（农业电气化与自动化专业论文）联合收割机测产系统振动信号的抑制研究.pdf

y 178jf72嬲0目录中文摘要i英文摘要。i i i1 弓l 言l1 1 研究的目的和意义11 2 振动信号噪声处理技术的重要性l1 3 信号处理技术的内容与发展21 4 研究的主要内容32 振动信号的分析与采集42 1 振动信号的描述42 2 常用的振动信号分析方法52 3 振动信号处理的基本内容52 3 1 振动信号预处理方法52 3 2 振动信号的时域处理62 3 3 振动信号的频域处理62 4 振动测试系统62 4 1 振动信号测量62 4 2 振动数据采集72 5 本章小结1 03 基于m a t l a b 的联合收割机振动信号分析l l3 1m a t l a b 软件及信号处理工具箱一l l3 1 1m a t l a b 简介1 13 1 2 信号处理工具箱1 23 2 振动信号分析1 33 2 1 功率谱估计。1 43 2 2 窗函数2 13 2 3 振动频率验证2 63 3i i r 滤波2 83 3 1i i r 数字滤波器2 83 3 2i i r 数字滤波器设计。3 03 4 本章小结3 44 联合收割机振动信号的自适应降噪方法。3 54 1 自适应信号处理3 54 1 1 自适应滤波3 54 1 2 基本自适应信号算法3 64 1 3l m s 自适应滤波器。3 64 1 4l m s 算法3 9东北农业大学 i 学硕i ：学位论文4 2 自适应噪声对消原理4 l4 3 自适应降噪结果验证4 24 4 本章小结4 65 结论4 7致 射4 8参考文献一4 9攻读硕士学位期间发表的学术论文51c o n t e n t sc o n t e n t sc b i n e s ea b s t r a c t ：ie n g l i s ha b s t r a c t i i iii n t r o d u c t i o n 11 1p u r p o s ea n ds i g n i f i c a n c eo ft h er e s e a r c h ”i1 2t h ei m p o r t a n c eo fv i b r a t i o ns i g n a ln o i s ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g y 11 3c o n t e n ta n dd e v e l o p m e n ts i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y 21 4t h em a i nc o n t e n to f r e s e a r c h 32t h ea c q u i s i t i o na n da n a l y s i so fv i b r a t i o ns i g n a l 42 1t h ed e s c r i p t i o no f v i b r a t i o ns i g n a l s 42 2t h ec o m m o n l yu s e dm e t h o do f v i b r a t i o ns i g n a la n a l y s i s 52 3t h eb a s i cc o n t e n to fv i b r a t i o ns i g n a lp r o c e s s i n g 52 3 1t h ev i b r a t i o ns i g n a lp r e p r o c e s s i n gm e t h o d 52 3 2v i b r a t i o ns i g n a li nt h et i m ed o m a i np r o c e s s i n g 62 3 3v i b r a t i o ns i g n a li nt h ef r e q u e n c yd o m a i np r o c e s s i n g 62 4t h ev i b r a t i n gt e s ts y s t e m 62 4 1t h ev i b r a t i o ns i g n a lm e a s u r e m e n t 62 4 2t h ev i b r a t i o nd a t aa c q u i s i t i o n 72 5s u m m a r yo f t h i sc h a p t e r 1 03b a s e d m a t l a bt h ec o m b i n ev i b r a t i o ns i g n a la n a l y s i s 113 1m a t l a bs o f t w a r ea n ds i g n a lp r o c e s s i n gt o o l b o x 113 1 im a t l a bi n t r o d u c t i o n 113 1 2s i g n a lp r o c e s s i n gt o o l b o x 1 23 2v i b r a t i o ns i g n a la n a l y s i s 1 33 2 1p o w e rs p e c t r a ld e n s i t y 1 43 2 2w i n d o wf u n c t i o n 2 13 2 3v i b r a t i o nf r e q u e n c yv e r i f i c a t i o n 2 63 3i i rf i l t e r i n g 2 83 3 1i i rd i g i t a lf i l t e r 。