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Hilbert-Huang变换的改进及其在机械故障特征提取中的应用

作　者: 胡小林
导　师: 汤宝平
学　校: 重庆大学
专　业: 机械电子工程
关键词: Hilbert-Huang变换经验模式分解本征模态函数端点效应 B样条支持向量机
分类号: TN911.72
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 166次
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内容摘要

信号分析是机械故障特征提取的主要手段,由于大多数的机械故障信号是非线性、非平稳信号,因此研究先进的非线性、非平稳信号处理方法,对于准去无误地提取机械故障特征信息具有重要的意义。Hilbert-Huang变换(HHT)是一种新的非线性、非平稳信号分析方法,已经应用于机械故障诊断、振动工程和生物医学等领域,并取得了较好的结果,具有很高的理论价值和广阔的工程应用前景。目前HHT还存在着:包络曲线拟合、边界处理等理论问题。针对当前HHT存在的这些问题,本文提出了相应的算法改进措施,并通过仿真信号和现场故障实验验证了改进的HHT算法的有效性。具体研究工作如下:①分析了HHT中曲线拟合的常用方法——三次样条插值法的不足;对HHT中的端点效应产生的机理及其对非平稳信号分析带来的不良影响进行了分析;系统地分析了现有的端点效应处理方法的不足。②针对三次样条插值法的不足,采用基于B样条的插值方法。采用B样条直接拟合信号的均值曲线避免了由三次样条插值的包络均值替代真实均值对EMD分解造成的失真,同时也减少了计算量,提高了分解效率;采用三次滑动平均避免了三次样条插值拟合均值曲线中的幅值平均现象。仿真实例分析验证了基于B样条的EMD效果明显优于基于三次样条的EMD。③针对现有端点效应处理方法的不足,提出一种基于支持向量机的B样条经验模式分解抑制端点效应的新方法,通过对仿真信号和工程实测信号的分析比较,验证了本文所提出的端点效应处理算法的有效性。④采用面向对象的编程技术以及VC++语言,开发了基于HHT的非平稳信号分析系统,并利用实验数据对系统的各项功能模块进行了应用测试。测试效果表明本HHT信号分析系统具有一定的工程应用价值⑤将改进的HHT应用于振动信号分析,分析总结了滚动轴承故障、转子裂纹故障、油膜震荡故障和转子失衡故障的Hilbert谱特征,并应用于油膜震荡、转子裂纹等实际故障分析,证实了改进后的方法能够准确有效的提取出机械故障特征信息。

全文目录

中文摘要  3-4
英文摘要  4-8
1 绪论  8-14
  1.1 Hilbert-Huang 变换的研究背景  8-10
  1.2 Hilbert-Huang 变换的提出和现状  10-12
    1.2.1 Hilbert-Huang 变换的提出  10-11
    1.2.2 Hilbert-Huang 变换的研究意义及现状  11
    1.2.3 Hilbert-Huang 变换还需要解决的问题  11-12
  1.3 论文的研究工作和各章节安排  12-14
2 Hilbert-Huang 变换原理及问题  14-30
  2.1 引言  14
  2.2 瞬时频率与本征模态函数  14-19
    2.2.1 瞬时频率的概念  14-17
    2.2.2 本征模态函数的概念  17-19
  2.3 Hilbert-Huang 变换  19-28
    2.3.1 EMD 分解方法及性质  19-23
    2.3.2 Hilbert 谱和边际谱  23-24
    2.3.3 HHT 的数值仿真  24-28
  2.4 EMD 分解存在的问题  28-29
  2.5 本章小结  29-30
3 基于 B 样条插值的 EMD  30-40
  3.1 引言  30
  3.2 三次样条插值  30-32
    3.2.1 三次样条插值方法  30-31
    3.2.2 三次样条插值的过冲与欠冲  31-32
  3.3 B 样条插值  32-33
  3.4 基于B 样条插值的EMD（BS-EMD）  33-39
    3.4.1 基于B 样条插值的EMD 方法  34-35
    3.4.2 基于B 样条插值EMD 的仿真分析  35-39
  3.5 本章小结  39-40
4 EMD 中的边界处理  40-50
  4.1 引言  40
  4.2 边界问题处理方法分析  40-43
    4.2.1 极值点镜像延拓法  40
    4.2.2 预测延拓法  40-41
    4.2.3 波形匹配法  41-42
    4.2.4 现有边界处理方法的不足  42-43
  4.3 基于支持向量机的B 样条EMD  43-49
    4.3.1 支持向量机延拓原理  43-45
    4.3.2 基于支持向量机的B 样条EMD 方法  45-49
  4.4 本章小结  49-50
5 基于 HHT 的非平稳信号分析系统开发  50-62
  5.1 引言  50
  5.2 系统总体设计  50-51
  5.3 数据采集及预处理  51-52
  5.4 系统软件设计  52-60
    5.4.1 数据显示及参数设置模块设计  52-55
    5.4.2 数据分析模块设计  55-60
  5.5 本章小结  60-62
6 改进的 HHT 在机械故障特征提取中的应用  62-72
  6.1 引言  62
  6.2 改进的HHT 在滚动轴承故障特征提取中的分析应用  62-64
  6.3 改进的HHT 在转子横向裂纹故障信号分析中的应用  64-66
  6.4 改进的HHT 在油膜震荡故障信号分析中的应用  66-68
  6.5 改进的HHT 在转子失衡故障分析中的应用  68-71
  6.6 本章小结  71-72
7 结论与展望  72-74
  7.1 全文总结  72
  7.2 展望  72-74
致谢  74-76
参考文献  76-80
附录  80
  A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录  80
  B. 作者在攻读学位期间参加的科研目录  80

Hilbert-Huang变换的改进及其在机械故障特征提取中的应用

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