一种基于标准差的涡街频率随机共振控制检测方法

摘要

本发明公开了一种基于标准差的涡街频率随机共振控制检测方法；该方法利用幅值和频率双重调制的随机共振控制方法，以调制幅值和频率为控制参数，使涡街信号与非线性双稳系统匹配，产生随机共振，共振频率即为涡街信号频率。针对涡街信号，利用信号标准差中包含的流体流动特性，通过标准差估算流速，以确定控制参数搜索范围，再利用自适应方法可以快速确定幅值与频率控制参数，提高信号与非线性双稳系统匹配效率，可以快速检测到涡街频率。

主权项

一种基于标准差的涡街频率随机共振控制检测方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)采集涡街流量计输出信号H(t)，该信号可表示为H(t)＝A₀cos(2πf₀t)+Γ(t)，A₀cos(2πf₀t)是旋涡波动信号，Γ(t)是噪声信号，A₀为旋涡波动信号幅值，f₀为旋涡波动信号频率，t为时间。(2)计算涡街流量计输出信号标准差S_td：式中，N是采样点数，A_i是涡街流量计输出信号H(t)的幅值，是涡街流量计输出信号H(t)的平均值；利用关系可以估算旋涡波动信号幅值A₀，再根据A₀＝k₁V²可以估算管道中流体流速V，k₁是常数；最后再利用f₀＝SrV/d可以估算信号频率f₀，式中Sr是斯特罗哈尔数，d是涡街发生体迎流面宽度，以此确定控制参数调制幅值和频率初始值。(3)涡街流量计输出信号输入信号幅值和频率双调制模块进行信号幅值和频率双调制过程，控制信号为频率和幅值可变的载波信号W(t)＝A_ccos(2πf_ct)，其中，A_c为幅值调制参数，f_c为频率调制参数，通过双调制的控制过程可表示为：$\begin{array}{c}W\left(t\right)\times H\left(t\right)=A_c\cos \left(2{\mathrm{\pi f}}_{c}t\right)\times [A_0\cos \left(2{\mathrm{\pi f}}_{0}t\right)+\Gamma \left(t\right)]\\ =\frac{A_c{A}_0}{2}\cos \left[2\pi (f_0-f_c)t\right]+\frac{A_c{A}_0}{2}\cos \left[2\pi (f_0+f_c)t\right]+\Gamma \left(t\right)\times A_c\cos \left(2{\mathrm{\pi f}}_{c}t\right)\\ =V_{m1}+V_{m2}+V_{m3}\end{array}$式中，H(t)是步骤(1)中采集到的叠加噪声的涡街流量计输出信号，经过调制可分为V_m1、V_m2、V_m3三项，信号的频率及幅值都发生变化，其中V_m1项频率为f₀‑f_c，记为Δf，V_m2项频率为f₀+f_c，相比V_m1项频率较高，V_m3项是调制后的白噪声，在双稳系统的作用下，经过调制，V_m1将在输出中占主导作用，双稳系统将产生与V_m1项频率Δf同频的输出。双稳系统势函数可表示为μ为系统参数，系统阈值V_m1项幅值调制后信号幅值由A₀放大A_c/2倍记为A₁，A₁＝A_cA₀/2，改变调制参数A_c可以调整A₁的大小，实现信号幅值与系统的匹配，即A₁<A_t；通过调节f_c可以调整输出信号频率Δf，实现频率的匹配，一般Δf＝f₀‑f_c≤0.01Hz，可见，调制参数A_c和f_c的初始值根据匹配关系及A₀和f₀计算得到：f_c＝f₀+Δf；其中，Δf≤0.01，A₁＜A_t，且Δf和A₁均为正实数；涡街信号经过调制后，输入非线性双稳系统，产生随机共振。(4)为达到最佳随机共振效果，对调制参数A_c和f_c进行优化：以双稳系统输出功率谱峰值为目标函数，功率谱峰值越大，说明信号通过随机共振得到增强的效果越好；通过线性搜索算法，改变A_c和f_c值进行搜索，在搜索过程中，输出功率谱峰值最大值对应的参数A_c和f_c为最优控制参数。涡街信号经过双调制控制器输入双稳系统，功率谱峰值所在位置即随机共振频率为Δf，进而可以准确获得涡街频率f₀＝f_c+Δf。