2 83 3 2i i rd i g i t a lf i l t e rd e s i g n 3 03 4s u m m a r yo ft h i sc h a p t e r 3 44a d a p t i v en o i s ec a n c e l i n gm e t h o do nt h ec o m b i n ev i b r a t i o ns i g n a l 3 54 1a d a p t i v es i g n a lp r o c e s s i n g 3 54 1 1a d a p t i v ef i l t e r i n g 3 54 1 2a d a p t i v ef i l t e r 3 64 1 3l m sa d a p t i v ef i l t e r 3 64 1 4i 。m sa l g o r i t h m 3 9一型尘坚塑丝些鎏堡_ 一一皇鼍孽! 蔓! ! 曼曼皇皇葛詈鼍暑曼暑皇窟鼍寰皇鼍篡! 毫皇皇曼皇篡詈詈= = 5 5 2 一一一4 2a d a p t i v en o i s ec a n c e l l a t i o np r i n c i p l e ”叶14 3t h ev e r i f i c a t i o no fa d a p t i v en o i s ec a n c e l i n gr e s u l t s 叶二4 4s u m m a r yo ft h i sc h a p t e r 5c o n c l u s i o n a c k n o w l e d g e m e n t 一。r e f e r e n c e s 。p a p e r sp u b l i s h e di nt h ep e r i o do fm a s t e re d u c a t i o n 。j1研究生学位论文独创声明和使厂玎授权书独创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，也不包含未获得( 洼；麴遗查墓丝盂要挂别直明笪：奎拦互窒2 或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。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：舡艿日期：2 。d 年多月罗e t学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，学校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。本人授权学校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。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书)学位论文作者签名：私艿日期：2 口d 年月罗日导师签名：以蒡日期：到，。年多月罗日一一摘要摘要我国是一个农业大国，随着信息技术的飞速发展，发展精细农业将是我国农业未来发展的一个必然趋势，而联合收割机测产系统则是精细农业技术实践中的重要环节。联合收割机测产系统是信息技术、计算机自动控制技术、3 s ( g p s 、g i s 、r s ) 以及称重测产技术在精细农业中的应用。在实际生产中，由于测产系统的工作环境恶劣，外界干扰源较多，这将影响测产系统的测量精度。而对于测产系统来说可靠性与准确性是评价其质量的一个重要的标志。其中，联合收割机在行驶过程中产生的振动干扰是影响测产系统准确性的主要干扰源之一，因而需要对振动干扰进行信号分析和处理，从而达到将这类振动干扰抑制或滤除的目的，提高测产系统的精度。本文首先介绍了振动信号的测量，分析了其在工农生产领域中的重要意义，振动信号的类型以及特点，振动信号处理的基本内容，其中包括信号预处理、频域处理和时域处理，振动信号数据采集系统。其次，详细介绍了随机信号功率谱估计的基本方法和窗函数，并利用m a t l a b 信号处理软件运算实现振动信号的时域和频域分析，包括分析振动信号的频谱范围，根据振动信号的频谱特性设计i i r 滤波器设计等。最后，为了提高滤波器性能，满足滤波器参数随参考信号的改变而改变的要求，利用自适应噪声对消技术设计滤波器，实现振动干扰信号的滤除。上述信号处理功能的实现主要依赖于m a t l a b 强大的计算功能、完善的库函数以及图形用户界面功能。