基于虛擬儀器與匹配追蹤算法的軸承故障診斷系統(tǒng)

1、年第期儀表技術與傳感器基于虛擬儀器與匹配追蹤算法的軸承故障診斷系統(tǒng)陶少飛，陳進，唐海峰，董廣明（上海交通大學機械系統(tǒng)與振動國家重點實驗室，上海）摘要：基于匹配追蹤算法的去噪方法既可以實現(xiàn)有效去噪，又不會損傷有效波，而且不需要先驗獲知信號的統(tǒng)計特性，在故障診斷領域發(fā)揮著重大作用。文中開發(fā)了一套軸承故障診斷系統(tǒng)。該系統(tǒng)是在矗平臺上開發(fā)的，包括數(shù)據(jù)采集模塊、歷史數(shù)據(jù)查詢模塊、原始信號分析模塊、匹配追蹤算法實現(xiàn)模塊、生成報表模塊。系統(tǒng)先用硪創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫，再用庫函數(shù)編程進行數(shù)據(jù)采集，然后用協(xié)關鍵詞：虛擬儀器；抽；數(shù)據(jù)采集；匹配追蹤；故障診斷；滾動軸承中圖分類號：文獻標識碼：肌工具包編程存儲和查詢數(shù)據(jù)，最后

2、用節(jié)點編程，實現(xiàn)匹配追蹤算法的應用。利用該系統(tǒng)對軸承進行故障診斷，診斷結果更加可靠、有效。文章編號：一（），（雌即廿，柚佃璐姆，粕曲，）瑙“（）粕，粕誦兀蛐劬：鋤印，明如船鼬怕肌，卸麗畫印，粕鵝訕船，阻咖船而，鋤船山鵲印撕耐：；砒“；?。灰栽跈C械故障診斷過程中，由于環(huán)境噪聲和設備各部分的相互影響，檢測的信號含有大量的噪聲，如何去噪、提取故障特征信息，是故障診斷首先要解決的問題。常見的去噪方法有最優(yōu)估計法和基于小波變換的門限法以及譜相減方法等，這些方法在一定范圍內(nèi)都實現(xiàn)了信號去噪，并且得到了實際應用，但它們都依賴于信號或噪聲的統(tǒng)計特性。實際應用中往往無法先驗獲知信號或噪聲的統(tǒng)計特性，因此這些方

3、法的應用受到限制。為此，冊和璐等人在年提出了稀疏分解的概念¨，基于稀疏分解的信號去噪新方法就誕生了。植性能好的優(yōu)點，開發(fā)了基于虛擬儀器與匹配追蹤算法的軸承故障診斷系統(tǒng)，提高了軸承故障診斷的可靠性。匹配追蹤算法和觚提出了信號在過完備原子庫上分解的思想瞳】。匹配追蹤算法的實質(zhì)就是在過完備庫中將信號分解成一系列的時頻原子的線性組合。在此，先用文獻中過完備原子庫的形成方法創(chuàng)建一個原子函數(shù)庫。過完備原子庫乳，由原子組成，為所有基庫原子的參數(shù)分布空間。個原子由一個經(jīng)過調(diào)制的高斯窗函數(shù)構成：砒和明礦等在年首先提出匹配追蹤算法的思想，開辟了信號稀疏分解的新方向?；谄ヅ渥粉櫵惴ǖ男盘栂∈璺纸馐且环N白

4、適應的信號分解與表示方法，這種去噪方法以“減去”的方法去噪，不會損傷有效波，不需要先驗地獲取信號和噪聲的統(tǒng)計特性，并且能夠應用于各種不同模型的信號，所以得到了廣泛的應用。基于其理論應用價值，結合虛擬儀器技術軟硬件一體、便于實現(xiàn)人機交互、圖形顯示功能強大和移基金資助：國家自然科學基金重點項目（）；國家自然科學基金面上項目（）收稿日期：一收修改稿日期：一鞏（）知（半）（優(yōu)塒）（）式中：（）一彬，為高斯窗函數(shù)；（，口，塒）為時頻參數(shù)，在過完備原子庫中，個原子由個時頻參數(shù)（，“，口，”）決定，其中為原子尺度因子，為原子平移因子，”為原子頻率，塒為原子相位。時頻參數(shù)可以按以下方法離散化：（一，一，口，塒

