高速電機監(jiān)測信號自動濾波系統(tǒng)的設(shè)計

楊 鵬

(核工業(yè)理化工程研究院，天津 300180)

0 引 言

我院對高速電機的性能檢測主要通過機電試驗完成，機電試驗的考核指標來源于監(jiān)測的振動信號。對于監(jiān)測信號一般由放置于高速電機的上中下位點的傳感器捕獲，但在測得監(jiān)測信號的同時，不可避免的就會混雜進一些噪聲信號，如果遇到一些極端情況，噪聲信號甚至?xí)蜎]掉有用的信號。這時對高速電機的狀態(tài)的判斷就會出現(xiàn)差錯。由于高速電機的特殊性，保證其安全運行具有非常重要意義，正是由于上述原因，將動態(tài)自動濾波系統(tǒng)引入高速電機數(shù)據(jù)捕捉階段是必不可少的。

1 高速電機用監(jiān)測信號自動濾波系統(tǒng)設(shè)計

1.1 論文思路

方案為：將測試信號和噪聲信號輸入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)良好的非線性映射能力，可以將輸入的信號很快地進行處理。經(jīng)過權(quán)值與閾值的判定與運算后，多路信號進入自適應(yīng)部分，由多路信號匯總得到的第n階輸出值y(n)結(jié)合參考輸入d(n)值作為反饋輸入信號，將其輸入自適應(yīng)算法中，作為n+1階的反饋修正值進行不斷的修正，直到濾波完畢，輸出濾波后的波形。具體設(shè)計原理如圖1所示。

圖1 設(shè)計原理圖

1.2 自適應(yīng)理論模塊

基于自適應(yīng)理論的濾波器一般稱為自適應(yīng)濾波器，顧名思義，其最本質(zhì)的特點就是它能夠自學(xué)習(xí)和自調(diào)整，即所謂的自適應(yīng)能力。一般來說，自適應(yīng)濾波器能夠依靠某種預(yù)先確定的準則，在迭代過程中自動調(diào)整自身的參數(shù)和結(jié)構(gòu)，去適應(yīng)變化的環(huán)境，以實現(xiàn)在這種最優(yōu)準則下的濾波。

原始輸入信號x(n)由有用信號s(n)與兩噪聲m1(n)和v(n)之和組成，參考輸入d(n)由兩外兩個噪聲u(n)=v(n)*a(n)和m2(n)之和組成。其中，a(n)為傳輸通道的單位脈沖響應(yīng)，其對應(yīng)的傳遞函數(shù)A(z)。由于v(n)與u(n)=v(n)*a(n)共源，因此二者是相關(guān)的，噪聲m1(n)與m2(n)是互不相關(guān)的，且二者與s(n)，v(n)和u(n)均不相關(guān)。x(n)=s(n)+v(n)+m1(n)為期望響應(yīng)。e(n)為誤差信號，等于自適應(yīng)濾波系統(tǒng)的輸出，即e(n)=y(n)。

濾波系統(tǒng)的自適應(yīng)部分設(shè)計如圖2所示：

圖2 濾波系統(tǒng)的自適應(yīng)部分

1.3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊

(1)概述

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是模仿和延伸人腦認知功能的新型智能信息處理系統(tǒng),它是由大量的簡單處理單元(即神經(jīng)元)所構(gòu)成的一個非常復(fù)雜的非線性自適應(yīng)動力學(xué)系統(tǒng)。由于神經(jīng)元本身具有高度自適應(yīng)性,因而由大量神經(jīng)元組成的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有自學(xué)習(xí)性、自組織性、存貯分布性、結(jié)構(gòu)可變性等特點,能解決常規(guī)信息處理方法難以解決或無法解決的問題[1]。因此,我們將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)引入自適應(yīng)信號處理中來。

(2)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的建立

在現(xiàn)今的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，由于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的理論和應(yīng)用比較成熟，因而在本文的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)部分選擇BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，如圖3所示。

其結(jié)構(gòu)為，輸入：2，隱層：4，輸出層：1，

權(quán)值：0.7932，-0.8637，0.7143，0.5294，

閾值：0.4959，-0.6725，0.3026，-0.5211，

隱層變換函數(shù)為tansig，

輸出層變換函數(shù)為：purelin；

圖3 濾波系統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)部分

2 高速電機用監(jiān)測信號自動濾波系統(tǒng)的仿真

2.1 概 述

對比一個真實系統(tǒng)，使用Matlab軟件中的Simulink仿真有著很大的優(yōu)點，可以將現(xiàn)實中的各種儀器進行虛擬，并且集成化、模塊化，使經(jīng)費和工作量都大大地減少。所以在離心機用智能自適應(yīng)濾波系統(tǒng)設(shè)計完成以后，我們針對它建立一個Simulink仿真系統(tǒng)進行仿真[2]。

其仿真程序如圖4所示，其中原始信號為正弦信號，噪聲信號為隨機噪聲信號。

圖4 動濾波系統(tǒng)的仿真程序

2.2 試驗一 信號幅值與噪聲幅值比為5∶3

首先將正弦信號的幅值定義為5，隨機噪聲信號的幅值定義為3，具體情況如圖5和圖6所示,隨后觀察濾波情況。

圖5 幅值為5的正弦信號圖

圖6 被噪聲污染后的幅值為5的正弦信號圖

我們發(fā)現(xiàn)幅值為5的正弦信號被幅值為3的隨機噪聲污染以后，已經(jīng)很難看出原來的波形。經(jīng)過基于自適應(yīng)理論與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)濾波系統(tǒng)后，消噪效果如圖7所示。

