（机械电子工程专业论文）振动信号非平稳特征的深层提取技术及远程诊断服务系统的研究.pdf

中文摘要 摘要 机械设备自身的复杂结构，故障的发生和发展、设备工况的变化导致其振动信 号往往具有非稳态的复杂特性，振动信号的非平稳特征提取与表示关系到故障诊 断的可靠性和准确性。时频分析是信号非平稳特性分析的有力工具，但随着设备 新旧故障的不断复杂化，使得传统的时频分析理论及方法难以完全适用于某些有 用信息的捕捉和深入分析，因而有关的研究和应用也受到了很大的限制。该文在 综述了国内外故障诊断研究现状的基础上分析了机械振动信号的非平稳特征及 其深层次信息提取的意义；提出了在常规时频分析结果的基础上进行更深层次的 二次处理，以提取表征信号非平稳特性的瞬时物理量的多种新方法，并以故障齿 轮和故障轴承的大量振动信号作为分析实例对这些方法进行了一一验证；在理论 上初步设计了电子商务环境下的远程测试诊断服务系统方案，并对系统实现中的 关键技术和核心模块进行了详细的论述和探讨。 本文主要从以下四个方面对非平稳特征的深层次提取技术进行了深入、细致的 研究和探讨： 1 ) 基于小波变换的非平稳特征提取技术。对小波变换的理论方法、工程理解 及小波基、小波变换尺度的选择进行了系统地分析，介绍了基于复解析小波变换 的瞬时幅值及瞬时相位的提取技术，在此基础上引入了基于小波脊线的瞬时频率 估计方法，提出了小波尺度一能量与小波时间一能量相关谱的特征表示法并用于 表示轴承外圈、滚珠和内圈的故障特征。 2 ) 基于小波包分解与解调技术的非平稳特征提取技术。利用小波包分解技术 对振动信号进行降噪处理，并选择特殊频段进行小波包重构，有效捕捉和分离了 处于信号不同频段的故障特征分量。在此基础上，对传统h i l b e r t 瞬时频率估计方 法加以改进，并引入t e a g e r 能量算子解调方法，给出了适合多分量调幅调频信号 的瞬时频率特征或调制特征的提取方法。 3 ) 基于联合时频分析的非平稳特征提取技术。阐述了各种线性时频变换和非 线性时频变换的时频聚集性和交叉干扰问题，主要对自适应信号分解法和径向高 斯核时频分布这两种时频分析方法进行了深入的研究与探讨。在传统自适应信号 分解的基础上的提出了三种振动信号处理新技术：基于时频曲面拟合的信号分解 法，可有效用于非平稳信号的噪声抑制：对c h i r p l e t 基函数加以改进，引入了二次 非线性调频参数，提高传统c h i r p l e t 自适应信号分解法的时频特征刻画能力：在时 频二维平面上采用振动冲击信号模型对时频滤波后的信号分量进行逼近，提纯瞬 态冲击分量。在基于径向高斯核时频分布的基础上，引入了时域分段方法提高了 重庆大学博十学位论文 其时频分布质量，利用图像处理技术提取出时频图像的脊线特征之后，引入h o u g h 变换自动检测出时频脊线的特征参数，再根据时频脊线与瞬时频率曲线的对应关 系来确定多分量时变信号的瞬时频率函数表达式；继而采用基于瞬时频率曲线的 时频滤波方法对被分析信号进行滤波后重构，达到了从多分量复杂信号中分离特 征分量的目的。 4 ) 基于经验模态分解( e m d ) 的非平稳特征提取技术。在介绍e m i ) 基本理论的 基础上，结合实际应用中遇到的问题，系统论述了e m d 中存在的端点效应，本征模 函数的筛分迭代停止的标准和模态混叠这三大问题，并针对这些问题提出了相应 的解决方法。简要概述t e m d 端点效应产生的原因和目前提出的一些有效的抑制方 法，并对这些方法的优缺点进行了分析比较。重点针对e m d 中出现的模态混叠现象， 提出了两种解决方案。一种是e m d 与小波包分解相结合的方法；第二种是加减掩 膜信号法。仿真实验和应用实践证明这两种方法都能较好地消除e m d 中的模态混 叠现象，可有效提高e m d 的分解能力。 我们研究振动信号的非平稳特征深层提取技术的最终目的是将它们应用到远 程测试诊断服务系统中，解决工程实际中的具体问题，将科学技术转化为生产力。 因此，本文在上述理论方法的研究基础上，将电子商务理念与远程测试诊断相结 合，提出了电子商务环境下的个性化远程测试诊断服务系统的结构模型，系统研 究了远程测试诊断服务系统中的虚拟仪器、数据传输、神经网络学习、智能诊断、 系统安全等关键技术，开发了服务系统的各种功能模块并在汽车齿轮箱和轴承等 典型性设备的远程故障诊断实验中得到了成功应用。本文的研究工作为非平稳信 号特征提取和故障诊断开辟了新的途径，其成果对于我们今后的理论研究和开发 实践具有承上启下的作用，对工业生产具有相当的实用价值。 关键词：非平稳特征，小波变换，小波包分解，联合时频分析，经验模态分解， 瞬时频率估计，虚拟仪器，远程测试诊断，远程数据传输 i l 英文摘要 a b s t r a c t 1 1 1 ev i b r a t i o ns i g n a l so f m e c h a n i c a le q u i p m e n to f t e nr e p r e s e n tn o n s t a t i o n a r i t i e sd u e t oo c c u r r e n c ea n dv a r i a n c eo ff a u l t ，i n f l u e n c eo fn o n n o r m a lw o r k i n gc o n d i t i o na n d i n h e r e n tn o n l i n e a r i t yo fe q u i p m e n t n o n s t a t i o n a r yf e a m r er e p r e s e n t a t i o na n de x t r a c t i o n i st h em o s tc r u c i a la n dd i f f i c u l tp r o b l e mf o rr e l i a b i l i t ya n da c c u r a c yi nm