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旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)信號(hào)壓縮小波基優(yōu)化選取方法

第3 3卷第 3期 2 0 1 3年 6月

振動(dòng)、測(cè)試與診斷 J o u r n a l o f Vi b r a t i o n. Me a s u r e me n t& Di a g n o s i s

Vo 1 . 3 3 NO . 3

J u n .2 0 1 3

旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)信號(hào)壓縮小波基優(yōu)化選取方法 翁浩， 高金吉 ( 1 .北京化工大學(xué)信息學(xué)院北京， 1 0 0 0 2 9 ) ( 2 .北京化工大學(xué)機(jī)電學(xué)院 北京， 1 0 0 0 2 9 )

摘要旋轉(zhuǎn)機(jī)械在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷系統(tǒng)中振動(dòng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)和遠(yuǎn)程傳輸對(duì)數(shù)據(jù)壓縮提出了較高的要求。 小波分析做為數(shù)據(jù)處理的常用方法，已被廣泛地應(yīng)用于數(shù)據(jù)壓縮并取得了良好的效果。給出了振動(dòng)信號(hào)的小波通用壓縮方法，通過(guò)分析旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)信號(hào)的特點(diǎn)和小波函數(shù)幾種重要屬性對(duì)小波壓縮的影響，提出了旋轉(zhuǎn)機(jī)械振

動(dòng)信號(hào)壓縮過(guò)程中最優(yōu)小波基的選擇方法，并根據(jù)旋轉(zhuǎn)機(jī)械實(shí)際故障信號(hào)比較了相應(yīng)小波的壓縮效果。結(jié)果表明，通過(guò)選擇合適的小波基函數(shù)，可以有效提高重構(gòu)信號(hào)的信噪比。對(duì)于旋轉(zhuǎn)機(jī)械復(fù)雜突變類故障信號(hào)應(yīng)選擇低 分解消失矩，高重構(gòu)正則性的雙正交小波進(jìn)行壓縮。本研究方法和結(jié)論對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)信號(hào)小波壓縮的進(jìn)一步研究有一定的參考作用。

關(guān)鍵詞

旋轉(zhuǎn)機(jī)械；振動(dòng)信號(hào)；小波壓縮；小波屬性；最優(yōu)小波基 TN9 1 1 . 4;TH1 6 5 . 3

中圖分類號(hào)

械振動(dòng)信號(hào)壓縮過(guò)程中小波基的選取方法。

引言 1基于小波的閾值壓縮方法 隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展及企業(yè)設(shè)備管理水平的

提高，大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)信號(hào)的在線監(jiān)測(cè)和診斷系 統(tǒng)正朝著多機(jī)網(wǎng)絡(luò)化和遠(yuǎn)程診斷的方向發(fā)展 _ 1]。由于振動(dòng)信號(hào)的數(shù)據(jù)量非常大，會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸構(gòu)成很大的壓力，所以在傳輸前對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮，無(wú)論對(duì)減少傳輸時(shí)所用的帶寬或減少存儲(chǔ)容量，還是減少傳輸和存儲(chǔ)時(shí)的出錯(cuò)，都具有重要意義。對(duì)于旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)信號(hào)的壓縮，目前常用的壓縮方法主要有數(shù)據(jù)稀化、正交變換和預(yù)測(cè)編碼等]。其中，因?yàn)樾〔ㄗ儞Q具有非常好的刻畫(huà)時(shí)頻 局部特

征的能力，所以特別適用于旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)信號(hào)的壓縮。但是，可以用于小波變換的小波基有很多，旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障信號(hào)也是多種多樣的，特別是復(fù)雜的突變類信號(hào)，含有豐富的高頻分量。如何通過(guò)選

信號(hào)壓縮編碼的通用流程分為以下 3步：采樣、

量化、編碼。其中如果采樣滿足乃奎斯特定理，則每秒取樣數(shù)已確定，那么數(shù)據(jù)率或信噪比將主要取決 于每個(gè)樣值的量化過(guò)程。通過(guò)小波變換，最大化地

去除時(shí)域信號(hào)的相關(guān)性，并根據(jù)信號(hào)在不同子帶內(nèi) 的能量特點(diǎn)，分配不同比特以達(dá)到壓縮總比特?cái)?shù)的 目的。

2 0世紀(jì) 9 0年代初， D o n o h o提出了非線性小波

閾值的概念_ 5],其中心思想是在含噪信號(hào)小波分解后的各層系數(shù)中，對(duì)大于和小于某一閾值的小波系 數(shù)分別進(jìn)行處理，然后再利用處理后得到的小波系

數(shù)重構(gòu)原信號(hào)。閾值主要包括硬閾值和軟閾值，其中閾值函數(shù)的選擇十分關(guān)鍵，大量的文獻(xiàn)給出了閾 值函數(shù)的選擇方法 l 6 ],主要可分成以下 4種口：

擇一個(gè)合適的小波基，在保證一定壓縮比的前提下， 盡可能保留原始振動(dòng)信號(hào)中完備的故障特征信息就 非常關(guān)鍵。緊支撐、消失矩、正則性、對(duì)稱性及正交

a .固定閾值； b . S t e i n無(wú)偏似然估計(jì)閾值； e .啟發(fā)式 閾值； d .極大極小閾值。 近年來(lái)，隨著小波理論的不斷發(fā)展，，又出現(xiàn)了很

性是小波的重要屬性，也是進(jìn)行小波基選取所參考的基本要素_ 4]。因此，筆者將首先給出小波壓縮的通用方法，然后分析旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)信號(hào)的特點(diǎn)及小 波基的幾個(gè)重要屬性。通過(guò)以上分析，給出旋轉(zhuǎn)機(jī)

多創(chuàng)新性的閾值壓縮思想，如 B i r g e— Ma s s a r t策 略_】、均衡稀疏標(biāo)準(zhǔn)口引、去近零值口、保留特定能

量閾值法等_ 1、能量相關(guān)性閾值口 以及分層閾

* 國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目( 5 1 1 3 5 0 0 1 ) 收稿日期： 2 0 1 1 - 0 9— 2 O;修改稿收到日期： 2 0 1 1 - 1 2— 2 3

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