改进Hilbert-Huang变换的滚动轴承故障诊断

以自适应噪声完备集合经验模态分解(CEEMDAN)为基础,提出了一种改进的Hilbert-Huang变换(HHT)时频分析法。对滚动轴承振动信号进行CEEMDAN获得一组本征模态函数(IMF)。通过自动提取敏感IMF算法,筛选特征敏感IMF分量,计算特征敏感IMF分量的Hilbert包络谱和HHT二维时频谱,提取故障特征频率信息。研究结果表明:CEEMDAN算法有效降低了模态混叠,比经验模态分解(EMD)算法和集合经验模态分解(EEMD)算法具有优越性。将改进的HHT与自动提取敏感IMF算法相结合,可以有效分解信号的特征信息,筛选出含有故障特征信息的敏感IMF,剔除背景噪声和无故障IMF的干扰,有效提取轴承振动的故障特征频率,诊断出轴承故障的发生部位。     

基于小波包分析与互补集合经验模态分解的轴承故障诊断应用

针对滚动轴承早期故障信号特征微弱且难以提取的问题,提出结合小波包分析与互补集合经验模态分解的故障诊断方法;凭借小波包在分解时能处理噪声的功能,通过预处理振动信号初步消除噪声,然后利用互补集合经验模态分解得到各本征模态函数分量,并结合快速谱峭度的频带范围和相关系数计算,从而筛选出真实分量用以重构获得有效的故障特征信号。结果表明,该方法能较好地识别并提取目标轴承的故障特征信息,具有一定的可行性和有效性。     

本征时间尺度排序熵及其在滚动轴承故障诊断中的应用

针对滚动轴承故障振动信号的非平稳、非线性特性,将经验模态分解方法和排序熵有机结合,提出一种新的基于自适应尺度的复杂度参数——本征时间尺度排序熵,用于描述不同本征模态分量的复杂程度,从而实现故障特征的量化描述。首先,将原始振动信号经过EMD分解得到若干本征模态分量,然后分别对各本征模态分量计算排序熵,即可得到不同本征时间尺度排序熵,最后利用该参数实现不同故障状态的有效区分与识别。实例分析结果表明了该方法的有效性和实用性,从而为机械设备状态监测与故障诊断提供了一种有效途径。     

CEEMDAN自适应阈值去噪算法在地震方向的应用

提出一种基于自适应完备集合经验模态分解(CEEMDAN,complete ensemble empirical mode decomposition with adaptive noise)的自适应阈值去噪算法。含噪信号经CEEMDAN算法分解成若干个模态分量(IMF,intrinsic mode functions),根据样本熵理论,对IMF分量中高频分量自适应选取,根据噪声和有用信息与原始信号的相关性不同,对高频分量中的噪声系数定位,利用能量熵选取噪声主区间,用高频分量中噪声主区间的噪声系数方差作为阈值,对高频分量进行阈值去噪,进一步去除噪声,保留高频中的有用信息,最后将信噪分离的高频分量和低频分量重构。分别对合成和实际地震信号去噪处理,并与常规去噪算法进行对比。数据仿真和实验结果表明,在原始信号信噪比为0.5dB时,常规与改进算法去噪后信噪比分别为4.55dB和9.97dB,大幅提高信噪比,达到随机噪声压制的目的,实现了高频分量的自适应选取和高频分量中有用信息的再提取。     

基于多域流形的行星齿轮箱局部故障识别

行星齿轮箱振动信号包含多种频率成分和噪声干扰,频谱具有复杂的边带结构,容易对故障识别造成误导甚至引起错判.在不同故障状态下,行星齿轮箱振动信号的多域特征量将偏离正常范围且偏离程度不同,根据这一特点,提取振动信号的时域、频域特征参量用于故障识别.为了避免传统分析方法中负频率及虚假模态问题,增强对噪声干扰的鲁棒性,采用局部均值分解法将信号自适应地分解为单分量之和,提取时频域单分量瞬时幅值能量.针对多域特征空间构造过程中出现的高维及非线性问题,采用流形学习对数据进行降维处理.提出基于改进的虚假近邻点的本征维数估计及最优k邻域确定方法,并通过等距映射对多域特征空间进行降维分析.对于行星齿轮箱实验信号,根据样本流形特征聚类结果,分别识别出了太阳轮、行星轮和齿圈的局部故障,从而验证了上述方法的有效性.     

