基于短時傅立葉變換和主分量分析的發(fā)動機(jī)失火故障診斷方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種基于短時傅立葉變換和主分量分析的發(fā)動機(jī)失火故障診斷方法：首先基于短時傅立葉變換精確獲得工作循環(huán)內(nèi)反映各缸工作狀態(tài)的瞬時轉(zhuǎn)速波形，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行工作循環(huán)內(nèi)波形的特征參數(shù)提取，提取反映各缸工作狀態(tài)的高維特征向量。本發(fā)明以提取的高維特征向量為分析對象，利用主分量分析的T2和SPE監(jiān)測指標(biāo)對失火故障進(jìn)行監(jiān)測，并采用主分量分析的貢獻(xiàn)圖法對故障缸進(jìn)行精確定位。
【專利說明】
基于短時傅立葉變換和主分量分析的發(fā)動機(jī)失火故障診斷 方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于發(fā)動機(jī)故障診斷領(lǐng)域，具體涉及一種基于短時傅立葉變換和主分量分 析的發(fā)動機(jī)失火故障診斷方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 失火故障是多缸發(fā)動機(jī)的一種常見故障，它不僅降低了發(fā)動機(jī)的動力性、經(jīng)濟(jì)性， 而且加劇排放污染。因此對發(fā)動機(jī)失火故障進(jìn)行有效監(jiān)測和診斷十分必要。發(fā)動機(jī)在穩(wěn)定 工況下工作時，其曲軸平均轉(zhuǎn)速是不變的，當(dāng)發(fā)生失火故障時，故障缸的工作狀態(tài)發(fā)生變 化，這會引起曲軸的瞬時轉(zhuǎn)速也發(fā)生顯著波動。因此利用曲軸的瞬時轉(zhuǎn)速波動能對失火故 障進(jìn)行有效診斷，而準(zhǔn)確及時獲得曲軸瞬時轉(zhuǎn)速是對發(fā)動機(jī)進(jìn)行有效失火故障診斷的關(guān)鍵 和基礎(chǔ)。目前最為常見的瞬時轉(zhuǎn)速測量手段是采用霍爾式傳感器，直接利用內(nèi)燃機(jī)固有的 編碼盤(如飛輪齒圈）通過計(jì)數(shù)法進(jìn)行測量。這種測量方法影響測量精度的因素較多，需要 對傳感器原始信號進(jìn)行處理。處理的方法主要包括硬件計(jì)數(shù)法和軟件計(jì)數(shù)法兩種。前者測 量成本高昂，后者主要通過軟件插值的方法計(jì)算瞬時轉(zhuǎn)速，此方法受噪聲信號影響較大，精 度差，當(dāng)齒圈存在缺齒時（用于指示氣缸壓縮上止點(diǎn)），瞬時轉(zhuǎn)速計(jì)算結(jié)果會出現(xiàn)嚴(yán)重畸變。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的在于提供一種基于短時傅立葉變換和主分量分析的發(fā)動機(jī)失火故 障診斷方法。
[0004] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案：
[0005] 1)將發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速信號等間隔劃分成長度為L的連續(xù)信號，然后對劃分的每段長度 為L的連續(xù)信號進(jìn)行短時傅立葉變換，得到轉(zhuǎn)速信號的時頻分布；
[0006] 2)根據(jù)轉(zhuǎn)速信號的時頻分布，采用基于代價函數(shù)的時頻分布脊線提取方法計(jì)算瞬 時頻率;根據(jù)瞬時頻率計(jì)算發(fā)動機(jī)的瞬時轉(zhuǎn)速；
[0007] 3)對瞬時轉(zhuǎn)速波形按照不同氣缸做功區(qū)間進(jìn)行劃分，在各自區(qū)間內(nèi)分別計(jì)算轉(zhuǎn)速 波形的波動參數(shù)值、峰值和峭度，其中波動參數(shù)值定義為：
[0008] B= I Mright_Mleft