e c h a n i c a lf a u l t d i a g n o s i s t h o u g ht h et i m e f r e q u e n c yr e p r e s e n t a t i o ni sap o w e r f u lt o o li nt h es t u d yo f n o n s t a t i o n a r ya n dn o n l i n e a rs i g n a l ，t h et r a d i t i o n a lt i m e f r e q u e n c ya n a l y s i st h e o r i e sa n d m e t h o d sa r en o ta l w a y ss u i t a b l et od e s c r i b et h en o n s t a t i o n a r i t i e sw i t ht h ei n e r e 嬲m g c o m p l e xo fo e wf a u l t ，i nt h i sd i s s e r t a t i o n , b a s e du p o nas u m m a r yo ft h ep r e s e n t w o r l d w i d er e s e a r c hs t a t u s t h en o n s t a t i o n a r yf e a t u r eo fm a c h i n ev i b r a t i o ns i g n a li s d e f i n e da n dt h es i g n i f i c a n c eo fi t sd e e p s e a t e de x t r a c t i o ni sa n a l y z e d i ti si n d i c a t e dt h a t t h en o n s t a t i o n a r yf e a t u r eo fm a c h i n ev i b r a t i o ns i g n a lm a i n l yf o c u si ns o m em a i n p h y s i c a lq u a n t i t i e s ，s u c ha st h ei n s t a n t a n e o u sf r e q u e n c y , p h a s e ，a m p l i t u d e ，e n e r g y ， m o d u l a t e di n f o r m a t i o ne t c ，a l lo fw h i c hc a l lb ee x t r a c t e do n l yw i t hf u r t h e rp r o c e s s i n g t h ea n a l y z e dr e s u l tf r o mt r a d i t i o n a lt i m e - f r e q u e n c yd i s t r i b u t i o n ，a n dt h e nc a nb eu s e d f o rd i a g n o s i s t a k i n gb e a r i n ga n dg e a r b o xb a n ga s t h er e s e a r c h e do b j e e l s ，s o m e p r a c t i c a lt e c h n i q u e sf o rd e e p l ye x t r a c t i n gn o n s t a t i o n a r yf e a t u r eb a s e do nt r a d i t i o n a l t i m e - f r e q u e n c ya n a l y s i s ，i sp r o p o s e da n dd e v e l o p e d i nt h e a s p e c t s o ft h e n o n s t a t i o n a r y f e a t u r e i n d e p t he x t r a c t i o n ，t h em a i n c o n t r i b u f i o u so f t h i sd i s s e r t a t i o na sf o i l o w s ： ( 1 ) n o n s t a t i o n a r yf e a t u r ee x t r a c t i o nt e c h n i q u e sb a s e do nw a v e l e tt r a n s f o r m ( w t ) a r es t u d i e d t 1 1 et h e o r ya n de n g i n e e r i n gs i g n i f i c a n c eo fw ta r ei n t r o d u c e d t h e s e l e c t i o np r o b l e mo fw a v e l e tb a s i sa n dt r a n s f o r m i n gs c a l ei sa n a l y z e di nd e t a i l w i t h c o m p l e xa n a l y z e dw a v e l e tt r a n s f o r m ，t h ei n s t a n t a n e o u sa m p l i t u d ea n dp h a s ec a nb e c o m p u t e d ，a n dt h e nt h ei n s t a n t a n e o u sf r e q u e n c yc a nb ee x t r a c t e dw i t ht h ew