A new method for multicomponent signal decomposition based on self-adaptive filtering

Since the empirical mode decomposition (EMD) lacks strict orthogonality, a new method for multicomponent signal decomposition, orthogonal empirical mode decomposition (OEMD), is proposed by this paper. The essential principle of this method is to obtain the intrinsic mode functions (IMFs) and the residue by self-adaptive band-pass filtering. Firstly, the feasibility of OEMD is theoretically analyzed, then its strict orthogonality and completeness is proved, and the orthogonal basis used in OEMD is generated. Secondly, the method of analytical band-pass filtering which preserves perfect band-pass feature in the frequency domain is presented, then two fast algorithms to implement OEMD are proposed, i.e. IMF sequential searching (ISS) algorithm and IMF binary searching (IBS) algorithm. The speed of IBS is faster than that of ISS, whereas IBS algorithm may obtain much more false IMFs than ISS when signals are of complex spectral constitutions. Finally, OEMD is applied to both synthetic signals and mechanical vibration signals, the results show that compared with EMD, OEMD better solves mode aliasing, avoids the occurrence of false mode, is free of end extension, and can be effectively applied to mechanical fault diagnosis.     

基于自适应CEEMD的非平稳信号分析方法

由于标准的互补集总经验模态分解(complementary ensemble empirical mode decomposition,简称CEEMD)在处理模态混叠问题时缺乏自适应性,其本质是分解信号获得的本征模态函数(intrinsic mode function,简称IMF)之间产生了一定的信息耦合现象,使IMF分量不能正确地反映信号的真实成分。因此,提出了在使用CEEMD分解信号的过程中嵌入网格搜索算法(grid search algorithm,简称GSA),以最小二乘互信息(least squares mutual information,简称LSMI)为网格搜索算法的适应度函数,构造一个自适应CEEMD方法。该算法通过自适应地搜索最佳的白噪声幅值,修正信号分解过程中产生的少量的耦合频率成分,确保每个IMF分量之间信息的正交性,以进一步抑制模态混叠问题。最后,通过仿真实验验证了该方法的有效性,并将该方法用于提取滚动轴承微故障的特征频率。实验结果表明,该算法在滚动轴承的微故障特征提取应用中具有更少的迭代数、IMF分量以及相对更小的计算量。     

基于经验模态分解和Teager峭度的语音端点检测

采用经验模态分解和Teager峭度的统计特性对噪声环境下的语音信号端点进行检测。利用经验模态分解获得语音信号的本征模态函数,用Teager能量算子计算每个本征模态函数的瞬时能量,并对本征模态函数进行系数—峭度计算,提取信号期望的统计特征信息实现语音端点的检测。通过自适应EMD分解和Teager能量算子的处理,这种方法可以有效地消除白噪声或有色高斯噪声的影响。通过仿真例子说明这种方法可以取得良好的端点检测效果,仿真研究结果表明用经验模态分解和Teager峭度对噪声环境下的语音端点检测是可行的和有效的,提高了检测的可靠性。     

Hilbert-Huang变换中的模态混叠问题

希尔伯特-黄变换(Hilbert-Huang transform,简称HHT)存在的模态混叠现象严重影响了实际应用效果。在分析研究HHT原理及模态混叠产生机理的基础上,提出了基于形态滤波预处理与端点延拓相结合的方法抑制模态混叠现象。与集合经验模态分解(ensemble empirical mode decomposition,简称EEMD)方法比较,所提出的方法能够更快速、准确地分解出表征信号的本征模态函数(intrinsic mode function,简称IMF)分量。将该方法应用于滚动轴承的实测信号分析,结果表明,该方法在实际应用中同样具有很好的模态混叠抑制效果。     

采用EEMD和WPT的结构损伤特征提取方法

为了解决传统小波或小波包变换方法对结构损伤振动信号频率分辨率不高、易受邻近谐波交叠影响的问题,提出了一种基于聚类经验模式分解(EEMD)和小波包变换(WPT)的结构损伤特征提取方法.首先对原始信号进行EEMD分解,提取包含结构损伤信息的固有模式分量(IMF),再对其进行正交小波包分解,并计算小波包相对能量分布.该方法用于美国土木工程师学会(ASCE)提出的钢结构框架的损伤特征提取,结果表明:EEMD方法具有白噪声的剔除特性,可避免模式混叠的发生;不同检测节点处不同损伤工况的IMF小波包相对能量分布有显著的差异,可以作为一种理想指标表征结构损伤特征.     

