一種基于廣義S變換增強(qiáng)的柴油機(jī)失火故障特征提取方法

賈翔宇， 賈繼德， 梅檢民， 張帥， 吳春志

(1. 軍事交通學(xué)院研究生管理大隊(duì)， 天津 300161； 2. 蚌埠汽車士官學(xué)校裝備技術(shù)系， 安徽 蚌埠 233011；3. 軍事交通學(xué)院軍用車輛系， 天津 300161)

一種基于廣義S變換增強(qiáng)的柴油機(jī)失火故障特征提取方法

賈翔宇1,2， 賈繼德3， 梅檢民3， 張帥1， 吳春志1

(1. 軍事交通學(xué)院研究生管理大隊(duì)， 天津 300161； 2. 蚌埠汽車士官學(xué)校裝備技術(shù)系， 安徽 蚌埠 233011；3. 軍事交通學(xué)院軍用車輛系， 天津 300161)

為有效提取柴油機(jī)缸蓋振動(dòng)信號(hào)失火故障特征，提出一種基于廣義S變換增強(qiáng)的柴油機(jī)失火故障特征提取方法。首先根據(jù)柴油機(jī)燃燒過程與配氣相位的關(guān)系對(duì)信號(hào)進(jìn)行等角度重采樣，然后利用廣義S變換對(duì)信號(hào)進(jìn)行消噪處理，并按工作循環(huán)將信號(hào)的周期性瞬態(tài)特征進(jìn)行同步增強(qiáng)。通過仿真信號(hào)驗(yàn)證和某柴油機(jī)缸蓋振動(dòng)信號(hào)的實(shí)例應(yīng)用，結(jié)果表明，此方法能有效地提取柴油機(jī)缸蓋振動(dòng)信號(hào)的失火故障特征，實(shí)現(xiàn)失火故障的準(zhǔn)確診斷。

柴油機(jī)； 失火故障； 特征提??； 廣義S變換

柴油機(jī)失火故障是指單個(gè)或多個(gè)氣缸無法著火燃燒的現(xiàn)象。失火容易導(dǎo)致柴油機(jī)動(dòng)力性下降、燃油經(jīng)濟(jì)性變差、可靠性降低和污染物排放增加等。為此，檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒狀態(tài)，準(zhǔn)確地判斷各缸做功狀況具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

柴油機(jī)缸蓋振動(dòng)信號(hào)與缸內(nèi)燃燒狀態(tài)關(guān)系密切，可以作為缸內(nèi)燃燒狀態(tài)監(jiān)測(cè)診斷的分析信號(hào)[1-2]，然而該信號(hào)具有強(qiáng)烈的非平穩(wěn)周期循環(huán)特征[3]，且信噪比低，只有準(zhǔn)確地提取這一特征，才能有效地診斷柴油機(jī)失火故障。目前，常用的非平穩(wěn)信號(hào)特征提取方法有短時(shí)傅里葉變換(STFT)、連續(xù)小波變換(CWT)、魏格納維爾分布(WVD)、希爾伯特黃變換(HHT)等。但每種方法都有其局限性，STFT采用固定窗函數(shù)，無法解決時(shí)間和頻率分辨率的矛盾[4]；CWT存在小波基函數(shù)的選擇問題[5]，且CWT的分解尺度與信號(hào)頻率無關(guān)，只與分析頻率有關(guān)，缺乏明顯的物理意義；WVD存在比較嚴(yán)重的干擾項(xiàng)[6]；HHT容易產(chǎn)生模式混淆，還存在“邊界效應(yīng)”等問題[7-8]。

廣義S變換(Generalized S-transform，GST)是標(biāo)準(zhǔn)S變換的改進(jìn)算法， GST繼承了標(biāo)準(zhǔn)ST的所有優(yōu)點(diǎn)，比如多分辨率、變換的無損性以及時(shí)頻分辨率與信號(hào)本身的直接相關(guān)性等等，并且通過引入調(diào)節(jié)因子，增強(qiáng)了GST的自適應(yīng)性，克服了標(biāo)準(zhǔn)ST存在的不足，且提取的特征量對(duì)噪聲不敏感。這些獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，使得GST具有更強(qiáng)的非平穩(wěn)信號(hào)的處理能力，可以對(duì)柴油機(jī)非平穩(wěn)信號(hào)進(jìn)行消噪處理與特征增強(qiáng)[9]。

