（农业机械化工程专业论文）基于虚拟仪器的发动机功率检测与故障诊断的研究.pdf

华中农业大学2 0 0 6 年硕士学位论文 基于虚拟仪器的发动机功率检测与故障诊断的研究 农业机械化工程 2 0 0 6 届硕士研究生蒋爱华指导教师李小昱 发动机功率检测与失火故障诊断均为发动机检测与诊断技术研究的重点。现有 的功率检测系统与检测方法在检测效率、检测精度、检测成本方面还不能满足我国 发动机检测的需要，同时失火故障诊断方法也还存在诸多不足之处。因此，研究高 效、准确、无拆卸的发动机测功系统与有效的失火故障诊断方法具有重要的科学意 义和实用价值。 研究建立了一套基于l a b v i e w 虚拟仪器的发动机检测系统，并以4 9 0 b p g 发 动机为试验对象进行了试验研究；基于无负荷测功原理，采用数字滤波技术，提出 了运用缸盖振动信号检测发动机功率的新方法；基于小波分析理论，运用m a t l a b 小 波工具箱，对发动机失火故障诊断方法进行了研究。主要结论有； 1 ) 用l a b v i e w 虚拟仪器开发平台构建了一套发动机检测系统。该系统由数 据采集系统、功率检测系统组成，能够在线、实时、连续采集和存储发动机的转速 与振动信号，并可由转速获取发动机功率一转速特性曲线与平均功率。 2 ) 通过减小转速传感器拾取信号的周期并用转速值计算加速时间，改进了发 动机无负荷测功的测定方法，以使测量过程更加简便，测量精度更高。 3 ) 采用磁电转速传感器的l a b v l e w 无负荷测功系统，所测得的发动机功率 一转速特性曲线与发动机外特性理论曲线基本相符，其平均功率值相对于发动机标 定功率值的误差为1 9 4 ，可满足工程应用精度。 4 ) 对压电加速度传感器测得的发动机缸盖振动信号进行数字滤波与频谱分 析，可知从缸盖振动信号可获得发动机转动信号。用l a b v i e w 分离发动机的转速 信号，从而可得发动机的功率一转速特性曲线与平均功率值。试验结果表明，该功 率检测方法误差为1 9 3 ，可满足工程应用精度。 5 ) 运用小波分析方法分别对发动机曲轴瞬时转速信号与缸盖项部振动信号进 行了分析，由此可诊断发动机是否发生失火故障以及失火故障的类型，并对比了两 种失火故障诊断方法。结果表明，两种方法均有效可行的，且运用振动信号进行失 火故障的诊断更加方便。 关键词：发动机：功率；故障诊断；磁电式转速传感器；压电式加速度传感器； l a b v i e w ：小波分析 基于虚拟仪器的发动机功率检测与故障诊断的研究 r e s e a r c ho nt h ep o w e rt e s t i n ga n df a i l u r ed i a g n o s i s o f e n g i n eb a s e d o nv i r t u a li n s t r u m e n t a g r i c u l t u r a lm e c h a n i z a t i o ne n g i n e e r i n g c a n d i d a t ej i a n ga i h u a s u p e r v i s o rl ix i a o y u t h ep o w e rt e s t i n ga n dm i s f i r ef a i l u r ed i a g n o s i sa l eb o t ht h ee m p h a s e so fe n g i n e t e s t i n ga n dd i a g n o s i st e c h n o l o g y t h ee x i s t i n gp o w e rt e s t i n gs y s t e m sa n dt e s t i n gm e t h o d s c a nn o tm e e tt h ed e m a n do fi n t e r n a le n g i n et e s t i n gi nt e r m so fe f f i c i e n c y , p r e c i s ea n dc o s t m e a n w h i l e ，t h e r ea l ea l s om a n yd i s a d v a n t a g e si nt h em i s f i r ef a i l u r ed i a g n o s i sm e t h o d s s oi ti so fg r e a ts i g n i f i c a n c ea n d p r a c t i c a lv a l u et or e s e a r c hh i g h l ye f f i c i e n ta n de x a c t e n g i n ep o w e rt e s t i n gs y s t e mw i t h o u td i s a s s e m b l y t h i sr e s e a r c hs e t s 叩as e to fv i r t u a l ：e n g i n et e s t i n gs y s t e mb a s e do nl a b