振動信號的周期辨識方法及周期辨識系統的製作方法

2023-10-09 16:32:19

專利名稱：振動信號的周期辨識方法及周期辨識系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及信號周期的辨識方法，更具體地，涉及一種振動信號的周期辨識方法及周期辨識系統。
背景技術：
機械系統的振動測試中，一般通過傳感器等測量運動機械在外界激勵或運行工況中其重要部位的振動量(例如加速度、速度、位移等)，從而了解機械系統的工作狀態。在工程機械的振動試驗中，採集得到的試驗數據包括位移、速度、加速度、壓力等振動信號。由于振動信號一般都比較複雜，屬於非正弦類的信號。對於非正弦類的信號來說，不但周期會發生變化，而且其振動的平衡點也可能向上或向下偏移，另外噪聲的影響也可能比較明顯。圖1示出了現有技術中的一種周期辨識方法的流程圖。如圖1所示，採用圖1所示的方法時，首先在估計出最大值和最小值的範圍，然後確定最大值、最小值和中值的初始值，並確定門限值，然後開始波形檢測。具體地說，在對一個波形進行辨識時，每檢測到一個新值，就判斷新值是否大於中值與門限值之和，如果大於，則進入「搜索最大值」狀態以搜索最大值；否則判斷該新值是否小於中值與門限值之差，如果小於，就進入「搜索最小值」狀態以搜索最小值。在對下一個新的波形進行檢測之前，用搜索到的最大值和最小值的算術平均值作為新的中值，同時用搜索到的最大值和最小值替換上一次波形時的最大值和最小值。由於正弦類的信號的最大值和最小值的區間佔周期一半，因此，採用圖1中的方法時，可以得到較為準確的周期，但是對於非正弦類的複雜信號來說，採用圖1中的方法得到的周期具有較大的誤差。另外，在工程機械的振動測試中，現有技術對振動信號的周期進行判斷時通常還採用以下方法:給出一條固定周期線(即水平直線)，然後通過振動信號的曲線與周期線的交點來確定周期。但是，這種方法不能處理振動的平衡點向上或向下偏移的情形。

發明內容
本發明旨在提供一種振動信號的周期辨識方法及周期辨識系統，以解決現有技術難以辨識非正弦的周期及不能對平衡點發生偏移的信號進行辨識的問題。為解決上述技術問題，根據本發明的第一方面，提供了一種振動信號的周期辨識方法，包括:步驟1，確定初始的周期線；步驟2，根據初始的周期線辨識並計算振動信號的前N個周期中的每個周期的平衡線，其中N為自然數；步驟3，根據N個平衡線，預先計算振動信號的下一周期的周期線；步驟4，根據預先計算出的周期線，判斷振動信號的下一周期的周期，並得出振動信號的下一周期的平衡線；步驟5，計算下一周期的平衡線與該下一周期的上一周期的平衡線之間的變化量，根據變化量預先計算出下一周期的下一周期的周期線；步驟6，循環執行步驟4和步驟5。
進一步地，步驟2中的平衡線是每個周期的最大值和最小值的算術平均值。進一步地，步驟3中預先計算出的周期線是第N個周期的平衡線與N個平衡線的變化量之和。進一步地，步驟5中預先計算出的周期線是當前周期的平衡線與步驟5中計算出的變化量之和。進一步地，初始的周期線是未施加振動激勵時的一段時間內的信號平均值與該段時間內最大峰的峰值之和。根據本發明的第二方面，提供了一種振動信號的周期辨識系統，包括依次連接的用於檢測振動信號的傳感器、信號採集單元、信號濾波單元和信號周期辨識單元，該信號周期辨識單元根據上述的周期辨識方法對來自信號濾波單元的信號進行辨識。因此，本發明可以通過幾個周期的平衡線的變化量，預先計算出下一周期的周期線，可適用于振動信號的平衡點向上或上下偏移的情況。


構成本申請的一部分的附圖用來提供對本發明的進一步理解，本發明的示意性實施例及其說明用於解釋本發明，並不構成對本發明的不當限定。在附圖中:圖1示意性示出了現有技術中的周期辨識方法的流程圖；圖2示意性示出了本發明中的周期辨識方法的流程圖；圖3示意性示出了採用本發明對一種類型的振動信號的周期進行辨識的過程示意圖；圖4示意性示出了採用本發明對另一種類型的振動信號的周期進行辨識的過程示意圖；圖5示意性示出了本發明中的振動信號的周期辨識系統的結構示意圖；以及圖6示意性示出了實驗裝置的結構示意圖。