串联型故障电弧的实验研究

为准确识别不稳定串联故障电弧、合闸操作电弧、负载正常工作电流信号,开展了串联型故障电弧模拟实验.首先对三种电流信号进行小波包分解及重构,求取重构信号的信息熵;然后对信息熵进行K均值聚类分析,从而区分出正常工作电流信号及电弧电流信号;最后求每种负载在发生串联型故障电弧及合闸操作电弧时相邻两周期电流信号导数最大值比值,并设定相邻两周期导数最大值比值阈值,实现对不稳定串联型故障电弧及合闸操作电弧的识别,防止断路器对故障电弧的误判,进而提高供电系统的可靠性.     

自适应广义形态滤波和GG聚类在轴承故障识别中的应用研究

针对复杂工况下滚动轴承受机械噪声等因素影响轴承故障类型区分难的问题,提出了一种基于自适应广义形态滤波和GG聚类的轴承故障诊断方法。采用自适应广义形态滤波对轴承振动信号进行降噪处理,对降噪后的信号进行变模式分解,去除虚假分量和噪声分量,最后对去噪后故障特征较多的信号分量求解近似熵,作为特征向量输入GG聚类分类器中,达到故障分类。仿真实验结果证明该方法能有效提取信号特征信息,准确识别故障类型。     

改进的变分模态分解在锚杆和锚固质量检测中的应用

针对锚杆电磁超声信号夹杂的噪声极大地影响有用信息提取的问题,提出基于布谷鸟搜索算法的变分模态分解与独立分量分析相结合的降噪方法;该方法利用布谷鸟搜索算法优化变分模态分解的输入参数,实现信号的最优分解,利用变分模态分解将信号自适应分解为一些模态分量,依据排列熵值对分解的模态进行重构,利用快速独立分量分析算法对重构信号与原信号组成的2路通道进行解混,实现回波信号与噪声信号的分离,并对锚杆和锚固信号数据进行分析。结果表明,与常用的降噪方法相比,该方法有更好的抗噪性和降噪效果。     

基于EEMD多尺度样本熵的S700K转辙机故障诊断

针对S700K转辙机在运行过程中的故障诊断问题,提出一种基于集合经验模态分解(EEMD)的多尺度样本熵的信号分析及故障诊断方法。首先对S700K转辙机功率曲线进行EEMD分解,得到不同时间尺度的固有模态函数(IMF)分量,并提取每一个IMF分量的样本熵,由于样本熵能够有效区分不同信号的复杂度,故可获得转辙机不同状态下的特征参数。最后,利用这些不同运行状态下的特征参数构建特征模式矩阵,采用模糊聚类分析算法求解该矩阵的模糊等价矩阵。在模糊等价矩阵中,当λ(可变阈值)在[0, 1]范围内变动时,模糊等价矩阵转化为等价的布尔矩阵,由布尔矩阵可以得到动态聚类图并得到分类结果,从而实现故障诊断。研究结果表明:本文算法能准确提取故障特征且支持多种故障同时检测,有效提高了S700K转辙机故障诊断的精度与效率。     

基于LMD近似熵和SVM的自适应重合闸方法

自适应重合闸的功能是快速、准确地辨识故障性质及捕捉电弧熄灭时刻.在分析瞬时性故障和永久性故障断路器跳闸后的端电压波形复杂性的基础上,提出了局部均值分解(LMD)、近似熵和线性支持向量机(SVM)相结合的自适应重合闸整体实现方案.利用LMD分解故障信号得到若干个PF分量,选取前3个PF分量算出其近似熵值构成三维特征向量,将三维特征向量作为SVM的输入量来区分故障性质和捕捉电弧熄灭时刻.线路故障仿真结果表明,该方案可智能识别故障性质和捕捉电弧熄灭时刻且具有一定的抗噪能力.     

