【正文】 10 模擬信號多功能處理板、研華 PCLD8710 模擬信號輸入調(diào)理板和計算機。 中國石油大學（華東）碩士學位論文 7 3. 出流系統(tǒng)：包括燒杯和天平 。 (2) 使用按扭式漢字下拉菜單，使操作更加方便快捷。 系統(tǒng)自檢窗體可以查看 設備的硬件、軟件是否都工作正常 (正常的情況下，所有的傳感器應該顯示正確的測量值 )。 結束實驗窗體可以停止應用軟件的執(zhí)行，回到 windows操作系統(tǒng)狀態(tài)下。數(shù)據(jù)采集的實驗步驟如下： 1. 原始檢漏各管路 。 3. 打開上游截止閥門、下游截止閥門， 在管路暢通且連通大氣的情況下， 對 上游壓力傳感器、下游壓力傳感器進行零點校正。 這里需要 說明的 是，各組數(shù)據(jù)均 只 采集了 200 個數(shù)據(jù)點，這是因為 系統(tǒng)故障是人為模擬出來的，并非 真正 的系統(tǒng) 故障，因此 為了不對系統(tǒng)造成損壞，實驗人員需要在短時間內(nèi)使其恢復正常。王衛(wèi)衛(wèi)等提出一種小波域相位水印算法，利用二進小波變換刻畫圖像的邊緣和紋理，直接在邊緣的相位成分中嵌入數(shù)字水印，水印檢測 則 利用相關 的 檢測器。趙瑞珍等利用小波變換能夠模擬人耳聽覺特性的優(yōu)點及其時頻局部化特性，對實際語音信號進行分析。實驗結果表 明，在缺乏先驗知識的條件下，小波變換能有效檢測出腦電信號 中短時 低能的瞬態(tài)脈沖 [14]。 方程頻域形勢的分析。 harr小波變換和最小方差估計用于差分 GPS的信號處理中，從而可以滿足某些指標更高精度的要求 [19]。 它 可以根據(jù)頻率的高 低使 時頻 窗口 變窄或變寬，即在低頻部分具有較高的頻率分辨率和較低的時間分辨率，在高頻部分具有較高的時間分辨率和較低的頻率分 辨率，很適合于探測正常信號中夾帶的瞬態(tài)反常現(xiàn)象并展示其成分， 并 被譽為分析信號的“顯微鏡” [21]。 由小波的定義 可知它 有兩個特點：一是“小”，即在時 頻兩 域都具有緊支集或近似緊支集；二是正負交替的“波動性”，也即直流分量為零。 以 圖 31所示 的 信號的三層 小波 多分辨率分析為例。 S A 1 D 1 A 2 D 2 A 3D 3 若函數(shù) 0()tV? ? 使 它的整個平移系 2{ (2 ) }j jt k k V? ? ??構成 j 的規(guī)范正交基， 則 稱()t? 為尺度函數(shù)（ Scaling Function ）， 相 應 的 空 間 jV 叫做尺度空間，并且2( ) 2 ( 2 )j jjk t t k??? ???。以上定義的函數(shù)集合 { ( )}n n Zt? ? 為由 0( ) ( )tt??? 所確定的小波包，由此，小波包 { ( )}n n Zt? ? 是包括尺度函數(shù) 0()t? 和小波母函數(shù) 1()t? 在內(nèi)的一個具有一定聯(lián)系的函數(shù)的集合。圖中， A表示低頻， D表示高頻 ，數(shù)字表示分解的層數(shù) 。本文將利用小波包的優(yōu)勢和特性，對大量數(shù)據(jù)進行小波包分析，從而為神經(jīng)網(wǎng)絡的故障診斷做好前期工作。 （ 2） 正 則性： 它 表現(xiàn)為小波基的可微性 。 對信號作小波變換時，要求小波在時域和頻域都具有緊支性或急衰性，而且需要緊支寬度窄或者衰減速度快。 運用小波包進行時頻分析時，要求能夠提取非平穩(wěn)信號的瞬時、奇異與突變成分，即提取有限頻帶上的信息，也就是在特定尺度上進行小波變換。 工程實踐經(jīng)驗告訴我們， dbN 小波因其具有正交、時頻緊支撐等特點，在信號處理領域大受歡迎。 在頻域上 ()??在 0?? 處有 N 階原點， ()t?的消失矩為 N 。 dbN 的小波 函數(shù) ()t? 和尺度函數(shù) ()t? 中的支撐區(qū)為 21N? ， 因此 N 越小，它的局部化特性好。 信號的小波包降噪 小波包降噪的方法和步驟 含噪的一維信號模型可以表示為如下形式： ( ) ( ) ( ) , 0 , 1 , 1s k f k e k k n?? ? ? ? ? , (314) 其中， ()sk 為含噪信號， ()fk為有用信號， ()ek 為噪聲信號， ? 為噪聲信號的偏差。 （ 2）小波包分解高頻系數(shù)的閾值 量化。 