变尺度共振理论及其在故障诊断中的应用

可变尺度共振理论及其在故障诊断中的应用

复杂的激励和系统参数的变化会引起非线性系统丰富的共振模式。非线性系统的共振是机械、土木、通信等工程领域的一个重要问题。在科学研究和工程实践过程中，信号处理往往是第一步，也是最重要的一步。对于淹没在强噪声背景中的微弱高频特征信号，信号增强和提取一直是个难题。然而，这种信号通常包含重要的特征信息，因此研究人员致力于解决该领域的问题。

《变尺度共振理论及其在故障诊断中的应用》 基于变尺度谐振理论，主要介绍了基于非线性系统变尺度谐振的微弱高频特征信号的处理方法。这本书的内容主要是基于我们研究小组近年来的研究成果。采用理论研究和工程应用相结合的方法，讨论非线性系统的复杂共振现象及其在滚动轴承故障诊断领域的应用。事实上，本书讨论的各种谐振方法并不局限于在滚动轴承故障诊断中的应用，而是可以应用于其他类型的旋转机械故障诊断，例如齿轮故障诊断、转子故障诊断等。滚动轴承故障是目前具有代表性的热门话题。轴承是《工业强基工程实施指南（2016—2020 年）》重点领域“一揽子”突破行动中明确列出的核心基础部件。同时，考虑到内容的一致性，本书只详细讨论了各种噪声背景下滚动轴承的故障诊断。对于其他类型的基于不同共振方法的旋转机械故障诊断，读者可以参考相关文献进行进一步的拓展研究。

高速旋转机械振动故障诊断主要涉及高频特征信号的提取。非线性系统共振法是提取振动特征信息的重要方法。然而，基于变尺度共振方法对相关问题进行系统研究的专著很少。有鉴于此，本书的内容侧重于非线性系统变尺度共振的研究，包括随机共振、振动共振和系统共振三个热点话题。重点研究高频信号激励下的系统谐振，并基于变尺度谐振方法提取滚动轴承故障特征信息。考虑到噪声的广泛存在，本书详细讨论了随机共振的理论和应用研究。

第 1 章介绍了随机共振的基本知识，包括经典随机共振、自适应随机共振、归一化变尺度随机共振、普通变尺度随机共振和二次抽样随机共振。本章的基础知识是本书的理论基础，接下来几章的内容大多基于本章介绍的随机共振方法。

第 2 章介绍了几种常用的和较新的群体智能优化算法，包括人工鱼群优化算法、随机权重粒子群优化算法、自适应权重粒子群优化算法、量子粒子群优化算法和云自适应遗传算法。优化算法是实现自适应随机共振的基本工具，使系统输出的实时优化成为可能，是在线操作不可缺少的工具。为了帮助读者尽快掌握这些优化算法，给出了相关的MATLAB代码。

第 3 章介绍了滚动轴承常见故障振动信号及预处理方法，为后续章节的信号分析奠定了基础。

第 4 章介绍了基于普通变尺度方法的双稳态系统变尺度随机共振的理论和应用。

第 5 章介绍了级联分段线性系统变尺度随机共振的理论和应用，并将随机共振与经验模式分解相结合，解决了更复杂的特征信息提取问题。

第 6 章介绍了周期势系统变尺度随机共振的理论和应用，表明周期势系统在信号处理方面优于双稳态系统。

第 7 章介绍了分形变尺度随机共振的理论和应用

泊松白噪声背景下的变尺度随机共振研究及其在滚动轴承故障诊断中的应用。通过理论推导，实现了泊松白噪声背景下的变尺度分析，成功提取了泊松白噪声背景下的故障特征信息。

第 8 章研究采用二次抽样随机共振理论提取有界噪声背景下低转速下的轴承故障特征信息。

第 9 章非周期二进制信号激励的变尺度随机共振研究。

第 10 章研究了调频信号激发的变尺度随机共振，引入分段变尺度处理的思想，成功实现了调频信号的变尺度随机共振。

第 11 章研究变尺度振动共振理论及其在滚动轴承故障诊断中的应用。

第 12 章变尺度系统共振理论及其在滚动轴承故障诊断中的应用研究，包括常规非线性系统共振和分数阶非线性系统共振。

应该指出的是，为了突出每个章节的独立性，相关的信号处理图形可能会在不同的章节中重复出现。例如，对于滚动轴承的振动故障模拟信号，为了便于读者理解信号处理前后的图形对比，更好地理解信号处理的方法和效果，这些图形将在不同的章节中重复出现。

这本书的内容集中在随机共振，考虑到振动共振和系统共振。虽然已经发表了大量的文献，但是随机共振并没有在实际工程中得到应用。从近年来发表的文献和我们在多年研究过程中对随机共振的认识来看，随机共振在未来有很大的潜力，特别是在工程应用领域。希望这本书的出版将在吸引有价值的贡献方面发挥作用，并在今后在这一领域产生更有影响力的成果。

第 13 章

第 14 章

毕业于南京航空航天大学机械结构力学与控制国家重点实验室，密歇根大学访问学者，现任中国矿业大学副教授、博士生导师。主持2个国家自然科学基金项目和10个其他垂直基金项目。他发表了50多篇SCI论文和2部专著，授权了7项国家发明专利。现为国家自然科学基金评审专家、教育部学位论文评审专家、振动工程学会随机振动专业委员会青年委员。主要研究方向是智能诊断、智能视觉、非线性随机动力学和工程应用。

作者简介

他于2011年获得Xi交通大学学士学位，并于2016年获得上海交通大学博士学位。他现在是上海交通大学的博士生导师。在过去5年中，主持/参与了6个国家级项目、10多个合作项目，发表了50多篇论文和2部专著。他主要从事能源和电力设备的建模和仿真、故障诊断和健康管理、控制策略以及运行和维护的优化。他曾在密歇根大学(安阿伯)校园和克兰菲尔德大学从事研究，目前是美国机械工程师协会安全工程和可靠性分析部的成员。

本文摘自周著《《变尺度共振理论及其在故障诊断中的应用》》序言，略作删节。

杨建华

作者:周

艺术经纬:高慧远

北京:科学出版社，2020.3

ISBN:978-7-03-064458-9

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周登极

共振是系统的特征。这本书研究非线性系统的变尺度共振，反映了这一领域的最新研究成果。本书在注重理论研究的基础上，着重介绍工程应用。基于旋转机械设备的故障诊断，将共振理论应用于滚动轴承的故障诊断。本书共分14章，主要论述变尺度随机共振、变尺度振动共振、变尺度系统共振以及基于上述理论的滚动轴承故障诊断等基础理论。这本书不仅介绍了新的理论方法，而且与经典方法进行了比较研究。方便读者掌握各种方法的优缺点，在科研和应用中做出灵活的选择。本书还给出了一些关键程序的MATLAB代码，以方便初学者尽快掌握相关知识。

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《变尺度共振理论及其在故障诊断中的应用》