v i e wa n d c a r r i e so u tt h ee x p e r i m e n tr e s e a r c hu s i n gt h e4 9 0 b p g e n g i n ea st h eo b j e c t m o r e o v e r , i t r a i s e st h en e wm e t h o dt h a tu s et h ec y l i n d e r - t o pv i b r a t i o ns i g n a l st ot e s tt h ee n g i n ep o w e r w h i c hi sb a s e do nt h en o - l o a dp o w e rt e s t i n gp r i n c i p l ea n da d o p t sd i g i t a lf i l t e rt e c h n o l o g y f u n h c n n o ”i ta l s or e s e a r c h e st h em i s f i r ef a i l u r ed i a g n o s i sm e t h o d - w i t ht h em a t l a b w a v e l e tt o o lb o xb a s e do nw a v e l e ta n a l y s i st h e o r y t h em a i nc o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s i ) t h i sp a p e rb u i l d sas e to fe n g i n et e s t i n gs y s t e mu s i n gl a b v i e wv i r t u a l i n s t r u m e n t t h es y s t e mw h i c hc o n s i s t so fd a t aa c q u i r i n gs y s t e ma n dp o w e rt e s t i n gs y s t e r m c a l lc o n t i n u o u s l ya c q u i r ea n d s t o r et h er o t a t es p e e 吐a n dv i b r a t i o ns i g n a l so n l i n ei n r e a l t i m e m o r e o v e r , i tc a no b t a i n st h ep o w e r - r o t a t es p e e d p e r f o r m a n c ec o l v ea n da v e r a g e p o w e rf r o mr o t a t es p e e d 2 ) i no r d e rt os i m p l i f yt h em e a s u r e m e n tp r o c e s sa n dt oi m p r o v ea c c u r a c y , i t i m p r o v e st h ee n g i n en o - l o a dp o w e rt e s t i n gm e t h o db yd e c r e a s i n gt h es i g n a lp i c k i n gu p p e r i o do fr o t a t es p e e ds e n s o ra n dc a l c u l a t i n gt h ea c c e l e r a t i n gp e r i o dw i t hr o t a t es p e e d 。 3 ) t h e e n g i n ep o w e r - r o t a t es p e e dc u l v ew h i c ho b t a i n e db yt h el a b v i e w n o - l o a c t p o w e rt e s t i n gs y s t e m ，w h i c ha d o p t sm a g n e t o e l e c t r i cr o t a t es p e e ds e n s o r , g e n e r a l l y c o i n c i d e sw i t ht h ee n g i n ee x t e r i o rp e r f o r m a n c ec o r v e t h er e l a t i v ee r r o ro fa v e r a g ep o w e r v a l u ei s1 9 4 c o m p a r e dt h ee n g i n ed e m a r c a t e dp o w e rv a l u e s oi tm e e tt h ep r o j e c t a p p l y i n ga c c u r a c y 4 ) b yd i g