关键词振动信号；联合收割机测产系统；信号处理；m a t l a b一a b s t r a c ti n h i b i t o r ys t u d yo fv i b r a t i o ni n t e r f e r e n c esi g n a lo nt h ec o m b i n ey i e l d - m o n i t o r i n gs y s t e ma b s t r a c tc h i n ai sal a r g ea g r i c u l t u r a ln a t i o n ，a l o n gw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , t h ed e v e l o p m e n to fp r e c i s i o na g r i c u l t u r ew i l lb ea ni n e v i t a b l et r e n do fw h a to u rc o u n t r ya g r i c u l t u r ew i l ld e v e l o pi nt h ef u t u r e ，t h ec o m b i n ey i e l d - m o n i t o r i n gs y s t e mi sa ni m p o r t a n tb r a n c ho fp r e c i s i o na g r i c u l t u r et e c h n i c a lp r a c t i c e ，i ti st h em o d e la p p l i c a t i o no fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y ,c o m p u t e ra u t o m a t i o nt e c h n o l o g y , 3 s ( g p s ，g i s ，r s ) t e c h n o l o g ya n dw e i g h i n gt e c h n o l o g y i np r o d u c t i o n ，t h ey i e l d m o n i t o r i n gs y s t e mw o r k si na t r o c i o u se n v i r o n m e n ta n de x t e m a ld i s t u r b a n c e sw i l la f f e c ta c c u r a c y t h er e l i a b i l i t ya n da c c u r a c yo ft h ey i e l d m o n i t o r i n gs y s t e mi sa ni n d e xt oe v a l u a t et h eq u a l i t yo ft h ep r o d u c t s t h ed i s t u r b a n c eo fv i b r a t i o nw h i c ho c c u r r e dd u r i n go p e r a t i o ni so n eo ft h em a j o ri n t e r f e r e n c eo ft h ea c c u r a c y , t h u st h ea n a l y s i sa n dp r o c e s s i n gf o rt h ev i b r a t i o ns i g n a lo ft h ey i e l d m o n i t o r i n gs y s t e ma r en e e d e dw h i c ht or e a c ht h eg o a lo ff i l t e r i n gv i b r a t i o ns i g n a l ，i no r d e rt oi m p r o v ea c c u r a c yo ft h es y s t e m f i r s t l y , t h ep a p e ri n t r o d u c et h ev i b r a t i o ns i g n a lm e a s u r e m e n t , a n a l y s e st h ei m p o r t a n c eo ft h ei n d u s t r i a la n da g r i c u l t u r a lp r o d u c t i o nf i e l d s ，t h et y p e sa n dc h a r a c t e r i s t i c so fv i b r a t i o ns i g n a la n dt h eb a s i cc o n t e n to fv i b r a t i o ns i g n a lp r o c e s s i n g t h eb a s i cc o n t e n ti n c l u d i n gt h a ts i g n a lp r e t r e a t m e n t ，f r e q u e n c yd o m a i na n dt i m ed o m a i np r o c e s s i n g , v i b r a t i o ns i g n a ld a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m s e