[0009 ]其中Mrigh4PMlef t分別表示單缸各自區(qū)間轉(zhuǎn)速波形右端點(diǎn)的幅值和左端點(diǎn)的幅值；
[0010] 那么，由瞬時轉(zhuǎn)速波形提取得到關(guān)于如下3N維特征向量F的特征數(shù)據(jù)：
[0011] F=[B P K],B=[Bi],P=[Pi],K=[Ki]；i = l,2,---N
[0012] 其中P為峰值，K為峭度，N為氣缸數(shù)目，i按照氣缸工作時序進(jìn)行排列；
[0013] 4)根據(jù)步驟3)獲得的特征數(shù)據(jù)，采用主分量分析進(jìn)行失火故障監(jiān)測與診斷。
[0014] 所述發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速信號的獲取方法包括以下步驟:對采集的發(fā)動機(jī)原始轉(zhuǎn)速信號通 過低通濾波去除周期性脈沖型干擾信號，然后去除由發(fā)動機(jī)壓縮上止點(diǎn)缺齒所造成的異常 信號。
[0015] 所述發(fā)動機(jī)原始轉(zhuǎn)速信號為安裝于發(fā)動機(jī)飛輪盤處的轉(zhuǎn)速傳感器所輸出的電壓 信號。
[0016] 所述低通濾波采用階數(shù)為50~150的低通濾波器，該濾波器的截止頻率為3000~ 5000Hz。
[0017] 所述異常信號的去除方法具體包括以下步驟:對低通濾波后的轉(zhuǎn)速信號進(jìn)行峰值 搜索，當(dāng)相鄰峰值之間的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)小于設(shè)定閾值時，去除該相鄰峰值之間的所有數(shù)據(jù)點(diǎn)。
[0018] 所述L的取值為4000~6000。
[0019] 所述短時傅立葉變換按照下式進(jìn)行：
[0021] 其中x(t)是長度為L的連續(xù)信號，h(t)是一個沿著時間軸滑動時間的窗函數(shù)，τ是 時間平移因子，t表示信號時間，f表示信號頻率。
[0022] 所述瞬時頻率的計(jì)算方法具體包括以下步驟：
[0023] 2.1)構(gòu)建如下式所示的代價函數(shù)：
[0024] CFk = -1 S(k,a(k)) |2+|a(k)-a(k-l) |2,k = 2,3, . . . ,η
[0025] 其中k為時間軸上的索引值，a(k)為k時刻的頻率值，n為索引值的最大值，S為對應(yīng) 時刻短時傅立葉譜；
[0026] 2.2)通過最小化代價函數(shù)，在時間軸上尋找譜峰模值較大并且變化光滑的局部最 大值作為瞬時頻率值。
[0027] 所述瞬時轉(zhuǎn)速按照下式進(jìn)行計(jì)算：
[0028] Sn=60Cffs/zNft
[0029] 其中Sn為瞬時轉(zhuǎn)速，Cf為瞬時頻率，z為飛輪盤齒圈齒數(shù)，fs為采樣率，N ft為傅里葉 變換長度。
[0030] 所述步驟4)具體包括以下步驟：
[0031] 4.1)將特征數(shù)據(jù)定義為XPeRmXd，R為特征數(shù)據(jù)集， m為樣本的個數(shù)，d為監(jiān)測變量的 個數(shù);將XP分解為向量tdPPl的外積以及殘余矩陣EP之和：
[0033]其中t是包含樣本之間信息的得分向量，Pl是包含變量之間信息的負(fù)荷向量； [0034] 4.2)根據(jù)特征數(shù)據(jù)分解結(jié)果，計(jì)算各個樣本的監(jiān)測指標(biāo)T2或SPE的值以及監(jiān)測指 標(biāo)對應(yīng)的控制上限；
[0035] 4.3)當(dāng)監(jiān)測指標(biāo)T2或SPE的值超過控制上限時，對對應(yīng)樣本的各個氣缸的特征數(shù) 據(jù)對監(jiān)測指標(biāo)T2或SPE的貢獻(xiàn)值進(jìn)行計(jì)算，并根據(jù)貢獻(xiàn)值大小，對發(fā)生失火故障的氣缸進(jìn)行 定位。單氣缸發(fā)生失火故障時，根據(jù)發(fā)生失火故障的氣缸對應(yīng)的特征數(shù)據(jù)計(jì)算得到的對監(jiān) 測指標(biāo)的貢獻(xiàn)值為最大。
