旋轉機械啟停車過程波德圖/奈奎斯特圖的快速計算方法
2024-01-21 06:59:15 2
專利名稱：旋轉機械啟停車過程波德圖/奈奎斯特圖的快速計算方法
技術領域：
本發明屬於旋轉機械狀態監測和故障診斷領域中的非平穩振動信號處理領域；特別涉及一種用於旋轉機械啟停車非平穩過程波德圖/奈奎斯特圖的快速計算方法。
背景技術：
旋轉機械啟停車是機組運行過程中的事故多發階段。在這個過程中機組經歷了一個非穩態的運行過程，這個過程包含了機組豐富的狀態信息，而這些信息是常規穩態狀態下所無法獲得的。研究旋轉機械啟停車過程振動信息的提取和利用，對了解旋轉機械的運行狀態和旋轉機械隱含的故障具有重要的指導作用。對旋轉機械啟停車過程振動信息的提取和利用尋找一種好的分析方法同樣具有重要的意義，本發明意義在於快速、準確的得到 旋轉機械啟停車過程振動信號的一些特徵信息，為旋轉機械的動平衡提供指導。旋轉機械啟停車故障診斷的核心是對其進行故障特徵的提取，它直接關係到故障診斷的準確性和故障預報的可靠性。據相關資料分析認為，目前常常採用的旋轉機械故障診斷方法大都是在恆轉速狀穩態下進行的，而旋轉機械啟停車過程是機組運行過程中的事故多發階段。因此，旋轉機械穩態工作狀態下，運用快速傅立葉(FFT)變換可直接將振動信號變換到頻域，得到各個頻率下的幅值分量和相位分量，進而得到頻譜圖、功率譜圖或軸心軌跡圖等。以上方法不能用於非穩態過程的振動信號分析，因此，尋找針對旋轉機械啟動停車過程的非穩態振動信號的快速計算方法具有重要意義。常用的旋轉機械非平穩過程振動信號監測診斷方法有波德圖、奈奎斯特圖和瀑布圖等，而波德圖、奈奎斯特圖對旋轉機械啟停車過程的分析尤為重要。波德圖和奈奎斯特圖的提出最早是在自動控制領域，用來描述控制系統不同頻率下系統輸入與系統輸出之間的關係。後來這一方法被移植和引入到旋轉機械非平穩起停車過程的監測和診斷中。如果將旋轉機械失衡質量在轉動過程中所引起的離心力作為系統的輸入，將轉子的失衡振動響應作為輸出，那麼轉子的振動可認為是一典型的二階質量-彈簧一阻尼系統。在旋轉機械啟停車這一非平穩過程中，轉子的轉速經歷了有由小到大或相反的變化過程，由失衡質量產生的離心力的頻率也同樣經歷了由小到大或相反的變化過程。與旋轉機械啟停車這一非平穩過程相對應的振動信號，正是失衡質量產生離心力所激發的振動。因此振動信號的波德圖和奈奎斯特圖可以很好地描述由失衡質量產生離心力所激發的振動。旋轉機械啟停車過程振動信號波德圖和奈奎斯特圖是目前旋轉機械非平穩振動信號處理中重要和常用的方法。目前常用的旋轉機械啟停車過程振動信號波德圖和奈奎斯特圖計算方法有兩種
O分段採集啟停車過程振動信號並進行後處理得到波德圖和奈奎斯特圖；2)連續採集啟停車過程振動信號，通過跟蹤濾波的方法計算波德圖和奈奎斯特圖。第一種方法需要對採集到的每一段振動信號做快速傅立葉(FFT)變換，獲取每一段的IX振動峰值和相位，然後繪製振動信號的波德圖和奈奎斯特圖，但是繪製的波形失真度比較大，並且曲線不光滑，段與段之間的轉速間隔不同，波德圖和奈奎斯特圖的準確度也不同，間隔越小準確度越高，臨界轉速越接近真實值，但是間隔小計算量就會變得非常大；第二種方法，對採集到的啟停車非平穩振動信號用跟蹤濾波的方法除去低頻和高頻幹擾得到轉頻振動信號，然後根據鍵相信號的特點尋找轉頻信號的振動周期，求得每個周期內的振動峰值以及初相位，最後繪製振動信號的波德圖和奈奎斯特圖。該方法中計算每個周期內的振動峰值和初相位有兩種方法一種是通過對該周期為中心、左右一段時間的振動信號進行傅立葉變換，通過傅立葉頻譜的到幅值和相位信息。該方法需要重複多次進行傅立葉變換，計算量大。另外，進行傅立葉變換的信號只能近似認為是幅值和相位穩定的信號，但實際上信號的幅值和相位是不斷變化的，由此導致幅值和相位計算出現誤差；另一種是直接對每個周期內振動信號進行幅值搜索，得到振動幅值。根據每個周期內振動信號採樣總點數及極大值點的位置來估算相位。這種相位計算方法對低轉速時的相位估計比較準確，在高轉速時相位計算的誤差較大。
發明內容
