汽油机爆震特征提取与诊断研究课件

汽油机爆震特征提取与诊断研究 硕 士研究生： 张建峰 导 师： 杨建国 副教授 答 辩 时 间：2003年7月7日 课题引出 课题来源 哈工大博士启动基金项目“小波分析在汽油机爆震检 测中应用的研究”的一部分。 目的 研究汽油机爆震特征提取尤其是轻微爆震特征提取的 信号处理方法，研究爆震强度指标的表征方法，为汽 油机爆震控制以及利用爆震信息控制汽油机点火提前 奠定基础。 课题引出 课题研究意义 汽油机广泛应用于各种汽车中。爆震的存在制约了其 动力性和经济性能改善。爆震，也叫敲缸，是汽油机 的特有的的一种不正常燃烧现象。轻微爆震时，汽油 机的经济性与动力性均有所提高；但在强烈爆震时， 特别是在高速时发生的强烈爆震将会导致一系列的不 良后果，甚至会损坏发动机。若不产生爆震，汽油机 可以方便的应用高压缩比或增压的方法来提高功率， 改善性能。因此，研究可以很好的提取爆震信号特征 的信号处理方法，并给出爆震强度的指标，从而可以 准确地判断爆震是否发生，强度大小，进而控制汽油 机工作在期望的轻微爆震工况下，意义重大。 课题内容 时频分析方法的研究 汽油机爆震试验研究 爆震故障的特征提取 爆震强度指标的研究 爆震诊断策略的研究 时频分析方法的研究 汽油机爆震信号的特点分析 采用时频分析方法的必要性 短时傅立叶变换 Wigner-Ville分布 小波变换 汽油机爆震信号的特点分析 非爆震工况下，爆震信号主要是较宽的低频成 分。 这些低频成分来自气门、缸盖、缸体的振动噪声，对 于缸内压力信号，还包含了压力的低频波动。 发生爆震时，信号中除了有上述在能量上占主 导地位的低频成分外，在爆震发生的频段，还 出现了冲击成分。 该冲击成分就是爆震的特征。 爆震的谐振频率随曲轴转角而改变，有微弱的 变频特征。 采用时频分析方法的必要性 包含瞬态冲击成分的周期性简谐信号 & FFT无法分辨出隐藏在周期信号中的微弱瞬态冲击成分。 采用时频分析方法的必要性 变频信号 & FFT对于变频信号也得不到有用的结果。 短时傅立叶变换 短时傅立叶变换的定义 离散化形式 & 短时傅立叶变换的时频分辨率是固定不变的。 短时傅立叶变换 从图中可以看出信号中的瞬 态信号发生的时刻和频率成分 从图中可以看出，随着的时 间的推移，信号的频率呈线性 规律逐步提高。 & 采用STFT方法分析汽油机爆震信号是有效的。 Wigner-Ville分布 Wigner-Ville分布的定义 两个分量组成的信号 Wigner-Ville分布的离散形式 平滑伪Wigner-Ville分布 Wigner-Ville分布 从图中可以看出信号中的瞬 态信号发生时刻和频率成分； WVD中存在明显的交叉项； SPWD中交叉项得到很好抑 制，但时频分辨率降低。 & 交叉项的抑制和信号项的 保持是一对矛盾。 Wigner-Ville分布 从两图中可以看出随着的时 间的推移，信号的频率呈线性 规律逐步提高。 & 采用WVD方法分析汽油机爆震信号是有效的。 小波变换 小波变换 小波反变换 & 当尺度增加时，时间窗变宽，而频率窗变窄，适合于提取多频 率成分信号中的低频成分；当尺度减小时，时间窗变窄，而频率 窗变宽，适合于提取多频率成分信号中的高频成分。因此，小波 变换既具有时间局部化能力，也具有频率局部化能力。 小波变换 Mallat小波分解算法 小波变换 Mallat小波重构算法 小波变换 小波分解与单子带重构快速算法 小波变换 包含瞬态冲击周期信号的DWT 从图中可以发现，30Hz、 180Hz和400Hz三个频率成 分被正确的分解到了相应 的频段上，同时得到了各 频段上的频谱。在d1频段 上，非常有效的提取了淹 没在30Hz和180Hz两个频率 成分中的瞬态信号，瞬态 信号发生在0.125s，这与直 接FFT相比，显示出了明显 的优越性。 小波变换 变频信号的DWT 从图中可以发现，小波分 解后各尺度上提取了有用 的信息。 & 以上分析表明，小波变 换结合FFT方法，显示出了 非常好的效果，特别适合 于处理汽油机爆震信号， 对提取汽油机爆震故障特 征不失为一种先进的方法 。 汽油机爆震试验研究 汽油机试验台 试验原理图 爆震故障的特征提取 对如下爆震信号提取爆震特征 正常点火时测得的信号 点火提前角增大10时测得的信号 爆震故障的特征提取 试验信号经适当截取后的信号 正常点火时测得的信号的截取信号 点火提前较增大10时测得的信号的截取信号 应用短时傅立叶变换提取爆震特征 正常点火时测得信号的STFT 点火提前角增大10时测得信号的STFT & 对实际的缸内压力信号和缸盖上的振动信号直接实施STFT，由于 低频成分在能量上占主要地位所以很难提取爆震特征，但对适当滤波 后的信号(滤掉在能量上占主要地位的低频成分)实施STFT则能够很好 地提取爆震特征。 