c o n d l y , t h ep a p e ri n t r o d u c e si nd e t a i lt h eb a s i cm e t h o do fr a n d o ms i g n a lp o w e rs p e c t r u me s t i m a t i o n ，w i n d o wf u n c t i o n ，m e a n w h i l e ，r e a l i z e dt h e v i b r a t i o ns i g n a la n a l y s i si nt i m ea n df r e q u e n c yd o m a i nw i t hs i g n a lp r o c e s s i n gt o o l b o xi nm a t l a b t h ew o r ki n c l u d i n gt h a ta n a l y s i sf r e q u e n c ys p e c t r ao ft h ev i b r a t i o ns i g n a l ，a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e ro fv i b r a t i o ns i g n a ls p e c t r u mr a n g ed e s i g ni i rf i l t e r f i n a l l y , t h ea d a p t i v en o i s ec a n c e l l a t i o ns y s t e mi su s e dt od e s i g nf i l t e r , f o rm e e t i n gr e q u i r e m e n tt h a tt h ef i l t e rp a r a m e t e r sa r ec h a n g e dw i t ht h ec h a n g eo ft h ev i b r a t i o ns i g n a l ，r e a l i z e df i l t e ro f ft h ev i b r a t i o ns i g n a l ，a n de n h a n c e st h ep e r f o r m a n c eo ft h ef i l t e r t h er e a l i z a t i o no ft h es i g n a lp r o c e s s i n gd e p e n d so nt h em a t l a bc o m p u t i n g ，s o u n dl i b r a r yf u n c t i o n sa n dg r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c ef u n c t i o n k e yw o r d sv i b r a t i o ns i g n a l ；c o m b i n ey i e l d - m o n i t o r i n gs y s t e m ：s i g n a lp r o c e s s i n g ；m a t l a bc a n d i d a t e ：t a ny u f a n gs p e c i a l i t y ：a g r i c u l t u r a le l e c t r i z a t i o na n da u t o m a t i o ns u p e r v i s o r ：y a n g f a n gi i i引言1 引言1 1 研究的目的和意义我国是一个农业大国，随着信息技术和农村经济的迅速发展，发展精细农业将是我国农业未来发展的一个必然趋势，而联合收割机测产系统则是精细农业技术实践中的重要环节。联合收割机测产系统包括电子秤动态实时称重、g p s 卫星定位和转速测量等测控单元，其中电子秤是测产系统中的核心测控单元，因此对于测产系统来说可靠性与准确性是评价其质量的一个重要标志。测产系统精确度受多种因素影响。当测产系统所处的工作环境比较恶劣或干扰源较多时，就必然会影响其测量的准确性。其中，联合收割机在行驶过程中产生的振动干扰是影响测产系统准确性的主要干扰源之一，因而对联合收割机产生的振动干扰进行信号分析和处理，从而达到将这类振动干扰抑制或滤除的目的，提高测产系统精度。在工农业生产领域中，振动信号分析是一个重要研究课题。由于振动是种普遍存在的自然现象，例如汽车、火车驶过桥梁引起桥的振动，飞机在飞行中因风力和气流影响而产生机身的振动，因地震所引起建筑物的振动，联合收割机在行驶过程中产生的振动等。几乎每一种机器和建筑物都离不开振动的问题。除了少数情况是利用振动来进行运输、加工和打桩等工作外，振动经常是影响机器的性能、寿命、破坏建筑物的主要因素。因此，对振动信号进行分析和处理就变得十分必要。1 2 振动信号噪声处理技术的重要性为了发展我国精细农业，推动联合收割机测产系统的发展，使其能够用于实际农业生产当中，联合收割机的可靠性与准确性是重要保障。振动信号的分析为联合收割机消噪处理提供了参考。消噪和滤波是相关的，在信号处理中，采用有效的方法对信号的时频谱特性进行分析，提取出噪声信号的时频谱区间，在用适当的方法进行滤波，从而达到消噪的目的。