【硕士论文】基于混沌性质和多分辨分析的故障诊断理论及实验研究.pdf

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1、燕山大学博士学位论文基于混沌性质和多分辨分析的故障诊断理论及实验研究姓名：姜万录申请学位级别：博士专业：机械电子工程指导教师：王益群2001.6.1摘要摘要f故障检测与诊断技术是提高系统可靠性和可维修性的有效途径，但是由于被诊工业系统的复杂性和故障原因的多样性，致使目前的故障诊断理论还远满足不了实用化的要求，故障诊断理论亟待进一步完善。近年来混沌工程学成为工程领域广泛关注的课题，但混沌理论在故障诊断中的应用研究还只是刚刚起步。此外，近年来出现的小波理论，以其特有的优势成了故障诊断领域的另一个热门话题，但是由于其概念

2、体系的数学抽象性，限制了它的工程应用。本文在深入系统的理论研究基础上，提出了一种间歇混沌故障诊断方法；提出了～种基于正交小波包分析的混沌运动特征的识别方法；从信号分析的角度对小波分析的各种性质进行了工程解释，提炼出了小波分析在故障诊断中应用的几个不同方面。并通过对液压系统的重要元件液压泵和传感器故障诊断的实验研究验证了本文所提出理论分析的有效性。丰富了故障诊断的理论体系，具有重要的理论意义和实际应用价值斗本文主要进行了以下几个方面的工作：1．综述了混沌工程学研究的现状。阐述了混沌运动的定性特征和通向混沌的道路。系统

3、地研究了混沌运动特征的数值实验识别方法，包括相轨及状态变量时间历程的直接观察法、分频采样法、Poincare截面法、赝相空间法、自功率谱密度分析法、Lyapunov指数分析方法、分维数分析法、混沌吸引子的熵分析法。对混沌工程学研究具有一定的指导意义。2．利用横截同宿理论与Melnikov方法推导了Duffing方程系统产生混沌的条件。利用次谐Melnikov方法推导了Duffing方程系统周期外轨存在的条件，为选择周期1外轨作为检测轨道提供了理论依据。研究了Duffing振子的间歇混沌运动机理，就噪声对Duffin

4、g振子混沌及间歇混沌运动的影响进行了数值实验研究，首次提出了利用Duffing振子的间歇混沌现象进行强噪声背景微弱信号检测的方法。研究了间歇混沌微弱信号检测方法与随机共振现象的本质区别。为利用间歇混沌进行故障诊断奠定了理论基础。3．综述了小波分析在信号处理中应用的研究动态。通过对Fourier分析和小波分析的对比，指出了Fourier变换、窗口Fourier变换、Gabor变换在时．频分析方面的缺陷。f研究了小波变换在时频局部化方面的优良的变焦性能，及离散小波变换的频带分割能力。指出了正交多分辨分析存在的“高频低分

5、辨”这一缺陷，研究了正交小波包分析的频带分割能力。正交小波包分析能够对正交多分辨分析没有细分的高频部分进一步分解，从而提高了频率分辨率，克服了正交小波变换的不足，能有效地提取信号中的特定频率成分。研究了信号的奇异性在小波变换下的特征，分析了信号的奇异点和随机噪声在小波变换下的模极大值传播特征，给出了信号的消噪处理算法，可对信号某些频率区间进行抑制或衰减。为故障信号的小波消噪和特征提取奠定了理论基础。q．4．分析了混沌运动在正交小波包分析下的特征，首次提出了一种基于正交小波包分析的混沌运动特征的识别方法。f混沌运动具

6、有特定的频率结构，选择适当的分解层次，对信号频带进行精细的分割，根据各子带能量在信号总能中的分布情况，可以识别能量集中的频率点，依此将周期运动、随机运动、混沌运动加以区分。、r5．系统地阐述了虚拟仪器的概念和特点，归纳了用LabVIEW开发设计虚拟仪器的方法和步骤。提出了基于虚拟仪器的实验系统组成方案，选择泵端盖振动信号、燕山大学工学博士掌位论文厂出口压力信号作为监测信号。(通过人为模拟脱靴故障，利用正交多分辨分析对监测信号进行了分解、去噪和重构，改善了监测信号的信噪比，同时对故障特征信号进行了时域定位，提取了故障

7、特征频率。将监测信号作为混沌振子的外驱动信号，通过辨别振子的间歇混沌运动对轴向柱塞泵的脱靴故障进行了诊断。验证了所创理论方法的有效性。{6．对传感器故障诊断方法进行了综述，指出了现有诊断方法的缺陷。归纳了传感器常见故障的类型、原因、外在信号的表现形式。f通过故障模拟，完成了对各种故障下传感器的输出信号的采集。首次利用基于间歇混沌和多分辨分析的故障诊断方法对传感器常见的各种故障进行了诊断。验证了用这两种方法进行传感器故障诊断的有效性。对利用小波不同性质在故障诊断中应用的几个方面进行了界定。对间歇混沌故障诊断方法和基于

8、小波分析的故障诊断方法与传统故障诊断方法进行了对比，指出了它们的优势。、、j关键词故障检测与诊崮融混沌理论；多分辨分析；小波包分析；轴向柱塞泵；传感器：虚拟仪器AbstractThefaultdetectionanddiagnosistechniqueisaneriectivewaytoenhancesystemreliabilityandmaintaina