[0036]本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在：
[0037]本發(fā)明方法首先基于短時傅立葉變換精確獲得工作循環(huán)內(nèi)反映各缸工作狀態(tài)的 瞬時轉(zhuǎn)速波形，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行工作循環(huán)內(nèi)波形的特征參數(shù)提取，提取反映各缸工作狀 態(tài)的高維特征向量。本發(fā)明以提取的高維特征向量為分析對象，利用主分量分析的監(jiān)測指 標(biāo)對失火故障進(jìn)行監(jiān)測，并采用主分量分析的貢獻(xiàn)圖法對故障缸進(jìn)行精確定位。
[0038] 本發(fā)明方法的優(yōu)點(diǎn)如下：
[0039] (1)基于短時傅立葉變換（STFT)的瞬時轉(zhuǎn)速提取方法，獲得內(nèi)燃機(jī)瞬時轉(zhuǎn)速精度 高、方法抗干擾能力強(qiáng)。
[0040] (2)采用主分量分析(PCA)對失火故障進(jìn)行監(jiān)控，監(jiān)控特征值和監(jiān)測指標(biāo)運(yùn)算量 小，對失火故障檢測率高，利用貢獻(xiàn)圖法能準(zhǔn)確定位故障缸。
[0041] (3)本發(fā)明方法直接采用正常工作數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，因此不需要事先獲得故障數(shù)據(jù)， 對發(fā)動機(jī)的失火故障診斷，具有較強(qiáng)的工程實(shí)用性。
【附圖說明】
[0042]圖1為轉(zhuǎn)速傳感器原始波形。
[0043]圖2為濾波后轉(zhuǎn)速傳感器波形。
[0044] 圖3為轉(zhuǎn)速傳感器的時頻分布。
[0045] 圖4為不同故障的整工作循環(huán)內(nèi)的瞬時轉(zhuǎn)速比。
[0046] 圖5為1缸失火故障監(jiān)控圖。
[0047] 圖6為1缸失火故障T2監(jiān)測指標(biāo)貢獻(xiàn)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0048] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作詳細(xì)說明。
[0049] 本發(fā)明以發(fā)動機(jī)臺架的霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器原始輸出電壓信號為失火故障診斷對 象，由于發(fā)動機(jī)曲軸轉(zhuǎn)速信號是一種典型的非平穩(wěn)信號，而非平穩(wěn)信號的瞬時頻率因其具 體的物理概念在內(nèi)燃機(jī)瞬時轉(zhuǎn)速計(jì)算方面也得到了廣泛的應(yīng)用。受此啟發(fā)本發(fā)明首先采用 基于短時傅立葉變換的瞬時轉(zhuǎn)速提取方法獲得準(zhǔn)確的曲軸瞬時轉(zhuǎn)速，在此基礎(chǔ)上，對波形 轉(zhuǎn)速特征參數(shù)進(jìn)行提取，采用基于主分量分析的多變量監(jiān)測和診斷方法對發(fā)動機(jī)失火故障 進(jìn)行診斷。由于曲軸在一個工作循環(huán)內(nèi)的轉(zhuǎn)速波動信息能夠反映各缸的工作狀態(tài)，因此對 各缸的高維特征向量進(jìn)行深度挖掘，不但能準(zhǔn)確的對內(nèi)燃機(jī)故障狀態(tài)進(jìn)行識別，更能利用 特征向量和各缸的對應(yīng)關(guān)系進(jìn)行故障缸的精確定位。