a) b) c)d) a) b) c)d) 应用平滑伪Wigner-Ville分布提取爆震特征 正常点火时测得信号的SPWD 点火提前角增大10时测得信号的SPWD & 对实际的缸内压力信号和缸盖上的振动信号直接实施SPWD ，由 于低频成分在能量上占主要地位所以很难提取爆震特征，但对适当滤 波后的信号(滤掉在能量上占主要地位的低频成分)实施SPWD则能够 很好地提取爆震特征。 a) b) c)d) a) b) c)d) 应用小波变换提取爆震特征 正常点火时压力信号的DWT 正常点火时振动信号的DWT 应用小波变换提取爆震特征 点火提前角增大10时压力信号的DWT & DWT有效地从原始的压力信号和振动信号中直接提取出了爆震特征 。 点火提前角增大10时振动信号的DWT 爆震强度指标的研究 特征域的选取 离散小波变换的频带范围与采样频率有关，根据前面 的分析结果，特征域可如下选取： 1.对于缸内压力信号，选取515kHz的某一子带信号； 2.对于振动信号，选取820kHz的某一子带信号。 本文选取子带信号d3为缸内压力信号的爆震特征域， 子带信号d2为机体振动信号的爆震特征域。 爆震强度指标的研究 1.特征域上信号的平均能量 2.特征域上信号的峰值Amax & 这两种爆震强度评价指标都具有能够体现压力波动的强弱和 可以给出阈值的特点。 爆震强度评价指标 本文给出以下两种爆震强度评价指标： 爆震强度指标的研究 40个循环的爆震指标KI值 40个循环的爆震指标Amax值 爆震诊断策略研究 基于爆震指标KI的爆震诊断策略 选取特定转速下爆震判断域值KIe作为爆震指标的 参考值(KIr)。 1.以差值m来评价爆震强弱不影响其有效性和准确性； 2.直接以KI来衡量爆震强弱，在不同的转速下无可比性， 而以差值m来评价爆震强弱则可以在不同转速下进行比较。 爆震诊断策略研究 压力信号爆震指标KI累积频率分布 振动信号爆震指标KI累积频率分布 爆震诊断策略研究 对于压力信号(m单位：1010Pa2 ) 1 m0.025 中强爆震。 对于振动信号(m单位：102m2/s4 ) 1 m1 中强爆震。 爆震诊断策略研究 4个循环的试验信号 爆震诊断策略研究 压力信号的计算结果 振动信号的计算结果 & 基于爆震强度指标KI的爆震诊断策略可以有效的应用于缸内 压力信号和缸盖上的振动信号。 爆震诊断策略研究 基于爆震指标Amax的爆震诊断策略 选取正常点火提前角下多个循环的Amax的均值作 为爆震强度指标的参考值(Amaxr)。 对于压力信号(m单位：105Pa ) 1 m1 中强爆震。 爆震诊断策略研究 对于压力信号(m单位：m/s2 ) 1 m50 中强爆震。 爆震诊断策略研究 压力信号的计算结果 振动信号的计算结果 & 基于爆震强度指标Amax的爆震诊断策略可以有效的应用于缸 内压力信号和缸盖上的振动信号。 结论 爆震信号是典型的非平稳信号，基于FFT的传统信 号分析方法提取爆震特征的效果较差。 深入研究了短时傅立叶变换(STFT)、Wigner-Ville 分布(WVD)和离散小波变换三种时频分析方法。 这三种方法在处理非平稳信号方面具有明显的优越 性。Wigner-Ville分布存在交叉项，使信号的 Wigner-Ville分布结果解释困难，采用平滑伪维格 纳分布的方法可以很好地抑制交叉项。单子带重构 的离散小波变换算法与FFT相结合，兼顾了小波变 换和FFT各自的长处，对于提取强背景噪音中的冲 击特征非常有效。 对比研究了汽油机爆震工况下实测的缸内压力信号 和机体振动信号。研究表明两种信号的信噪比低， 尤其是机体振动信号。因此直接应用短时傅立叶 结论 变换和平滑伪维格纳分布难以有效提取爆震特征。如 果滤掉信号中的低频成分，那么采用这两种方法，从 汽油机缸内压力信号和机体上的振动信号中均能够有 效地提取爆震特征，不过平滑伪维格纳分布法运算量 大，计算时间长。通过对实测爆震信号的应用表明， 离散小波变换提取爆震特征的效果最佳，不但对于缸 内压力信号有效，而且对于机体振动信号同样有效。 给出了两种基于小波变换的爆震强度指标，即离散小 波变换特征域上信号的平均能量KI和信号的峰值Amax 。 提出了一种基于小波变换的爆震诊断策略，即利用离 散小波变换获取爆震特征域，以特征域上爆震强度指 标与爆震强度指标的基准值的差