基于小波变换与频域相干函数融合式喘振报警方法

技术领域

本发明涉及燃气轮机压气机试验测量领域，特别涉及一种基于小波变换与频域相干函数融合式喘振报警方法。

背景技术

现有技术中，压气机在进入喘振时会产生剧烈的气流振荡，导致多级叶片长时间承受较大激振力，严重时会对发动机的结构造成毁灭性破坏，是影响试验安全的重要因素之一。在试验中需要在喘振发生的第一时刻对其精准和快速识别，从而采取消喘措施。

喘振报警是通过对比分析压气机稳定工作状态，与进入喘振时流场动态压力特征的差异性来判定压气机是否进入喘振。动态压力特征分析基于数字信号处理技术，一般包括时域分析法、频域分析法以及时频域相结合的分析方法。

一、时域分析法是基于直接测量信号的时序变化，算法虽然简单，但是仅关注信号总量变化趋势，不对成分加以区分。因此其预判能力有限，只有在压缩系统已经发生比较明显的失稳现象时，才能识别出来。

二、频域分析法其原理是通过对一定长度的采集信号进行傅里叶变换，可以确定压气机不同工况下和不同失稳形态下的频率特征，对于高频噪声有更强的抗干扰能力，但存在的问题是无法实现喘振时间的定位；

三、时频分析法是应用较多的方法，在实现频谱分析的同时，具有时序定位能力。常见的时频分析方法是短时傅里叶变换，但受固定窗函数的限制无法兼顾时域和频域精度，不适用于突变信号分析。小波分析可直接观察各频段的时域波形，对瞬态突变有很高的时域辨识能力，但在有限的分解层数下对于各频段内具体频率成分变化的敏感性不足。

由此可见，现有分析方法具有诸多问题：

一、常规时域分析中对喘振特征信号变化不敏感且抗干扰能力较差的问题；

二、常规频域分析中无法精准捕捉喘振突变信号发生时刻的问题；

三、常规时频分析中无法同时保证高精度时域辨识与频域辨识能力的问题，以及在分段频域中如何识别微小幅频变化的问题。

由此可见，本申请发明人设计了一种基于小波变换与频域相干函数融合式喘振报警方法，以期克服上述技术问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中分析方法对信号变化不敏感，抗干扰能力较差处，无法精确捕捉喘振突变信号发生时刻的缺陷，提供一种基于小波变换与频域相干函数融合式喘振报警方法。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：

一种基于小波变换与频域相干函数融合式喘振报警方法，其特点在于，所述喘振报警方法包括以下步骤：

S

S

S

S

S

S

根据本发明的一个实施例，所述步骤S

分析窗口向前滑动数据量长度△L，更新分析窗内数据，更新后信号记作X2’，并再次计算其时域极差值，记作A

其中时域极差值A

式中，P

根据本发明的一个实施例，与所述步骤S

根据本发明的一个实施例，所述频域相干函数C

根据本发明的一个实施例，当压气机在稳定工作时，相邻窗口脉动压力的功率谱相似，所述频域相干函数接近1；

当压气机进入喘振时，脉动压力频谱发生显著变化，所述频域相干函数急剧减小；

其中，

根据本发明的一个实施例，

；

；

表示自相关系数；L表示数据分析窗口长度；m表示数据点；

；

；

X2表示分析窗口信号；X2’表示更新后信号；

为相邻分析窗X2与X2’信号的互功率谱密度，所述互功率谱密度通过以下公式计算获得：

；

表示互相关系数；L表示数据分析窗口长度；m表示数据点；

；X2表示分析窗口信号；X2’表示更新后信号。

根据本发明的一个实施例，所述步骤S

；

表示第i+1次与第i次构成的时域判定参数；

根据本发明的一个实施例，所述步骤S

；

表示t到t+1时刻的频域判定参数；

表示t到t+1时刻的相干函数在分析带宽内平均值。

根据本发明的一个实施例，所述步骤S

对分析窗进行持续迭代更新，每次分析窗数据更新数据量长度△L，数据长度L保持不变；

每更新一次数据，计算一次相邻窗口的时域判定参数T和频域判定参数C。

根据本发明的一个实施例，所述步骤S

当

当

当

表示第i+1次与第i次构成的时域判定参数；

T

本发明的积极进步效果在于：

本发明基于小波变换与频域相干函数融合式喘振报警方法，具有如下诸多优势：

一、通过融合小波变换技术及频域相干函数，实现了喘振异常在时频域双维度的高精度解析，即在复杂工程环境中具有强抗干扰能力的同时，对时序突变异常实现精准捕捉。同时，提高喘振频域辨识的精度，弥补基于小波变换在频域中，对幅频成分细节变化的敏感性不足。

二、滚动窗口方法保证了数据的连续采样分析，并以最近相邻的窗口间的时频变化特征作为判定准则，因此保证了压气机状态监控的高时效性，此外仅依靠一个分析窗进行滚动计算可规避历史参考数据的长时影响。

三、所述喘振报警方法可应用于航空发动机、燃气轮机压气机部件及整机的喘振报警监测，有效提高试验安全，降低型号研制风险与成本。

附图说明

本发明上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变的更加明显，在附图中相同的附图标记始终表示相同的特征，其中：