[0050] 本發(fā)明采用型號為4G15S的汽油發(fā)動機(jī)臺架進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證基于短時傅立葉變換 和主分量分析的內(nèi)燃機(jī)失火故障診斷方法的有效性。該發(fā)動機(jī)飛輪盤齒圈齒數(shù)為60。其中 兩個齒被去掉用于指示氣缸壓縮上止點(diǎn)位置。飛輪盤處(飛輪盤連接發(fā)動機(jī)曲軸，采集的就 是發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速信號）安裝有霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器，設(shè)置采樣率為200K，對轉(zhuǎn)速信號進(jìn)行了采 集，采集的原始轉(zhuǎn)速波形如圖1所示，傳感器輸出值偏小處位置為氣缸壓縮上止點(diǎn)位置，此 處由于齒圈缺齒，導(dǎo)致信號波形幅值明顯偏小。由于受到飛輪盤齒圈齒形誤差、分度誤差等 因素的影響，產(chǎn)生周期性脈沖型干擾信號，造成轉(zhuǎn)速波形畸變。本發(fā)明采用階數(shù)為100的FIR 低通濾波器濾除脈沖干擾，濾波器窗函數(shù)設(shè)置為漢寧窗，截止頻率設(shè)置為4000Hz。去除畸變 干擾后轉(zhuǎn)速波形如圖2所示。為了去除氣缸壓縮上止點(diǎn)低電壓輸出對傳感器整體輸出電壓 的影響，對濾波后的轉(zhuǎn)速波形進(jìn)行峰值搜索，判別并去除壓縮上止點(diǎn)缺齒所造成的低電壓 數(shù)據(jù)點(diǎn)。具體過程為:通過計(jì)算峰值之間的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)，當(dāng)相鄰峰值之間的點(diǎn)數(shù)小于設(shè)定閾值 時（閾值設(shè)定依據(jù)為:非缺齒位置的轉(zhuǎn)速信號相鄰峰值之間的點(diǎn)數(shù)為《，則閾值設(shè)置為w/2)， 通過刪除相鄰峰值之間數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)小于閾值的該相鄰峰值之間所有轉(zhuǎn)速信號數(shù)據(jù)點(diǎn)，從而去 除缺齒造成的低電壓數(shù)據(jù)點(diǎn)。然后將去除低電壓數(shù)據(jù)點(diǎn)的轉(zhuǎn)速信號，首尾依次進(jìn)行連接，實(shí) 現(xiàn)轉(zhuǎn)速信號重組。
[0051] 在發(fā)動機(jī)一個工作循環(huán)過程中，其輸出扭矩依次受當(dāng)前做功氣缸所影響，對于一 個N缸內(nèi)燃機(jī)，氣缸i(i = 1，2···，N)在曲軸變化角范圍內(nèi)影響輸出扭矩。TDCi是氣缸i(i = 1， 2···，N)的曲軸起始角度。由于氣缸i的輸出扭矩可以影響到上述曲軸變化角內(nèi)的瞬時轉(zhuǎn)速， 因此可以通過氣缸i(i = 1，2···，N)在曲軸變化角范圍內(nèi)的瞬時轉(zhuǎn)速，對氣缸i(i = 1，2···，N) 的工作狀態(tài)做出評估。由于轉(zhuǎn)速信號是典型的非平穩(wěn)信號，因此采用時頻分析算法STFT(短 時傅立葉變換），對重組的轉(zhuǎn)速波形數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行時頻分析，其具體過程如下：首先將被分析 信號等間隔劃分成長度L = 5000的連續(xù)信號，然后對每段信號x(t)進(jìn)行如下短時傅立葉變 換：
[0052]
[0053] 其中h(t)是一個沿著時間軸滑動時間的窗函數(shù)，其設(shè)置為寬度1 = 1000的漢寧窗， τ是時間平移因子，其設(shè)置為900，t表示信號時間，f表示信號頻率，j表示復(fù)數(shù)單位。得到的 轉(zhuǎn)速信號時頻分布如圖3所示。從圖3中可看出，轉(zhuǎn)速信號的時頻能量主要集中在1900Hz-2100Hz區(qū)間內(nèi)。
[0054] 由于干擾和其他誤差因素的影響，信號在一個窗內(nèi)的時頻分布存在著多個峰值， 直接采用譜峰最大值的方法計(jì)算瞬時頻率會產(chǎn)生較大的誤差。而由于轉(zhuǎn)速波動在穩(wěn)定工況 條件下波動較小，可以認(rèn)為相鄰窗內(nèi)的信號瞬時頻率是連續(xù)的，因此本發(fā)明采用基于代價 函數(shù)的時頻分布脊線提取方法，精確計(jì)算瞬時頻率。代價函數(shù)構(gòu)建如下：
[0055] CFk = -1 S(k,a(k)) |2+|a(k)-a(k-l) |2,k = 2,3, . . . ,η (2)