本發明的目的在於提供一種用於旋轉機械啟停車過程非平穩振動信號波德圖(Bode plot)、奈奎斯特圖(Nyquist plot)的快速計算方法。該方法基於由電潤流傳感器測量到的旋轉機械啟停車過程轉子振動信號和鍵相信號，快速計算得到啟停車過程的波德圖和奈奎斯特圖。整個計算過程基於對以上啟停車過程中振動信號的Hilbert (希爾伯特)變換處理，並結合振動信號的保相濾波處理、鍵相信號中周期信息的提取，實現了對旋轉機械啟停車振動信號波德圖和奈奎斯特圖的快速計算。旋轉機械啟停車過程波德圖/奈奎斯特圖的快速計算方法，包括以下步驟I)採集旋轉機械啟停車過程的鍵相信號和振動信號；2)對步驟I)採集的振動信號進行帶通濾波，獲得旋轉機械啟停車過程轉頻振動信號;3)用鍵相信號相鄰的峰值去截取啟停車過程轉頻振動信號，得到振動信號的每一個周期點值；4)對啟停車過程轉頻振動信號作希爾伯特變換，繪製變換後的信號幅值包絡波形曲線；5)根據啟停車過程轉頻振動信號的周期點值，得到信號每個周期內的最大值和最小值，然後對最大值和最小值分別作插值、平均處理，即得到振動峰值曲線的波德圖；6)對啟停車過程轉頻振動信號作希爾伯特變換，繪製變換後的希爾伯特相位波形曲線，根據相位波形曲線尋找周期點處的相位值，作差值處理後，得到真實的傅立葉初相位變化曲線的波德圖。本發明進一步的改進在於根據步驟5)獲得的振動峰值曲線和步驟6)獲得的傅 立葉相位變化曲線，繪製出奈奎斯特圖。本發明進一步的改進在於步驟I)中通過電渦流位移傳感器採集旋轉機械啟停車過程的鍵相信號和振動信號。本發明進一步的改進在於所述電渦流位移傳感器採樣頻率為Fs=24000Hz。本發明進一步的改進在於測量鍵相信號的電渦流位移傳感器與水平面平行；測量振動信號的電渦流位移傳感器與水平面面呈45度夾角。本發明進一步的改進在於步驟2)中對步驟I)採集的啟停車振動信號進行保相濾波，在每段信號轉頻左邊3Hz處，右邊3Hz處各選取一點，對信號作帶通濾波，然後合併濾波後的每一段信號，得到啟停車過程轉頻振動信號。旋轉機械啟 停車過程波德圖/奈奎斯特圖的快速計算方法，包括以下步驟I)採集旋轉機械啟停車過程的鍵相信號和振動信號；2)用鍵相信號相鄰的峰值去截取啟停車過程原始振動信號，得到振動信號的每一個周期點值；3)對啟停車過程原始振動信號作希爾伯特變換，繪製變換後的信號幅值包絡波形曲線；4)根據啟停車過程原始振動信號的周期點值，得到信號每個周期內的最大值和最小值，然後對最大值和最小值分別作插值、平均處理，即得到振動峰值曲線的波德圖；5)對啟停車過程原始振動信號作希爾伯特變換，繪製變換後的希爾伯特相位波形曲線，根據相位波形曲線尋找周期點處的相位值，作差值處理後，得到真實的傅立葉初相位變化曲線的波德圖。本發明進一步的改進在於根據步驟5)獲得的振動峰值曲線和步驟6)獲得的傅立葉相位變化曲線，繪製出奈奎斯特圖。本發明提出的快速計算方法的主要特徵有(I)如果要計算通頻帶振動信號的波德圖和奈奎斯特圖可跳過第(2)步，直接進行第⑶步處理。(2)對旋轉機械啟停車振動信號進行保相濾波處理，得到單一的啟停車過程轉頻信號。(3)對⑴或⑵中的啟停車過程振動信號進行Hilbert變換，得到旋轉機械啟停車過程中振動信號各個時刻點處振動幅值的變化曲線和振動信號各個時刻點處的相位變化曲線。(4)對(3)中得到的啟停車過程振動幅值變化曲線特徵點進行提取、插值等處理，得到旋轉機械啟停車過程振動的幅值變化曲線。(5)提取啟停車過程中鍵相信號的特徵點，結合旋轉機械啟停車過程中振動信號各個時刻點處的相位變化曲線，獲取鍵相信號的特徵點處振動信號的相位信息並進行插值處理，得到啟停車過程中振動信號各個時刻點處的真實相位變化曲線。(6)根據(4)中計算的幅值變化曲線以及(5)中計算的真實相位變化曲線，繪製啟停車振動信號波德圖和奈奎斯特圖。本發明中的快速計算方法，具體來講有以下幾個步驟I)根據實驗平臺自身對振動信號的分析要求，本發明中所使用的數據是由電渦流傳感器採集得到，並且要確定合適的鍵相傳感器的安裝角度、振動傳感器的安裝角度(見
