在線傳感器突變信號(hào)的檢測(cè)與區(qū)分

　　2．1頻帶分析方法

　　設(shè)信號(hào)X(t)的頻帶寬度為[0，f]，分解層數(shù)為N，則多分辨率分解后，各空間對(duì)應(yīng)的信號(hào)頻率范圍對(duì)不同頻帶內(nèi)的信號(hào)分析的方法．通常可以根據(jù)感興趣的信號(hào)頻率范圍,將信號(hào)在一定的尺度上分解，從而提取相應(yīng)頻帶內(nèi)的信息．若是對(duì)各頻帶內(nèi)的信號(hào)的能量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，形成反映信號(hào)能量的特征向量，稱之為頻帶的能量分析．

　　2．2小波頻帶與能量積分

　　小波頻帶分析技術(shù)的理論依據(jù)是Parseval能量積分等式，對(duì)于離散正交小波變換，Parseval等式為

　　式中：x(t)為待分析的信號(hào)；x(t)，ψm,n(t)>為小波變換系數(shù)．式(1)將信號(hào)時(shí)域的能量和小波展開域的能量對(duì)應(yīng)起來(lái)，這樣就可以根據(jù)各頻帶內(nèi)的小波系數(shù)變化研究信號(hào)x(t)的組成頻率的變化．

　　2．3分析步驟

　　根據(jù)表1中的分析結(jié)果，基于多分辨率分析的能帶分析實(shí)現(xiàn)如下：

　?、倮孟到y(tǒng)數(shù)學(xué)模型的先驗(yàn)知識(shí)，確定對(duì)象的截止頻率ωc，以0～10ωc作為系統(tǒng)帶寬；

　?、诖_定合適的采樣頻率，保證電磁干擾信號(hào)能被采集到，若采樣頻率為f，則分析頻率

　?、鄞_定合適的小波分解層數(shù)N,使得0～lOωc正好包括在低頻空間VN內(nèi)，并把整個(gè)分析空間分成相對(duì)的低頻空間和高頻空間,除系統(tǒng)帶寬所在的低頻空間VN外，其余空間WN，WN-1，Wl合并為高頻空間;

　?、苓x擇合適的小波函數(shù)進(jìn)行多分辨率分解,將分解所得的小波系數(shù)，按照式(1)計(jì)算相應(yīng)空間(頻帶)內(nèi)信號(hào)的能量，形成表征空間中信號(hào)能量的二維向量e=[e1，e2]，其中e1表示低頻信號(hào)的能量，e2表示高頻信號(hào)的能量;

　?、莅驯碚骺臻g能量的二維向量e=[e1，e2]歸一化處理，即

　　進(jìn)行特征分析．e01代表低頻信號(hào)的能量與總能量之比，e02代表高頻信號(hào)的能量與總能量之比.

　　3 仿真分析

　　作者對(duì)圖1所示的典型系統(tǒng)進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，在正常工作狀態(tài)時(shí)，Gc(s)，Gv(s)，Go(s)的取值同前，

　　在系統(tǒng)穩(wěn)定的不同時(shí)刻，分別使R(s)，D1(s)發(fā)生單位階躍變化；D2(s)由0變?yōu)榉禐?的脈沖信號(hào)或0．2sin100πt的周期信號(hào)；對(duì)象和傳感器的特性傳函在正常值與故障值之間切換，以模擬引起輸出信號(hào)突變的5種原因、6種形式，并采集各突變過(guò)程的數(shù)據(jù)．不論那種原因引起的信號(hào)突變，其高頻信號(hào)分量瞬間產(chǎn)生，很快消失.所以在采集到的信號(hào)的總能量中，高頻分量占的比率較小，為了提高檢測(cè)的靈敏度，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行了去“直流”處理，即把采樣數(shù)據(jù)與信號(hào)突變前10點(diǎn)的平均值相減．另外在采樣數(shù)據(jù)中加入了方差為0．003的零均值白噪聲．系統(tǒng)的采樣頻率f=200Hz，分析頻率fo=100 Hz，選用了db4小波對(duì)信號(hào)進(jìn)行了3層分解，這樣低頻空間的信號(hào)頻率范圍是0～12．5 Hz，高頻空間的信號(hào)頻率范圍是12．5～100 Hz，并對(duì)分析所得的高頻系數(shù)進(jìn)行了硬閾值去噪處理，然后按照式(1)進(jìn)行了能量比統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見表2．

　　表2中，外部電磁場(chǎng)干擾引起的突變信號(hào)的低頻分量的比例較小，其原因是去“直流”的結(jié)果；被控對(duì)象故障引起的突變信號(hào)的高頻分量的比很小，其原因是由于本仿真中采用的傳感器的輸入頻帶也只有十幾Hz.表2的仿真結(jié)果與表l的理論分析結(jié)果的一致性，說(shuō)明了本方法的有效性.

　　4 實(shí)驗(yàn)研究

　　以某恒壓供水系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，如圖4所示，壓力傳感器為L(zhǎng)DG-S型．經(jīng)測(cè)試，廣義對(duì)象的傳遞函數(shù)G(s)=l／(0．22s+1).調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)定值：比例度P=142％，積分時(shí)間ti=3 s，微分時(shí)間td=2 s，由此可估計(jì)出低頻段頻率小于4 Hz.在系統(tǒng)穩(wěn)定的不同時(shí)刻，調(diào)整給定值以模擬給定輸入突變信號(hào)，調(diào)整零點(diǎn)以模擬傳感器恒偏差故障，調(diào)整調(diào)節(jié)器比例度以模擬調(diào)節(jié)器故障，頻繁啟停周圍電機(jī)以模擬電磁場(chǎng)引起的傳感器輸出突變，采集各種情況下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)．系統(tǒng)的采樣頻率f=128 Hz，分析頻率fo=64 Hz,選用db4小波對(duì)信號(hào)進(jìn)行了4層分解，這樣低頻空間的信號(hào)頻率范圍是0～4 Hz，高頻空間的信號(hào)頻率范圍是4～64 Hz，并對(duì)分析所得的高頻系數(shù)進(jìn)行了硬閾值去噪處理，然后按照式(1)進(jìn)行能量比統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見表3.由表3可知，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與表2的仿真結(jié)果和表1的理論分析結(jié)果相一致，說(shuō)明了本方法的有效性．

　　5 結(jié)論

　　傳感器輸出的突變信號(hào)包含著很重要的故障信息,突變?cè)虿煌?，突變信?hào)的頻率組成不同．對(duì)于時(shí)間常數(shù)較大的被控對(duì)象，通常由給定輸入變化、干擾變化、控制器故障及執(zhí)行器故障引起的傳感器突變信號(hào)中，一般只有低頻成份.被控對(duì)象故障引起的突變信號(hào)中，一般也只有低頻成份．由外部電磁場(chǎng)干擾引起的突變信號(hào)一般為脈沖信號(hào)，包含低頻成份和較多的高頻成份．由傳感器偏差故障的突變信號(hào)中，除含有低頻成份外，還含有少量的高頻分量.

　　本文中提出的基于系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的小波頻帶分析方法，對(duì)數(shù)學(xué)模型的精度要求不高，能夠有效地診斷出傳感器的故障，為傳感器的故障檢測(cè)與性能評(píng)估提供了新的思路．