i t a lf i l t e r i n ga n ds p e c t r u ma n a l y z i n gt h ee n g i n ec y l i n d e r - t o pv i b r a t i o n s i g n a l so b t a i n e db yt h ep i e z o e l e c t r i c i t ya c c e l e r a t i n gs p e e ds e n s o r ，i tc a r lb ck n o w nt h a tt h e e n g i n er o t a t es p e e ds h o u l do b t a i n e df r o mt h ec y l i n d e r - t o pv i b r a t i o ns i g n a l s a n da f t e r t h e ni tc a no b t a i nt h ee n g i n ep o w e r - r o t a t es p e e dc a l n c t h ee x p e r i m e n ts h o w st h a tt h e 华中农业大学2 0 0 6 年硕十学位论文 e r r o ro ft h ep o w e rt e s t i n gm e t h o di s1 9 3 w h i c hm e e t st h ep r o j e c ta p p l y i n ga c c u r a c y 5 ) i tc a nd i a g n o s et h ee n g i n ew h e t h e rm i s f i r e sa n dt h ef a i l u r et y p eb ya n a l y z i n gt h e c r a n k s h a f t si n s t a n t a n e o u sr o t a t es p e e ds i g n a la n dc y l i n d e r - t o pv i b r a t i o ns i g n a lo fe n g i n e w i t hw a v e l e t t h er e s u l to fc o m p a r i n gt h et w om i s f i r i n gf a i l u r ed i a g n o s i sm e t h o d ss h o w s t h a tb o t ht h et w om e t h o di sa v a i l a b l ea n di ti sm o r ec o n v e n i e n tb yu s i n gt h ev i b r a t i o n s i g n a l k e y w o r d s ：e n g i n e ；p o w e r ；f a i l u r ed i a g n o s e ；m a g n e t o e l e c t r i c r o t a t e s p e e ds e n s o r ； p i e z o e l e c t r i c i t ya c c e l e r a t i n gs p e e ds e n s o r ；l a b v i e w ；w a v e l e ta n a l y s i s i i i 华中农业大学学位论文独创性声明及使用授权书 学位论文题目：基于虚拟仪器的发动机功率检测学位级别硕士 所在学院 与故障诊断的研究 工程技术学院 ( 系) 学科专业 农业机械化工程 导师姓名李小昱学生姓名蒋爱华 学位论文 否如需保密，解密时间年月日 是否保密 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华中农业大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料，指导教师对此进行了审定与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中做了明确的说明，并表示了谢意 研究生签名：葺每器牟 时问：工石年d 6 月工。日 学位论文使用授权书 本人完全了解“华中农业大学关于保存，使用学位论文的规定”，即学生必须按 照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存提交论文的印刷版和电 子版，并提供目录检索和阅览服务，可以采用影印缩印或扫描等复制手段保存，汇 编学位论文本人同意华中农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论 文的全部或部分内容 注：保密学位论文在解密后适用于本授权书 学位论文作者签名：嘉吊耳 导师签名：害芝 签名日期：妒。年月工。日签名日期：加一年占月日 华中农业大学2 0 0 6 硕十学位论文 1绪论 1 1 研究目的和意义 发动机是车辆的动力源，其动力性能的好坏将直接影响到车辆的性能( 安相壁 和马麟丽，2 0 0 5 ) 。