参数自适应VMD在高速列车轴箱轴承故障诊断中的应用

针对高速列车轴箱轴承故障特征提取困难和变分模态分解(VMD)参数的人为设置影响分解效果的问题,提出参数自适应VMD轴箱轴承故障诊断方法。首先,以平均包络谱熵为适应度函数,利用麻雀搜索算法自适应地寻找不同工况下的最优模态数K和惩罚因子α;其次,对原始轴承时域信号进行VMD分解,利用快速谱峭度图分析最小包络熵的IMF分量,并根据分析结果对该IMF分量进行带通滤波以增强故障特征;最后,对滤波后信号进行希尔伯特包络解调分析,并将分析结果与理论计算所得特征频率进行对比,对轴箱轴承故障进行分类辨识。研究结果表明：与经验模态分解(EMD)、局域均值分解(LMD)、集合经验模态分解(EEMD)等自适应信号分解方法相比,本文所提方法能更有效地降低噪声的影响,提取复杂耦合工况下轴箱轴承振动信号中的故障特征。     

基于频率诱导变分模态分解的齿轮箱故障诊断

针对风电传动系统齿轮箱的故障诊断问题，在脉冲激励响应的基础上提出了一种频率诱导变分模态分解(FIVMD)方法，并将其应用于齿轮箱故障特征提取.首先，根据振动信号傅里叶谱的极大值分布估计齿轮箱系统的自振频率；然后，将固有频率的估计值作为各模态分量中心频率的初始化位置，并通过交替乘子法将原始信号自适应分解为本征模态函数；其次，通过希尔伯特变换对各本征模态函数求包络谱，并计算其故障特征频率比；最后，挑选出故障特征频率比最大的模态分量，并根据其包络谱特征实现齿轮箱故障的有效识别.以维斯塔斯某3 MW风电机组圆柱齿轮断齿故障为例，验证了FIVMD在工程应用中的有效性和优越性.     

基于EMD和模糊聚类的柴油机故障诊断

根据柴油机故障振动信号的特点,提出了一种经验模式分解和模糊c均值聚类相结合的柴油机振动信号故障诊断新方法.首先,采用经验模式分解方法对柴油机排气门间隙为0.4,0.6及0.75mm的3种工况下的振动信号时间序列进行分解,对分解求得的前6个固有模态函数分别求其能量比并将其作为反映故障状态的特征参数,再利用模糊c均值聚类方法对特征参数进行聚类分析.实验结果表明:所有样本的测试结果均与实际状况相一致,该方法可以有效地对气门间隙故障进行诊断.     

一种基于改进辛几何模态分解的复合故障诊断方法

针对辛几何模态分解方法分析结果的不确定性,提出一种改进的辛几何模态分解方法.首先对原时间序列进行相空间变换,获得轨迹矩阵;然后通过辛几何相似变换求得特征值和对应的特征向量,并通过对角平均得到一系列的初始辛几何分量;最后采用层次聚类方法对初始辛几何分量进行自适应重组,进而得到最终的聚类辛几何分量.实验结果表明:改进的辛几何模态分解方法可以有效地对旋转机械复合故障信号进行特征提取,提高故障诊断的准确性.     

基于经验模态分解的CEEMDAN-FE-LSTM传染病预测

针对现有的传染病预测模型未充分考虑到时间序列的复杂度,提出了一种基于自适应噪声完备集合经验模态分解（CEEMDAN）和模糊熵（FE）改进长短时记忆网络（LSTM）的传染病组合预测模型.首先,运用CEEMDAN算法将序列分解成若干个不同频率的模态分量与残差分量,以降低原始时间序列的复杂度;然后,运用FE算法计算各分量的时间复杂度,并将其重构为不同尺度的序列以提高运算效率;最后,建立LSTM模型对重构序列分别进行预测,得到最终预测结果.根据2010年1月至2021年12月肺结核、乙肝、布鲁氏菌病和艾滋病发病数据进行模型预测,并与SARIMA模型、CEEMDAN-FE-SARIMA模型和LSTM模型进行对比.结果表明,提出的模型较常规模型可以更好地把握传染病发病的变化规律,降低时间序列的复杂度,提高传染病预测精度.     

CEEMDAN-SE-WT降噪方法在航空发动机燃油流量信号中的应用

燃油流量信号是反映发动机状态和计算飞机排放物排放量的重要信号,但飞机飞行过程中传感器采集信号时不可避免地会受到外界环境以及内部因素干扰。提出一种结合样本熵(sample entropy,SE)的完全自适应噪声集合经验模态分解(complete ensemble empirical mode decomposition with Adaptive Noise,CEEMDAN)与小波变换(wavelet transform,WT)的联合降噪方法。首先使用CEEMDAN对燃油流量信号进行分解得到本征模态分量,利用样本熵筛选含噪分量,并用相关系数与方差贡献率进行复核。对于含噪分量使用小波阈值降噪进行处理。最后将未处理的模态分量和完成降噪的模态分量重构得到最终燃油流量信号。通过与其他方法比较,CEEMDAN-SE-WT方法拥有最高信噪比为85.287,降噪后燃油消耗总量与飞机总重变化最为接近,可以认为该方法较大程度保留了燃油流量信号中的有效特征,为后续计算民机排放物排放总量提供了良好的数据支持。     