对联合收割机振动信号进行分析和处理，根据信号和噪声的不同特性，从振动测试系统获得振动信号的信息，有效地去除振动噪声对测产系统的干扰，而且不删除信号中的有用信号，因此，去除联合收割机的振动噪声干扰，从振动信号中提取有用特征信息有着重要的意义。为了提取振动信号的特征信息，传统的方法有时域分析、频域分析、滤波和谱分析等。近年来，随着计算机技术、现代测试技术和信号处理技术的发展，振动信号处理技术也取得了很多的进步，如小波分析法和e m d 分析法等。东北农业大学_ t 学硕士学位论文1 3 信号处理技术的内容与发展根据信号处理方法的不同，信号处理系统可以分为模拟信号处理系统和数字信号处理系统两大类。模拟信号处理系统的输入、输出信号均为模拟信号，该处理系统通常是有电阻、电感、电容和模拟电路组成的模拟系统；数字信号处理系统的核心是计算机或专用数字硬件组成的数字系统，它的输入、输出均为数字信号。与模拟信号处理系统相比，数字信号处理系统具有处理功能强、精度高和系统稳定性好等优点，并且由于大规模集成电路的不断发展，信号处理总的发展趋势是向着数字信号处理的方向发展。对于那些复杂信号的处理，更是如此。在2 0 世纪6 0 年代以前，信号处理主要是依靠模拟仪器来完成的。随着计算机技术的发展，研究人员开始利用计算机来代替模拟仪器。进入2 0 世纪6 0 年代，人造卫星、宇航探测及通信、雷达技术的发展，对信号分析的速度、分辨能力提出了更高的要求。随着大规模集成电路的迅速发展，计算机的运算速度迅速提高，这使得构成数字信号处理系统的硬件能够满足要求。1 9 6 5 年，美国的库利( j w c o o l e y ) 和图集( j w t u k e y ) 提出了快速傅里叶变换( f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m ，f 兀 ) 计算方法，使计算离散傅里叶变换( d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m ，d f r ) 的复数乘法次数大大的减少，把计算傅里叶变换的速度提高了几个数量级，取得了数字信号处理算法上的重大突破，它的出现不仅使实时信号的数字谱分析成为可能，而且为时域信号的快速处理提供了新途径，因此，这种算法被广泛的应用于数字信号处理的许多环节，大大地推动了信号处理科学的发展( 李力，2 0 0 7 ) 。2 0 世纪7 0 年代以后，许多新的算法不断出现。例如，1 9 6 8 年美国的雷德( c m r a d e r )提出数论变换f f l r ( n u m b e rt h e o r e t i ct r a n s f o r m sf f t ，n f f t ) 算法；1 9 7 6 年美国的维诺格兰德( s w i n o g r a d ) 提出了一种傅里叶变换算法( w i n o g r a df o u r i e rt r a n s f o r ma l g o r i t h m ，w f t a ) ，用它计算d f t 所需的乘法次数仅为f f r 乘法次数的1 3 ：1 9 7 7 年法国的努斯鲍默( h j n u s s b a u m e r ) 提出了一种多项式变换傅里叶算法( p o l y n o m i a lt r a n s f o r mf o u r i e rt r a n s f o r i l la l g o r i t h m ，p f t a ) 。此外，用于快速处理信号的器件信号处理芯片( d s p ) 的出现，对简化信号处理系统的结构、提高运算速度、加快信号处理的实时能力都有很大影响。这一成果，在图像处理、语言处理、谱分析、振动噪声和生物医学信号的处理方面，展示了很宽的应用前景。数字信号处理主要是研究离散变换快速算法、数字滤波技术和功率谱分析方法。数字滤波器设计大致可分为有限冲激响应型( f 双) 和无限冲激响应型( 1 i r ) 两类，可用硬件和软件两种方式来实现。在软件实现方式中，借助通用数字计算机按滤波器的设计算法编出程序进行数字滤波器计算；硬件实现方式是指按照具体的要求和算法，设计硬件结构图，用乘法器、加法器、延时器、控制器、存储器以及输入输出接1 2 1 部分实现的一种方法，这与模拟滤波器完全不同。数字信号处理系统容易用数字集成电路制成，显示出体积小、稳定性高、可程控等优点。对于谱分析，即在频域中描述信号特性，即可应用于确定信号，又可应用于随机信号。随机信号处理只能根据随机过程理论，利用统计方法来进行分析和处理，如经常用均值、方2引言差、相关函数、功率谱密度函数等统计量来描述随机过程的特征或随机信号的特性。随着大规模集成电路与计算机技术的飞速发展，数字信号处理理论研究也在不断地深入，新的理论和技术层出不穷。目前，对时变系统的研究和对非平稳信号、非高斯信号及非线性信号的分析逐渐成为新的数字信号处理研究热点。在处理方法上，逐渐发展到使用自适应滤波、离散小波变换、信号盲处理及分形理论等，这些方法建立的数学模型更加符合实际，对信号的先验信息要求更低，充分利用了信号观测值的有用信息( 李正周，2 0 0 8 ) 。其中，对于自适应滤波，它可以在无需先验知识的情况下，通过自适应或跟踪外部环境的非平稳随机变化，并最终逼近维纳滤波和卡尔曼滤波的最佳滤波性能。