发动机的功率是评价发动机动力性能的重要指标，制造、使用和 维修部门都需要进行发动机功率的测定( 张建俊，2 0 0 3 ) 。 发动机的功率一般都是通过测功器来检测的，常用测功器有有负荷测功器、无 负荷测功器( 孙燕等，2 0 0 4 ) 。有负荷测功器需要在专用的试验台架上才能对功率进 行测试，它具有测量精度高、可直接显示发动机扭矩数据等优点，但这类测功器体 积庞大，价格昂贵，操作复杂，且测试时噪声大、振动大，对环境的污染较为严重 ( 白雷石和杨华，2 0 0 2 ) 。 无负荷测功是运用加速测功法对发动机功率进行检测，即当发动机在怠速或空 载某一低速下运转时，突然全开油门，使发动机克服运动件惯性和内部摩擦力加速 运转，用其加速性能的好坏来反映发动机的瞬时功率的大小。因此，无负荷测功器 可以实现发动机的运行监测，分析发动机的工作状况，实现发动机的不定期维护以 及发动机性能的调整。与有负荷测功器相比，无负荷测功器有测试方便高效、无噪 声污染、成本相对较低等优点( 张江汉，1 9 9 5 ) ，因此无负荷测功器得到了广泛的应 用。但目前常用无负荷测功器有精度等级较低、重复性差、成本较高等缺点( 韩同 群，2 0 0 2 ) ，不能满足发动机动力性能测定的需求。因此，研究一种高效、准确、 成本较低的无负荷测功器有重要意义( 刘怀等，1 9 9 4 ) ，( 高金华，2 0 0 0 ) 。 发动机无负荷测功时，需要在车辆上安装传感器检测发动机的转速，而在车辆 无拆卸的情况下，转速传感器的安装极其不便，因此降低了检测效率。而发动机缸 盖的振动信号则易于测量，发动机缸盖的振动信号中包含了发动机运行中大量的信 息( 段鸿杰，2 0 0 5 ) ，( k w a n gm i nc h u n ，1 9 9 4 ) ，若能够从中分离出发动机的转速 信号，而后运用无负载测功法测功，对于提高发动机功率检测效率具有重要意义和 实用价值。 虚拟仪器是近几年才发展起来的，是测试仪器的发展趋势( 刘阳，1 9 9 6 ) ，( 梁 志国和孙瑕字，2 0 0 3 ) 。它通过应用程序将通用计算机与仪器硬件结合起来，使传统 仪器的某些硬件乃至整个仪器都被计算机软件代替，运用虚拟仪器开发平台开发的 检测系统，工作性能更加稳定，测试结果精度更高( 王宏伟等，2 0 0 1 ) ，而成本却较 低。因此，运用虚拟仪器开发平台建立发动机无负荷测功器具有实用价值。 发动机结构复杂，容易发生故障，且故障种类繁多，而发动机气缸失火故障就 是其中较为常见的一种。随着近年来排放法规的日益严格，发动机气缸失火故障的 基于虚拟仪器的发动机功率椅测与故障诊断的研究 诊断显得越来越重要。发动机曲轴瞬时转速波动曲线中蕴含了大量的内燃机故障诊 断信息，实践证明瞬时转速波动信号与气体力扭矩及各缸气体压力之间有着本质联 系，运用曲轴的瞬时转速可有效地诊断出发动机工作的平稳性、各缸均匀性等( 刘 世元，2 0 0 0 ) ，( c i t r o nsje ta l ，1 9 9 0 ) 。除此之外，振动信号对故障的反应速度快， 信息丰富，测试方便简单，发动机缸盖的振动信号包含了发动机8 0 的故障信息( 宋 兆泓等，1 9 9 3 ) 。与其他失火故障检测方法相比，通过发动机曲轴瞬时转速信号或缸 盖的振动信号，经过数据处理可得到各缸的工作状态，且不影响发动机的作过程， 因此成为失火故障诊断研究的重点( 李建秋和欧阳明高，1 9 9 9 ) ，( r a c l d i f f erje t a l ，1 9 7 7 ) 。 发动机曲轴瞬时转速信号与缸盖振动信号较为复杂，从中提取发动机的内部状 态信息较为困难。而小波变换是一种能够对信号进行多尺度分解的信号处理方法， 从多尺度分解的结果中，能够消除信号中的噪声并提取出需要的弱信号( 许忠德和 李炳泉，1 9 8 4 ) ，( 刘贵忠和邸双亮，1 9 9 2 ) ，故把小波变换运用于发动机曲轴瞬时转 速和缸盖振动信号的分析中，对发动机失火故障的诊断有重要的科学意义与实用价 值。 综上所述，本研究将建立一套基于虚拟仪器的发动机检测系统，用发动机转速 和缸盖振动信号两种方法来实现无负荷测功，同时以小波分析理论用发动机曲轴瞬 时转速信号与缸盖振动信号进行失火故障的诊断。 1 2 研究现状 1 2 1 发动机测功器的研究历史与现状 多年来人们都在不断尝试研制新的发动机功率检测方法与仪器。2 0 世纪中叶， 工业化发达国家形成了以性能调试为主的功率单项检测技术，运用简单仪表检测出 相关的电流、电压、温度等值并通过计算得出发动机功率( 方昌德，2 0 0 2 ) 。6 0 年代 末，随着发动机工业的发展，发动机功率检测也获得较大的发展，出现了示波器、 转速表、功率表等发动机功率检测仪器( 王奎洋，2 0 0 5 ) ，( 肖云魁，2 0 0 1 ) 。7 0 年代 初，随着计算机技术、传感器技术的发展，发动机检测向控制自动化、数据采集自 动化、数据处理自动化方向发展( 肖云魁，1 9 8 8 ) 。8 0 年代末，一些发达国家的现代 检测诊断技术已达到广泛应用的阶段。 