小波包降噪處理的方法一般有以下 三 種 [22]： （ 1）強制降噪處理 ： 該方法把小波分解結構中的高頻系數(shù)全部變?yōu)?0，然后再對信號進行重構處理。 降噪效果的評價標準 為了比較各種降噪方法的性能，需要 設定 降噪效果 評價標準。 （ 2）均方根誤差（ RMSE） 原始信號與估計信號之間的均方根誤差（ RMSE）定義如下： 21 ?[ ( ) ( ) ]nR M S E x n x nN??? (316) 其中， n 為離散采樣信號的長度。 中國石油大學（華東）碩士學位論文 17 故障信號的小波包降噪 本文通過 評價 一組 系統(tǒng)正常工作 信號的小波包降噪效果， 來 決定 對 所有信號降噪 的方法。 三種方法降噪的性能對比如表 32 所示。因此，本文采用從信號能量在各個子圖 37 系統(tǒng)正常工作時軟閾值降噪后的信號圖 Fig37 The soft threshold denoised signals of normal state 表 32 降噪效果的性能評價 Table32 Performance evaluation of denoising effect 圖 36 系統(tǒng)正常工作時硬閾值降噪后的信號圖 Fig36 The hard threshold denoised signals of normal state 中國石油大學（華東）碩士學位論文 19 空間的分布來提取故障特征值，即利用小波包分解，原信號的能量被分解到 2N 個正交頻帶上，在多層分解后的不同頻帶內(nèi)分析信號，使本不明顯的信號頻率特征在不同分辨率的若干個子空間中以顯著的能量形式表現(xiàn)出來。 3. 求各頻帶信號的能量： 。數(shù)據(jù)歸一化方法為 ： m in m in 1i i i i ix x x x x? ? ? ?（ t ） =2( （ t ） （ t ） )（ max （ t ） （ t ） ） (320) 式中， ix（ t） 表示原始數(shù)據(jù)， ix ?（ t） 表示歸一化 后 的數(shù)據(jù)， max ix（ t） 和 min ix（ t） 分別表示同一個輸入節(jié)點的 所有 數(shù)據(jù)中的最大值和最小值。因此，本文將采用給定硬閾值降噪方法對 120 組 信號 分別 進行降噪處理。 本文中，默認 閾值降噪 的閾值 由 MATLAB中自帶的小波 函數(shù) wpbmpen產(chǎn)生；給定閾值降噪 的閾值采用 Donoho提出估計閾值水平： 2lognt n?? (318) 式中， t 表示估計的閾值水平， n 是信號長度， ? 是信號的標準方差 [21]。 信 號的信噪比越高，原始信號與估計信號的均方根誤差越小。除此之外，還有 一個判定有用信號失真情況的指標 —— 峰值誤差，這個指標來考察降噪后峰值信號的失真程度 [28,29]。 （ 2）默認閾值降噪處理 ： 該方法利用函數(shù)產(chǎn)生的默認閾值對信號降噪。 （ 3）信號的小波包重構。 小波包降噪的步驟 為 ： （ 1）信號的小波包分解。而小波變換后的小波系數(shù)表明了小波與被處理信號之間的相似程度 ， 如果 系數(shù)比較大，就表明小波與信號的波形相似 度較大，反之則 相似度 較小。 （ 3）小波函數(shù) ()t? 可以由所謂“尺度函數(shù)” ()t? 求出來。 Daubechies小波具有以下特點 ： （ 1）在時域上是有限支撐的，即 ()t? 長度有限?？疾?故障信號可以發(fā)現(xiàn)，它們是不平滑的曲線，因此，小波函數(shù)的正則性也應 著重考慮 。 小波函數(shù) 緊支性 正交性 雙正交性 對稱性 Haar √ √ √ 對稱 Daubechies √ √ √ 近似對稱 Coiflets √ √ √ 近似對稱 Symlets √ √ √ 近似對稱 Morlet 對稱 Mexican hat 對稱 Meyr √ √ 對稱 表 31中列出了幾種常見小波基函數(shù)的性質(zhì) [23,24,25]。 若 重構時 小波基不夠光滑，則引入 的 誤差 將 關系到頻率分辨率的高低 。 目前，在小波 基 函數(shù)的選擇方面主要依據(jù)各種小波函數(shù)的性質(zhì)，主要有： （ 1） 消失矩 ： 它的 物理意義可以看作是利用小波函數(shù)逼近某一個信號時的收斂率。小波包 變換對此進行了改進，它可以同時在低頻和高頻部分進行分解，且各 頻帶既不交疊，也無遺漏。