a v e l e t r i d g e sm e t h o d 1 1 1 ef e a t u r er e p r e s e n t a t i o n so fw a v e l e ts c a l e e n e r g ya n dt i m e - e n e r g y c o r r e l a t i o na r ep r o p o s e d ，a n da r eu s e dt or e p r e s e n tt h ef a u l tf e a t u r e so fb e a r i n gr o l l ， i n n e rf a c ea n do u t e rr a c es u c c e s s f u l l y ( 2 ) n o n s t a t i o n a r yf e a t u r er e p r e s e n t a t i o na n de x t r a c t i o nm e t h o db a s e du p o nt h e w a v e l e tp a c k e td e c o m p o s i t i o n ( w p d ) a n dd e m o d u l a t i o nt e c h n i q u e sa r es t u d i e d w i t h w p d ，t h ev i b r a t i o ns i g n a l 啪b ed e n o i s e d ，a n ds o m ec o m p o n e n ti ns p e c i a lf r e q u e n c y b a n di ss e l e c t e dt or e c o n s t r u c t w i t ht h ed e c o m p o s i t i o na n dr e c o n s t r u c t i o no fw a v e l e t 1 1 1 重庆大学博十学位论文 p a c k e t ，t h em o n o c o m p o n e n t sw i t hf a u l tf e a t u r ei n d i f f e r e n tf r e q u e n c yb a n dw o u l db e c a p t u r e da n ds e p a r a t e do u t b a s e du p o nt h i s ，t e a g e re n e r g yo p e r a t o rd e m o d u l a t i o n m e t h o da n d i m p r o v e d h i l b e r ti n s t a n t a n e o u sf r e q u e n c ye s t i m a t i o nm e t h o da r e i n t r o d u c e di n t ow p dt ob eas y n c r e t i ct e c h n i q u ef i r i n gf o re x t r a c t i n gn o n c o m p o n e n t i n s t a n t a n e o u sf r e q u e n c ya n dm o d u l a t i o ni n f o r m a t i o nf r o mm u l t i c o m p o n e n tc o m p l i c a t e d s i g n a l s t h i ss y n c r e t i cm e t h o di sa p p l i e di n t ot h eg e a r b o xf a u l td i a g n o s i sa n da c h i e v e s g o o de f f e c t s ( 3 ) n o n s t a t i o n a r yf e a t u r ee x t r a c t i o nb a s e do nt h ej o i n tt i m ef r e q u e n c y ( t f ) a n a l y s i si ss t u d i e d t h ec o n c e p t i o n so fl i n e a ra n dn o n l i n e a rt ft r a n s f o r m a t i o n , t h e i r p r o p e r t i e s a n dc r o s s t e r mi n t e r f e r e n c ep r o b l e ma r es u m m a r i z e da n da n a l y z e d s y s t e m a t i c a l l y o n t h eb a s i so ft r a d i t i o n a l s e l f - a d a p t i v e t fa n a l y s i s ，t h r e en e w t e c h n i q u e s f o rf a u l ts i g n a lp r o c e s s i n ga r ep r o p o s e d o n ei st h ei m p r o v e dc h i r p l e t s e l f - a d a p t i v et fr e p r e s e n t a t i o n ，i nw h i c ha n a d d i t i o n a lp a r a m e t e rr e f e r r e dt oa s c u r v a t u r ep a r a m e t e ri si n t r o d u c e di nt h et r a d i t i o n