EMD端点双极值延拓方法研究

使用经验模态分解（EMD）进行信号处理过程时，端点效应抑制是关键步骤。这里提出了一种基于包络匹配的双极值点延拓算法，实现了对EMD分解过程中端点效应的抑制处理，并通过了仿真验证。首先，将端点处连续的几个极值点的包络线作为模板子波；再者将模板子波与波形内部的极值包络进行有效匹配；然后将匹配区段前方的两个极值点作为延拓极值进行极值延拓，实现了抑制EMD分解过程中端点效应的目标。并通过仿真数据，验证了算法的有效性。     

EMD端点效应抑制方法仿真比较与实例分析研究

基于经验模态分解的希尔伯特-黄变换分解会产生端点效应,现已提出了诸多的端点效应抑制方法。首先引入了端点效应问题,介绍了镜像延拓法、平行延拓法、极值延拓法、多项式拟合延拓法原理;提出延拓方法评价指标,采用仿真信号对四种抑制方法进行了对比分析,得出镜像延拓法是相对最优的处理方法;采用基于4种端点延拓方法改进的经验模态分解方法对凯斯西楚大学轴承故障数据依次进行处理;最终通过仿真分析与实例故障诊断均验证了镜像延拓法在解决端点效应问题方面的相对最优性。     

基于支持向量机和镜像延拓的Hilbert-Huang变换及其在滚动轴承故障诊断中的应用

采用镜像延拓处理端点效应的Hilbert-Huang变换要求将镜面放置在局部极值点处,对于长数据序列,可以先截断一部分数据,再将镜面放置在局部极值点处;但这种方法对于短数据序列显然不妥.鉴于此,利用支持向量机在小样本预测上的优势,将其与镜像延拓的Hilbert-Huang变换相结合,有效地抑制了端点效应,并通过仿真试验进行了验证.     

经验模态分解边缘效应抑制方法综述

由Huang提出的经验模态分解(empirical mode decomposition,EMD)算法,在对非线性、非平稳信号进行平稳化处理时表现出了它特有的分析能力.但是它本身也存在不足之处,在利用三次样条插值求上下包络时,由于不能确定两端点处的极值,使得拟合出的包络线有可能偏离实际的包络线,这种现象将严重影响EMD分解的质量.针对这个问题,许多抑制边缘效应(有的文献也称:端点效应)的方法已被提出.本文对其中主要几种方法:镜像闭合延拓法、极值点对称延拓法、自回归模型(AR模型)延拓法、时变参数ARMA模型延拓法、正交多项式拟合法、神经网络的数据序列延拓法、支持矢量回归机法及窗函数法等作了一个归纳总结,阐述了各种方法的原理、抑制效果及存在的局限性.     

基于RO-SBM的Hilbert-Huang变换端点效应抑制方法

针对Hilbert-Huang变换方法中由于信号经验模态分解(empirical mode decomposition,简称EMD)过程中所存在的端点效应问题,分析了现有数据延拓方式的利弊,并在基于斜率(slope based method,简称SBM)方法以及改进方法(improved slope based method,简称ISBM)的基础上提出了一种全新的基于斜率再优化(re-optimization slope based method,简称RO-SBM)方法用于信号序列的极值点延拓,然后对延拓后的数据进行EMD分解,得到相应的本征模函数(intrinsic mode function,简称IMF)分量.数值仿真结果表明,采用基于RO-SBM方法进行数据延拓,相比镜像延拓以及ISBM方法,可以更有效地抑制EMD中的端点效应问题,提升HHT方法的信号分析性能.通过基于RO-SBM方法进行数据延拓的HHT方法准确分离出了某转子系统的局部碰摩径向振动信号中所包含的故障特征分量,并将此方法成功应用于旋转机械故障诊断领域.     