因而，自适应滤波器可以用来检测确定性信号以及平稳的或非平稳的随机信号。目前，自适应技术应用包括：自适应谱线增强与谱估计方法、自适应噪声干扰抵消技术、自适应均衡技术、自适应阵列处理与波束形成和自适应神经网络信号处理等。可以说，数字信号处理的理论和技术是目前高新理论和技术的强有力的基础。1 4 研究的主要内容本课题来源于国家科技支撑计划，项目名称：农业装备重大产品关键技术与装置研制。项目编号：2 0 0 6 b a d l1 a 0 3 。联合收割机在行驶过程中产生的振动信号是本文主要的研究对象，对采集到的振动信号进行分析处理，提取振动信号特征，设计数字滤波器消除振动干扰，以提高测产系统的测量精度。主要研究的内容如下：1 由传感器将联合收割机产生的振动信号输入到电荷放大器，再由电荷放大器输入到数据采集器并利用采集软件将数据保存到计算机中：2 基于m a t l a b 信号处理工具箱，将保存在计算机中的振动信号进行时频域分析仿真实验，提取信号特征；3 根据时域和频谱分析的结果，设计滤波器，滤除振动噪声。方案一：设计传统滤波器，即设计i i r 数字滤波器对振动信号进行消噪处理。方案二：由于联合收割机主要工作环境是在田间，地面环境对收割机产生振动的影响多为随机性的，因此利用自适应滤波器能够根据信号的改变而调节自身参数的特性，采用自适应信号处理中的噪声对消技术设计滤波器，以达到消除振动信号的目的。3。东北农业大学t 学硕士学位论文2 振动信号的分析与采集2 1 振动信号的描述振动是指物体或结构随着时间变化相对其平衡位置所做的往复运动，通常用位移、速度和加速度来描述，也可以是一些物理量如力和应变等按上述运动方式所做的变化。振动随时间变化的过程可以画成有坐标的曲线图形，通常横坐标为时间纵坐标为振动物理量的幅值。振动随时间变化曲线称为振动时程曲线，也称为振动波形。描述振动的信息称为振动信号。振动现象可分为两大类。一类为确定性振动。确定性振动的特点是振动是有规律性的，可以用确定的时间函数来描述物体的所有振动物理量。根据信号的时间历程记录是否有规律的重复出现，确定性信号又可分为周期信号和非周期信号。另一类则为随机振动，也称为非确定性振动，是相对应确定性振动而言的一种振动。随机振动的特点为振动无规律性，物体的任何振动物理量都不能用确定的时间函数来描述，也就是说不可能预见其任一瞬间出现的数值，也无法用实验的方法重复再现。随机振动只能用概率论和统计学的方法来描述。随机振动在客观世界中普遍存在，许多振动测试结果可以表明( 王济等，2 0 0 6 ) 。例如，在道路上行驶的车辆所受道路作用的振动，大气湍流对飞行器作用的颠簸，海浪、地震以及机械传动中的随机因素所导致的振动等，都能明显地反映出随机振动的特征。随机振动还可以分为平稳随机振动和非平稳随机振动。平稳随机振动是指运动的统计特性不随时间变化的随机振动。非平稳随机振动是指运动的统计特性随时间变化的随机振动。振动过程分类，如图2 1 所示。图2 1 振动过程分类f i g 2 - 1v i b r a t i o np r o c e s sc l a s s i f i c a t i o n对于波形不变的振动，无论波形是怎样的复杂，只要每次所得到的特征是一样的，它就不能够被称为随机振动。因为随机是概率的意思，而不是复杂的意思。所以，不能以波形的复杂还是简单来区别它是随机振动还是非随机振动。4振动信号的分析与采集由于随机振动的特点是振动无规律性，任何振动物理量都不能用确定的时间函数来表达，因此随机振动只能用数理统计的方法来描述。在时域中，随机振动基本特性的主要统计参数有概率密度函数、均值、均方值、方差以及相干函数等( 王济等，2 0 0 6 ) 。2 2 常用的振动信号分析方法常见的振动信号分析方法有波形分析法、轨迹分析法、频谱分析法、小波分析和e m d分析法等，其中频谱分析是振动分析法中最常用的方法。常用的频谱是功率谱和幅值谱。功率谱表示振动功率随振动频率的分析情况，物理意义比较清楚。幅值谱表示对应于各频率的谐波振动分量所具有的振幅，应用时显得比较直观，幅值谱上谱线高度就是该频率分量的振幅大小。频谱分析的目的就是将构成信号的各种频率成分都分解开来，以便于振源的识别( 高飞，1 9 8 9 ) 。2 3 振动信号处理的基本内容振动信号分析主要包含以下几个方面：信号测试、信号处理与分析和信号识别等，其中信号处理与分析是核心内容。在信号处理与分析方面，针对不同场合，有多种分析方法：时域分析有时域波形分析、自相关分析、时域滤波、时域平均、包络分析、小波分析等；频域分析包括f f r 幅值谱、功率谱分析、相位谱、a r 谱等；时频域分析包括短时傅里叶分析、维格纳( w i g n e r ) 时频分析等( 操炼，2 0 0 5 ) 。通过对采集到联合收割机产生的振动信号进行分析和处理，有效的提取其信号特征，分析结果，以达到消除振动干扰的目的。振动信号处理一般可以分为振动信号预处理、时域分析和频域分析等几个部分，分别介绍如下。2 3 1 振动信号预处理方法通过传感器、放大器和数据采集器对被测物体进行振动测试时所得的信号由于测试过程中测试系统外部和内部的影响必然在输出过程中夹杂着许多不需要的成分。