a lc h i r p l e te l e m e n t a r yf u n c t i o nt o m a t c ht h et i m ev a r y i n gl i n e a ro fn o n l i n e a rc o m p o n e n t s t h ep e r f o r m a n c ec o m p a r i s o n b e t w e e nt h em o d i f i e dv e r s i o no fa d a p t i v et fr e p r e s e n t a t i o na n dt h eo t h e rt f r e p r e s e n t a t i o n , v e r i f i e st h a tt h em o d i f i e dv e r s i o nh a st h eh i 【曲t fr e s o l u t i o na n dn o e r o s s - t e r mi n t e r f e r e n c e ；t h eo t h e l i st h et i cd e c o m p o s i t i o nb a s e do nc u l v e ds u r f a c e f i t t i n g , w h i c hh a s b e e na p p l i e ds u c c e s s f u l l yi n t on o n s t a t i o n a r ys i g n a ld e n o i s i n g , a n o t h e r i st h et r a n s i e n ti m p u l s es i g n a le x t r a c t i o nb a s e do ns e l f - a d a p t i v et fd e c o m p o s i t i o n , w h i c ha s e st h ev i b r a t i o ni m p u l s es i g n a lm o d e lt oa p p r o x i m a t et h es i g n a lf i l t e r e do u ti n t f p l a n e ，i no r d e rt od e t e r m i n et h ep a r a m e t e r so fi m p u l s es i g n a lm o d e l o nt h eb a s i so f s e l f - a d a p t i v ek e r n e lf u n c t i o nt fr e p r e s e n t a t i o n , t h ep r e c i s ei fe x t r a c t i o nm e t h o du s i n g t fr i d g e si sp r o p o s e d i nt h i sm e t h o d ，b ys e g m e n t i n gi nt i m ed o m a i nw i t ht h ew a yo f a d d i n gt i m ew i n d o w s ，t h ew h o l ed o m a i n i sc u ti n t om a n ys u b s e g m e n t sa n dt h ew h o l e r e d i a lg a u s s i a nk e r n e l t i m e f r e q u e n c yd i s t r i b u t e ( r g k d ) c a nb e o b t a i n e d b y c o n c a t e n a t i n gt h es u b s e g m e n tr g k d ，a n dt h e n , t h ew h o l er g k d i sr e g a r d e da sa n i m a g e ，t h er i d g e so ft h ei m a g ea r ee x t r a c t e du s i n gd i g i t a li m a g ep r o c e s s i n gm e t h o d i n c l u d i n gs m o o t h i n go p e r a t i o n ，2 - dl a p l a c i a na r i t h m e t i co p e r a t o ra n dt h i n n i n g ，f i n a l l y , t h ep r i n c i p l eo fd e t e c t i n gt h el i n e so fh o u g ht r a n s f o r mi s u s e d b a s e do nt h e i n s t a n t a n e o u sf r e q u e n c ye x t r a c t e dr e s u l t ，t h et ff i l t e r i n gm e t h o db a s e do ni n s t a n t a n e o u s f r e q u e n c yi sd e v e l o p e d ，b yw h i c ht h es p e c i a lm o n o c o m p o n e n ti ss e p a r a t e df r o mt h e o r i g i n a ls i g n a l ( 4 ) n o n s t a t i o n a r yf e a t u r ee x t r a c t i o nb a s eo ne m p i r i c a lm o d ed e c o m p o s i