基于RO-SBM的Hilbert Huang变换端点

针对Hilbert-Huang变换方法中由于信号经验模态分解(empirical mode decomposition, 简称EMD)过程中所存在的端点效应问题,分析了现有数据延拓方式的利弊,并在基于斜率(slope based method, 简称SBM)方法以及改进方法(improved slope based method,简称ISBM)的基础上提出了一种全新的基于斜率再优化(re-optimization slope based method, 简称RO-SBM)方法用于信号序列的极值点延拓,然后对延拓后的数据进行EMD分解,得到相应的 本征模函数(intrinsic mode function,简称IMF)分量。数值仿真结果表明,采用基于RO-SBM方法进行数据延拓,相比镜像延拓以及ISBM方法,可以更有效地抑制EMD中的端点效应问题, 提升HHT方法的信号分析性能。通过基于RO-SBM方法进行数据延拓的HHT方法准确分离出了某转子系统的局部碰摩径向振动信号中所包含的故障特征分量,并将此方法成功应用于旋 转机械故障诊断领域。     

空间凸轮廓面的两重包络加工实验

为加工复杂空间凸轮廓面,提高精度,降低刀具成本,作者已从理论研究角度提出廓面加工的两重包络法.为验证该加工方法,本文进行了加工实验研究.提出瞬时接触线方式和环线走刀方式两种加工工艺,进行了误差分析与比较.根据加工时间的比较分析了不同方法的加工效率.通过实际加工实验,验证了两重包络法加工的可行性.     

HILBERT-HUANG变换端点效应处理新方法

HIBERT-HUANG变换(HHT)实现过程中,对信号进行经验模态分解(Empirical mode decomposition,EMD)和对分解得到的各个本征模函数(Intrinsic mode function,IMF)进行HILBERT变换时都会产生端点效应.对此问题,采用波形特征匹配延拓数据,提高经验模态分解精度,有效地抑制HILBERT变换中的端点效应,获得准确的HILBERT时频谱.所延拓数据兼顾原始信号中的极值点及非极值点的波形数据,使延拓数据特征与原信号一致,在HHT变换实现过程中仅需一次延拓,算法简单.仿真计算和转子系统故障试验分析结果表明,所用方法可以有效解决HHT变换的端点效应问题.     

基于改进HVD和包络谱的轴承故障诊断方法

轴承是机械设备的重要零部件之一。希尔伯特振动分解与经验模态分解同样存在着端点效应,针对于端点效应提出了镜像延拓的改进方法,该方法通过在信号左右两端分别延拓一定的数据长度,信号分解后再截去左右延拓的数据。较之传统的希尔伯特振动分解方法,该方法能有效的抑制分离出的分量两端发生发散的现象,将改进的HVD与包络谱结合能够有效的应用于轴承故障诊断,能够有效地提取出轴承故障特征频率。     

Hilbert-Huang变换边界问题处理方法研究

分析EMD(empirical mode decomposition)及Hilbert变换中边界问题产生的原因,总结现有边界处理方法的特点,提出采用波形特征匹配延拓处理HHT(Hilbert-Huang transform)边界问题的新方法,该方法可以同时克服EMD分解和Hilbert变换中的端点效应问题.延拓数据来自于信号本身,兼顾原始信号极值点及非极值点的波形数据,能更好地反映信号的特征,实现延拓数据与原信号交界处的光滑过渡.在HHT计算过程中仅需一次延拓.仿真计算和故障实验分析表明,该方法可以有效解决Hilbert-huang变换中存在的边界问题.     

机械转子动静碰摩故障的EMD分解Hilbert包络谱分析

为避免碰摩故障对旋转机械的影响,针对转子系统局部碰摩的特征,提出一种基于EMD分解Hilbert包络谱分析方法。该珐利用EMD方法分解含有碰摩故障的振动信号,提取出的IMF分量有明显的调幅特征,再对其中突出的IMF分量进行Hilbert包络谱分析提取出故障特征频率。与倒谱分析相比,得到的碰摩故障信息更加精确;与小波分析相比,能更容易提取出真实的故障特征。     