具體實施例方式以下結合附圖對本發明的實施例進行詳細說明，但是本發明可以由權利要求限定和覆蓋的多種不同方式實施。作為本發明的第一方面，提供了一種振動信號的周期辨識方法。請參考圖2，本發明中的振動信號的周期辨識方法包括以下步驟:步驟1，確定初始的周期線2。周期線2是一條水平的線段，通過周期線2與振動信號I的曲線的交點可以判斷一個周期的開始和結束。例如，由於採集到的振動信號I是離散的，在相鄰兩個數據點中，如果前一個數據點的數值小於或等於周期線2的縱坐標值，而後一個數據點的數值大於或等於周期線2的縱坐標值，那麼該時刻可作為前一個周期的結束點或下一個周期的開始點，因此，可以通過上述的方法確定每個周期的結束點。假設第N周期與第N+1周期是相鄰的兩個周期，那麼第N周期的結束點與第N+1周期的結束點之間的時間即為第N+1周期的周期，從而可以判定周期線的起始點和結束點。另外，初始的周期線可以是未施加振動激勵時的一段時間內的信號平均值與該段時間內最大峰的峰值之和，當然也可以採用本領域的其它方式確定的。
步驟2，根據初始的周期線辨識並計算振動信號I的前N個周期中的每個周期的平衡線(未示出)，其中，N為自然數。平衡線用來描述振動的平衡位置，平衡線可根據不同的需要採用不同的方法計算得到，例如，本發明中可將每個周期的最大值和最小值的算術平均值當作該周期的平衡線。步驟3，根據N個平衡線，預先計算振動信號的下一周期(即第N+1個周期)的周期線2。優選地，該預先計算出的周期線2是第N個周期的平衡線與N個平衡線的變化量之和，該變化量根據振動信號I的變化趨勢而定，可能是正值，也可以是負值。步驟4，根據預先計算出的周期線2，判斷振動信號I的該下一周期的周期(例如，可以通過步驟I中所述的方法確定周期)，並得出振動信號I的該下一周期的平衡線。優選地，步驟3中預先計算出的周期線2是當前周期的平衡線與N個平衡線的變化量之和。步驟5，計算該下一周期的平衡線與該下一周期的上一周期的平衡線之間的變化量(該變化量根據振動信號的變化趨勢而定，可能是正值，也可以是負值)，根據變化量預先計算出該下一周期的下一周期的周期線2。優選地，該預先計算出的周期線2是當前周期的平衡線與步驟5中計算出的變化量之和。步驟6，循環執行步驟4和步驟5，直到測量結束。其中，圖2中的橫軸表示時間,縱值表示信號值的大小。需要說明的是，本發明中的周期線和平衡線是指在振動信號的一個或幾個周期中，與該振動信號的振動曲線(該振動曲線的縱坐標為振動信號的幅值，橫坐標為時間)的橫坐標相平行的線段。因此，本發明可以通過幾個周期的平衡線的變化量，預先計算出下一周期的周期線，從而可以實時地對振動信號的下一個周期進行識別，判斷出下一個周期的周期(例如，可以通過步驟I中所述的方法確定周期)，同時還可獲得下一周期的最大值和最小值，並依據該最大值和最小值計算出該下一周期的平衡值，以適應振動信號的平衡點向上或上下偏移的情況。如此不斷地循環，就能實現對振動信號周期的實時辨識。本發明在辨識的過程中，可同時地計算振動信號的特徵參數，如最大值、最小值、平衡線等。本發明可從位移、速度、加速度、壓力等信號中辨識出振動的周期。另外，本發明可用於實時、快速、準確地對各種正弦類的生理信號和非生理信號的周期和極值點進行辨識，且能夠很好地跟隨波形突變和波動的情況。優選地，本發明中的周期辨識方法還包括對振動信號進行濾波的步驟，以除去噪聲幹擾信號。下面對過一個簡單的實施例，對本發明中的方法進行詳細說明。在未施加激勵信號時,獲取傳感器的輸出信號，測得該信號在一段時間內的變化範圍是10 15，經過計算確定初始的周期線為12。然後，利用該初始的周期線對N個(例如兩個)連接的周期進行辨識，假設辨識後這N個周期的平衡線的變化值為+2，且第N個周期的平衡線為15，那麼可以預先計算出第N+1個周期的周期線為17(即將第N個周期的平衡線的值加上該平衡線的變化值)。對於第N+2個周期來說，可以採用第N+1個周期的平衡線以及第N+1個周期與第N個周期的平衡線的變化量來預先計算一個周期線。在一個實施例中，第N+1個周期的平衡線為14，那麼第N+1個周期與第N個周期的平衡線之間的變化量為-1，此時，預先計算出第N+2個周期的周期線為13。