t i o n ( e m d ) 英文摘要 i ss t u d i e d ，b a s e do nt h eb a s a lp r i n c i p l eo fe m p i r i c a lm o d ed e c o m p o s i t i o n ( e m d ) ，t h r e e e x i s t i n gp r o b l e m sf r o me m d ，t h a ti s ，e n de f f e c t s ，t h es e l e c to fs i f t i n gs t o pg u i d ea n d m o d em i x i n g ，a r ea n a l y z e d f o rt h e s el i m i t so fc o n v e n t i o n a le m d ，s o m ei m p r o v e d m e t h o d sa r ep r o p o s e df o rt h ep r e c i s i o na n dc o r l 七c t n e s so fe m d ，c o m b i n i n gt h e p r o b l e m so c c u r r i n gi np r a c t i c a la p p l i c a t i o n s t w on o v e ls o l u t i o n s t om o d em i x i n g p r o b l e m sa g ep r e s e n t e di nd e t a i l o n ei se x p e n d i n gb e s tw a v e l e tp a c k e td e c o m p o s i t i o n ( w p d ) i n t oe m d ，t h a ti s ，a p p l y i n gw p db a s e do ns h a n n o ne n t r o p yi n t ot h es e l e c t e d ( i m f ) i nw h i c ht h em i x i n gm o d ee x i s t s t h es e c o n dn o v e ls o l u t i o nt ot h ep r o b l e mo f m o d e m i x i n g i st h em a s k i n gs i g n a lm e t h o d 1 1 1 ee x p e r i m e n tr e s u l t sv e c i f yt h a tt h e s et w o m e t h o d sb o t ha r eb e n e f i tt ot h ei m p r o v e m e n to f e m d d e c o m p o s i t i o na b i l i t y o u rf i n a li n t e n t i o ni sa p p l y i n ga l lt h e s en o n s t a t i o n a r yf e a t u r ee x t r a c t i o nt e c h n i q u e s t os o l v et h ep r a c t i c a le n g i n e e r i n gp r o b l e m s ，t r a n s f o r m i n gt h es c i e n c et e c h n i q u et o p r o d u c t i v i t y an u m b e ro fp r a c t i c a ls i g n a la n a l y s i se x a m p l e si n d i c a t et h a ts y n t h e t i c a l l y a p p l y i n ga b o v ef e a t u r ee x t r a c t i o nm e t h o d s t h ee x a c td i a g n o s i sr e s u l tc a i lb ea t t a i n e d a st h ec a r r i e ro ft h e s ee x t r a c t i o nt e c h n i q u e s ，t h er e m o t em e a s u r e m e n ta n dd i a g n o s i s s e r v i c es y s t e mp r o p o s e di nt h ed i s s e r t a t i o nr e a l i z e st h ea m a l g a m a t i o no fe c o n l m e r c e ， i n f o r m a t i o nn e t w o r ka n di n d u s t r yi n t r a n e t i t so v e r a l la r c h i t e c t u r ea r er e s e a r c h e da n d d e s i g n e d ，a n ds o m ek e yt e c h n i q u e si n c l u d i n gv i r t u a li n s t r u m e n t 、d a t a s o c k c tr e m o t e d a t at r a n s f e r r i n g 、n e u r a ln e t w o r ks t u d ya n dd i a g n o s i s 、n e t w o r ks e c u r i t yt e c h n i q u ee t c a r ei n t r o d u c e di