圖1-1和圖1-2)，採集轉子在啟停車過程中振動數據和轉子的鍵相數據，該算法只針對其中任一個振動數據(見圖2);鍵相數據見圖3。2)根據鍵相信號的特點，獲取鍵相信號峰值對應點的數據，見圖4。3)對旋轉機械啟停車振動信號進行保相濾波處理，得到單一的啟停車過程轉頻信號x(t)，見圖5。4)對保相濾波後的轉頻振動信號作Hilbert變換後，得到信號y (t)，構造解析函數Z(t)，滿足:
權利要求
1.旋轉機械啟停車過程波德圖/奈奎斯特圖的快速計算方法，其特徵在於，包括以下步驟 1)採集旋轉機械啟停車過程的鍵相信號和振動信號； 2)對步驟I)採集的振動信號進行帶通濾波，獲得旋轉機械啟停車過程轉頻振動信號； 3)用鍵相信號相鄰的峰值去截取啟停車過程轉頻振動信號，得到振動信號的每一個周期點值； 4)對啟停車過程轉頻振動信號作希爾伯特變換，繪製變換後的信號幅值包絡波形曲線. 5)根據啟停車過程轉頻振動信號的周期點值，得到信號每個周期內的最大值和最小值，然後對最大值和最小值分別作插值、平均處理，即得到振動峰值曲線的波德圖； 6)對啟停車過程轉頻振動信號作希爾伯特變換，繪製變換後的希爾伯特相位波形曲線，根據相位波形曲線尋找周期點處的相位值，作差值處理後，得到真實的傅立葉初相位變化曲線的波德圖。
2.根據權利要求I所述的旋轉機械啟停車過程波德圖/奈奎斯特圖的快速計算方法，其特徵在於，根據步驟5)獲得的振動峰值曲線和步驟6)獲得的傅立葉相位變化曲線，繪製出奈奎斯特圖。
3.根據權利要求I所述的旋轉機械啟停車過程波德圖/奈奎斯特圖的快速計算方法，其特徵在於，步驟I)中通過電渦流位移傳感器採集旋轉機械啟停車過程的鍵相信號和振動信號。
4.根據權利要求3所述的旋轉機械啟停車過程波德圖/奈奎斯特圖的快速計算方法，其特徵在於，所述電渦流位移傳感器採樣頻率為Fs=24000Hz。
5.根據權利要求3所述的旋轉機械啟停車過程波德圖/奈奎斯特圖的快速計算方法，其特徵在於，測量鍵相信號的電渦流位移傳感器與水平面平行；測量振動信號的電渦流位移傳感器與水平面面呈45度夾角。
6.根據權利要求I所述的旋轉機械啟停車過程波德圖/奈奎斯特圖的快速計算方法，其特徵在於，步驟2)中對步驟I)採集的啟停車振動信號進行保相濾波，在每段信號轉頻左邊3Hz處，右邊3Hz處各選取一點，對信號作帶通濾波，然後合併濾波後的每一段信號，得到啟停車過程轉頻振動信號。
7.旋轉機械啟停車過程波德圖/奈奎斯特圖的快速計算方法，其特徵在於，包括以下步驟 1)採集旋轉機械啟停車過程的鍵相信號和振動信號； 2)用鍵相信號相鄰的峰值去截取啟停車過程原始振動信號，得到振動信號的每一個周期點值； 3)對啟停車過程原始振動信號作希爾伯特變換，繪製變換後的信號幅值包絡波形曲線. 4)根據啟停車過程原始振動信號的周期點值，得到信號每個周期內的最大值和最小值，然後對最大值和最小值分別作插值、平均處理，即得到振動峰值曲線的波德圖；5)對啟停車過程原始振動信號作希爾伯特變換，繪製變換後的希爾伯特相位波形曲線，根據相位波形曲線尋找周期點處的相位值，作差值處理後，得到真實的傅立葉初相位變化曲線的波德圖。
8.根據權利要求7所述的旋轉機械啟停車過程波德圖/奈奎斯特圖的快速計算方法，其特徵在於，根據步驟5)獲得的振動峰值曲線和步驟6)獲得的傅立葉相位變化曲線，繪製出奈奎斯特圖。
全文摘要
本發明公開了一種旋轉機械啟停車過程波德圖/奈奎斯特圖的快速計算方法，該方法基於由電渦流傳感器測量到的旋轉機械啟停車過程轉子振動信號和鍵相信號，快速計算得到啟停車過程的波德圖和奈奎斯特圖；整個計算過程基於對以上啟停車過程中振動信號的Hilbert變換處理，並結合振動信號的保相濾波處理、鍵相信號中周期信息的提取，實現了對旋轉機械啟停車振動信號波德圖和奈奎斯特圖的快速計算。實驗數據分析結果表明該方法計算的波德圖和奈奎斯特圖曲線比較光滑，而且得到的振動峰值和振動相位更加準確，相位計算精度不受轉速高低的影響，是一種比較好的旋轉機械啟停車非穩態信號波德圖和奈奎斯特圖計算方法。
文檔編號G01H11/06GK102721462SQ20121019656
公開日2012年10月10日 申請日期2012年6月14日 優先權日2012年6月14日
發明者吳婷婷, 張西寧, 徐進傑, 李兵, 郭金良 申請人:西安交通大學