[0056] 式中S為對應(yīng)時刻短時傅立葉譜，其由公式1獲得，k為時間軸上的索引值，對應(yīng)公 式1的時間t，a(k)為k時刻的頻率值，η為索引值的最大值，其由信號長度決定。該代價函數(shù) 由兩部分構(gòu)成，前者表示譜峰的模值，后者表示譜峰值的變化率，通過最小化代價函數(shù)，在 時間軸上尋找譜峰模值較大并且變化光滑的局部最大值作為瞬時頻率值，此時對應(yīng)的瞬時 轉(zhuǎn)速為：
[0057] Sn=60Cffs/zNft (3)
[0058] 式中Sn為瞬時轉(zhuǎn)速，單位為rpm(轉(zhuǎn)/分），Cf為瞬時頻率，z為飛輪盤齒圈齒數(shù)。f s為 信號采樣率(取值是200K)，Nft為傅里葉變換長度。
[0059]在發(fā)動機(jī)正常工作以及氣缸1、2、4分別出現(xiàn)失火故障時，對轉(zhuǎn)速傳感器信號進(jìn)行 了采集，采用以上方法提取瞬時轉(zhuǎn)速，結(jié)果如圖4所示。從圖4中可看出，發(fā)動機(jī)正常工作時， 隨著活塞在氣缸內(nèi)的往復(fù)運(yùn)動，瞬時轉(zhuǎn)速也在有規(guī)律的波動，瞬時轉(zhuǎn)速波形在氣缸做功區(qū) 間出現(xiàn)相應(yīng)波峰，且波峰幅值近似相等。當(dāng)發(fā)動機(jī)出現(xiàn)單缸失火故障時，其各缸工作狀態(tài)的 均勻性明顯變化，故障缸對應(yīng)波峰消失或幅值明顯降低。在工作時序上，故障缸相鄰氣缸的 工作狀態(tài)也受到影響，其波峰幅值明顯低于其他氣缸譜峰，因此通過比較相鄰氣缸的工作 狀態(tài)，不但能對單缸失火故障進(jìn)行有效檢測，而且也能為故障缸的定位提供有用信息。
[0060]為了反映不同氣缸對應(yīng)的轉(zhuǎn)速波形特征，在一個工作循環(huán)內(nèi)，對瞬時轉(zhuǎn)速波形按 照不同氣缸做功區(qū)間進(jìn)行劃分，根據(jù)瞬時轉(zhuǎn)速的變化趨勢，當(dāng)瞬時轉(zhuǎn)速由一個波谷上升到 一個波峰，又回到一個波谷時，判斷為一個做功區(qū)間，在各自區(qū)間內(nèi)分別計(jì)算轉(zhuǎn)速波形的波 動參數(shù)值、峰值和峭度時域指標(biāo)。其中波動參數(shù)值定義為：
[0061] B= |Mright-Mieft (4)
[0062] 式中Mrigh4PMleft分別表示單缸各自做功區(qū)間波形的右端點(diǎn)和左端點(diǎn)的幅值。波動 參數(shù)值和峰值指標(biāo)分別反映不同氣缸瞬時轉(zhuǎn)速的波動和幅值大小分布情況，而峭度指標(biāo)能 夠反映瞬時轉(zhuǎn)速概率分布曲線的陡峭程度，對失火故障造成的瞬時轉(zhuǎn)速波形趨勢變化較為 敏感。按照以上特征提取方法，對一個工作循環(huán)內(nèi)的瞬時轉(zhuǎn)速波形提取如下3N維特征向量：
[0063] F=[B P K],B=[Bi],P=[Pi],K=[Ki]；i = l,2,---N (5)
[0064] 其中Ρ為峰值指標(biāo)，Κ為峭度指標(biāo)，Ν為氣缸數(shù)目，i按照工作時序進(jìn)行排列。
[0065]本發(fā)明實(shí)驗(yàn)所用發(fā)動機(jī)的點(diǎn)火順序?yàn)?-3-4-2。發(fā)動機(jī)連接著測功機(jī)，通過切斷單 缸油路來模擬單缸失火故障，在不同的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和測功機(jī)功率模式下進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn) 故障模式設(shè)置如表1所示。
[0066] 表1.實(shí)驗(yàn)故障模式