5、）（）式中：口；口盯；，盯；，；??；掣“；、為分解信號的長度?；鶐熘兴谄谔丈亠w等：基于虛擬儀器與匹配追蹤算法的軸承故障診斷系統(tǒng)有原子并不要求正交，但它們的范數(shù)均為。在毋基庫中，原子的個數(shù)遠大于信號維數(shù)，且包含個線性無關的向量，這個向量構成信號空問的一組基。匹配追蹤算法首先將，投影到一個向量。上，并計算出余項，（廠，踟）踟，由于與。正交，故（）川，）些情況下，找到最優(yōu)向量加：（）田系統(tǒng)功能實現(xiàn)過程田為了極小化，。取岫，使得（，。為極大。在某過這些通道采集到一個組合信號，再將這個組合信號拆分，分（）別保存到數(shù)據(jù)庫。具體如下：（）用中數(shù)據(jù)采集函數(shù)塊下的函數(shù)創(chuàng)建數(shù)據(jù)采集配置。在此中，采集參數(shù)和通道都

6、由加速計虛瓴?。岸＃悖┦街校?，為最佳因子。匹配追蹤算法通過對余項進一步分解而迭代地進行這一過程。擬通道連接，經(jīng)時鐘配置后，采集任務傳給眥咄聃開始采集。（）采集任務由數(shù)據(jù)采集配置輸出，傳到（），讀取數(shù)據(jù)。讀到的數(shù)據(jù)一方面?zhèn)魉偷斤@示控件，實時顯示采集信號的時域和頻域圖；一方面保存到數(shù)據(jù)庫。（）數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫。（）創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫，庫中建立個表，用于分別保存模塊個通道采集的數(shù)據(jù)，表名分別取為（）。記以，對于設第個余項丫已經(jīng)計算得到，那么下一步迭代是選取。，使得：（“，柙）將投影到。上得：“（誓島）了（廠，椰）忡月”由月¨和側的正交性可得：（，）一。釧利用式（）對從。到肘一進行求和，得：將采

7、集到的組合信號通過拆分信號函數(shù)（位于甲（）信號操作函數(shù)塊中）拆分成個信號分支，拆分出來的信號通過變體至數(shù)據(jù)轉換函數(shù)轉換成時間波形，再用獲取波形成分函數(shù)，鼉（月？，），竹類似地，將式（）進行求和得：一川量（廠）兄信號可以近似表示為（）獲得觸發(fā)時間，用格式化日期時間字符串函數(shù)將觸發(fā)時間轉變成字符串形式，將這個時間字符和原來的波形捆綁成簇，然后將簇送到數(shù)據(jù)庫中保存。其中，時間字符串用于查詢數(shù)據(jù)庫。寫數(shù)據(jù)庫過程是先獲取數(shù)據(jù)庫路徑，打開數(shù)據(jù)庫，然后寫文獻指出，當趨于無窮時，丫將按指數(shù)收斂于。產(chǎn)暑（，?！保到y(tǒng)組成與實現(xiàn)軟硬件平臺與總體設計軟件主要包括：丑專業(yè)開發(fā)版、（）入數(shù)據(jù)，最后關閉數(shù)據(jù)庫，具體程序

8、見圖?？偝绦蛑写?lián)著個如圖的條件結構函數(shù)框。函數(shù)框前面連接獲取路徑和打開數(shù)據(jù)庫，后面是關閉數(shù)據(jù)庫。個條件結構函數(shù)框頂部分別連接拆分信號的個分支的簇數(shù)據(jù)。工具包和驅動程序、數(shù)據(jù)庫等。硬件主要包括：壓電式加速度傳感器、數(shù)據(jù)采集器和機。數(shù)據(jù)采集器包括數(shù)據(jù)線、一控制器、模塊。系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集模塊、歷史數(shù)據(jù)查詢模塊、原始信號分析模塊、匹配追蹤算法實現(xiàn)模塊、生成報表模塊。系統(tǒng)的功能實現(xiàn)過程見圖。生成報表模塊將參數(shù)、信號處理結果和診斷結果生成一文件并保存?；?shù)據(jù)采集模塊該模塊主要包括通道選擇、數(shù)據(jù)采集參數(shù)配置、數(shù)據(jù)庫連接狀態(tài)顯示、采集開關、采集信號圖像和頻譜實時顯示等部分。模塊共有個通道，用戶可以任意選擇一