这样就需要对所得振动信号做初步的加工处理，修正波形畸变，剔除混杂在信号中的噪声和干扰，削弱信号中的多余内容，强化突出感兴趣的部分，使初步处理的结果尽可能真实地还原成实际的振动信号，也就是尽可能还原振动的真实面貌( 王济等，2 0 0 6 ) 。通常振动信号预处理方法包括采样数据的标定变换：标定数据的物理单位，把采集得到的振动信号数据由量化转换成所测试的物理量：消除趋势项：将由于基线偏离所造成波形畸变加以修正，常用的消除趋势项的方法是多项式最d - - 乘法：采样数据平滑处理：消除混杂于信号中的高频噪声的干扰和影响，常用的方法有平均法和五点三次平滑法。5东北农业大学t 学硕士学位论文2 3 2 振动信号的时域处理振动信号的时域处理又称为波形分析，主要是对时域信号波形的分析处理。滤波是时域信号处理的重要内容。根据需要，滤除或保留实测信号波形的某些频率成分可通过滤波处理来实现。对于随机振动信号的时域处理，更为常用的是一些概率和数理统计的处理方法，如概率分布函数、概率密度函数、均值、均方值、方差和相关分析等。2 3 3 振动信号的频域处理频域处理也称为频谱分析，是建立在傅里叶变换的基础上的时频变换，处理得到的结果是以频率为变量的函数，称为谱函数。频域处理主要的方法有傅里叶变换，通过傅里叶变换结果的实虚部可转换成幅值谱和相位谱。随机振动信号的频域处理是以功率谱密度函数为基本函数。通过自功率谱和互功率谱可以导出频响函数和相干函数。另外，频域处理的方法还有细化傅里叶变换、实倒谱、复倒谱、三分之一倍频程谱以及反应谱等。2 4 振动测试系统振动测试系统是指测量并记录振动物理量的设备或系统。在计算机技术飞速发展和广泛应用的今天，振动测试设备也随之迅速发展起来。特别是以计算机为主体的振动信号采集和存储系统完全替代了古老的光记录和磁带记录设备，且数字化的振动信号则为振动信号处理技术开辟了广阔的应用天地。一般说来，基本的数字化振动测试系统主要由振动信号测量部分和振动数据采集部分组成( 王济等，2 0 0 6 ) 。2 4 1 振动信号测量振动信号测量部分由获取振动信号的传感器以及将传感器所输出地电信号进行加工的放大器或变换器组成。传感器是将振动信号转换成电参量的一种元件，也就是将被测的振动物理量转换成以电量如电压、电荷或电参量如电阻、电容、电感等为主要形式的信号。由于不同传感器输出信号电参量的单位或量级是不同的，往往需要通过相应的放大器或变换器对不同种类的电信号进行诸如放大、调制解调、阻抗变换等的处理加工，使之变为满足需要、便于输送以及可做数字化处理的模拟信号。通常处理后的模拟信号为电压信号。2 4 1 1 振动测试传感器振动测量中常用的传感器按用途分类有加速度计、速度计、位移计、应变计、力传感器、6振动信号的分析与采集动水压力计等。振动传感器可按工作原理分为两类。一类是发电式传感器，它的输入是振动物理量，输出直接是电量( 电荷、电压) 。这一类的传感器包括用于测量速度的电动式传感器，测量加速度和力的压电式传感器。另一类是参数式传感器，它的输入是振动物理量，输出是电参量( 电阻、电容、电感) 。电阻式传感器有应变计、应变式压力计和应变式加速度计，电容式传感器主要有加速度计、压力计和位移计，电感式传感器主要有电涡流式位移计等。压电式加速度传感器是一种常用的加速度计，它的工作原理是基于某些晶体( 称为压电晶体) 受力时在其表面产生电荷的压电效应。常见的压电晶体材料有石英晶体、人工合成的多晶体陶瓷( 如钛酸钡、锆钛酸铅等) 。压电传感器具有结构简单、体积小、重量轻、使用寿命长等优异的特点，适用于动态力学的测量，主要应用在加速度、压力或动态力等的测量中。压电式加速度传感器在飞机、汽车、船舶、桥梁和建筑的振动和冲击测量中已经得到了广泛的应用。2 4 2 振动数据采集振动数据采集部分由转换模拟信号为数字信号的数据采集器以及操纵数据采集器进行采样保存数字信号的计算机和采集软件系统组成。数据采集器的工作过程为首先按一定的等长度时间间隔对模拟信号进行采样及离散化，然后将离散时间信号的每一个瞬时模拟量通过模数转换装置转换成数字量即量化，于是得到时间离散的数字信号。2 4 2 1 采集系统的工作原理在振动测试中，振动测量仪器输出的是被测对象随时间连续变化的物理量，称为振动模拟信号。振动模拟信号的含义是这些物理量在时间和幅值上是可以连续取值的。随着数字技术的快速发展，采用计算机对振动信号进行采集、处理、显示、保存已经成为十分普遍的方式。将振动模拟量转换成与其相对应的数字量的装置称为模数( a d ) 转换器，也就是数据采集器的核心模块。数据采集是将连续的振动模拟信号按一定的相同的时间间隔进行抽取并按采集器的转换位数对所取的值进行整型化，转换成离散的数字信号并存于计算机内的过程。相应的系统称为数据采集系统。数据采集系统的任务是通过由计算机控制的数据采集器将振动测量仪器输出地模拟信号转换成计算机能识别的数字信号，然后送入计算机，并根据不同的需要由计算机进行相应的加工、处理、显示或保存。2 4 2 2 采样定理对连续信号采样后得到的离散信号应该保持信号的主要特性，既没有干扰，也没有失真，而这就涉及到采样频率的问题。采样频率选的过高，即采样间隔址过小，意味着对一定时间7东北农业大学工学硕十学位论文长度的波形抽取较多的离散数据，这将使数据量增大并导致后续分析处理工作量的增加，占计算机较大的存储空间和较多的运算时间，并且在对信号做傅里叶变换时，会导致频率分辨率下降。采样频率过低，则离散的时域信号可能不足以反应原来连续信号的波形特征。