nd e t a i l n l em e t h o d so f n o n s t a t i o n a r ys i g n a lf e a t u r ee x t r a c t i o nd e v e l o p e di nt h i sd i s s e r t a t i o n t a k eo nt h ei m p o r t a n tr e f e r e n c ev a l u ef o rm e c h a n i c a le q u i p m e n tf a u l td i a g n o s i s t h e r e m o t em e a s u r e m e n ta n dd i a g n o s i ss e r v i c es y s t e mi ne c o n l n e r c ee n v i r o n m e n tc a nc u t t h et i m eo fc o l l e c t i n gf a u l t , i m p r o v et h ee f f i c i e n c yo fd i a g n o s i ss y s t e m ，a n df a v o r a c c u m u l a t i n gd a t aa n ds h a r i n gr e s o u r c e s a l lt h es t u d i e sa r ep r a c t i c a la n dr e a l i s t i c ，a n d f i l l lo fi n n o v a t i o n t 1 1 e r e s e a r c hp r o d u c t i o n sa r eb e n e f i c i a lf u rt h e o r ys t u d ya n d d e v e l o p m e n tp r a c t i c ei nt h en e a r l yf u t u r e k e y w o r d s ：n o n s t a t i o n a r yf e a t u r e ，w a v e l e tt r a n s f o r m ，w a v e l e tp a c k e td e c o m p o s i t i o n ， j o i n tt i m ef r e q u e n c yd i s t r i b u t i o n ，e m p i r i c a lm o d ed e c o m p o s i t i o n , i n s t a n t a n e o u sf r e q u e n c ye s t i m a t i o nr e m o t em e a s u r e m e n ta n dd i a g n o s i s ， v i r t u a li n s t r u m e n t ，r e m o t ed a t at r a n s f o r m v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重麽态堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：如1 c 1 哞签字日期例7 年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重迭太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重庆太堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于， 不保密( v ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“4 ”) 导师签名： 一期：中历日 l 绪论 1 绪论 1 1 论文研究背景和选题意义 设备故障诊断技术在企业的成功应用和因此而带来的巨大经济效益促使人们 不断研究和开发新的理论与技术。近三十年来，该领域不断吸收现代科学技术发 展的新成果，从理论到实际应用都有迅速的发展，至今已发展成为集数学、力学、 振动分析、信号处理、人工智能、电子技术等各种现代科学技术于一体的新交叉 学科【l 】。从机械设备故障诊断过程来看，故障诊断技术主要涉及三个方面的基本 问题：状态信息的获取、状态信息的特征表示、状态的模式识别，这也是故障诊 断研究的主要内容。故障特征提取方法的研究是机械设备诊断技术的关键【”。在 实践中，故障特征信息总是依附某种载体表现出来的，由于机械设备在运行过程 中不可避免的产生振动，而振动是机械设备本身动力学特征的外在表示，因此故 障特征信息最直接的载体就是机械设备的振动信号。而且，相对于其他机械设备 状态处理而言，振动信号分析方法简便易行，是目前工程中使用的主要方法p l 。 通过对机械设备振动信号的分析与处理，就可以得到系统零部件由于磨损、疲劳 等原因引起的状态变化信息，并由此判断机械设备或零部件的故障所在。 振动信号的非平稳特征提取技术是故障诊断的核心内容之一，也是近年来信 号分析领域的研究热点之一【4 】。一般的信号处理方法或在时域或在频域对信号进 行分析时，都能够取得时域或频域的性能优化，它们的应用基于一个先验假设： 被分析信号是平稳的其频谱是非时变的。在一定的应用场合下，这种假设是成 立的，相应的分析方法也可以给出正确的结果。但对于机械振动信号，特别是在 出现故障的状态下，随机性和噪声背景都较强，具有明显的时变非平稳特性，其 频谱随时间有较大变化，且不同的非平稳特性也预示着不同的机械故障形式。要 对这些非平稳特性进行分析和提取，进而判断故障源，一般的信号处理方法已经 不再适用，取而代之的是非平稳信号处理方法。非平稳信号处理技术在故障诊断 中的应用大大促进了故障诊断技术的发展，从短时傅立叶变换到各种时频分析， 再n d , 波分析，信号处理的非平稳分析方法逐渐改善【5 】。