自适应扫频随机共振方法的研究

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改变采样频率 ! 以扫 频 获 得 被 观 测 设 备 的 运 行 频 率 的特征 ! 即根据现场的实际工况 ! 设定一个采样频率 范围 ! 然后以一个频率增量来不断改变采样频率 ! 并 扫频被观测的信号 > GT G!7 & * # 0 / * 方程势垒参数的调节 I 根据文献 " # 的研究表明 ! ? a < = I G E = 方程中 势 " V 垒参数0 的调节在某种程度上将有助于随机共振的 实现 ! 这意味着控制势垒高度可调整 J % 处的幅值高 度> 如果大参数二次采样频 率 在 最 优 值 处 不 能 使 J % 处的频谱幅值成为 整 个 频 谱 图 的 最 大 值 ! 那么适当 而成 减小参数0 和J% 处的谱峰会再次被共振突起 ! 为可辨识的最高谱峰 ! 从而达到了信号的检测目的 > 图# 是 自 适 应 扫 频 随 机 共 振 方 案 的 结 构 框 架> 其中 ! 扫频信号采集 实 现 了 信 号 频 率 变 化 范 围 的 扫 频采样 ! 二次采样的 随 机 共 振 对 每 一 组 采 集 数 据 选 取二次采样频率 ! 并进行大信号的随机共振 ! 幅值谱 检索对应每一个二 次 采 样 的 随 机 共 振 谱 图 > 通过调 节 0! 判断信号 频 率 处 的 谱 峰 是 否 为 整 个 频 谱 图 的 最大值 > 如果是最 大 值 ! 则 表 明 得 到 弱 信 号! 可停止 扫频采样 > 如果不 是 最 大 值 ! 则 继 续 扫 频 采 样! 直到
法应用到现场还有 一 定 距 离 " 如系统结构参数如何 确定 " 设备运行频率的精确确定等 > 针对这些实际问 题" 本文将在大参数 2 提出自适 6 6 * 技术的基础上 " 应扫频随机共振方法 " 以方便工程的实际应用 >
$! 自适应扫频随机共振算法的设计与 实验分析
为能有效利用大参数信号 2 6 6 * 技术处理待测 信号的未知特征量 ! 如 频 率# " 并合理调节大参数信 号随机共振的参数 " 所设计的自适应扫频随机共振 算法需要考虑以下 $ 个关键因素 > G> E! 待测信号的频率确定 由于现场工况环境的变化会使设备的运行状态 发生改变 " 导致很多物理参数也相应地变化 " 因此在 应用 2 某些物理量的准确获取至关重 6 6 * 技术时 " 要> 这里由随机共振对频率的敏感特性可知 " 当采样 频率 J 中所述 &" a& J J 一定时 " % 不能严 格 按 照 文 献 % 的J 那么 2 % 倍" 6 6 * 技术就有可能失 J 为J % 的& 效" 进而不能由共振 突 出 表 示 微 弱 故 障 特 征 的 谱 信 号> 因此 " 为能准确捕捉到设备在变化中的运行频 率" 算 法将在某个 频率 范围内 采用递 增 ! 或递减 # 来
获得最大谱峰的弱 信 号 > 整个自适应算法的软件实 现采用采样频率和势垒高度双参数线性定步长的搜 索方法 ! 在采样频率的每个遍历值上 ! 势垒高度因子 在允许范围内自动 减 小 ! 并实时计算输出频谱中被 观测信号频率处的幅值 > 实验方 案 如 图 $ 所 示 ! 其中计算机#产生的正 弦和白噪声混合信号由 _ $ 经功放驱动激 , 卡输出 ! 振台振动 ! 激振台上安装有加速度测振传感器 ! 加速 度信号由本算法经 , $ 采集的 _ 进行扫频数据采集 ! 数 据 由 计 算 机$进 行 自 适 应 随 机 共 振 分 析 > 图!是
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! 天津大学机械工程学院 " ! % % % > $"天津 #
摘要 " 针对大参数信号二次采样随机共 振 应 用 的 局 限 性 ! 提 出 了 自 适 应 扫 频 随 机 共 振 方 法: 该方法根据信 号# 噪声和系统三者协调作用发生随机共振时的关系 ! 自动 调整采 样频 率和 双稳 系 统 的 结 构 参 数 ! 从而自动 获取随机共振状态 : 将此方法应用于实际噪声下弱信号的提取 ! 取得了较好的结果 : 关键词 $ 随机共振 $ 自适应扫频随机共振 $ 双稳系统 $ 频谱 中图分类号 $2Q # ! % > C #! 文献标识码 $,! 文章编号 $ % $ & ! " A > /! $ % % & % # % # % A % ! " " "
" 编辑 ! 管咏梅 #
