一种基于多尺度小波变换的大功率微波加热系统微波源的故障检测方法

摘要

本发明公开了一种基于多尺度小波变换的大功率微波加热系统微波源的故障检测方法，属于故障检测及微波冶金技术领域。首先获取多尺度下微波源输入信号U(t)和输出信号I(t)的连续小波变换WfsU(t)和WfsI(t)，然后应用WfsI(t)的极值与输入信号U(t)造成的WfsI(t)的极值，最后计算极值产生的残差信号r(t)，根据残差r(t)在多尺度下的变化情况完成微波源的检测。本发明能够检测出微波源可能发生的阴极损坏、阳极损坏和能量输出器及天线的损坏3种类型的故障，既可以在线实时检测，又能够提高大功率微波加热系统微波源队列的经济性和可靠性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于多尺度小波变换的大功率微波加热系统微波源的故障检测方法，应用多尺度小波变换的极值点残差检测故障的方法，对微波源队列的工作状态及变化进行实时在线检测，属于故障检测及微波冶金技术领域。

背景技术

微波源是微波加热系统的心脏，它直接为微波加热系统提供热量源。微波源作为微波加热系统中不可或缺的部分，它的好坏往往决定着微波加热系统的性能。微波源发生故障后，微波加热系统谐振腔中的电场强度会发生变化。可通过电场强度的变化来判断微波源队列是否发生故障，但是不能判断出微波源发生故障的具体位置，进而采用多尺度小波变换的极值点残差检测故障的方法对微波源队列进行循环检测，准确检测出发生故障的微波源位置。不断检测微波源的变化和故障，一方面可以提高微波加热系统的可靠性和经济性；另一方面，由于多微波源队列合成的大功率系统其微波源数量众多，因此，对其运行状态的在线检测十分必要。

发明内容

本发明提供了一种基于多尺度小波变换的大功率微波加热系统微波源的故障检测方法，使用多尺度小波变换的极值点残差检测故障的方法，对微波源队列的工作状态及变化进行实时在线检测，能够提高大功率微波加热系统微波源队列的经济性和可靠性。

本发明的技术方案是：一种基于多尺度小波变换的大功率微波加热系统微波源的故障检测方法，所述方法的具体步骤如下：

步骤1、根据控制阳极电流来构建微波源的数学模型G(s)；

步骤2、计算微波源输入信号U(t)和输出信号I(t)在多尺度下的小波变换，即计算Wf

步骤3、用Wf

步骤4、比较Wf

作为本发明的优选方案，所述步骤1中，磁控管工作时，通过改变阳极电压来调节输出功率，将输出功率的反馈控制等效为阳极电流的控制，进而通过控制阳极电流构建出微波源的传递函数模型(数学模型G(s))，其中输入信号U(t)为阳极电压，输出信号I(t)为阳极电流。

作为本发明的优选方案，所述步骤2中，微波源输入信号U(t)和输出信号I(t)在多尺度下的小波变换表达式分别为：

式中，*表示卷积，s为尺度参数，

作为本发明的优选方案，所述步骤3中，输入信号U(t)的均值突变点是其小波变换Wf

作为本发明的优选方案，所述步骤4中，微波源系统发生故障和输入信号U(t)的均值突变都会导致输出信号I(t)的均值发生突变，可用Wf

令

其中

所述步骤4中，被检测对象微波源为线性系统，微波源可能发生的3种类型的故障为：

故障1(阴极损坏)：阴极寿命的提前终了；

故障2(阳极损坏)：在无合适保护措施的情况下，由于阳极散热严重不足导致阳极端面局部烧毁或严重变形，此外阳极块两端的隔膜带的变形造成相互短接，或隔膜带与阳极的短接导致谐振系统的变态或消失，致使磁控管无法正常起振；

故障3(能量输出器即天线的损坏)：磁控管工作在雷基图(负载特性曲线)不恰当的相位区中造成高频输出电流过大，会产生天线烧断、输出端陶瓷炸裂或天线帽局部烧毁等现象；工业微波加热设备中的各管位置的配置不当，或空炉运行等都会产生上述故障现象。

微波源发生故障后，其系统参数会发生变化，即

I(s)＝G(s)U(s)+ΔG(s)U(s)+E(s) (4)

式中，I(s)、U(s)、E(s)分别表示输出、输入和平稳随机噪声的拉氏变换，ΔG(s)为由故障造成的系统参数的变化。

微波源输入信号U(t)为分段平稳随机信号，假定其突变和故障是在不同时间发生的，而且微波源系统传递函数G(s)不存在位于原点的极点和零点，发生故障时ΔG(0)≠0。

