专利名称：一种基于因果关系识别进行多相关输入排序的方法
技术领域：
本发明涉及多输入系统中多相关输入信号的识别技术，尤其是一种多相关激励振动系统中信号源的优先排序技术。
背景技术：
多输入系统中相关输入的识别及优先排序方法，是识别主要信号源和次主要信号 源的重要方法，是故障诊断和振动信号分析的主要工具。在实际的数据处理中，明确信号之间的相关性属于因果关系或是非因果关系是至 关重要的。但是，目前对输入的优先级排序存在这样的事实在不清楚输入之间因果关系的 情况下对多输入进行排序。另外，国内外常用的判断输入之间因果关系的方法主要有常相 干函数法、脉冲响应函数法和脉冲响应函数法。对于幅值不接近的信号源(信号源数目为 两个以上)，常相干函数法通过比较各个信号源与输出响应信号之间在某个频段范围内的 相干函数大小来确定输入的优先顺序；脉冲响应函数法利用两个信号源负时间区的脉冲响 应函数来确定它们之间的优先级，它要求某频段范围内所有信号源满足单向因果关系；对 于信号源之间因果关系变化不太快的系统可以使用希尔伯特变换法，根据Cauchy Riemann 条件计算相关输入之间的频响函数，确定频响函数的实部和虚部是否满足Hilbert变换对 来确定输入优先顺序。在综合以上各种方法的基础上，针对多相关输入的系统，考虑通过比较传递函数 的计算值与实际值确定输入之间的因果关系，进而在明确信号之间的因果关系的前提下对 多个相关输入进行优先排序。
发明内容
本发明目的是在现有技术的基础上提供一种对多输入系统中的相关输入进行准 确优先排序的方法。本发明为实现上述目的，采用如下技术方案本发明一种基于因果关系识别进行多相关输入排序的方法，该方法包括以下步 骤(1)、对输入信号进行分析处理，得到各个输入信号与输出信号之间的频谱图和相 干函数图，以及各个输入信号之间的相干函数图，并基于相干函数图进行相关频率段的划 分；(2)、对步骤(1)所述的相关频率段划分后的各个输入信号经过传递函数的计算 得到与各个输入信号对应的计算值，将所述计算值与对应的实际值的比较确定各个输入信 号之间的因果关系；(3)、对步骤(2)所确定因果性相关的输入信号进行优先排序(a)在多相关输入条件下，对各个输入信号点与输出信号点的传递函数值与实际 值进行比较，当所有的传递函数值均与实际值相符，则为非因果关系多相关输入；
(b)当传递函数值与实际值有多个不相符，则为因果关系多相关输入，相符的输入 点相对应的输入信号为优先输入，再对其它的输入点相对应的输入信号消除优先输入信号 的线性影响；(c)其它的输入点相对应的输入信号重复步骤(b)，从而确定全部输入信号的优 先顺序。步骤(1)所述的行分析处理为时域分析、频谱分析和相干分析。步骤(1)所述的在进行频率段划分的过程中
将要进行分析的频率划分到一个频率段上；在划分频率段时，首先参照各个输入信号与输出信号之间的相干函数图，根据将 要划分的频率段相干函数值的大小，其次参照各个输入信号之间的相干函数图和各个输入 信号与输出信号之间的频谱图，合理地划分频率段。与以往的方法相比，本发明通过对多相关输入进行优先级排序，得到影响输出的 主要信号源、次主要信号源等，为下一步系统的改进提供参考。所以，该方法可以应用到机 械振动系统信号处理中，用以分析引起机械振动的主要激励源、次主要激励源等，进行系统 的状态检测和故障诊断等。
图1是本发明的方法流程图。图2是双输入单输出系统模型图。