將其推廣到小波包， 為 便于比較，用 njW 表示 njU ，因此小波包空間分解為： 2 2 111n n n nj j j jW U U U ???? ? ? (38) 因為 0n? 對應著小波分解，所以我們只考慮 12n?， ， ? 和 12j?， ， ? 。 3． 3 小波包分析 小波包的定義 對于給定的正交尺度函數(shù)和小波函數(shù)，其二尺度關系為： 0( ) 2 ( 2 )kkt h t k????? (36) 1( ) 2 ( 2 )kkt h t k????? (37) 其中0 1 0 0 1( ) , ( ) ( ) ( )2kkh t t t t k dt? ? ? ? ?? ? ??，1 10 0 1( ) , ( ) ( ) ( )2kkh t t t t k dt? ? ? ? ?? ? ??，它們是多分辨率分析中的濾波器系數(shù)。 由圖可知，多分辨率分析只是 對低頻部分 做 進一步分解，而高頻部分則不予以考慮。 中國石油大學（華東）碩士學位論文 11 多分辨率分析 我們把平方可積的函數(shù) 2( ) ( )f t L R? 看成是某一逐級逼近的極限情況。當滿足條件 ??? ? ????? dC R 2)(? (31) 時，稱 )(t? 為一個基本小波或母小波。這種方法能有效的提取振動信號的突變特征 ，供識別系統(tǒng)進行診斷 [20]。這種方第 3 章 小波分析及信號處理 10 法可以使得問題的求解迅速而且所占內(nèi)存少 [17]。 在國外，小波變換的各種應用研究依然是熱點。該算法可用于提取語音的 精確 的 基音周期，準確的 進行聲調(diào)識別，并用實例說明了算法的有效性 [13]。趙育良、趙友庚等提出了一種基于小波變換的復雜航空照片的目標邊緣自動提取的新方法。魏海和沈蘭蓀對反對稱雙正交小波所具有的多尺度邊緣提取能力進行了理論分析，提出了一種反對稱雙正交小波變換域內(nèi)的多尺度邊緣提取算法，并通過實驗進行了驗證，該結果為在基于小波變換的壓縮數(shù)據(jù)域內(nèi)利用邊緣信息實現(xiàn)圖像檢索提供了依據(jù) [9]。 4. 設定平流泵排量為 5ml/min，采集平流泵正常工作 狀態(tài)時 的數(shù)據(jù) ，模擬 管路中 存在氣泡、出口處堵塞、流程泄漏 時的工作狀態(tài)， 分別采集 三種故障狀態(tài)時 的數(shù)據(jù)。若有，需要將系統(tǒng)壓力泄掉以后，再緊固泄漏的部位。因此，本文取平板夾持 器的上、下游壓力作為測點，壓力信號由 PCI1710采集。用戶在進行實驗之前，自行定義一個實驗名稱，系統(tǒng)就會以實驗名稱作為文件名，建立一個 Access 數(shù)據(jù)庫。 軟件的主要模塊有：零點 校正窗體、系統(tǒng)自檢窗體 、實驗測試 窗體、 數(shù)據(jù)處理窗體、結束實驗窗體。 所用到的 RS232 通信線連接到計算機的 COM 口 ， 可用 Windows XP 自帶的超級終端測試天平是否能夠與計 算機通信。 PCI1710是一款 PCI 總線的多功能數(shù)據(jù)采集卡 ，提供了 16 路單端或 8 路差分模擬量輸入 ， 或組合方式輸入 ， 采樣 速率 可達 100 ks/s。 該系統(tǒng)包括三個部分： 1. 注入系統(tǒng)：包括 一臺 美國 III 型 SSI 平流泵， 裝工作液的中間容器，以及 配置 2L的有機玻璃容器 。 平流泵是驅遣液體的動力源，它的工作狀況直接影響到整個實驗的成敗。 第 2 章 故障信號的采集 6 第 2 章 故障 信號的采集 儀器簡介 CDLY20xx 長期導流能力測試裝置 是油田井下作業(yè)中支撐劑評價實驗不可或缺的設備之一 ，它 主要用來測量在一定閉合壓力下不同支撐劑的導流能力。 第 3章 在分析了小波函數(shù)的眾多性質(zhì)并參考工程經(jīng) 驗的基礎上，選擇了適于本文 信號 處理 的小波函數(shù)，并 用該函數(shù)對信號 做 小波包降 噪、小波包分解與重構，從而提取了中國石油大學（華東）碩士學位論文 5 故障的能量特征向量，為以后的 BP神經(jīng)網(wǎng)絡故障診斷工作打下基礎。 鑒于傳統(tǒng)的 BP算法難于確定網(wǎng)絡結構和初始參數(shù)以及容易陷入極小值等缺陷，本文研究設計了 GA+BP算法。因此，本文針對該測試裝置中 的 平流泵展開故障診斷的研究。 本文的故障診斷仿真工作就是在 MATLAB 平臺上完成的。它的出現(xiàn)，不僅使科研和工程工作者