盲分离.通过仿真,验证了该方法对旋转机械故障信号进行盲源分离的可行性.将提出的方法应用到齿轮和轴承系统的故障诊断中,进一步证明了该方法的有效性.     

基于核函数的二阶盲辨识的单通道信号盲分离方法研究

调整权值的二阶盲辨识(WASOBI)算法已应用于故障诊断领域,但尚不能在欠定状态下对复合故障进行诊断。将该算法与核函数相结合实现了欠定盲源分离,并将其应用到复合故障诊断中。首先运用核函数将单通道信号构造为多维信号,并利用K-SVD源数估计方法估计出源信号个数,然后根据估计的结果重构出正定的观测信号矩阵,解决欠定问题,最后采用调整权值的二阶盲辨识算法将各故障源信号分离出来。仿真分析和实验结果表明,该方法能有效地解决欠定盲源分离问题,并使轴承各故障源信号分离,实现复合故障诊断。     

基于时频分析的欠定信号盲分离与微弱特征提取

盲源分离对于多振源信号的故障诊断与识别是一种有效的方法,但是传统的盲源分离算法都是针对观察信号大于或等于源信号的情况,但对于观察信号小于源信号的欠定盲分离问题,这在很大程度上制约了盲源分离的实际应用。通过应用经验模式分解和时频分析对非平稳信号分析的优势,提出基于时频分析的欠定盲源分离方法进行设备微弱特征提取。对振动信号进行经验模式分解,并根据分解得到的内蕴模式分量估计源信号个数并选择最优的观察信号,将振动信号与选择的最优观察信号组成新的观察信号进行基于时频分析的盲源分离,通过对仿真信号和齿轮箱实测信号进行验证分析。并与基于独立分量分析的盲源分离算法进行对比,研究表明基于时频分析的盲源分离对混合信号具有更好的分离效果,能够较好地对微弱特征进行提取。     

基于小波域平稳子空间分析的风力发电机齿轮箱故障诊断

风力发电机齿轮箱故障信号为非平稳瞬态微弱信号,容易被齿轮啮合信号及其他噪声淹没。提出一种融合连续小波变换(Continuous wavdot transform,CWT)和平稳子空间分析(Startionary subspace analysis,SSA)的信号分解方法并应用于风力发电机齿轮箱故障诊断中。平稳子空间分析作为一种盲源分离技术可将高维数据分解成平稳源部分和非平稳源部分,对待分析信号各分量间的独立性没有要求且不需要任何先验信息。连续小波变换则可利用其所具有的多尺度分析特性把一维时间序列转换为不同尺度下的多维时间序列。对观测得到的一维时间序列数据进行连续小波变换得到多维时间序列作为平稳子空间分析的输入,利用平稳子空间分析方法将该多维时间序列分解为平稳源信号分量和非平稳源信号分量,对非平稳源信号进行包络谱分析得到齿轮箱故障的特征频率。该小波域平稳子空间分析方法被应用于一个实际风力发电机齿轮箱振动信号的分析,试验结果表明该方法可有效地诊断出齿轮箱中的轴承故障。     

应用多分辨SVD和ICA的轴承复合故障诊断研究

针对滚动轴承复合故障信号中故障特征难以分离的问题,提出了基于多分辨奇异值分解(SVD)和独立分量分析(ICA)的复合故障诊断方法。首先利用多分辨SVD将复合故障振动信号分解为几个分量实现维数的增加;然后将分解得到的分量组合为混合信号,并利用ICA进行欠定盲分离;最后对分离后的独立分量进行Hilbert包络解调,由此实现对复合故障特征信息的分离和故障识别。通过对滚动轴承内外圈复合故障的试验信号分析表明,该方法可以有效地分离和提取轴承复合故障的特征信息。     

基于EMD-PCA的轴承故障源盲分离方法

结合经验模态分解和主分量分析各自的优点,提出了一种基于EMD-PCA的轴承故障源的盲分离方法。利用EMD方法对混合观测信号进行分解得到若干个本征模函数分量,把所有的IMF分量重新组合在一起,作为新的观测信号,然后采用PCA对新的观测信号进行共性分析以得到源信号中的主要成分,并进行了轴承故障源分离试验验证。     