圖7 經(jīng)過消噪后的波形圖

如圖7所示，經(jīng)過信號與噪聲幅值比為5∶3的試驗后，我們發(fā)現(xiàn)高速電機用監(jiān)測信號自動濾波系統(tǒng)可以很好地濾除噪聲并且保留原波形。

那么如果信號與噪聲幅值比更為接近的情況下，消噪效果如何？為了檢驗系統(tǒng)還能否正常工作，我們進行更高信號、噪聲幅值比的試驗。

2.3 試驗二 信號幅值與噪聲幅值比為1∶1

在試驗二中，有兩個情況發(fā)生了變化。第一，正弦信號的幅值定義為1，隨機噪聲信號的幅值也定義為1，信號與噪聲幅值比已經(jīng)達到1∶1；第二，需要系統(tǒng)過濾的波形幅值發(fā)生變化，需要考察其是否能自適應(yīng)的進行波形幅值調(diào)節(jié)濾波。

圖8為幅值為1的正弦信號波形圖，圖9為其隨機噪聲污染的波形圖。

圖8 幅值為1的正弦信號圖

圖9 被噪聲污染后的幅值為1的正弦信號圖

其消噪效果如圖10所示。

圖10 經(jīng)過消噪后的波形圖

如圖10所示，經(jīng)過信號與噪聲幅值比為1∶1的試驗后，我們發(fā)現(xiàn)高速電機用監(jiān)測信號自動濾波系統(tǒng)能很好隨波形變化進行消噪，并且消噪效果良好。

2.4試驗三復(fù)合信號幅值與噪聲幅值比為1∶1

在進行了上述試驗后，我們發(fā)現(xiàn)該濾波系統(tǒng)對于單一的波形信號有良好的濾波能力，但是我們的實際應(yīng)用中多為復(fù)合信號，那么該系統(tǒng)對于實際中的復(fù)合信號的濾波信號效果如何呢？下面進行試驗三 復(fù)合信號的消噪試驗：

其中，輸入信號為：幅值為1，頻率為5的正弦信號與幅值為3，頻率為1的正弦信號構(gòu)成的復(fù)合信號。噪聲信號的噪聲幅值為3。未被噪聲污染的信號圖和被噪聲污染的信號圖，見圖11和圖12。經(jīng)過試驗三，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)對于實際中經(jīng)常出現(xiàn)的復(fù)合信號的消噪效果也十分良好。

圖11 未被噪聲污染的復(fù)合信號圖

圖12 被噪聲信號污染的復(fù)合信號

3 高速電機用監(jiān)測信號自動濾波系統(tǒng)的實際應(yīng)用

3.1 實際支承軸磨損信號的濾波

現(xiàn)使用本濾波系統(tǒng)對引言部分中夾雜著大量噪聲信號的支承軸磨損信號進行濾波。將原始信號輸入濾波系統(tǒng)，濾波前后的波形如圖13所示。

圖13 夾雜大量噪聲的支承軸磨損信號圖

濾波以后，如圖14，我們明顯地發(fā)現(xiàn)了周期性的沖擊，這正是支承軸磨損的重要特征。對比原始信號，我們發(fā)現(xiàn)了明顯的故障特征。

圖14 濾除噪聲后的支承軸磨損信號圖

3.2 實際一階進動信號的濾波

在本濾波系統(tǒng)成功地對支承軸磨損信號進行濾波后，我們繼續(xù)使用本濾波系統(tǒng)對一階進動信號進行濾波。濾波前后的波形對比如圖15和圖16所示。

圖15 夾雜大量噪聲的一階進動信號圖

圖16 濾除噪聲后的一階進動信號

對比一階進動信號濾波前后的波形，我們也可以發(fā)現(xiàn)濾波后的波形特征更加明顯。

通過實際應(yīng)用，該濾波系統(tǒng)對實際信號的濾波效果也十分明顯。

4 結(jié) 語

(1)高速電機用監(jiān)測信號自動濾波系統(tǒng)解決了普通濾波器只能進行權(quán)系數(shù)固定的硬閾值濾波，即固定閾值濾波的問題。

(2)該系統(tǒng)解決了傳統(tǒng)自適應(yīng)濾波器在兩路噪聲呈現(xiàn)非線性相關(guān)時，使用線性自適應(yīng)算法去逼近非線性變換導(dǎo)致用于估計的權(quán)系數(shù)向量的位數(shù)爆炸式增長，導(dǎo)致濾波效果變差的問題。

(3)該系統(tǒng)能夠隨輸入信號幅值的變換而自適應(yīng)改變消噪閾值，而且當輸入信號的幅值與噪聲信號的幅值比很接近的情況下，也能進行自適應(yīng)消噪，并且消噪效果良好。

(4)模擬實際情況中的復(fù)合信號的噪聲污染，該系統(tǒng)能夠很好地對復(fù)合信號進行消噪。

(5)對于實際的支承軸磨損信號和一階進動信號，該系統(tǒng)濾波效果良好。