具体实施例方式下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明结合附图对本发明的实施做出进一步说明。图1是本发明的方法流程图，如图1 所示，该算法包括以下三个步骤。步骤1 对信号进行分析处理，得到各个输入信号与输出信号之间的频谱图和相 干函数图，以及各个输入信号之间的相干函数图，并基于此进行相关频率段的划分。在进行频率段划分的过程中，一般要注意两点，现阐述如下(1)结合所关心的频率进行划分，将要进行分析的频率划分到一个频率段上，便于 分析。(2)在划分频率段时，首先参照各个输入信号与输出信号之间的相干函数图，根据 将要划分的频率段相干函数值的大小，其次参照各个输入信号之间的相干函数图和各个输 入信号与输出信号之间的频谱图，合理地划分频率段。步骤2 对步骤1所述的相关频率段划分后进行传递函数的计算值与实际值的比 较，以确定输入之间是否为因果关系。相关性可以分为因果性相关性和非因果性相关性。因果性相关性是信号之间由于 相互作用，而具有相关性；非因果性相关性信号之间不存在相互作用，而相关函数的计算值 不等于零，因此具有相关性。所述基于传递函数比较识别因果关系的方法如下以双输入单输出系统为例，如附图2所示，设X1 (t) ^P X2 (t)是测量得到的激励信号，x3(t) ^x2(t)中与Xl(t)不相关的部分，H12(f) ^X1W与&(0之间的传递函数，H1 (f) 和吐⑴分别是Xl(t)和&⑴与响应信号y(t)之间的传递函数，n(t)是与Xl(t)、X2(t)和 y(t)不相关的噪声。假设输AXl(t)和&(0之间具有相关性，相干函数值不等于零，即在 频域上O < K2 S 1，Y122为Xl (t)和X2 (t)相干函数。^x1 (t)禾Px2(t)之间的相关性是因果关系情况，则H12 (f)兴0，即\(0和&⑴ 之间相互作用，真实输入为X1 (t) iPx3(t)；若相关性是非因果关系情况，则X1 (t)和&⑴互 不作用，即H12(f) =0，Xl(t)和&(0是实际各个激励点的真实输入值。为了表达方便，设 Hly (f)和 H2y (f)为 X1 (t)和 X2 (t)到 y (t)的传递函数实际值，而 Hly (f)，和 H2y (f)，为 X1 (t) 和&(0到y(t)的传递函数计算值。由附图2可知，非因果关系的相关输AXl(t) %x2(t)不存在相关作用，即H12 (f) =0，两输入与输出之间的传递函数实际值为 T^(Z) = ZZ1(Z)<{(1) \H2y(f) = H2{f)因果关系相关输入下，H12 (f) Φ 0，两输入与输出之间的传递函数实际值为
^(Z) = ZZ1(Z)+ //12(/)^2(/)(2) [H2y(f) = H2(f)不管输入信号之间是因果关系还是非因果关系，两个相关输入与输出之间的传递 函数计算值均可写为如下的一般表达形式
\Hly(fy^Hx(f) + Hu(f)H2(f)<(3)式(3)中，Hly(f)，和H2y(f)，为两个激励点到响应点的传递函数计算值，H21 (f)为 X2(t) ilj X1 (t)的传递函数。比较式(1)与式(3)，可以看出，非因果关系输入下，由于H12(f) 和H21(f)的值均为零，可见计算得到的传递函数与实际值相等；因果关系下，由信号的传递 方向可知，式(3)中的H21 (f) = 0，比较式(2)与式(3)可得，X1 (t)与y(t)之间的传递函 数计算值与实际值相等，而X2 (t)与y(t)之间传递函数值与其实际值不相等，计算值分别 与真实值相差了 H21 (f)HJf)项。故起主导作用的输入与输出之间的传递函数计算值与实 际值相等。因此，可根据以上关系得出输入之间相关性是否为因果关系。根据试验测量的相关输入和输出数据，计算出各输入与输出之间的传递函数值， 当其计算值都大于实际值情况时，说明在该频率下，输入之间的相关性为因果关系；当传递 函数的计算值与实际值存在相等的情况时，说明在该频率下，输入之间的相关性为非因果 关系，从而通过传递函数在各个相关频率段的幅值比较实现因果关系的识别。步骤3 对步 骤2所确定因果性相关性输入进行优先排序。进行排序时，可以先通过相干函数对各个频率段的作用及优先顺序进行预判断， 对于不能确定多相关输入优先级顺序的频率段，采用传递函数的真实值与计算值比较，确 定其优先输入顺序。当输入之间的相关性是因果关系时，由偏相干原理对输入进行优先级排序，一般 优先输入者起主导作用。为了更好的说明问题，假设输入X1 (t)和&(0之间具有相关性， 且源2要局部地受源1的影响，而这种影响是由H12(f)的传递作用造成的。