在另一個實施例中，第N+1個周期的平衡線為16，那麼第N+1個周期與第N個周期的平衡線之間的變化量為1，此時，預先計算出第N+2個周期的周期線為17。進一步地，圖3和圖4示意性地給出了使用本發明對兩種類型的複雜信號的周期進行辨識的過程，其中T表示一個周期。從圖3和圖4可以看出，周期線是實時調整的。因此，通過本發明可對周期線進行實時的調整，可用於辨識複雜信號的周期，如辨識振動平衡線向上或向下偏移的信號周期。作為本發明的第二方面，提供了一種振動信號的周期辨識系統。如圖5所示，該系統包括依次連接的用於檢測振動信號的傳感器、信號採集單元、信號濾波單元和信號周期辨識單元，該信號周期辨識單元根據上述各實施例中的周期辨識方法對來自所述信號濾波單元的信號進行辨識。進一步地，可採用圖6中的實驗裝置對本發明進行驗證。如圖6所示，實驗裝置包括試驗平臺3和設置在試驗平臺3的兩端的彈簧4，且彈性4分別與試驗平臺3的兩端連接。實驗裝置還包括激振器5和傳感器6，激振器5與試驗平臺3的中部連接，傳感器6固定在試驗平臺3上。實驗時，使激振器5以某一周期(例如Is)進行振動，然後通過本發明對該傳感器6採集到的試驗平臺3的振動信號進行辨識，從而識別出試驗平臺的振動周期(例如1.01s)。通過對實驗結果的對比，本發明辨識的周期與實際周期之間的誤差在允許的範圍內。以上所述僅為本發明的優選實施例而已，並不用於限制本發明，對於本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.一種振動信號的周期辨識方法，其特徵在於，包括: 步驟I，確定初始的周期線； 步驟2，根據所述初始的周期線辨識並計算所述振動信號的前N個周期中的每個周期的平衡線，其中N為自然數； 步驟3，根據N個所述平衡線，預先計算所述振動信號的下一周期的周期線； 步驟4，根據預先計算出的所述周期線，判斷所述振動信號的所述下一周期的周期，並得出所述振動信號的所述下一周期的平衡線； 步驟5，計算所述下一周期的平衡線與該所述下一周期的上一周期的平衡線之間的變化量，根據所述變化量預先計算出所述下一周期的下一周期的周期線； 步驟6，循環執行所述步驟4和步驟5。
2.根據權利要求1所述的周期辨識方法，其特徵在於，所述步驟2中的平衡線是每個周期的最大值和最小值的算術平均值。
3.根據權利要求1所述的周期辨識方法，其特徵在於，所述步驟3中預先計算出的所述周期線是第N個周期的平衡線與所述N個平衡線的變化量之和。
4.根據權利要求1-3中任一項所述的周期辨識方法，其特徵在於，所述步驟5中預先計算出的所述周期線是當前周期的平衡線與所述步驟5中計算出的變化量之和。
5.根據權利要求1-3中任一項所述的周期辨識方法，其特徵在於，所述初始的周期線是未施加振動激勵時的一段時間內的信號平均值與該段時間內最大峰的峰值之和。
6.一種振動信號的周期辨識系統，包括依次連接的用於檢測所述振動信號的傳感器、信號採集單元、信號濾波單元和信號周期辨識單元，其特徵在於，所述信號周期辨識單元根據權利要求1-5中任一項所述的周期辨識方法對來自所述信號濾波單元的信號進行辨識。
全文摘要
本發明提供了一種振動信號的周期辨識方法及周期辨識系統。周期辨識方法包括步驟1，確定初始的周期線；步驟2，根據初始的周期線辨識並計算振動信號的前N個周期中的每個周期的平衡線，其中N為自然數；步驟3，根據N個平衡線，預先計算振動信號的下一周期的周期線；步驟4，根據預先計算出的周期線，判斷振動信號的下一周期的周期，並得出振動信號的下一周期的平衡線；步驟5，計算下一周期的平衡線與該下一周期的上一周期的平衡線之間的變化量，根據變化量預先計算出下一周期的下一周期的周期線；步驟6，循環執行步驟4和步驟5。本發明可以通過幾個周期的平衡線的變化量，預先計算出下一周期的周期線，可適用于振動信號的平衡點向上或上下偏移的情況。
文檔編號G01M7/02GK103175604SQ20111043925
公開日2013年6月26日 申請日期2011年12月23日 優先權日2011年12月23日
發明者黃毅, 楊文 , 王佳茜, 鄺昊 申請人:中聯重科股份有限公司