当微波源没有发生故障时，由式(3)可知，即使输入信号U(t)发生了突变，残差r(t)也会随着尺度s的增大而趋于零；当微波源发生了故障后，输出信号I(t)会发生均值突变，而输入信号U(t)在一小段时间内是平稳的。因此，当尺度s增大时，Wf

本发明的有益效果是：

l、本发明能够在线实时检测微波源队列可能发生的3种类型的故障，提高了大功率微波加热系统微波源队列的经济性和可靠性；

2、本发明所述方法不仅可用于单个微波源的故障检测，也可以应用于微波源队列的故障检测，泛用性高；

附图说明

图1为本发明的流程框图；

图2为本发明中微波源系统控制的框图模型；

图3-图4为本发明中发生故障1后，输入信号U(t)和输出信号I(t)在多尺度下的小波变换；

图5-图6为本发明中发生故障2后，输入信号U(t)和输出信号I(t)在多尺度下的小波变换；

图7-图8为本发明中发生故障3后，输入信号U(t)和输出信号I(t)在多尺度下的小波变换；

具体实施方式

实施例1：如图1-8所示，一种基于小波变换的大功率微波加热系统微波源的故障检测方法，所述方法的具体步骤如下：

步骤1、根据控制阳极电流来构建微波源的数学模型G(s)；

所述步骤1中，磁控管工作时，通过改变阳极电压来调节输出功率，将输出功率的反馈控制等效为阳极电流的控制，进而通过控制阳极电流构建出微波源的传递函数模型(数学模型G(s))，其中输入信号U(t)为阳极电压，输出信号I(t)为阳极电流。

如图2所示为本发明中所构建的传递函数模型；图中A(s)是比例与积分环节，C

步骤2、计算微波源输入信号U(t)和输出信号I(t)在多尺度下的小波变换，即计算Wf

所述步骤2中，微波源输入信号U(t)和输出信号I(t)在多尺度下的小波变换表达式分别为：

式中，*表示卷积，s为尺度参数，

步骤3、用Wf

所述步骤3中，输入信号U(t)的均值突变点是其小波变换Wf

如图3-图4所示为发生故障1后，输入信号U(t)和输出信号I(t)在多尺度下的小波变换，各尺度分别为2、4、8。

如图5-图6所示为发生故障2后，输入信号U(t)和输出信号I(t)在多尺度下的小波变换，各尺度分别为2、4、8。

如图7-图8所示为发生故障3后，输入信号U(t)和输出信号I(t)在多尺度下的小波变换，各尺度分别为2、4、8。

步骤4、比较Wf

所述步骤4中，微波源系统发生故障和输入信号U(t)的均值突变都会导致输出信号I(t)的均值发生突变，可用Wf

令

其中

进一步地，所述步骤4中，被检测对象微波源为线性系统，微波源可能发生的3种类型的故障为：

故障1(阴极损坏)：阴极寿命的提前终了；

故障2(阳极损坏)：在无合适保护措施的情况下，由于阳极散热严重不足导致阳极端面局部烧毁或严重变形，此外阳极块两端的隔膜带的变形造成相互短接，或隔膜带与阳极的短接导致谐振系统的变态或消失，致使磁控管无法正常起振；

故障3(能量输出器即天线的损坏)：磁控管工作在雷基图(负载特性曲线)不恰当的相位区中造成高频输出电流过大，会产生天线烧断、输出端陶瓷炸裂或天线帽局部烧毁等现象；工业微波加热设备中的各管位置的配置不当，或空炉运行等都会产生上述故障现象。

微波源发生故障后，其系统参数会发生变化，即

I(s)＝G(s)U(s)+ΔG(s)U(s)+E(s) (4)

式中，I(s)、U(s)、E(s)分别表示输出、输入和平稳随机噪声的拉氏变换，ΔG(s)为由故障造成的系统参数的变化。

微波源输入信号U(t)为分段平稳随机信号，假定其突变和故障是在不同时间发生的，而且微波源系统传递函数G(s)不存在位于原点的极点和零点，发生故障时ΔG(0)≠0。

当微波源没有发生故障时，由式(3)可知，即使输入信号U(t)发生了突变，残差r(t)也会随着尺度s的增大而趋于零；当微波源发生了故障后，输出信号I(t)会发生均值突变，而输入信号U(t)在一小段时间内是平稳的。因此，当尺度s增大时，Wf

上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。