基于奇异值分解和均值聚类的单通道盲源分离算法研究

提出了一种基于奇异值分解(Singular Value Decomposition,SVD)的均值聚类单通道盲源分离算法.首先将单通道信号利用SVD分解,依据中值准则进行滤波去除噪声分量,然后在去除噪声分量对应的特征值基础上,根据剩余SVD特征值重构对应分量信号作为盲源分离观测信号.将重构分量信号进行短时傅立叶变换(Short Time Fourier Transform,STFT)进行稀疏化处理,利用散点图判别源信号数目,最后采用均值聚类方法估计混合矩阵,以估计混合矩阵求逆作为分离矩阵实现单通道信号的盲源分离.利用计算机仿真结果证明了算法的有效性.     

基于乌鸦搜索算法优化变分模态分解的滚动轴承故障诊断方法研究

针对滚动轴承故障信号的自适应提取和分解的问题，提出一种基于乌鸦搜索算法优化变分模态分解的滚动轴承故障诊断方法。将变分模态分解(variational mode decomposition, VMD)方法的关键参数K和α采用新型的乌鸦搜索算法(crow search algorithm, CSA)进行优化，得到最优参数组合；再将最优参数组合输入到变分模态分解算法中，对故障信号进行分解从而得到多个本征模态分量(intrinsic mode function, IMF);以样本熵值为适应度函数挑选最优分量，对最优分量进行包络解调，分析其包络谱判断出轴承的故障类型。结果表明，提出的方法在兼顾全局搜索和局部搜索的同时也能将复杂的轴承故障信号准确地进行分解，提取出最优分量进行分析从而判断出轴承故障类型。     

基于CEEMDAN-BO-BiGRU的矿井涌水量预测研究

为提高矿井涌水量预测的准确度，基于涌水量数据的不稳定性及随机性，提出一种自适应噪声完备集合经验模态分解(CEEMDAN)、贝叶斯优化(BO)与双向门控循环单元(BiGRU)相结合的矿井涌水量预测模型(CEEMDAN-BO-BiGRU)。该模型通过CEEMDAN将涌水量数据分解为多个较平稳的固有模态分量(IMF)和残差分量(Res)，过滤数据噪声，提取数据不同时间尺度波动特征，降低预测误差。利用贝叶斯优化对BiGRU模型多个超参数进行迭代寻优，进一步提高模型的预测精度。之后对各分量进行超前1至3步预测预测，最终将各分量预测结果加和得到涌水量多步预测结果。以小庄煤矿矿井涌水量数据进行试验，并将CEEMDAN-BO-BiGRU预测结果与CEEMDAN-BiGRU、BiGRU、BP、SVM进行对比实验，结果表明采用CEEMDAN-BO-BiGRU组合网络模型对矿井涌水量预测结果更准确，该方法对涌水量的短时预测提供了一种新思路。     

利用改进变分模态分解突变能量的直流配电网保护方法

为了有效识别环状直流配电网中的故障，提高直流配电网保护的可靠性、选择性、速动性和灵敏性，保证系统的稳定运行，提出一种利用改进变分模态分解(VMD)突变能量的线路纵联保护方法。因为VMD算法需要先设置模态数，且模态数与分解效果息息相关，所以首先利用麻雀搜索算法(SSA)找到VMD算法合适的模态数，使得在此参数下的分解效果最优。然后根据线路首末两端突变能量的差异，构造保护方案。将故障时采集的电压、电流故障分量进行SSA-VMD分解，得到若干模态分量并计算其突变能量。根据区内、区外的突变能量大小差异构造区内、外故障判据，由故障时正负极的突变能量比值差异构造故障极判据。在PSCAD/EMTDC中搭建环状直流配电网模型，利用MATLAB进行保护方法验证，结果表明：在不同故障类型下，所提方法均可在3 ms内快速可靠动作；可以识别区内外故障并实现故障选极，保护线路全长；可耐受过渡电阻20Ω,耐受过渡电阻能力强；在40 dB噪声情况下，依旧可以识别故障，有一定的抗干扰能力。