大跨径桥梁实时动态挠度信号的分离

由于经验模式分解(empirical mode decomposition,简称EMD)将非线性非平稳信号分解成为一系列线性、平稳的本征模函数(intrinsic mode function,简称IMF)信号,针对单通道大跨径桥梁挠度信号分离问题,结合盲源分离和经验模式分解各自优点,提出基于经验模式分解的盲源分离方法。利用奇异值分解(singular value decomposition,简称SVD)估计信号源数目,根据源信号数目将单通道挠度信号和其本征模函数重组为多通道输入信号,应用独立分量分析(independent component analysis,简称ICA)理论中的快速独立分量分析(fast independent component analysis,简称FastICA)算法对输入信号进行分解,实现桥梁挠度信号各分量的分离。仿真研究表明,该方法能较好地解决ICA模型源数估计和单通道挠度信号盲源分离难题。     

LMD-ICA联合降噪方法在滚动轴承故障诊断中的应用

针对经典独立分量分析（ICA）只能应用于观测源数不少于信号源数的超定盲源分离问题,提出局部均值分解和ICA相结合的欠定盲源分离新方法。该方法将采集的单通道振动信号进行局部均值分解,基于互相关准则对分解的分量进行重组,构建虚拟噪声通道;将虚拟噪声通道与振动信号作为盲源分离的信号输入,采用基于负熵的FastICA算法实现信号源和噪声的分离,从而达到降噪目的。将该方法应用于滚动轴承故障信号,频谱分析结果表明,该方法处理后的信号中噪声得到一定程度滤除,频谱中毛刺更少,故障特征频率更加明显,有利于故障特征的提取,实验分析证明了该方法的有效性。     

大跨径桥梁实时动态挠度信号的分离

由于经验模式分解(empirical mode decomposition,简称EMD)将非线性非平稳信号分解成为一系列线性、平稳的本征模函数(intrinsic mode function,简称IMF)信号,针对单通道大跨径桥梁挠度信号分离问题,结合盲源分离和经验模式分解各自优点,提出基于经验模式分解的盲源分离方法。利用奇异值分解(singular value decomposition,简称SVD)估计信号源数目,根据源信号数目将单通道挠度信号和其本征模函数重组为多通道输入信号,应用独立分量分析（independent component analysis,简称ICA）理论中的快速独立分量分析（fast independent component analysis,简称FastICA）算法对输入信号进行分解,实现桥梁挠度信号各分量的分离。仿真研究表明,该方法能较好地解决ICA模型源数估计和单通道挠度信号盲源分离难题。     

基于ITD和DSS的旋转机械信号识别研究

为解决盲源分离在分析旋转机械故障信号时的欠定问题,提出一种基于固有时间尺度分解(ITD)和盖尔圆(GDE)的欠定去噪源分离(DSS)方法,即为ITD-GDE-DSS。通过ITD求出信号的旋转分量,进而重组固有旋转分量和原观测信号作为满足盲源分离要求的新观测信号,使盲源分离中维数不足的问题得到解决。通过GDE估计观察信号的组成源数,为DSS方法分离出源信号提供先决条件。将ITD-GDE-DSS方法应用于某转子的实测故障信号分析中,诊断出转子在升速过程中不平衡故障特征,分离出转子突加不平衡的一阶临界转速和二阶临界转速的信号。     

VMD⁃SVD在机械故障信号欠定源数目估计中的应用

针对在观测信号数目小于机械故障振动信号源数目的欠定情况下,源信号的个数难以估计的问题,提出一种变分模态分解(Variational mode decomposition,VMD)和奇异值分解(Singular value decomposition,SVD)相结合的盲源数目估计方法.首先利用VMD对振动信号进行分解,得到若干本征模态函数分量(Intrinsic mode function,IMF),然后对IMF进行重新组合得到多维观测信号的协方差矩阵,最后依据奇异值分解的结果来对信号源数目进行最终确定.仿真信号分析验证了该方法的有效性,将该方法运用到轴承复合故障振动信号中,分析结果表明,该方法能够实现欠定情况下源数目的可靠估计.     