离散信号会发生频率混淆现象，丢失信号中所含的信息。为此，采样时采样频率必须高于信号成分中最高频率的2 倍，也就是必须满足仙农( s h a n n o n ) 采样定理，即其中工= f = 2 - 2 f m 双 n = 3 以( 2 1 )( 2 2 )式中：为采样频率；a t 为采样间隔： 为折叠频率，又称为奈奎斯特频率；厶。为连续信号的最高频率成分。为了减少或消除混淆现象的发生，在实际应用中，一般采样频率正的取值为信号最高有用频率的3 - - , 4 倍，以确保信号中高频成分的完整性。在测量联合收割机振动信号试验中，采用的主要设备：型号为4 3 8 2 的b k 石英压电式加速度传感器；型号为2 6 3 5 的b k 电荷放大器：台湾c l o c k 公司的型号为d s o2 9 0 2 的十二位数据采集器，选取的采样频率为5 0 0 h z 。振动传感器安装的位置在联合收割机的主梁上。振动测试系统，如图2 2 所示。被测物( 联合收割机)振动测试传感器1 1电荷放大器( b k 石英压电式加速度传感器4 3 8 2 ) r l ( b k 电荷放大器2 6 3 5 )p c 机数据采集器( d s o2 9 0 2 十二位数据采集器c l o c k 公司)图2 2 振动测试系统f i g 2 2v i b r a t i o nt e s ts y s t e m试验中采集得到的联合收割机振动数据，长度为1 0 0 0 、2 0 0 0 和5 0 0 0 个采样点的振动信号时域波形，分别如图2 3 、图2 _ 4 和图2 5 所示。从图中可以看出，时域波形无法直接观察得到振动信号的频谱特性，因此需要对振动信号做进一步的频谱分析。振动信号的分析与采集i乏趔1 q 采样点图2 - 3 振动信号时域波形( n = 1 0 0 0 )f i g 2 - 3v i b r a t i o ns i g n a l si nt i m ed o m a i nw a v e f o r m s ( n = 1 0 0 0 )图2 4 振动信号时域波形( n = 2 0 0 0 )f i g 2 4v i b r a t i o ns i g n a l si nt i m ed o m a i nw a v e f o r m s ( n = 2 0 0 0 )9乏覃l 星东北农业大学丁学硕士学位论文图2 - 5 振动信号时域波形( n - - 5 0 0 0 )f i g 2 5v i b r a t i o ns i g n a l si nt i m ed o m a i nw a v e f o r m s ( n = 5 0 0 0 )2 5 本章小结本章首先对振动信号尤其是联合收割机产生的振动信号的类型即随机振动进行了描述，介绍了振动信号处理的分析方法以及振动信号处理的基本内容，振动信号的采集过程，采集振动信号时所需仪器类型、工作原理，并利用m a t l a b 软件绘制出联合收割机振动信号不同采样点数的时域波形。l o基于m a t l a b 的联合收割机振动信号分析3 基于m a t l a b 的联合收割机振动信号分析信号是数字信号处理领域中最基本、最重要的概念。简单的说，信号是传递信息的载体，是信息的物理体现。几乎在科学技术的每一个领域中都要进行信号的处理。信号处理，就是用数值计算的方法对信号进行采集、变换、检测、滤波、参数估计等处理，以便得到用户需要的信号输出形式。为了解决联合收割机测产系统中振动信号干扰的问题，首先对采集到的振动信号进行分析，提取振动信号的特征。m a t l a b 是一款功能强大、易于使用的高效数值计算和可视化软件，它简单易用，可信度高，灵活性好，因而在许多领域中被广泛的使用。m a t l a b 还包括一系列被称为工具箱( t o o l b o x ) 的专业求解工具，这些工具箱扩展了m a t l a b 基本环境用于解决特定领域的工程问题，如数字信号处理、动态仿真、小波分析等领域。其中，m a t l a b 中的信号处理工具箱就是为信号处理领域开发的专业工具箱，由此，本课题将应用m a t l a b 作为编译工具，对存储到计算机里的振动信号数据进行软件分析和仿真实验。3 1m a t l a b 软件及信号处理工具箱3 1 1m a t l a b 简介m a t l a b 是m a t h w o r l c s 公司推出的一款功能强大、易于使用的高效数值计算和可视化软件，设计者的初衷是为解决“线性代数”的矩阵运算问题，取名m a t l a b 即m 疵m o m t o r y ( 矩阵实验室) 的意思，它为进行算法开发、数据计算与可视化、信号分析与图形显示提供了交互式应用开发环境。m a t l a b 语言是一种解释执行的语言，它灵活、方便，其调试程序手段丰富，调试速度快，需要学习时间少，并且把编辑、编译、连接和执行融为一体，因而在世界范围内被科学工作者、工程师以及学生广泛应用，目前已经成为国际市场上科学研究和工程应用方面的主导软件。m a t l a b 系统的基本函数库具有初等函数、初等矩阵和矩阵变换，包括线性代数方程组和矩阵特征值问题等数值线性代数、多项式运算和求根、函数的插值、数据的多项式拟合、数值积分、常微分方程数值解、单变量非线性方程求根、数据分析、傅里叶变换以及某些特殊的