An insight concept to select appropriate IMFs for envelope analysis of bearing fault diagnosis

Traditional envelope analysis must examine all the resonant frequency bands during the process of bearing fault detection. To eliminate the above deficiency, this paper presents an insight concept based on the empirical mode decomposition to choose an appropriate resonant frequency band for characterizing feature frequencies of bearing faults by using the envelope analysis subsequently. By the band-pass filtering nature of the empirical mode decomposition, the resonant frequency bands are allocated in a specific intrinsic mode function. The inner or outer ring of bearings scratched intentionally is used to validate the feasibility of the proposed idea, and comparisons with the traditional envelope analysis are addressed. The experimental results show that the proposed insight concept can efficiently and correctly diagnose the bearing fault types.     

基于EMD和非线性峭度的齿轮故障诊断

采用经验模式分解(empirical mode decomposition,简称EMD)和非线性峭度的统计特性对振动加速度传感器获取的齿轮箱振动响应信号进行特性分析。利用EMD分解获得振动响应信号的本征模式函数,用非线性Tea-ger能量算子计算每个本征模式函数的瞬时能量,并对本征模式函数进行系数的非线性峭度计算,提取系统的特征信息。仿真结果表明,用经验模式分解和非线性峭度可实现在线监测齿轮运转工作状态,及时发现齿轮的早期故障,提高了故障检测的可靠性。     

经验模态分解中的模态混叠问题-

针对经验模态分解(empirical model decomposition,简称EMD)存在的模态混叠问题,总结了引起模态混叠异常事件的类型,讨论了模态混叠的产生原因,提出了采用加入高频谐波后再进行EMD分解消除模态混叠的方法.根据信号分析频率范围和特征选择高频简谐波的频率和幅值,并使高频谐波作为第1阶IMF分解出来,可以有效消除模态混叠现象,异常事件通常可以包含在第1阶IMF中,必要时可以将加入的高频信号直接减掉,不影响对EMD结果的判断.与总体平均经验模态分解法(ensemble empirical model decomposition,简称EEMD)对比的仿真计算表明,两种方法都可以有效消除模态混叠现象,但高频谐波加入法具有运算速度快、误差小、分解结果物理意义明确和不需后处理的优点,对含复杂异常事件的实际故障信号分析验证了该方法在工程应用中的有效性和可行性.     

APEEMD及其在转子碰摩故障诊断中的应用

总体平均经验模态分解(ensemble empirical mode decomposition,简称EEMD)是抑制经验模态分解(empirical mode decomposition,简称EMD)模态混叠的有效方法,针对EEMD分解效果依赖于添加噪声的大小、筛分次数和总体平均次数等参数的选择及噪声残留大、分解不完备等问题,提出了自适应部分集成经验模态分解。该方法通过成对地向目标信号加入自适应噪声,并对每个内禀模态函数(intrinsic mode function,简称IMF)自动选择筛选次数,通过排列熵检测筛分出高频IMF,再对剩余信号进行EMD分解。将提出的方法应用于仿真和转子碰摩故障试验数据分析,结果表明提出的方法能够有效地应用于转子碰摩故障诊断,而且在分量的精确性、完备性和模态混叠的抑制等方面优于EEMD方法。     

Application of EEMD and improved frequency band entropy in bearing fault feature extraction

