基于多参数自适应随机共振的电流弱信号提取技术

　　基于多参数自适应随机共振的电流弱信号提取技术

万年红１，蒋端２，徐光华２，３，刘弹２，罗爱玲２

．西安交通大学机械工程学院，西安７１００４９１．上海宝钢工业技术服务有限公司技术中心，上海２０１９００２

３．西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室，西安，　　７１００５４

　　　　摘要：针对电机电流信号中微弱故障特征难以识别的问题，本文提出了多参数自适应随机共振的电流弱信号处理方法。该方法首先采用免疫算法实现了随机共振系统和二次采样尺度的多参数优化调节，大大提高了大参数情况下的弱信号识别能力；然后应用基于余弦拟合的反演算法实现了对弱故障信号幅值的准确估计，有效解决了电流信号中弱故障的状态量化辨识问题。本文利用ＭＡＴＬＡＢ模拟被噪声淹没的含有微弱故障特征的电流信号，并对昆明机床厂生产的落地铣镗床ＴＪＫ６９１６采集其主轴驱动电机定子电流信号，将该方法与现有的电流信号分析方法进行了比较分析。仿真结果表明，基于多参数自适应随机共振的电流弱信号提取技术能够有效地提取微弱的特征频率，并较准确地估计该特征的幅值。

关键词：随机共振；免疫算法；电流弱信号；多参数自适应

中图分类号：ＴＨ２１２；　ＴＨ２１３．３

文献标识码：Ａ

Ａｄａｐ　ｔｉｖｅ　Ｍｕｌｔｉ－ｐａｒａｍｅｔｅｒ　Ｓｔｏｃｈａｓｔｉｃ　Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ　Ｍｅｔｈｏｄ　ｆｏｒ　Ｔｈｅ　Ｃｕｒｒｅｎｔ　Ｗｅａｋ　Ｓｉｇｎａｌ　Ａｎａｌｙｓｉｓ

ＩＵ　Ｄａｎ　２，ＬＩＡＮＧ　Ｄｕａｎ　２，ＸＵ　Ｇｕａｎｇ－ｈｕａ２，ＬＵＯ　Ａｉ－ｌｉｎｇ２ＷＡＮ　Ｎｉａｎ－ｈｏｎｇ　１Ｊ

１．　Ｓｈａｎｇｈａｉ　Ｂａｏｓｔｅｅｌ　Ｉｎｄｕｓｔｒｙ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌ　Ｓｅｒｖｉｃｅ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ，　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｃｅｎｔｅｒ，　Ｓｈａｎｇｈａｉ　２０１９００；

　　　　　　　　　　　　　　　２．　Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，　Ｘｉ＇ａｎ　Ｊｉａｏｔｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，　Ｘｉ＇ａｎ　７１００４９；

３．　Ｓｔａｔｅ　Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｆｏｒ　Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍｓ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，　Ｘｉ＇ａｎ　Ｊｉａｏｔｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，　Ｘｉ＇ａｎ　７１００５４

　　　　　　Ａｂｓｔｒａｃｔ：　Ｆｏｒ　ｅｘｔｒａｃｔｉｎｇ　ｗｅａｋ　ｆａｕｌｔ　ｆｅａｔｕｒｅｓ　ｉｎ　ｍｏｔｏｒ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｓｉｇｎａｌ，　ａ　ｓｉｇｎａｌ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｍｕｌｔｉｐａｒａｍｅｔｅｒ　ａｄａｐｔｉｖｅ　