比较式(2)和式(3)，由于H21 (f) = 0，可得<formula>formula see original document page 6</formula>由式⑷可知，源1的作用被真实反映，而源2的作用被扩大，可得出X1 (t)的输 入顺序优先于X2 (t)，故在已判断出相关输入为因果关系情况下，当计算出的传递函数等于 真实传递函数时，其相应的输入为优先输入；大于真实传递函数值的输入次之。在多相关输入条件下，对计算各个输入点与输出点的传递函数值与实际值进行比 较，若所有的计算值均与实际值相符，则为非因果关系多相关输入；若计算值与真实值有多 个不相符，则为因果关系多相关输入，相符者为优先输入，再对其它输入消除优先输入者的 线性影响，继续计算其传递函数值与实际值相比较，确定剩余者的优先顺序，从而确定全部 输入的优先顺序。
权利要求
一种基于因果关系识别进行多相关输入排序的方法，其特征是，该方法包括以下步骤(1)、对输入信号进行分析处理，得到各个输入信号与输出信号之间的频谱图和相干函数图，以及各个输入信号之间的相干函数图，并基于相干函数图进行相关频率段的划分；(2)、对步骤(1)所述的相关频率段划分后的各个输入信号经过传递函数的计算得到与各个输入信号对应的计算值，将所述计算值与对应的实际值的比较确定各个输入信号之间的因果关系；(3)、对步骤(2)所确定因果性相关的输入信号进行优先排序(a)在多相关输入条件下，对各个输入信号点与输出信号点的传递函数值与实际值进行比较，当所有的传递函数值均与实际值相符，则为非因果关系多相关输入；(b)当传递函数值与实际值有多个不相符，则为因果关系多相关输入，相符的输入点相对应的输入信号为优先输入，再对其它的输入点相对应的输入信号消除优先输入信号的线性影响；(c)其它的输入点相对应的输入信号重复步骤(b)，从而确定全部输入信号的优先顺序。
2.根据权利要求1所述的一种基于因果关系识别进行多相关输入排序的方法，其特征 在于，步骤(1)所述的:,‘分析处理为时域分析、频谱分析和相干分析。
3.根据权利要求1所述的一种基于因果关系识别进行多相关输入排序的方法，其特征 在于，步骤(1)所述的在进行频率段划分的过程中将要进行分析的频率划分到一个频率段上；在划分频率段时，首先参照各个输入信号与输出信号之间的相干函数图，根据将要划 分的频率段相干函数值的大小，其次参照各个输入信号之间的相干函数图和各个输入信号 与输出信号之间的频谱图，合理地划分频率段。
全文摘要
本发明公布了一种基于因果关系识别进行多相关输入排序的方法。本发明方法如下第一步，通过对信号的分析处理，得到各个互相关输入信号与输出信号间的频谱图和相干函数图，以及各个多相关输入信号间的相干函数图，从而进行频率段的划分；第二步，在划分的频率段上比较传递函数的计算值与实际值的大小，确定输入之间是否为因果关系；第三步，对因果关系下的多相关输入进行优先排序，确定因果关系下输入的优先顺序。本发明通过识别输入之间的因果关系对输入进行优先排序，较现有方法更加准确、合理。
文档编号G01M7/02GK101807178SQ20101011878
公开日2010年8月18日 申请日期2010年3月5日 优先权日2010年3月5日
发明者安木金, 李舜酩, 鲍庆勇 申请人:南京航空航天大学