Ensemble empirical mode decomposition (EEMD) is widely used in condition monitoring of modern machine for its unique advantages. However, when the signal-to-noise ratio is low, the de-noising function of it is often not ideal. Thus, a new fault feature extraction method for rolling bearing combining EEMD and improved frequency band entropy (IFBE) is proposed, i.e., EEMD–IFBE. According to the problem of multiple intrinsic mode functions (IMFs) generated by EEMD, how to select the sensitive IMF(s) that can better reflect fault characteristics, a novel method based on FBE for sensitive IMF is proposed. In addition, since the bandwidth parameter is set empirically when the band-pass filter is designed based on the original FBE, a novel bandwidth parameter optimization method based on the principle of maximum envelope kurtosis is proposed. First, the original vibration signal is subjected to EEMD to obtain a series of IMFs; Then, the FBE values are obtained for the original signal and each IMF component, and the bandwidth of the band-pass filter (empirically) is designed as the characteristic frequency band at the minimum entropy value, and the affiliation between the characteristic frequency band of each IMF and the characteristic frequency band of the original signal is compared, and then selecting the sensitive IMF(s) that reflects the characteristics of the fault; Third, due to the influence of background noise, it is difficult to accurately obtain the fault frequency from the selected IMF(s). Therefore, the band-pass filter designed based on FBE is used, and the bandwidth parameter is optimized based on the principle of envelope kurtosis maximum, and then the selected sensitive IMF is band-pass filtered. Finally, the envelope power spectrum analysis is performed on the filtered signal to extract the fault characteristic frequency, and then the fault diagnosis of the bearing is realized. The method is successfully applied to simulated data and actual data of rolling bearing, which can accurately diagnose fault characteristics of bearing and prove the effectiveness and advantages of the method.     

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。     

快速自适应经验模态分解方法及轴承故障诊断

提出一种快速自适应经验模态分解(fast and adaptive empirical mode decomposition,简称FAEMD),其算法结构和本征模态函数的特点与经验模态分解(empirical mode decomposition,简称EMD)类似。采用顺序统计滤波器代替三次样条来拟合曲线,简易的终止准则使耗机时间大幅减小。该方法可以快速、有效、准确地分解信号,能够避免终止准则和端点效应问题,改善模态混叠和耗时问题。在滚动轴承故障诊断的应用中,效果表现良好。     

基于独立分量分析的EMD模态混叠消除方法研究

针对经验模态分解(empirical mode decomposition,EMD)算法中存在的模态混叠现象,提出一种应用独立分量分析进行模态混叠消除的新方法.首先应用形态学滤波方法将信号中的噪声予以消除,减少由于噪声因素造成的模态混叠现象.然后将信号进行EMD分解,获得不同的IMF分量,将存在模态混叠成分的IMF分量进行相空间重构,利用基于峭度最大化的独立分量分解算法实现混叠成分的分离,仿真分析和工程应用的结果表明,所提方法能有效地消除EMD分解过程中的模态混叠现象.     

移动荷载作用下时变简支钢桥损伤识别

针对移动荷载作用下桥梁结构振动响应信号呈现非平稳性的特点,构建新的一阶本征函数自功率谱最大值变化比和一阶本征函数小波能量变化率两个指标来识别时变结构的损伤。首先,采用小波阀值去噪法对时变结构响应信号进行去噪处理;其次,运用解析模态分解定理提取响应信号的一阶本征函数并构建一阶本征函数自功率谱最大值变化比指标来识别结构的损伤位置,在识别结构损伤位置的基础上,将损伤位置处的加速度响应信号的一阶和二阶本征函数进行线性混叠后,采用快速独立成分分析进行分离,得到更有效的一阶本征函数;最后,基于连续小波变换和时间窗思想,提出一阶本征函数小波能量变化率指标来预测结构的时变损伤。通过移动荷载作用下的时变简支钢桥试验验证所提出的损伤指标,研究结果表明,提出的两个指标能够有效识别结构的损伤位置和时变损伤。     