我国从6 0 年代开始研究发动机检测技术，7 0 年代，汽车不解体检测技术及设备 被列为国家科委的开发应用项目，在引进国外先进技术的基础上，研制开发了发动 机综合检测仪、汽车性能综合检测台等设备( 吴克刚和曹建明，2 0 0 2 ) ，但这个时期 的设备还不完善，且数量有限。8 0 年代以来，随着我国汽车工业的发展，发动机检 测诊断技术也得到了很大的发展，但这个时期的检测诊断设备在自动化与智能化程 2 华中农业大学2 0 0 6 硕七学位论文 度与国外相比还有一定差距( 张建俊，1 9 9 9 ) 。 目前国内外发动机功率检测仪器仍以有负荷测功器为主，常见的有负荷测功器有 底盘测功器、水力测功器、电涡流测功器、液压测功器、电力测功器等。与有负荷 测功器相比，无负荷测功器的种类与数量相对较少，目前虽已有单一功能的便携式 无负荷测功器( g e 韦特泽尔，1 9 8 4 ) ，g e 会明等，2 0 0 2 ) ，但更多的无负荷测功仪 则是与发动机综合测试仪做成一体( 韩同群，2 0 0 2 ) ，因此不能够满足发动机工作现 场技术状态检测的要求。 随着发动机工业的发展，发动机测功正向智能化和自动化、可移动式检测、动 态性测试方向发展( 孙燕等，2 0 0 4 ) ，作为测试仪器发展趋势的虚拟仪器，正好满足 发动机测功器发展要求。因此近年来国内外均在运用虚拟仪器技术研究发动机测功 方法与仪器，并在有负荷测功器的改进、测功器系统的模型仿真方面取得了一定成 果( 朱余清等，2 0 0 4 ) ，( 吴伟斌和洪添胜，2 0 0 5 ) ，( 王宏伟等，2 0 0 1 ) ，( 左承基等， 1 9 9 8 ) 。如有用虚拟仪器开发平台l a b v i e w 开发的汽油发动机综合检测仪( 李永刚， 1 9 9 9 ) 。但运用虚拟仪器开发发动机无负荷测功仪的研究还较少，所开发检测仪器的 智能化还有待进一步的完善和提高。总之，运用虚拟仪器开发的发动机无负荷测功 仪在数量与种类上还远远不能满足现代发动机检测的需要。 ? 1 2 2 发动机失火故障诊断研究现状 多年来失火故障作为发动机最常见的故障之一，都是国内外发动机故障诊断研 究的重点。现在用于发动机失火故障诊断的方法主要有主观经验判别法、缸内压力 法、点火电压波形法、曲轴瞬时转速波动法等( 张振东等，1 9 9 9 ) ，( 于明进2 0 0 0 ) 。 主观经验判别法是指发动机检测人员以看、听、摸、嗅、试等方式，通过经验 判别发动机失火故障的方法，现已有基于主观经验判别法建立的故障诊断系统( 倪 振利，2 0 0 5 ) 。主观经验判别法需要检测人员有丰富的经验，且当发动机故障特征比 较明显时才能进行判断，有较大的局限性，已经不能满足发动机故障诊断的需要。 缸内压力法是通过测量缸内压力计算平均指示压力，将失火故障时的平均指示 压力与正常燃烧时比较，以确定燃烧状况的诊断方法( w e m e rh e r d e n ，1 9 9 0 ) 。这 种方法是最准确的失火检测方法，可用于多缸失火故障的检测( 谢三山和谢永乐， 2 0 0 1 ) 。但这种方法因压力传感器等检测仪器价格较高、安装不方便，且缸内安装压 力传感器还会影响发动机工作过程，因此缸内压力法在实际运用时受到限制。 点火电压波形法只能用于汽油机失火故障检测，当汽油机的燃烧状况不同，火 花塞放电电压波形之间就会存在显著的差异( y u i c h is h i m a s a k i ，1 9 8 4 ) ，因此可以通 过火花塞电压波形对失火故障进行判断( 汪映等，2 0 0 2 ) ，但使用这种方法时，传感 器安装不方便，且数据分析较为困难，故难以广泛应用。 3 摹于虚拟仪器的发动机功率检测与故障诊断的研究 曲轴瞬时转速波动法运用发动机曲轴瞬时转速对失火故障进行诊断，由于这种 方法只需要非接触测量发动机转速信号，且对气缸工作过程无任何影响，因此得到 广泛的研究与应用( 李春庚等，2 0 0 3 ) ，( 刘世元，2 0 0 0 ) ，( m a u e rgf ，1 9 9 0 ) 。但 曲轴瞬时转速波动法的研究目前还主要集中于发动机某一固定时速下和某一爆发循 环内的故障诊断( 张立梅等，1 9 9 6 ) ，( 程勇等，1 9 9 9 ) ，( 吴锋，1 9 9 8 ) ，而对发动机 加速过程的研究相对较少。因此，有必要对曲轴瞬时转速波动法作进一步的研究。 与以上几种失火故障诊断方法相比，运用发动机缸盖振动信号对失火故障诊断 的研究还相对较少。虽然发动机振动信号在发动机故障诊断中的得到了广泛的应用， 但应用主要集中于发动机零部件故障的诊断( 于明进，1 9 9 8 ) 和进排气系统故障的 诊断( 李志敏，2 0 0 1 ) ，( 杨建国和周铁尘，1 9 9 5 ) ，( 黄强，2 0 0 2 ) 。虽然目前也有 运用发动机振动信号对发动机失火故障进行诊断的研究，并证明了运用发动机缸盖 振动信号进行失火故障诊断的可行性( 江国和，2 0 0 3 ) ，( 高洪滨和欧阳光耀，2 0 0 5 ) ， 但主要研究了单缸失火的情况，而未对多缸失火情况进行研究。故对用发动机缸盖 振动信号诊断失火故障作进一步研究十分必要。 