小波分析与分形方法在水电站振动信号处理中的应用研究

摘要

随着水电站高水头、大容量的发展趋势，要保证水电站机组及厂房结构安全、稳定的运行，对大型水力发电站的机组及厂房结构开展原型振动试验，并对实测的振动信号进行分析，是一项有重大意义的工作。 以往的做法是利用传统的幅域统计、时频分析和相关函数分析等方法对振动信号进行分析处理。虽然上述方法的应用广泛，理论和实用经验都很完善，但是它们还不能全面地描述振动信号所携带的信息，作法也不够简单直观。如何从一个新的角度来阐释水电站机组厂房是否能够稳定运行，并对振动信号所表征的故障形式加以诊断成为目前研究的热点问题。 本文结合李家峡水电站真机试验的工程实际，引入在其它领域被广泛应用的分形理论和小波分析，能够更加科学有效地描述振动的本质属性，指出哪些振动是可以接受的，哪些工况下的振动情况异常，可能会引起破坏。 首先通过小波系数的求解来直观的描述振动信号的自相似特征，验证了水电站机组及厂房振动信号的分形特性；引入了复杂性测度的概念，并比较了原信号与小波去噪后信号的相对复杂度，发现降噪后信号的复杂度明显降低，说明原信号中无序性、波动性大的噪声部分已经被有效地滤除掉了，验证了降噪的效果。结合非线性分形几何的相应理论，利用盒维法与关联维法分别对振动信号的分形维数进行计算。从分形维数的数值大小及其随工况的变化趋势来分析振动信号的本质属性，据此来判断哪些工况下机组及厂房结构能够稳定运行。将分形方法和小波分析相结合，对信号进行特征峰分析，能够得到谱分析所看不到的信息。最后，从振源分析和信号频谱分析的角度，对振动信号进行了故障诊断，将分形维数值直接作为判断故障原因的指标。 本文的分析结果表明，将小波分析和分形方法应用在水电站振动信号的分析处理，方法简单科学，结果直观准确，经过进一步的完善和改进，具有很好的应用前景。

目录

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第一章绪论

1.1机组振动的研究背景

1.2国内外的研究概况

1.3小波分析与分形方法的引入

1.3.1小波分析方法及其特点

1.3.2非线性分形方法及其特点

1.4本文的主要内容

第二章李家峡水电站机组及厂房结构振动原型试验综述

2.1李家峡水电站工程概况

2.2原型试验简介

2.2.1测点布置

2.2.2试验工况简介

第三章机组及厂房结构振动信号的小波分析

3.1小波分析的基本原理

3.1.1小波变换理论的发展

3.1.2小波变换的概念

3.2小波系数与信号的自相似性

3.3利用小波分析对振动信号进行降噪处理

3.3.1小波分析用于降噪的过程

3.3.2基本降噪模型

3.3.3从原始信号确定各级阈值

3.3.4去噪实例

3.4复杂性测度简介与信号复杂度分析

3.4.1复杂性测度简介

3.4.2振动信号的复杂度分析

第四章非线性分形分析在振动信号处理中的应用

4.1分形几何概述

4.1.1分形理论的发展历程

4.1.2分形特征描述及描绘分形的方法

4.2分形维数与复杂系统的状态描述

4.2.1分形维数

4.2.2复杂系统的描述方法——分维

4.3机组及厂房振动信号的分形盒维数计算

4.3.1盒维数的定义

4.3.2振动信号的盒维数

4.4机组及厂房振动信号的关联维数计算

4.4.1关联维数的定义

4.4.2振动信号的关联维数计算

4.5机组及厂房稳定运行的监测指标

第五章特征峰分析与故障诊断

5.1振动信号的特征峰分析

5.1.1小波包对振动信号的分解

5.1.2各频段振动信号的分形维数计算

5.1.3特征峰分析

5.2频谱分析和振源分析

5.3振动信号的故障诊断方法

5.3.1滤波技术的简要介绍

5.3.2对故障信号进行滤波

5.3.3分形维数与故障诊断

第六章结语

6.1本文总结

6.2本文的问题与研究展望

参考文献

发表论文和科研情况说明

致 谢