均值优化经验模态分解及其在转子故障诊断中的应用

经验模态分解（Empirical mode decomposition,EMD）作为一种自适应的信号分解方法已经被广泛应用于诸多工程领域。为了提高EMD的分解性能,分别考虑从不同权值均值曲线的迭代筛分结果中选择正交性最小以及从每层内禀模态函数迭代结果中选择最优以保证整体分解最优,发展了两种均值优化经验模态分解（Mean-optimized empirical mode decomposition,MOEMD）算法。通过仿真信号分析,将MOEMD方法与EMD等现有信号分解方法进行了对比,结果表明,MOEMD方法在分解性能和分解精度方面比EMD等方法有显著提高。最后,将MOEMD方法应用于转子碰摩故障信号分析,并与EMD进行了对比分析,结果表明,MOEMD方法不仅能够有效地识别转子碰摩故障,而且识别效果优于EMD方法。     

IMF筛选停止条件的分析及新的停止条件

分析了目前经验模式分解(empircal mode decomposition,简称EMD)中本质模式函数(intrisic mode function,简称IMF)筛选停止条件,并提出了一种新的筛选停止条件.首先建立了一种EMD分解效果的检测方法,采用该方法分析了3种IMF筛选停止条件,从分解效果图可以看到3种停止条件对EMD分辨率的影响;然后提出了一种改进的IMF筛选停止条件;最后通过分解面的效果图和算例,表明新方法可以减少模式混叠现象,提高EMD分解效果.     

基于CEEMD与小波阈值的机械密封声发射信号自适应降噪方法

针对机械密封声发射信号容易受到环境噪声干扰,难以有效地从背景噪声中分离的问题,提出将互补集合经验模态分解(CEEMD)与改进小波阈值降噪方法相结合的声发射信号自适应降噪方法。根据白噪声经经验模态分解(EMD)后其固有模态函数分量的能量密度与其平均周期的乘积为一常数的特性,自适应地判定CEEMD信噪分量的分界点;为避免小波原阈值函数的缺陷,应用改进小波阈值函数对高频IMF分量进行降噪处理,然后同其余的IMF分量进行信号重构,完成降噪过程。对仿真信号和采集的机械密封声发射信号的降噪结果,证明了该降噪方法的有效性和可行性。     

基于灰色准则与EEMD的滚刀振动信号降噪方法

工程现场采集的滚刀振动信号掺杂噪声,致使信号特征难以提取。提出一种基于灰色准则与集合经验模态分解(EEMD)的滚刀振动信号降噪方法。首先将原信号进行EEMD分解得到若干个特征模态函数(intrinsic mode function,IMF),再根据提出的灰色准则对IMF分量进行极性一致化处理、均值化处理,计算出IMF1与其他IMF分量的灰色关联度,并按照灰色关联度将IMF分量降序排列,然后选择降序排列中前一半IMF分量进行软阈值处理,最终将处理后的IMF分量、未处理的IMF分量及余项进行重构,得到降噪后的信号。通过不同初始信噪比的仿真信号和实际加工中的滚刀振动信号验证了本方法的可行性和有效性,同时与EEMD结合相关系数降噪法、小波软阈值降噪法进行了比较,结果表明本方法的降噪效果更优。     

经验模式分解的改进及其对球轴承缺陷的诊断

在分析经验模式分解存在问题的基础上，改进了经验模式分解的算法，提出用窗口平均法取代原极值包络法来计算局部均值。给出了窗口平均法的具体算法，并通过模拟信号进行了验证。结果表明，改进的算法减少了三次样条插值使用的次数，从而减少了信号分解的时间，并且所有的数据都参与了局部均值的计算，提高了数据的利用率。同时，用改进的EMD方法取代传统包络分析中的带通滤波器，对实际的缺陷轴承进行了诊断。结果表明，经验模式分解方法比传统的包络分析更有效。     

基于经验模态分解的旋转机械振动信号滤波技术研究

把经验模态分解方法引入了旋转机械振动信号滤波领域,详细地解释了这种方法及其算法。通过对一个带高频毛刺干扰的振动信号的经验模态分解与本征模函数的组合,演示了基于经验模态分解的振动信号滤波的方法。把振动信号滤波前后的波形进行了比较,发现基于经验模态分解的信号滤波方法对振动信号滤波有较好的效果。