& 应动 力 学 的 研 究 % ’ :高 校 化 学 工 程 学 报 ! $ % % #! # & " # $ # a a > %: " % & 王 树 众! 段 百 齐! 等 :超 临 界 水 氧 化 技 术 的 研 ! ! 昝 元 峰! 究进展 % & " # $ ’ :石油化工 ! $ % % ?! ! ! $ # A ? # A ": " % & ? S < T * \! ‘ E 9 92‘! W 9 9 E P 8 O J, ,! I L < 9 : 6 R I O X O E L E X < 9 !6 F % & ! T < L I O c<H I Y E R HP 8 OX S I H E J L O ’ : W S I H5 = I T J M V+ " # $ # " " #! a " & # $ a ! ": " % & & 8 9 < L Ib *! 2 I J L I O’\: ( ] E Y < L E 8 =8 Pb$ < = YW (E = !b V $O !F J R N [ < = Y6 R I O X O E L E X < 9T < L I O < L S [ I < X L E 8 =^ E = I L E X J F ! T < < = YT < L I O [ Y I = J E L P P I X L8 PI ] I O E H I = L < 9O I J R 9 L J M MI F % & " # $ ’ : ’U S JW S I H! # " " ?! " A ! A % % A % ": " M % & a 8 8 Q! I I \ B! I IW b:+ I TO I < X L 8 OJ J L I HP 8 O !B M J R I O X O E L E X < 9T < L I O 8 ] E Y < L E 8 =< = Y E L J < 9 E X < L E 8 =8 =F S I [ F F F % & ! " # $ = 8 9 Y I J L O R X L E 8 = ’ : W S I H5 = X E # " " >! & $ > #$ % # V6 #$ # ?: " % & > 8 O L I 9 <’*!+ I N 8 L5!Q < O L E = I f( 5:3 I = I O < 9 E f I Y^ E [ !U = I L E XH 8 Y I 9 J P 8 O J R I O X O E L E X < 9T < L I O 8 ] E Y < L E 8 =8 P X R L L E = F V % & ! 8 E 9T < J L I J ’ : ’ 8 R O = < 9 8 P6 R I O X O E L E X < 9. 9 R E Y $ % % #! $ # F " # $ ! # ! & # ? &: " % & A E*! 6 < G < IU5: $ X S 9 8 O 8 S I = 8 98 ] E Y < L E 8 =E =6 W\$ !" V F ! 9 8 N < 9^ E = I L E X J< = YO I < X L E 8 =F O 8 Y R X L J% ’& :, 0 W S 5’ V " # $ # " " !! ! " # # > A # A >: " % & " 8 L 8 Q!+ < Y <2!B 8 Y < H <,! I L< 9 :B E = I L E X< = < 9 J E J !3 M P 8 OY I J L O R X L E 8 =8 PH R = E X E < 9 J I T < IJ 9 R Y I< = Y< 9 X 8 S 8 9 F V V Y E J L E 9 9 I O < J L I T < L I ON R I O X O E L E X < 9T < L I O8 ] E Y < L E 8 = MT MJ F % & ! " # $ ’ : 0 = Y5 = S I H* I J # " " "! ! A & #A a ! #A a &: " VW
#! 基于随机共振信号的检测
随机共振可用 即 < = I G E = 方程来描述 " V ’ ! # # ! # Y N Y );0 N BN @& J E = $ ) ) # @’! $ J % 式中 $ & 为被测信号 的 幅 值 ( J % 为 被 测 信 号 的 频 率(
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