POVMD与包络阶次谱的变工况滚动轴承故障诊断

针对变转速滚动轴承故障特征提取较难的问题,提出一种基于参数优化变分模态分解(parameter optimized variational mode decomposition,简称POVMD)与包络阶次谱的变工况滚动轴承故障诊断方法。首先,采用POVMD对变转速滚动轴承振动信号进行分解,得到若干个本征模态函数之和;其次,对各个分量的时域信号进行角域重采样,将时变信号转化为平稳信号处理,再利用Hilbert变换估计重采样后的平稳信号的包络;最后,对得到的包络信号进行阶比分析,从谱图中读取故障特征信息。将POVMD方法与经验模态分解进行了对比,仿真信号分析结果表明了POVMD方法的优越性。将提出的变转速滚动轴承故障诊断方法应用于试验数据分析,分析结果表明,所提出的方法能够实现变转速滚动轴承的故障诊断,而且诊断效果优于现有方法。     

Optimization of the End Effect of Hilbert-Huang transform (HHT)

In fault diagnosis of rotating machinery, Hilbert-Huang transform(HHT) is often used to extract the fault characteristic signal and analyze decomposition results in time-frequency domain. However, end effect occurs in HHT, which leads to a series of problems such as modal aliasing and false IMF(Intrinsic Mode Function). To counter such problems in HHT, a new method is put forward to process signal by combining the generalized regression neural network(GRNN) with the boundary local characteristic-scale continuation(BLCC).Firstly, the improved EMD(Empirical Mode Decomposition) method is used to inhibit the end effect problem that appeared in conventional EMD. Secondly, the generated IMF components are used in HHT. Simulation and measurement experiment for the cases of time domain,frequency domain and related parameters of HilbertHuang spectrum show that the method described here can restrain the end effect compared with the results obtained through mirror continuation, as the absolute percentage of the maximum mean of the beginning end point offset and the terminal point offset are reduced from 30.113% and27.603% to 0.510% and 6.039% respectively, thus reducing the modal aliasing, and eliminating the false IMF components of HHT. The proposed method can effectively inhibit end effect, reduce modal aliasing and false IMF components, and show the real structure of signal components accurately.     

基于小波簇的包络解调方法及其在故障诊断中的应用

本文提出了一种基于小波簇的带通滤波和包络解调方法。通过合理地选择小波参数，用多个单类Morlet小波组成的小波簇可构成具有零相移、平顶通带及快速衰减过渡带特性的带通滤波器，可用于提取振动信号的高频自然频率成分。由于该小波簇的虚部是实部的Hilbert变换，可用于实现包络解调提取振动信号在高频谐振带的包络成分。将该方法用于干式真空泵轴承故障的诊断中，结果表明可有效地提取故障特征频率，实验结果验证了该方法的有效性。     

基于本征模态函数包络谱的滚动轴承故障诊断

针对滚动轴承故障振动信号非平稳的特征,以及传统傅里叶变换不能反映信号细节的缺陷,引入了一种基于本征模态函数包络谱的方法。首先,采用经验模态分解（empirical mode decomposition,EMD）将滚动轴承故障振动信号分解成若干个本征模态函数（intrinsic mode function,IMF）之和;然后,求出包含主要信息成分的IMF分量的Hilbert包络谱;最后,对照滚动轴承故障特征频率,进而判定故障类型。通过对滚动轴承内圈、外圈故障振动信号的分析处理,表明该方法能有效地提取滚动轴承的故障特征。     

基于包络解调的离心式压缩机弱故障信号增强方法研究

在离心式压缩机使用要求不断提高下,为了增强故障诊断精确性,提出基于包络解调的非平稳工况下离心式压缩机弱故障信号增强方法。将小波包分析和独立分量分析结合,通过小波包分析法对含有噪声的混合信号进行降噪,根据 FastICA 算法分离降噪后的混合信号,对分离出的信号采用收缩函数实行频段内的去噪操作,完成多源故障信号分离去噪。在故障信号分离的基础上,考虑到被分离出的信号伴随着微弱噪声,进一步通过包络解调随机共振实现弱故障信号增强。对多源信号分离结果进行包络解调操作,并对包络信号实行变尺度随机共振输出处理,实现故障特征信号增强,达到故障诊断的目的。通过实验分别对此方法的信号去噪增强效果和故障诊断精确性进行验证,实验结果表明,该方法不仅弱故障信号增强效果显著,且故障诊断鲁棒性强,精度高,具有可实践性。     