国内外在基于非平稳信 号分析的故障诊断技术方面所做的研究工作有很多，但研究大量集中在时频分析 技术的直接应用和变换结果的一般解释，对于变换结果的更深层次的处理和研究 还不深入，对信号非平稳特征的突出不够，将振动信号的非平稳特征直接提取出 来用于故障诊断的研究还很少。因此，在现有成熟的非平稳信号分析结果的基础 上进行二次处理，提取出更深层次的非平稳特征，必将开拓出时频分析技术更加 广阔的应用空间，有力地推动机械设备状态监测及故障诊断技术的发展。 重庆大学博士学位论文 非平稳特征提取的方法固然重要，但必须借助某种系统平台来实现。在传感 器技术、测试技术、计算机技术和网络技术发展的推动下，虚拟仪器在数据采集、 状态监测和数据分析等方面都成为了领先的开发平台，只要按照测量原理，采用 适当的信号分析处理技术，编制信号特征提取功能的软件就可构成该种功能的测 试仪器 6 】。虚拟仪器是以计算机作为仪器统一的硬件平台，充分利用计算机的运 算、存储、回访、调用、显示以及文件管理等智能化功能，同时把传统仪器的专 业化功能和面板控件软件化，使之与计算机结合起来融为一体的仪器系统【7 h 引。 只要用适当的硬件接口电路，对信号进行采集、放大、滤波、隔离、a d 转换后， 虚拟仪器就可以灵活、充分地利用计算机的大量实用软件工具，对信号进行各种 计算、分析、判断、处理、图形或数字显示，且能根据被分析对象建立数学模型， 对信号特征提取的过程、方法进行优化，最大限度地减少误差，修正误差，大大 提高信号特征的提取精度【9 】1 1 0 】。 我国故障诊断学科经过几十年的发展，积累了相当丰富的研究成果，出现了 一大批具有渊博知识并具备良好工程背景的专家学者。但由于目前我国企业内部 技术人员比较少，而且要根据监测数据与运行状态对设备进行有效的判断，也不 是一般现场工程技术人员所具备的能力，设备出现故障时专家由于地域原因不能 及时到位，往往会因为时间的延误造成巨大的经济损失。基于互联网技术的远程 测试诊断系统为我们提供了解决这一问题的有效方案。这种经济、简便的方法通 过计算机把现场数据及时送到专家手中，就可以像专家在现场一样准确、及时的 做出判断、采取有效措施解决问趔“】。近年来，为了满足复杂系统的诊断要求， 随着计算机技术的发展及人工智能技术，特别是神经网络系统在诊断问题求解中 的应用，诊断技术也进入了智能化阶段。人工神经网络具有强大的学习能力，能 从样本中学习、获取知识；易于实现并行计算，可有效提高运算速度；对噪声或 缺损的输入信息有很强的适应能力；对于非确定性、不完全确定知识具有很强的 处理能力；可以实现分类决策、联想记忆、自组织学习的非线性映射能力，给机 械设备故障诊断领域带来了新的活力 12 1 。另一方面，利用虚拟仪器技术进行机械 状态的远程监测与故障诊断系统的开发，可以极大地缩短开发周期，节约开发成 本，可以使系统更加完善并且具备较强的稳定性d 3 。因此，以虚拟仪器强大的数 据分析和数据处理功能为支撑，以人工智能服务的方式，通过计算机和通信网络 为地域上分布的客户提供专业化、客户化的测试诊断服务已经成为当今故障诊断 技术发展的必然趋势。这种远程测试诊断系统跨越了企业和研究机构在时间和空 间的距离，学术界可以利用网上测试诊断服务器设立技术讲座，对企业技术人员 进行辅导和技术培训，同时发表自己的最新研究供企业使用；而企业界则可以利 用远程诊断服务器为其提供分析、诊断服务，并且在遇到不能解决的疑难问题时 2 1 绪论 向专家咨询，双方取长补短，广泛合作，共同发展【l 。这样既解决了生产企业技 术力量不足和理论提高的问题，又有利于研究机构更准确、有效地得到企业内部 设备运行的现场数据，充实理论和技术研究。要指出的是，当今远程测试诊断的 服务模式大多是一对一，即一个服务系统只为某一具体设备的故障进行远程诊断， 这种经营模式不具有普遍实用性，覆盖的服务对象群体过于单一，不具有大众化 特点。因此，本文借助电子商务理念，采用虚拟仪器技术、网络数据传输技术、 神经网络智能诊断技术，建立一个服务大多数中小企业或大众用户、面向通用典 型机械设备、具有商务特点的远程测试诊断服务系统，对增进我国学术界和企业 界的网络化设备故障诊断意识和提高我国的设备故障诊断水平将起到积极的推动 作用。 1 2 相关技术介绍及研究现状 1 2 1 机械故障信号的非平稳特征分丰斤【1 5 h 1 6 】 对于一个平稳系统，它的动力学模型可以由式( 1 1 ) 来表示。 x = g ( x ，j ，) ，y = h ( y ，f ) ( 1 1 ) 从某种意义上讲，石通常是各态遍历的，被看成反映系统内在动态特性的状态分 量，而y 可以看作为与x 无关的外部扰动力。对于机械系统，该模型将影响机械 状态的因素分为了两类，一类反映机械设备内在本身的变化规律，另一类来源于 各种故障激励及外在干扰对其的调节作用。我们知道机械设备所产生的振动信号 可以表征该机械设备的系统特性，通过对振动信号的分析处理，可以了解设备的 运行状态。若在一定时间尺度和分辨率下y 具有平稳性，那么整个系统具有平稳 性，其振动信号的频谱表现为不随时间而变化的谱线形式。若从观察时间序列出 发，在数据长度允许范围内最终无法找到可以使系统稳定的尺度，那么这个系统 就是非平稳的，但是只要在相对较小的时间窗口，y 通常可以看作一个常量，此 时的机械系统同样可以用式( 1 1 ) 来描述。发生故障的机械系统产生的振动信号通 常都是非平稳的，可以把设备发生故障时的振动信号划分为若干时间数据段，将 各个时间段的可能各不一样的动态特性都提取出来，也就是可以用其瞬时特征来 描述信号整个时间段y 的特性。因此，可以利用表征信号时变特征的瞬时物理量 来描述信号的非平稳特性，进而来判断设备的运行状态。那么，在机械故障诊断 中，刻画信号的非平稳特性的瞬时物理量到底有那些? 下面就此问题进行讨论。 由h i l b e r t 定义可知，对于一个普通的单分量工程信号，一般可以用随时间变