ｓｔｏｃｈａｓｔｉｃ　ｒｅｓｏｎａｎｃｅ　ｉｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ．　Ｔｈｉｓ　ｍｅｔｈｏｄ　ｕｓｅｓ　ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ　ｉｍｍｕｎｅ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ａｎｄ　ｓｅｃｏｎｄ　ｓａｍｐｌｉｎｇ　ｓｃａｌｅ　ａｄｊｕｓｔｍｅｎｔ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｍｕｌｔｉｐａｒａｍｅｔｅｒ　ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ｔｏ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｅｘｔｒａｃｔｉｎｇ　ｗｅａｋ　ｓｉｇｎａｌｓ　ｗｉｔｈ　ｌａｒｇｅ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ．　Ａｎｄ　ｔｈｅｎ　ｉｔ　ｕｓｅｓ　ａ　ｒｅｔｒｉｅｖａｌ　ｍｅｔｈｏｄ　ｂａｓｅ　ｏｎ　ｃｏｓｉｎｅ　ｆｉｔｔｉｎｇ　ｔｏ　ｅｓｔｉｍａｔｅ　ｍｏｒｅ　ａｃｃｕｒａｔｅ　ａｍｐｌｉｔｕｄｅ　ｏｆ　ｍｏｔｏｒ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｓｉｇｎａｌｓ　ｗｉｔｈ　ｗｅａｋ　ｆａｕｌｔ　ｆｅａｔｕｒｅｓ．　Ａｓ　ａ　ｒｅｓｕｌｔ，　ｉｔ　ｓｏｌｖｅｓ　ｔｈｅ　ｐｒｏｂｌｅｍ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｑｕａｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｗｅａｋ　ｆａｕｌｔ　ｆｅａｔｕｒｅｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｍｏｔｏｒ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｓｉｇｎａｌ．　Ａ　ｍｏｔｏｒ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｓｉｇｎａｌ　ｗｉｔｈ　ｗｅａｋ　ｆａｕｌｔ　ｆｅａｔｕｒｅｓ　

ｄｒｏｗｎｅｄ　ｂｙ　ｎｏｉｓｅ　ｗａｓ　ｓｉｍｕｌａｔｅｄ．　Ｃｏｍｐａｒｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｐｒｅｓｅｎｔ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｍｏｔｏｒ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｓｉｇｎａｌ，　ｓｉｍｕｌａｔｅｄ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｉｓ　

ｍｅｔｈｏｄ　ｃａｎ　ｅｘｔｒａｃｔ　ｔｈｅ　ｆａｕｌｔ　ｆｅａｔｕｒｅ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ，　ａｎｄ　ｅｓｔｉｍａｔｅ　ｔｈｅ　ａｍｐｌｉｔｕｄｅ　ｍｏｒｅ　ａｃｃｕｒａｔｅｌｙ．

Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：　ｓｔｏｃｈａｓｔｉｃ　ｒｅｓｏｎａｎｃｅ；　ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ　ｉｍｍｕｎｅ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ；　ｍｕｌｔｉｐａｒａｍｅｔｅｒ　ａｄａｐｔｉｖｅ；　ｗｅａｋ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｓｉｇｎａｌｓ

第Ｓ期万年红等：基于多参数自适应随机共振的电流弱信号提取技术

用朗之万方程来表达，譬：一掣＋占（亡）：疗（舌）（１）

ｄｔ刁石

１

１

式中，∥ｏ）：一三甜２＋三船２是势函数，ａ和ｂ

２

４

为系统参数，ｓ（ｔ）为输入的微弱周期信号，刀（芒）为白

噪声，且ｎ（ｔ）＝４２Ｄ６（ｔ）。朗之万方程描述了处于

双势阱中的布朗粒子受到随机力和周期作用力的共同作用时，在过阻尼条件下的运动方程。如果噪声强度合适，布朗粒子就会在两个势阱来回波动，也就是系统会输出与微弱周期信号同频的周期信号，势阱间的距离就是输出信号的幅值，由于两个势阱间的距离远大于输入信号的幅值，因此随机共振系统的输出信号会放大微弱的周期输入信号。１．２人工免疫算法

遗传算法和人工免疫算法是两种常用的参数寻优算法。遗传算法模拟了达尔文的进化理论，它是随机地寻找最优参数，所以有时会产生退化现象。人工免疫算法模拟了自然免疫系统，在寻优的过程中保留了优秀个体，使其总是向更优的方向发展。人工免疫算法包括否定选择算法，克隆选择算法以及复杂人工免疫算法等等。这里采用克隆选择算法进行参数优化。

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