9、個或多個通道組合，并且可以任意選擇保存數(shù)據(jù)的時間。在程序上要實現(xiàn)通匡亙囤數(shù)據(jù)入庫的部分程序由于通道的任意選取和組合。拆分信號的分支就不能和通道號一一對應，數(shù)據(jù)就不能正確地保存到數(shù)據(jù)庫中相應的表中。為此，采用一順序結構將通道開關的狀態(tài)轉換成一個數(shù)組，數(shù)組依次記錄開啟的通道呼，再用一個循環(huán)結構將數(shù)組的元素賦值給分支通道號顯示控件與數(shù)據(jù)庫表名字符串顯示控件，使之對應起來，具體程序見罔。簡單的信口處理則是直接對信號進行幅值潛、包絡譜和時頻分析。如果分析結果無法判斷出軸承的故障情況，那么就要對信號進行匹配追蹤去噪處理。匹配追蹤算法實現(xiàn)模塊該模塊包括獲得去噪信號、去噪后信號處理以及對去噪信蓬照一酬剜一圖實

10、現(xiàn)通道與拆分信號分支對應的程序號時頻分析部分。獲得去噪信號部分生成字典和匹配追蹤去噪處理兩步，其好處就是在分析數(shù)據(jù)長度不變時無需重復生成字典。在設置好過濾參數(shù)和匹配次數(shù)之后進行去噪處理，即可得到處理后的去噪信號時域圖、幅值譜和包絡譜。在時頻分析部分，分別對去噪信號做短時傅里葉（丌）譜和譜分析。根據(jù)幅值譜和包絡譜的幅值與頻率、時頻圖上的能量集中分布的時間間隔以及軸承的個特征通過頻率就可以確定軸承的故障情況。為丁減少對計算機內(nèi)存的要求和減少運算量，史中采用文獻【中第類算法和改進算法中的算法來編程最后根分支的通道號是幽的條件結構框的選擇條什其值與數(shù)據(jù)庫表名字符串一致，這樣就叫保證數(shù)據(jù)的正確入庫。數(shù)據(jù)

11、采集模塊的界面如圖所示。據(jù)訂快速運算特點。取丌長度為信號長度的倍從而提高運算速度。實現(xiàn)信號的去噪處理的具體過程如下：（）生成字典。利用血中的節(jié)點編程，生成字典，得到和參數(shù)。用于存放字典的原子，而用于存放尺度因子、原子頻率”和原子相位。（）去噪處理。原始信號、匹配次數(shù)、牛成寧典得到的和參數(shù)為打節(jié)點框輸入量，根匿譬圈芏圈圖據(jù)匹配追蹤算法定義在（：節(jié)點框巾編程，輸出量為去噪信號和殘余信號。將信號分別連接幅值譜和包絡系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊界面譜，就可以得到去噪信號的幅值譜和包絡譜幽。（）時頻分析。，將信號。與中信號處理包下的時頻分析函數(shù)塊下的丌和川歷史數(shù)據(jù)查詢模塊潑模塊主要包括查詢時問設置和查詢通道選擇以及

12、數(shù)據(jù)顯示部分。先獲取數(shù)據(jù)庫路徑，打開數(shù)據(jù)庫，然后讀取數(shù)據(jù)，最后關閉數(shù)據(jù)庫。系統(tǒng)通過通道歷史數(shù)據(jù)波形顯示來讀取設定時段的數(shù)據(jù)。從數(shù)據(jù)庫出來的數(shù)據(jù)是孌體，必須通過“曲相連接，得到信號去噪后的短時傅里葉譜圖和涪圖。軸承故障診斷應用滾動軸承的故障通常有內(nèi)圈外圈、滾動體、保持架故障等。，下而應用該系統(tǒng)對軸承進行故障診斷，軸承的具體參數(shù)見表。由文獻公式可算得軸承的個特征通過頻率，具體見表。表軸承參數(shù)函數(shù)轉換成波形數(shù)據(jù)格式，才能顯示山信號的幽像。原始信號分析模塊該模塊主要包括獲取信號和簡單信號處理個部分。分析信號可以通過兩條渠道來獲得：一是通過歷史數(shù)據(jù)查詢，從數(shù)據(jù)庫讀取信號；二是直接從波形文什讀取信號。對于