A fault diagnosis approach for roller bearing based on IMF envelope spectrum and SVM

Targeting the modulation characteristics of roller bearing fault vibration signals, a method of fault feature extraction based on intrinsic mode function (IMF) envelope spectrum is proposed to overcome the limitations of conventional envelope analysis method. By utilizing the proposed feature extraction method, the disadvantages of conventional envelope analysis method such as the chosen of central frequency of filter with experience in advance, looking for spectral line of fault characteristic frequencies in envelope spectrum and so on could be overcome. Firstly, the original modulation signals are decomposed into a number of IMFs by empirical mode decomposition (EMD) method. Secondly, the ratios of amplitudes at the different fault characteristic frequencies in the envelope spectra of some IMFs that include dominant fault information are defined as the characteristic amplitude ratios. Finally, the characteristic amplitude ratios serve as the fault characteristic vectors to be input to the support vector machine (SVM) classifiers and the work condition and fault patterns of the roller bearings are identified. Since the recognition results are available directly from the output of the SVM classifiers, the proposed diagnosis method provides the possibility to fulfill the automatic recognition to machinery faults.     

采煤机摇臂齿轮传动系统振源定位分析方法

为了研究采煤机摇臂传动齿轮的振动分析方法并进行实机振源定位验证,首先,采用小波分析对采煤机摇臂振动信号进行降噪处理和频谱分析,依据特征频率下的振幅结果确定故障齿轮的啮合频率;然后,通过Morlet小波包络解调分析获取边频带信号频谱特征,依据边频带特征频率下的振幅结果确定故障齿轮的转动频率;最后,对频谱分析和Morlet小波包络解调分析的结果进行综合分析,锁定故障齿轮的准确位置。对一台国产采煤机摇臂齿轮传动系统进行了振动测试与信号分析,结果表明,基于小波分析、频谱分析和Morlet小波包络解调分析相结合的振动分析方法可以实现对采煤机摇臂故障齿轮的准确定位,为强噪声环境下复杂齿轮传动系统的故障快速定位和现场定点维修提供了方法支持。     

基于局部特征尺度分解的经验包络解调方法及其在机械故障诊断中的应用

提出一种基于局部特征尺度分解(Local characteristic-scale decomposition, LCD)和经验包络(Empirical envelope method, EE)解调的非平稳信号分析方法。该方法通过局部特征尺度分解将一个复杂信号自适应地分解为若干个内禀尺度分量之和,对得到的各个内禀尺度分量进行经验包络解调,得到各个分量信号的瞬时幅值和瞬时频率信息,从而得到原始信号完整的时频分布。采用仿真信号将基于LCD和EE解调的时频分析方法和希尔伯特黄变换方法进行对比,结果表明,新提出的信号分解和解调方法在抑制端点效应和迭代所需时间,瞬时特征的精确性等方面优于希尔伯特黄变换方法。针对滚动轴承和齿轮故障振动信号的调制特点,将基于LCD和EE的时频分析方法引入机械故障诊断中,对试验信号的分析结果表明,基于LCD和EE的时频分析方法能有效地提取机械故障振动信号的特征。     

载荷影响下的机电阻抗协整结构损伤识别方法

针对滚动轴承早期故障特征信息十分微弱难以提取以及可调品质因子小波变换(tunable Q-factor wavelet transform,简称TQWT)参数设置依赖使用者经验的问题,提出改进的TQWT的滚动轴承早期故障诊断方法。首先,设定Q因子的区间范围,利用TQWT对滚动轴承故障振动信号进行分解得到若干个分量;其次,对各分量进行包络导数能量算子解调,在能量谱中根据特征频率强度系数这一指标自适应地确定TQWT的最佳分解参数,实现对故障信号的最优分解;最后,通过对最佳分量的包络导数能量谱分析即可准确地提取到轴承故障特征信息。通过对仿真信号、实验数据以及工程案例分析表明,该方法能够有效提取滚动轴承早期微弱故障特征并准确判断出滚动轴承故障类型,具有一定的工程应用价值。