[0068]根據(jù)式(5)定義的特征值，對轉(zhuǎn)速2000rpm，正常和單缸分別失火（1缸，2缸和4缸） 狀態(tài)下的瞬時轉(zhuǎn)速信號(瞬時轉(zhuǎn)速波形)進(jìn)行了特征提取，結(jié)果如表2所示，特征1~4分別對 應(yīng)做功區(qū)間1~4的瞬時轉(zhuǎn)速波動參數(shù)，特征5~6分別對應(yīng)做功區(qū)間1~2的瞬時轉(zhuǎn)速峰值。 表2中故障缸對應(yīng)特征值用粗體加斜體表示，時序上相鄰缸對應(yīng)特征值用粗體表示。從表2 中可以看出，故障缸對應(yīng)波動參數(shù)值明顯增大，而峰值指標(biāo)明顯降低，峭度指標(biāo)增大。時序 上相鄰缸的相應(yīng)指標(biāo)值也發(fā)生相同趨勢的變化，但變化幅度變小。
[0069]表2.瞬時轉(zhuǎn)速信號特征提取結(jié)果(部分）
[0070]
[0071]下面將采用基于多變量監(jiān)測理論的主分量分析(PCA)方法，對發(fā)動機(jī)失火故障進(jìn) 行監(jiān)測和診斷。對于包含d個變量的監(jiān)測過程，其數(shù)據(jù)可定義為XPeRmXd(R為特征數(shù)據(jù)集， m 為特征值樣本的個數(shù)，d為監(jiān)測變量的個數(shù)(取值為3N維特征向量的特征個數(shù)），一個工作循 環(huán)包括兩個樣本，由一個樣本求得一組特征值。PCA可將X P分解為向量tjPPl的外積以及殘 余矩陣EP之和：
[0073] 式中^是包含樣本之間信息的得分向量，Pl是包含變量之間信息的負(fù)荷向量，下標(biāo) i表示特征編號，T為轉(zhuǎn)置。進(jìn)行過程監(jiān)控時，首先基于正常歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行PCA分析，建立正常 數(shù)據(jù)的主分量模型，然后將監(jiān)控過程中新得到的數(shù)據(jù)投影到兩個正交的子空間上，并分別 計(jì)算T 2和SPE監(jiān)測指標(biāo)。當(dāng)監(jiān)測指標(biāo)偏離正常值時，可以判斷故障發(fā)生。T2監(jiān)測指標(biāo)定義為：
[0074] T2(k) = t(k)TA-H(k) (7)
[0075] 式中是和保留的主分量相關(guān)的特征值構(gòu)成的對角矩陣，t(k)為對應(yīng)的特征向 量矩陣。T2監(jiān)測指標(biāo)的控制上限UCL定義為：
[0076]
[0077] 其中r是保留的主分量數(shù)，r按照保留分量數(shù)占原有分量數(shù)的70~95 % (例如， 85%)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)置(對特征值矩陣進(jìn)行特征值求解，按照所求的特征值的大小進(jìn)行排 序，前幾階保留下來的較大的特征值所對應(yīng)的特征值向量即為主分量），m為樣本數(shù)，F(xiàn) a(r， m-r)是置信度為α，自由度為r和m-r的F分布。
[0078] SPE監(jiān)測指標(biāo)定義為：
[0079]
[0080] 式中Pr是主元模型中前r個負(fù)荷向量構(gòu)成的矩陣，r為保留的主分量個數(shù)。SPE監(jiān)測 指標(biāo)的控制上限Q a定義為：
[0081]
[0082]
'r為保留的主分量數(shù)，d為監(jiān)測變量數(shù)，λ為特征向量(上標(biāo) i為變量編號，下標(biāo)j為特征值編號）。
，Ca為置信度為α的正態(tài)分布。
[0083]對照表1的實(shí)驗(yàn)故障模式，采用本發(fā)明方法對發(fā)動機(jī)單缸失火故障進(jìn)行了診斷。按 照式(5)提取了正常和故障狀態(tài)下的瞬時轉(zhuǎn)速特征值向量，按照式(7)和式(9)計(jì)算了 Τ2和 SPE監(jiān)測指標(biāo)的監(jiān)控圖，其中模式1的監(jiān)控圖如圖5所示。圖5中虛線為由正常狀態(tài)所計(jì)算的 在置信度95%條件下的監(jiān)測指標(biāo)閾值（即為控制上限）。圖5中所示樣本在第65個樣本之前 為正常狀態(tài)，從第66個樣本開始為一缸失火故障狀態(tài)。從圖5中可以看出，除個別樣本外，Τ 2 和SPE監(jiān)測指標(biāo)值在故障發(fā)生時刻之前，均在監(jiān)測指標(biāo)閾值之下。而從故障發(fā)生時刻開始， 監(jiān)測指標(biāo)值大大超過了監(jiān)測指標(biāo)閾值。通過計(jì)算，表1中各個模式下的故障檢測率均為 100%。為了驗(yàn)證本發(fā)明所提方法的誤報率，采用正常狀態(tài)下的樣本進(jìn)行了訓(xùn)練和測試，在 置信度95 %條件下，其T2和SPE監(jiān)測指標(biāo)的誤報率分別為0.33 %和0.79 %，這表明，本發(fā)明 方法能在低誤報率條件下，有效對單缸失火故障進(jìn)行監(jiān)測。