齿轮箱复合故障信号的非线性盲源分离算法研究

针对齿轮箱复合故障分析问题,文中提出一种新型非线性盲源分离（Nonlinear Blind Source Separation, NBSS）算法。该算法先利用反向传播（Back Propagation, BP）神经网络逼近非线性混合模型的逆,并对经过BP 神经网络处理后的信号进行独立成分分析（Independent Component Analysis, ICA）;然后以独立成分分析后的信号的负熵作为适应度函数,采用遗传算法对BP神经网络的参数进行寻优;最后利用优化的BP神经网络参数,对观测到的混合信号进行分解,分离出纯净的振源信号。与采用粒子群优化（Particle Swarm Optimization, PSO）算法的核独立成分分析（Kernel ICA, KICA）相比,该方法提取的分离信号具有更高的精度,为齿轮箱复合故障诊断提供了关键技术与有效方法。     

基于形态分量分析与能量算子解调的齿轮箱复合故障诊断方法

针对齿轮箱复合故障的故障特征分离,提出了一种基于形态分量分析与能量算子解调的齿轮箱复合故障诊断方法。该方法先根据振动信号中各组成成分形态的差异,采用形态分量分析方法构建不同形态的稀疏表示字典进行故障成分分离,将齿轮箱复合故障信号分解为包含齿轮故障信息的谐振分量、包含轴承故障信息的冲击分量和噪声分量,然后分别对谐振分量和冲击分量进行能量算子解调分析,最后根据各解调谱诊断齿轮和轴承故障。算法仿真和应用实例表明该方法能有效地分离齿轮箱复合故障振动信号中齿轮与轴承的故障特征。     

基于EEMD的单通道机械噪声信号盲分离

盲源分离在机械设备状态监测与故障预判中可以有效的去除干扰并恢复源信号,有助于信号进一步分析,具有重要应用价值。实际环境中机械信号通常是非平稳信号,经验模态分解对于解决实际应用中非平稳非线性的机械信号是一种有效方法。为了促进机械声学诊断的发展,解决混合声信号难处理的问题,同时为了降低实际信号采集成本,本文提出基于EEMD与Fast-ICA相结合的单通道机械噪声信号盲源分离方法,奠定机械声学故障诊断的基础。该方法利用EEMD算法将单个传声器接受的观测信号分解成多个IMF分量,然后选出合适的IMF分量与单通道信号组合,再利用特征值占优比估计源数目,以此为依据重构多维观测信号,实现单通道升维,最后利用Fast-ICA恢复机械信号。并将该方法用于三台异步电动机噪声信号的单通道盲分离实验,分离效果良好。     

双树复小波包和ICA用于滚动轴承复合故障诊断

针对滚动轴承复合故障信号特征难以分离的问题,提出将双树复小波包变换和独立分量分析(independent component analysis,简称ICA)结合的方法应用到滚动轴承复合故障诊断中。首先,利用双树复小波包变换将复杂的、非平稳的复合故障信号分解为若干不同频带的分量;其次,引入ICA对各个分量所组成的混合信号进行盲源分离,从而尽可能消除频率混叠;最后,对从混合信号中分离出来的独立信号分量进行希尔伯特解调,即可实现对复合故障特征信息的分离和故障识别。试验结果表明,该方法可以有效地分离和提取轴承复合故障的特征频率,验证了方法的可行性和有效性。     

基于EEMD的单通道盲源分离在轴承故障诊断中的应用

针对一维观测矩阵的极度欠定盲分离模型,结合盲源分离和总体经验模式分解的优点,利用总体经验模式分解将单通道信号转化为固有模态矩阵,重组观测矩阵,再通过近似联合对角化实现信号的盲分离。数据仿真说明该方法能提取低信噪比下的轴承故障信息。实验中,对2种不同故障的轴承进行故障诊断,从而进一步证明了该方法的有效性。     

免疫优化盲源分离算法在故障诊断中的应用

将人工免疫算法用于盲源分离算法,阐述了盲源分离过程,提出了免疫优化盲源分离算法(AIS-ICA算法),针对4组特定信号的混合与分离进行了仿真试验。仿真试验结果表明,该算法具有收敛速度快、分离精度高和稳定性好等优点。将该算法用于齿轮箱振动信号的盲源分离及其故障诊断,增强了振动信号所携带的故障信息,结果表明该算法用于齿轮箱振动信号分离可增强故障信息,降低齿轮箱故障诊断难度。