1 3 研究内容及技术路线 1 3 1 研究内容 以安装于合力叉车上的4 9 0 b p g 型发动机为研究对象，建立l a b v i e w 的发动机检 测系统，用发动机转速和缸盖振动信号两种方法来实现无负荷测功，同时基于小波 分析运用曲轴瞬时转速信号与振动信号进行发动机失火故障的诊断，具体研究内容 如下： 1 研究无负荷测功原理与小波分析理论基础，并改进无负荷测功实现方案。 2 建立基于l a b v i e w 开发平台的发动机检测系统，具体包括： 1 ) 数据采集系统的设计，包括系统硬件的设计，系统软件的设计。 2 ) 功率检测系统的设计。 3 用发动机转速和缸盖振动信号两种方法来实现无负荷测功。 4 基于小波分析，运用瞬时转速与缸盖振动信号进行发动机失火故障的诊断。 1 3 2 技术路线 根据研究内容，拟定技术路线如图1 1 所示： 4 华中农业大学2 0 0 6 硕士学位论文 无负荷测功原理小波分析理论的 的研究与改进研究 上 运用l a b v i e w 建立 发动机检测系统 上 无负荷测功试验失火故障诊断试验 10 i 用转速进行失火 用转速检测发动 故障的诊断 机功率占 用缸盖振动进行 失火故障诊断 ，上 用缸盖振动信号两种失火故障诊 检测功率断方法的比较 l 发动机功率检测与故障 诊断系统的评价与改进 图1 1 技术路线 f i g 1 - 1t e c h n i c a lr o u t e 5 摹于虚拟仪器的发动机功率榆测与故障诊断的研究 2 发动机无负荷测功与小波分析的理论基础 2 1发动机无负荷测功原理 2 1 1 无负荷测功基本原理 无负荷测功也称无外载加速测功，实际上是以发动机机本身的回转部件转动惯量 作为加速时的负载。测试时，发动机不带负载( 离合器呈分离状态) ，迅速全开油门， 使发动机转速由怠速上升到最高空转转速。 此时，发动机的指示功率m ，除用于克服机械损失的功率外，全部用于加 速。其功率平衡关系式为： n i - 以+ ， ( 2 1 ) 式中m 发动机无外载加速过程中的指示功率； 虬发动机无外载加速过程中机械损失功率； ；发动机无外载加速过程中用于加速的功率； 若内燃机在相同供油量( 油门全开) 条件下带外载稳定工作，其功率平衡关系式 为； m - 虬4 - 虬 ( 2 2 ) 式中m 发动机稳定工作时输出的指示功率； 0 发动机稳定工作时的机械损失功率； 札发动机稳定工作时输出的有效功率； 上述两种工况的供油量相同。如选取两种工况下相同的对比转速，也就是根据 稳定工况的转速，选取相应的加速工况的转速( 瞬时值) 点。这时，假设热况也一致， 根据内燃机原理，稳定工况和加速工况的指示功率应相等。 即： n i 一l 由( 2 一1 ) 、( 2 2 ) 、( 2 3 ) 式可得： ( 2 3 ) n m n t n ：n ： 进一步得出： 丝1 + 丛- 二丝( 2 - 4 ) i h i 对( 2 4 ) 式中( _ 一。) m 项，根据选取两种工况相同转速点的设定及热况相一 致的假设，这时两者的机械损失应近似相等。所以t - ，c c n ；，因而 ( 。一 _ ) n j n a ，则启动计时器开始计时，然后将接下来的每个转速值与被测发动机的 额定转速比较，若满足胛。乏n 。，则计时器停止，由此得出加速时间缸。 2 1 3 无负荷测功方法的改进 从以上加速时间的测试方法中可以得知，n 并非理想的瞬时转速，它是曲轴转 过一周的平均转速，而不是某一时刻的瞬时转速，采样过程中可能没有等于n 。和玩 的点，那么加速时间的起点时刻和终点时刻将出现误差。为了减小计时误差，同时减 少功率检测步骤，对加速时间法进行改进： 1 ) 减小转速传感器信号拾取周期 即通过在发动机主轴上安装齿数为k 的齿盘，使转速传感器在发动机每转过 驯七角度就拾取一次信号，经放大整形后输出系列脉冲信号，两脉冲之间的时间 间隔的倒数即为劢肛角度内的平均转速，即： b 华中农业大学2 0 0 6 硕士学位论文 妒兰 协 其中缸，为第j 与第j 一1 个脉冲之间的时间间隔，栉，即为曲轴转过第价2 = i , 角 度内的平均转速，与发动机每转一周测得的平均转速相比更接近于发动机的瞬时转 速，计时触发起始点、结束点将更加准确。 2 ) 用发动机转速值计算加速时间 从式( 2 1 5 ) 知道，发动机的测得的转速_ r l ，实际上是用第j 与第j 一1 个脉冲之间的 时间间隔垃，计算得到的。测量过程中，曲轴每转过扫肛角度就得到转速万，用测 得的转速厅，与起测转速一。作比较，若满足n 产n 。，则提取出i v ，且第一个大于或等 于以。的栉j 记为n 。，若满足厅，则停止弹，的提取，且第一个大于或等于万6 的一， 记为巩。则加速时间f 如图2 1 所示。 以 心 f 2f ，t 4t 图2 1 加速时闻的计算 。f i g 2 - 1c a l c u l a t i o no f a c c e l e r a t et i m e 图中f l 、t 3 分别为测得平均转速为厅。、的起始点时刻，t 2 、t 。为结止点时刻。 运用计时器计时的加速时间为f 。- t 2 ，即( f 3 - t ：) + ( f 4 - t 3 ) 。 。 其中 t 3 - - t 2 詈c 叩) ( 2 1 6 ) 一f 3 。i 6 0 ( 2 1 7 ) 则加速时自j 变为： 出- 詈+ 罢 运用式( 2 1 8 ) 就可以得出发动机的加速时间，不需要另外的计时器进行计时， 目更加方便可靠。 