[发明专利]一种基于改进EMD分解的尾水管压力脉动综合评价方法

摘要

本发明提供一种基于改进EMD分解的尾水管压力脉动综合评价方法，涉及水轮机尾水管压力脉动信号故障特征提取及状态评价。利用改进经验模态分解（EMD）方法、指标能量及多尺度特征熵理论提取水轮机尾水管多测点压力脉动信号特征，建立一种综合评价指标，用一个指标评价尾水管压力脉动程度。通过基于经验模态分解区间阀值的降噪法去除尾水管压力脉动信号中的背景噪声干扰，然后经EMD分解出表示不同时间尺度的本征模态函数IMF，利用相关系数理论提取有效分量，选择指标能量（IER）作为特征参数对有效分量进行特征提取，并基于多尺度特征熵值理论，建立压力脉动能量变化到系统状态混乱程度的映射关系，从一种新的角度综合评价尾水管压力脉动状态。

主权项

1.一种基于改进经验模态分解的尾水管压力脉动综合评价方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1、采用包含多个代表性测点的信号采集系统，以获取尾水管压力脉动状态的全部信息；步骤2、对获取到的每个测点的监测信号，通过经验模态分解区间阀值降噪方法进行降噪处理，将真实的尾水管压力脉动信号从现场采集的含噪声信号中提取出来，降噪后的重构信号通过经验模态分解方法自适应地分解为不同频带的IMF分量；步骤3、对IMF分量中可能出现的伪分量，利用相关系数准则判断各个IMF分量与原信号之间的散度，根据预设的相关系数阀值，剔除分量中相关系数小于预设阀值的虚假IMF分量，提取具有显著特征的有效IMF分量；步骤4、计算各个有效IMF分量的指标能量和特征熵值，叠加各个分量的特征熵值，建立基于整个信号指标能量的多尺度特征熵；步骤5、综合尾水管压力脉动各个测点的多尺度特征熵值，将其作为尾水管系统稳定性指标，完成尾水管压力脉动状态的综合评价；所述步骤1中，多个代表性测点的位置，分别位于尾水管进口、进入门、肘管和尾水管出口，以全面获取尾水管压力脉动状态信息；所述步骤2中，首先，对现场每个测点的采集信号yi(t)利用经验模态分解为多个IMF分量，具体步骤如下：a)、先找到复合信号yi(t)波形图中局部极大值点和极小值点，采用三次样条插值将所有局部极大值点连接起来，得到上包络曲线ui(t)，所有局部极小值点连接起来得到下包络曲线li(t)，至此信号所有数据点都被包络在这两条包络线之间；b)、平均上下包络曲线求得均值曲线mi(t)，原信号数据与平均包络曲线相减得到一个新的数据序列yi1(t)；c)、检测yi1(t)是否满足分量的两个条件：一是一段数据序列，极值点和过零点数目必须相等或至多相差一点，二是信号局部零均值；若不满足，则将yi1(t)作为原始信号，重复上述a)、b)步骤，直到yi1(t)满足分量条件；d)、记IMFi1＝yi1(t)，IMFi1为信号yi(t)的第一个分量，将IMFi1从yi(t)中分离出去，得到差值信号ri1(t)，当ri1(t)不满足预设的停止准则时，将ri1(t)作为新的原始信号，重复上述a)、b)、c)步骤，得到第2个分量IMFi2；重复下去，直到达到停止条件，如公式(1)所示：e)、由此，信号yi(t)被分解为n个IMFij分量和一个残余分量rin(t)即如公式2所示：所述的停止准则满足两个条件：1)残余分量比预期更小；2)残余分量变成单调函数；再根据每个测点信号分解成的多个分量IMFij与原信号yi(t)之间的相关系数ρij确定需要处理的含噪声信号分量；受噪声干扰信号分量消噪后的分量表达形式为：式中，T_i为降噪阀值，为第i个测点第j个分量的第k个极值点所对应时间，为第i个测点第j个分量的第k个极值点所对应极值大小，所表示时间为第i个测点第j个分量的第k个极值点相邻近两个零点的时间区间，当第k个极值点极值大于该分量降噪阀值时，该极值点两个临近零点间波形保持不变，当第k个极值点小于等于该分量阀值时，该极值点两个临近零点间波形取值为0；式中p为离散采样点数，σi为噪声信号的波动估计值，依据信号分量的中位数确定，计算公式为：其中median代表求中位数，因此，降噪后的压力脉动信号表达式为：式中：r_i(t)为第i个压力脉动通道信号降噪后残余分量，last表示大于一个常数的相关系数中最大的一个m值，m为尾水管压力脉动信号采集系统中信号测点，ρ(m)代表相关系数计算；L为降噪后压力脉动信号经经验模态分解后得到的IMF数量。