# 为白噪声 " 二者之和可看作工程 实测 信 号 " 其余 ’! ) 部分可视为非线性双稳系统 > 通过求解式 ! # 可得系 # 统随机共振的响应 N! # " 对于工程实测常见的大参 ) 数! 大频率强噪声等 # 信号 " 可通过文献 % & 提出的 &" a 二次采样随机共振 ! 方法来得到 J 2 6 6 *# % 处的随机 共振响应谱峰 > 虽然 二 次 采 样 随 机 共 振 方 法 将 小 参 数的随机共振推广 到 了 大 参 数 信 号 的 随 机 共 振 " 而 且为实际应用也提 供 了 一 定 的 设 想 " 但真正将该方
! " " # 6 X S 8 8 9 8 PQ I X S < = E X < 95 = E = I I O E = 2 E < = E =) = E G I O J E L 2 E < = E =! % % % > $" W S E = < V V h M h
会 !! 信号和适量的 噪 声 在 非 线 性 系 统 的 作 用 下 " % # !& " 产生随机共 振 ! 现象 " 据此可达到从噪声中 6 *# 检测信号的目的 : 在工程实际测量中 " 信号和噪声都 是未知的 " 不可能通 过 减 少 或 增 加 噪 声 使 系 统 发 生 随机共振来实现弱信号的检测 : 本文在文献 % & 研 ?" & 究的基础上 " 针对工程测量的实际环境和要求 " 提出 采用自适应扫频随 机 共 振 技 术 " 通过自适应来改变 信号采样频率和调 整 双 稳 系 统 的 结 构 参 数 " 自动获 取信号频率处的最大频谱幅值 :
收稿日期 $ " 女" 博 士 生( 王太勇! 联 系 人# " 男" 教 授" 博 士 生 导 师> $ % % ? % a # ?> # " > A! # " " ! 作者简介 $邓学欣 ! ! 基 金 项 目$ 国家自然科学基金资助项目 ! # & % # > & % A # >
万方数据
等’ 自适应扫频随机共振方法的研究 ! 第 # 期 !!!!!!!!!!!!!!!!! 邓学欣 !
图 #! 自适应扫频随机共振系统
图 $! 实验方案的框架结构
% & 输入信号时域波形 <
% & 输入信号频谱图 N
% & C & X 0;%
% & Y C ? A 0;%
% & C ? & I 0;%
% & P C ? $ 0;% 图 !! 随机共振过程中参数调整对比的实验结果
万方数据
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西 ! 安 ! 交 ! 通 ! 大 ! 学 ! 学 ! 报 !!!!!!!!!!!!!!!!!! 第 ! "卷!
实验 结 果 ! 其中正弦信号幅值为% 频率为 C # 4! ! 白噪声幅度 为 ! 4! 此混合信号的信噪比为 $ %b f ! 经随机共振二次采样后 ! 其 B$ > C >Y ‘! b f J J 为 #^ 时频图为图 ! 在图 ! 中 的 低 频 段 ! 看不到 < 和图 ! N> 而在图中 # $ %b f的明显谱峰 ! $ &b f左右处 却 出现 了较大的谱峰 ! 这是由于 ‘ B ? A % "型激振台自身固 " 有 特性造成的 > 当把 J & % !#% & %b f间进行 J 定在 " 扫频数据采集时 ! 二次采样频率J 当0 从 $b f > J O; 系统在 J % C &!% C ? $ & 变化时 ! #^ b f和0;% C ? > & J; 处自动停止 ! 其频谱对应图 ! 图! Y > X P为 该 采 ,图! 样频 率 下 的 随 机 共 振 过 程 ! 其中图! I和 图 ! P为 手 动调整结果 ! 可以看 到 J % C % ?b f时 的 谱 峰 逐 渐 O; 凸现出来 ! 随机共振现象逐渐明显 > 当按线性压缩比 恢复该频率为 $ 所加入的 J ! 由此 %b f时 ! $ %b f %; 不仅证明了本算法 的 正 确 性 ! 而且说明该算法并没 有只是追求最佳的随机共振效果 " 图! # ! 而只 需 J P % 处的幅 值 在 整 个 频 带 中 为 最 大 值 就 停 止 跟 踪 " 图 " 上接第 # % > 页#
第! "卷!第#期 $ % % &年#月
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自适应扫频随机共振方法的研究
邓学欣 ! 王太勇 ! 冷永刚 ! 范胜波
c# 收集液的 W 从而证实 6 ( _ 小于 # %H W\( V’- !
# ! 因此提高了系统的实时性 > ! Y 参考文献 $
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