[0084]在圖5中，當(dāng)T2和SPE監(jiān)測指標(biāo)值超過監(jiān)測指標(biāo)閾值時，對該時刻(具體指第66個樣 本）的對應(yīng)的特征值對T2指標(biāo)的貢獻(xiàn)值進(jìn)行了計(jì)算(采用SPE的貢獻(xiàn)圖實(shí)現(xiàn)故障缸定位，理 論上也是可行的），得到的貢獻(xiàn)圖如圖6所示。從圖6中可以看出1缸發(fā)生失火故障時，1缸所 對應(yīng)的特征值對故障造成的監(jiān)測指標(biāo)T 2異常的貢獻(xiàn)量最大，其次是時序上相鄰的3缸的相 關(guān)貢獻(xiàn)量。因此，通過對故障發(fā)生時刻的監(jiān)測指標(biāo)貢獻(xiàn)圖進(jìn)行分析，能準(zhǔn)確的定位發(fā)生失火 的故障缸。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 基于短時傅立葉變換和主分量分析的發(fā)動機(jī)失火故障診斷方法，其特征在于:包括 以下步驟： 1) 將發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速信號等間隔劃分成長度為L的連續(xù)信號，然后對劃分的每段長度為L的 連續(xù)信號進(jìn)行短時傅立葉變換，得到轉(zhuǎn)速信號的時頻分布； 2) 根據(jù)轉(zhuǎn)速信號的時頻分布，采用基于代價函數(shù)的時頻分布脊線提取方法計(jì)算瞬時頻 率;根據(jù)瞬時頻率計(jì)算發(fā)動機(jī)的瞬時轉(zhuǎn)速； 3) 對瞬時轉(zhuǎn)速波形按照不同氣缸做功區(qū)間進(jìn)行劃分，在各自區(qū)間內(nèi)分別計(jì)算轉(zhuǎn)速波形 的波動參數(shù)值、峰值和峭度，其中波動參數(shù)值定義為： B= | Mright-Mleft 其中Mright和Mirft分別表示單缸各自區(qū)間轉(zhuǎn)速波形右端點(diǎn)的幅值和左端點(diǎn)的幅值； 那么，由瞬時轉(zhuǎn)速波形提取得到基于如下3N維特征向量F的特征數(shù)據(jù)： F=[B P K],B=[Bi],P=[Pi],K=[Ki]；i = l,2,---N 其中P為峰值，K為峭度，N為氣缸數(shù)目，i按照氣缸工作時序進(jìn)行排列； 4) 根據(jù)步驟3)獲得的特征數(shù)據(jù)，采用主分量分析進(jìn)行失火故障監(jiān)測與診斷。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述基于短時傅立葉變換和主分量分析的發(fā)動機(jī)失火故障診斷方 法，其特征在于:所述發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速信號的獲取方法包括以下步驟:對采集的發(fā)動機(jī)原始轉(zhuǎn)速 信號通過低通濾波去除周期性脈沖型干擾信號，然后去除由發(fā)動機(jī)壓縮上止點(diǎn)缺齒所造成 的異常信號。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述基于短時傅立葉變換和主分量分析的發(fā)動機(jī)失火故障診斷方 法，其特征在于:所述發(fā)動機(jī)原始轉(zhuǎn)速信號為安裝于發(fā)動機(jī)飛輪盤處的轉(zhuǎn)速傳感器所輸出 的電壓信號。