13、只有數(shù)據(jù)點的文件，要在系統(tǒng)中分析文件里的信號可以利用丑編程函數(shù)塊下的創(chuàng)建波形函數(shù)將轉換成波形。獲取分析信號之前要設置采樣頻率和信號的數(shù)據(jù)點數(shù)，數(shù)據(jù)點數(shù)決定著信號的長度。由于汁算機的內(nèi)存仃限，用于匹配追蹤去噪的信號的數(shù)據(jù)點數(shù)也是有限的，數(shù)據(jù)點數(shù)越多，匹配追蹤運算消耗內(nèi)存越大、時問也越多。如果設定的點數(shù)還沒達到軸承故障的一一個周期，那么就無法進行正常的故障診斷，為此要進行信號重采樣，即每間隔一定的點數(shù)采集一個點作為新信號的點，最后根據(jù)分析新信號的結果來確定軸承的狀態(tài)。重采樣后的采樣頻率應為原來采樣頻率除以重采樣間隔的點數(shù)。片加速度傳感器采集軸承振動數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)由模塊的通道導人系統(tǒng)，采樣頻率設為器靈敏

14、度為，傳感采集到的數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫中的表上。用歷史數(shù)據(jù)查詢模塊查詢得到較好的數(shù)據(jù)段，再利用原始信號分析模塊獲得時為的分析數(shù)據(jù)，如圖第期聽幣陶少飛等：基于虛擬儀器與匹配追蹤算法的軸承故障診斷系統(tǒng)一一；鼉二？¨，￥一善羞富“主；拿壁：；臣豳一一。啦，（）（）去噪信號的譜圖圖去噪前后信號的時頻圖“一瑟罄薔盤在圖中，包絡譜幅值最大處對應的橫坐標為故障頻率圖原始信號時域圖圖列出了去噪前后信號的時頻圖，比較可知去對軸承信號進行去噪處理，并進行信號處理，得到去噪信號的幅值譜、包絡譜和時頻圖，見圖、圖。噪處理的效果是很明顯的。由去噪信號和時頻圖可知能量集中點的時間間隔約為，則故障頻率為由表可知其與保

15、持架的特征通過頻率基本相同，所以判定其為保持架故障。拆開軸承檢查，其保持架已發(fā)生故障，診斷結果與實際相符合。結束語基于虛擬儀器與匹配追蹤算法的軸承故障診斷系統(tǒng)充分利用虛擬儀器技術在數(shù)據(jù)采集方面的優(yōu)勢，做到了數(shù)據(jù)采集、存儲、讀取和處理等一體化，實現(xiàn)了匹配追蹤去噪理論的工圖去噪信號包絡譜圖。業(yè)應用。實際應用結果表明，該系統(tǒng)具有以下優(yōu)點：（）有效性。匹配追蹤擊噪與信號的頻譜分析、時頻分析相結合，可以更有效、更町靠地對軸承故障進行診斷。己愛（）廣泛性。系統(tǒng)不儀可以用于一般軸承故障的診斷，也可用于軸承早期故障或不明顯故障的診斷，還可用于軸承在大噪聲工況下工作時的故障診斷。（）實用性。系統(tǒng)應用界面做到了簡

16、單直觀、操作簡便、易學易片，便于各層人員掌握并能熟練操作。參考文獻：），?！叭?，：如珊撕【叩啪“”“一，（）：啪砌，¨“（甜培，（）：盯蚓“：。尹忠科，郡君，利用實現(xiàn)基的信號稀疏分散電子與信息學報，（）：陳進機械設備振動監(jiān)測與故障診斷上海：上海交通大學出版社作者簡介：陶少（）碩士研究生，研究方向為設備狀態(tài)監(jiān)測與霧霧黌霧蘸露囂鬻）原始信號的譜圖故障診斷，仙： 基于虛擬儀器與匹配追蹤算法的軸承故障診斷系統(tǒng)作者：作者單位：刊名：英文刊名：年，卷(期：陶少飛， 陳進， 唐海峰， 董廣明， TAO Shao-fei， CHEN Jin， TANG Hai-feng， DONG Guang-ming上海交通大學機械系統(tǒng)與振動國家重點實驗室,上海,200240儀表技術與傳感器Instrument Technique and Sensor2011(11參考文獻(6條1. COIFMAN R;WICKERHAUSER M Entorpy-based algorithms for best basis selection外文期刊 19922. MALLAT S;ZHANG Z Matching Pursuits With Time-Frequency Dictionaries.IEEE Transaction 19