9 基于虚拟仪器的发动机功率掎测与故障诊断的研究 2 2 小波分析理论基础 小波变换是8 0 年代后期发展起来的应用数学分支。它是一种新的信号分析方法， 具有多分辨分析的特点，而且在时频两域都具有表征信号局部特征的能力。在低频 部分具有较高的频率分辨率和较低的时间分辨率，在高频部分具有较低的频率分辨 率和较高的时间分辨率，很适合于探测正常信号中夹带的瞬态反常现象并展示其成 分，所以被誉为分析信号的显微镜( 秦前清和杨宗凯，1 9 9 4 ) ，( 崔锦泰，1 9 9 5 ) ， ( 程正兴，1 9 9 8 ) 。 2 2 1 连续小波变换 当函数空间三2 僻) 中有一个函数妒b ) 满足： 。- 正警虮* ( 2 1 9 ) 则称函数妒g ) 称为小波母函数。前述条件称为“容许性条件”。对于任意的实 数对“”，其中，参数a 必须为非零实数，则称 舶。南缈( 了x - b ) ( 2 - 2 i o ) 、f l “ 、_， 为由小波母函数妒b ) 生成的依赖于参数( a ，b ) 的连续小波函数，简称为小波。 而a 为尺度因子，参数b 为平移因子。 常用的小波函数有d a u b e c h i e s 、m o r l e t 、b 样条小波等，其中，由于d a u b e c h i e s 小波具有对称、连续、紧支、正交等特性，应用广泛( d a u b e c h i e si ，1 9 9 0 ) ， ( r e s n i k o f f h l 1 9 9 2 ) ，( 汪新凡，2 0 0 3 ) 。 对于任意的函数或者信号，( 力，其连续小波变换定义为： g ，a ) 正，g 瓣h 。杯，g 取孚) 血( 2 - 2 1 ) 式中吼孚) 为妒( 孚) 的傅立叶变换。 因此，对任意的函数厂 ) ，它的小波变换是一个二元函数。 2 2 2 离散小波变换 虽然从提取特征的角度看，常常还需要采用连续小波变换，但是在每个可能的 尺度离散点都去计算小波系数，将会产生大量数据。如果只取这些尺度的小部分， 以及部分时间点，将会大大减轻工作量，同时并不失准确性。所以工程运用中，常 将连续小波离散化。 ( 1 ) 尺度因子的离散化 如果小波函数妒b ) 满足稳定性条件 1 0 华中农业大学2 0 0 6 硕士学位论文 4 萤掣1 2 m r 则对于任意的整数k ，记 妒。) b ) - 2 5 妒( 2 仁一6 ) ) ( 2 - 2 2 ) 它是连续小波1 ；f - ) b ) 的尺度参数a 取二进离散数值叱- 2 一，称妒一扪b ) 为二进 小波。函数，o ) 的二进离散小波变换记为嘭( 6 ) ，定义如下； 嘭函) - 町( 2 4 ，6 ) 一正，仁瓯i b 虹 ( 2 2 3 ) 这相当于尺度参数a 取二进离散数值吼- 2 4 时，连续小燃w i ( a ，6 ) 的取值 ( 2 ) 平移因子的离散化 基于以上尺度因子的离散方法，将平移因子也进行离散化，b p 令b k 2 一j ，则 f ，i ，一，) g ) - 2 5 妒善一，) ，i ，j e r ( 2 2 4 ) 函数，( 力的二进离散小波变换记为： 吖b ，) 。正，o 面i 云i 渺) 血( 2 - 2 5 ) 由于以上变换中凼6 都是以2 的幂次方来离散化的，故离散小波变换可以把最高 频率为的原始信号分解为频带为一，的高频信号与频带为o - 的低频信号，并 且信号的低频部分还可以被继续分解，这样就得到了原始信号的多尺度分解。 运用离散d a u b e c h i e s 的3 阶小波，简写为d b 3 ，对发动机的瞬时转速信号与缸盖 的振动信号进行分解，则可以提取因发动机气缸失火而引起的瞬时转速波动信号与 振动信号，从而诊断发动机的失火故障。 基于虚拟仪器的发动机功率检测与故障诊断的研究 3 发动机检测系统的设计 3 1 检测参数及检测系统构成 4 9 0 b p g 型发动机的主要参数如表3 1 所示： 表3 14 9 0 b p g 发动机主要技术参数 t a b l e3 - 1t e c h n i c a lp a r a m e t e ro f 4 9 0 b p ge n g i n e 需检测的参数有：发动机主轴瞬时转速、发动机缸盖的振动加速度。 为了能够检测出上述参数，并进一步测得发动机功率与故障诊断，构建的发动 机检测系统包括：数据采集系统、功率检测系统。 建立基于l a b v i e w 的发动机检测系统，该系统能够同时采集发动机瞬时转速与 缸盖振动信号，系统的结构如图3 1 所示。 振动传感器 图3 1 发动机检测系统的组成 f i g 3 ic o m p o s i n go fe n g i n et e s t i n gs y s t e m 3 2 数据采集系统 基于l a b v i e w 数据采集系统的结构如图3 2 所示。 华中农业大学2 0 0 6 颀士学位论文 图3 2l a b v l e w 数据采集系统的结构 f i g 3 1c o n s t r u c t i o no fl a b v i e wd a t aa c q u i r i n gs y s t e m 3 2 1 数据采集系统硬件的设计 需设计的数据采集系统硬件包括：数据采集卡的选择、转速传感器的选择、振 动传感器的选择、电荷放大器的选择、转速传感器调理电路的设计。 