4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述基于短時傅立葉變換和主分量分析的發(fā)動機(jī)失火故障診斷方 法，其特征在于:所述低通濾波采用階數(shù)為50~150的低通濾波器，該濾波器的截止頻率為 3000~5000Hz。5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述基于短時傅立葉變換和主分量分析的發(fā)動機(jī)失火故障診斷方 法，其特征在于:所述異常信號的去除方法具體包括以下步驟:對低通濾波后的轉(zhuǎn)速信號進(jìn) 行峰值搜索，當(dāng)相鄰峰值之間的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)小于設(shè)定閾值時，去除該相鄰峰值之間的所有數(shù) 據(jù)點(diǎn)。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述基于短時傅立葉變換和主分量分析的發(fā)動機(jī)失火故障診斷方 法，其特征在于:所述L的取值為4000~6000。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述基于短時傅立葉變換和主分量分析的發(fā)動機(jī)失火故障診斷方 法，其特征在于:所述短時傅立葉變換按照下式進(jìn)行：其中x(t)是長度為L的連續(xù)信號，h(t)是一個沿著時間軸滑動時間的窗函數(shù)，τ是時間 平移因子，t表示信號時間，f表示信號頻率。8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述基于短時傅立葉變換和主分量分析的發(fā)動機(jī)失火故障診斷方 法，其特征在于:所述瞬時頻率的計(jì)算方法具體包括以下步驟： 2.1)構(gòu)建如下式所示的代價函數(shù)： CFk = -1 S(k,a(k)) |2+| a(k)-a(k-l )|2,k = 2,3,...,n 其中k為時間軸上的索引值，a (k)為k時刻的頻率值，n為索引值的最大值，S為對應(yīng)時刻 短時傅立葉譜； 2.2)通過最小化代價函數(shù)，在時間軸上尋找譜峰模值較大并且變化光滑的局部最大值 作為瞬時頻率值。9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述基于短時傅立葉變換和主分量分析的發(fā)動機(jī)失火故障診斷方 法，其特征在于:所述瞬時轉(zhuǎn)速按照下式進(jìn)行計(jì)算： Sn = 60Cffs/zNft 其中Sn為瞬時轉(zhuǎn)速，Cf為瞬時頻率，z為飛輪盤齒圈齒數(shù)，fs為采樣率，N ft為傅里葉變換 長度。10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述基于短時傅立葉變換和主分量分析的發(fā)動機(jī)失火故障診斷方 法，其特征在于:所述步驟4)具體包括以下步驟： 4.1) 將特征數(shù)據(jù)定義為XPeRmXd，R為特征數(shù)據(jù)集，m為樣本的個數(shù)，d為監(jiān)測變量的個 數(shù);將Xp分解為向量ti和Pi的外積W*π. 其中t是包含樣本之間信息的得分向量，Pl是包含變量之間信息的負(fù)荷向量； 4.2) 根據(jù)特征數(shù)據(jù)分解結(jié)果，計(jì)算各個樣本的監(jiān)測指標(biāo)T2或SPE的值以及監(jiān)測指標(biāo)對應(yīng) 的控制上限； 4.3) 當(dāng)監(jiān)測指標(biāo)T2或SPE的值超過控制上限時，對對應(yīng)樣本的各個氣缸的特征數(shù)據(jù)對監(jiān) 測指標(biāo)T2或SPE的貢獻(xiàn)值進(jìn)行計(jì)算，并根據(jù)貢獻(xiàn)值大小，對發(fā)生失火故障的氣缸進(jìn)行定位。
【文檔編號】G01M15/00GK105865794SQ201610317426
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年5月12日
【發(fā)明人】蔡鍔, 李陽陽
【申請人】長安大學(xué)