图1为本发明基于小波变换与频域相干函数融合式喘振报警方法中，含高频噪声原始信号的示意图。

图2为本发明基于小波变换与频域相干函数融合式喘振报警方法中，小波变换重构后信号及分析窗口更新的示意图。

图3为本发明基于小波变换与频域相干函数融合式喘振报警方法中，相邻分析窗频域相干函数C

图4为本发明基于小波变换与频域相干函数融合式喘振报警方法中，时域判定参数T及判定阈值T

图5为本发明基于小波变换与频域相干函数融合式喘振报警方法中，频域判定参数C及判定阈值C

具体实施方式

为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。

现在将详细参考附图描述本发明的实施例。现在将详细参考本发明的优选实施例，其示例在附图中示出。在任何可能的情况下，在所有附图中将使用相同的标记来表示相同或相似的部分。

此外，尽管本发明中所使用的术语是从公知公用的术语中选择的，但是本发明说明书中所提及的一些术语可能是申请人按他或她的判断来选择的，其详细含义在本文的描述的相关部分中说明。

此外，要求不仅仅通过所使用的实际术语，而是还要通过每个术语所蕴含的意义来理解本发明。

如图1至图5所示，本发明公开了一种基于小波变换与频域相干函数融合式喘振报警方法，其包括以下步骤：

步骤S

步骤S

步骤S

步骤S

所述步骤S

分析窗口向前滑动数据量长度△L，更新分析窗内数据，更新后信号记作X2’，并再次计算其时域极差值，记作A

其中，时域极差值A

式中，P

与所述步骤S

所述频域相干函数C

当压气机在稳定工作时，相邻窗口脉动压力的功率谱相似，所述频域相干函数接近1；

当压气机进入喘振时，脉动压力频谱发生显著变化，所述频域相干函数急剧减小；

其中，

为相邻分析窗X2与X2’信号的自功率谱密度，所述自功率谱密度通过以下公式计算获得：

；

；

表示自相关系数；L表示数据分析窗口长度；m表示数据点；

；

；

X2表示分析窗口信号；X2’表示更新后信号。

为相邻分析窗X2与X2’信号的互功率谱密度，所述互功率谱密度通过以下公式计算获得：

。

表示互相关系数；L表示数据分析窗口长度；m表示数据点；

；X2表示分析窗口信号；X2’表示更新后信号。

步骤S

优选地，所述步骤S

。

表示第i+1次与第i次构成的时域判定参数；

进一步地，所述步骤S

。

表示t到t+1时刻的频域判定参数；

进一步优选地，所述步骤S

对分析窗进行持续迭代更新，每次分析窗数据更新△L，数据长度L保持不变。

每更新一次数据，计算一次相邻窗口的时域判定参数T和频域判定参数C。

例如，迭代i次后，两个参数集可记作：

。

步骤S

优选地，当

当

当

表示第i+1次与第i次构成的时域判定参数；

T

根据上述方法步骤描述，本发明基于小波变换与频域相干函数融合式喘振报警方法，实现了如下创新之处：

一、对原始信号进行小波变换后，用指定层级粗略小波系数进行信息重构，去除高频噪声；

二、采用滚动窗口对重构信号进行时频域两个维度的高精度分析；

三、时域采用极差法，分析相邻窗口的极差时序变化量；频域采用相干函数法，分析相邻窗口间的具体频谱成分与幅值的相似性，识别微小幅频变化；

四、当相邻窗口极差变化超过设定阈值且频域相干函数低于设定阈值时发出喘振报警。

综上所述，本发明基于小波变换与频域相干函数融合式喘振报警方法，具有如下诸多优势：

一、通过融合小波变换技术及频域相干函数，实现了喘振异常在时频域双维度的高精度解析，即在复杂工程环境中具有强抗干扰能力的同时，对时序突变异常实现精准捕捉。同时，提高喘振频域辨识的精度，弥补基于小波变换在频域中，对幅频成分细节变化的敏感性不足。

二、滚动窗口方法保证了数据的连续采样分析，并以最近相邻的窗口间的时频变化特征作为判定准则，因此保证了压气机状态监控的高时效性，此外仅依靠一个分析窗进行滚动计算可规避历史参考数据的长时影响。

三、所述喘振报警方法可应用于航空发动机、燃气轮机压气机部件及整机的喘振报警监测，有效提高试验安全，降低型号研制风险与成本。

对于本领域技术人员来说，上述发明披露仅仅作为示例，而并不构成对本申请的限定。虽然此处并没有明确说明，本领域技术人员可能会对本申请进行各种修改、改进和修正。该类修改、改进和修正在本申请中被建议，所以该类修改、改进、修正仍属于本申请示范实施方式的精神和范围。

同时，本申请使用了特定词语来描述本申请的实施例。如“一个实施例”、“一实施例”、和/或“一些实施例”意指与本申请至少一个实施例相关的某一特征、结构或特点。因此，应强调并注意的是，本说明书中在不同位置两次或多次提及的“一实施例”或“一个实施例”或“一替代性实施例”并不一定是指同一实施例。此外，本申请的一个或多个实施例中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。

同理，应当注意的是，为了简化本申请披露的表述，从而帮助对一个或多个发明实施方式的理解，前文对本申请实施方式的描述中，有时会将多种特征归并至一个实施方式、附图或对其的描述中。但是，这种披露方法并不意味着本申请对象所需要的特征比权利要求中提及的特征多。实际上，实施方式的特征要少于上述披露的单个实施方式的全部特征。一些实施方式中使用了描述成分、属性数量的数字，应当理解的是，此类用于实施方式描述的数字，在一些示例中使用了修饰词“大约”、“近似”或“大体上”来修饰。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式作出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。