1 ) 数据采集卡( d a q ) 的选择 ” 数据采集卡是将现场数据采集到计算机，或将计算机数据输出给受控对象的关 键硬件，是虚拟仪器最常用的硬件接口形式。一个典型的数据采集卡的功能有模拟 输入，模拟输出，数字i o 计数器计时器等。 由于系统的开发是基于n l 公司的l a b v i e w 软件平台，所以直接运用n i 公司的 p c i - 6 0 4 0 e 型数据采集卡以确保兼容性，其精度较高、价格较低，安装方式采用p c t 插槽式，安装方便可靠。p c i - 6 0 4 0 e 数据采集卡模拟数据输入有三种连接方式：差 分方式( d i f f e r e n t i a l ) 、单端对地参考方式( r s e ) 、单端对地非参考方式( n r s e ) 。 差分方式需要用两条模拟通道，即其中一根信号线( 通常是正端) 连接到采集卡的可 编程增益放大器的正输入端，而另一根信号线则连接到放大器的负输入端。 差分测量系统与单端对地参考方式、单端对地非参考方式相比避免了接地回路 干扰，避免了环境干扰，且允许输入信号在可编程增益放大器的共模限制范围内浮 动，所以本系统采用差分连接方式。p c i - 6 0 4 0e 型数据采集卡的主要技术参数如表 3 2 所示： 表3 - 2p c i 6 0 4 0 e 的主要技术参数 、t a b l e3 - 2m a i nt e c h n i c a lp a r a m e t e ro fp c i 6 0 4 0 e 基于虚拟仪器的发动机功率榆测与故障诊断的研究 p c i 6 0 4 0 e 数据采集卡接口定义如图3 3 所示： 图3 3p c i6 0 4 0 e 接口定义 f i g 3 - 3p 0 r td e f i n i t i o no fp c i 6 0 4 0 e 图中a c h 0 1 5 即为模拟输入通道，a i g n d 1 p 为模拟输入接地端，其中所有的 1 4 华中农业大学2 0 0 6 硕士学位论文 a i g n d 短接。d a c o o u t 、d a c l o u t b p 为模拟输出通道，a o g n d 为模拟输出接地 通道。d 1 0 0 7 即为数字输入通道，d g n d 为数字输入接地端。 p c i - 6 0 4 0 e 数据采集卡可以采集的信号分为两大类：浮动信号和对地参考信 号。浮动信号与大地系统不相连，但有一个对地隔离的参考点。对于浮动信号，当 采用差分方式时必须将其对地参考端连接到采集卡的模拟输入接地端，以便为信号 之间建立起内部或对卡的参考，否则测量得到的信号就会随信号源漂移超出共模输 入范围而不断改变。 为了能操纵和协调多种不同时间参数和事件，p c i 6 0 4 0 e 带有专用来控制多功能 数采板的定时操作的数据采集控制器( s y s t e mt h n i n gc o n t r o l l e r ) ，即定时计数器 ( c o u n t e r ) ，其接口如图3 3 中g p c t rs o u r c e 、g p c t rg a t e 、g p c n to u t 。 p c i - 6 0 4 0 e 集成了1 0 个1 6 位和2 4 位2 0 m h z 的定时计数器。其中四个计数器用于控制模 拟输入的定时操作，四个计数器用于模拟输出的定时操作；其它两个是留给用户使 用的多用途2 4 位2 0 m h z 或1 0 k h z 的定时计数器。 计数器可以接收或输出m 兼容信号，一个r r l 高电位信号是被定义为其电位 在2 0 和5 v 之间的信号，删低电位是指其电位在0 到0 8 伏之间。计数器的简化模型： 一个s o u r c e 输入口，一个g a t e 输入口，一个t o u t 输出口，以及一个计数寄存器， 如图3 _ 4 所示。 g t eo u t 匪垂圃 s o u r c e i c l k 图3 4 计数器简化模型 f i g 3 - 4p r e d i g e s tm o d eo fc o u n t e r 为了测量发动机转速，系统中将用到一个计数器。测量时，g a t e 端输入由转速 传感器调理电路输出的脉冲，s o u r c e 端输入频率为2 0 m h z 的脉冲，设置计数器计 算g 罔陋端脉冲周期内s o u r c e 端输入的脉冲个数，因为s o u r c e 端脉冲周期五已 知，故可以得出g 锄端脉冲周期r ，从而得出发动机转速。g a t e 端脉冲周期测量 原理如图3 5 所示。 基于虚拟仪器的发动机功串榆测与故障诊断的研究 1 ! 叫 g a t e s 厂 肉 s o u r c e 遵几几门几几nr 几 | 卜1 环_ 叫 图3 5 脉冲周期测量原理 f i g 3 - 5p r i n c i p l eo f p u l s ep e r i o dt e s t i n g 设g a t e 端脉冲周期r 内，s o u r c e 端