本研究提出了一種基于廣義S變換增強(qiáng)(GST-Enhencement)的柴油機(jī)失火故障特征提取方法。首先根據(jù)柴油機(jī)燃燒過程與配氣相位的關(guān)系對(duì)柴油機(jī)缸蓋振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行等角度重采樣，采用GST對(duì)信號(hào)進(jìn)行消噪處理；然后，進(jìn)一步按照工作循環(huán)將周期性瞬態(tài)特征向直角坐標(biāo)系進(jìn)行映射，消除循環(huán)波動(dòng)的影響并顯著增強(qiáng)周期循環(huán)特征[10]。

1 基本原理

1.1 等角度重采樣

將信號(hào)的時(shí)域序列轉(zhuǎn)變?yōu)榈冉嵌鹊慕怯蛐蛄?，是消除非平穩(wěn)信號(hào)的循環(huán)波動(dòng)干擾的一種有效方法。以第1缸壓縮上止點(diǎn)的轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)作為參考，對(duì)缸蓋振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行等角度重采樣[11]。

假設(shè)柴油機(jī)曲軸轉(zhuǎn)角與時(shí)間滿足二次多項(xiàng)式關(guān)系：

(1)

式中：b0,b1,b2為待定系數(shù)，可以通過在式(1)中代入3個(gè)連續(xù)的轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)抵達(dá)的時(shí)間(t1,t2,t3)來求解。轉(zhuǎn)速脈沖的角度間隔是固定的(ΔΦ)，即

(2)

(3)

通過對(duì)方程(3)求解可得對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)角變化的時(shí)間：

(4)

如果每轉(zhuǎn)取固定的數(shù)據(jù)點(diǎn)，即實(shí)現(xiàn)等角度變化。1.2 廣義S變換

如果確定性過程為x(t)∈L2(R)，則其廣義S變換可以表達(dá)為

(5)

式中：ω(τ,f)為高斯窗函數(shù)，

(6)

式中：k,p為調(diào)節(jié)因子，k>0，p>0。

由式(5)和式(6)可知，由于調(diào)節(jié)因子的存在，廣義S變換的自適應(yīng)性得到顯著增強(qiáng)，有效地克服了標(biāo)準(zhǔn)S變換存在的不足。隨著k值增大，窗函數(shù)的寬度會(huì)向外延拓；隨著p值的增大，窗函數(shù)的寬度會(huì)向內(nèi)收縮。相較之下，p的調(diào)節(jié)對(duì)窗函數(shù)寬度影響更大。因此，為了達(dá)到最佳的時(shí)頻分辨率，實(shí)際應(yīng)用中往往是通過調(diào)節(jié)參數(shù)p來實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)地調(diào)節(jié)的。

廣義S 變換的頻域表達(dá)式可以用Fourier變換的卷積定理得到：

(7)

式中：X(α+f)為確定性過程x(t)的傅里葉變換?；谑?7)，令f=n/(NT)，τ=jT，其離散廣義S變換可表達(dá)為

(8)

式中：T為確定性過程x(t)的時(shí)間采樣間隔；N為其采樣總點(diǎn)數(shù)；n=0,1,2,…N-1和j=0,1,2,…N-1分別代表時(shí)間和頻率。

2 仿真信號(hào)驗(yàn)證

2.1 仿真信號(hào)的構(gòu)造

柴油機(jī)的缸蓋振動(dòng)信號(hào)實(shí)際上是一種非平穩(wěn)信號(hào)，但是仍可以通過等角度采樣方法處理得到近似平穩(wěn)的周期信號(hào)。為了說明問題，本研究采用與缸

蓋振動(dòng)信號(hào)相似的文獻(xiàn)[12]仿真信號(hào)。

x(k)=exp(-at)(sin2πf1kT+

sin2πf2kT)+n(t)。

式中：k為自然數(shù)；T為采樣時(shí)間間隔，取值5×10-5；fm為調(diào)制頻率，取值100 Hz；t取值為mod(kT,1/fm)；a為指數(shù)頻率，取值800 Hz；f1,f2為載波頻率，分別取值為3 kHz，7 kHz；n(t)為噪聲。

仿真信號(hào)的時(shí)域波形見圖1。圖1a為原始仿真信號(hào)，信號(hào)中包含多個(gè)干凈的瞬態(tài)沖擊成分；圖1b為加噪仿真信號(hào)，信號(hào)中瞬態(tài)沖擊成分被噪聲污染，增加了特征提取的難度。

圖1 仿真信號(hào)時(shí)域波形

2.2 多種時(shí)頻分析方法信號(hào)特征表示比較

分別應(yīng)用STFT，CWT，WVD，HHT，GST以及GST-Enhencement等方法對(duì)原始仿真信號(hào)和加噪仿真信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻分析，結(jié)果見圖2。

3 柴油機(jī)失火故障特征提取實(shí)例

3.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)在HJ493型4缸柴油機(jī)上進(jìn)行，柴油機(jī)做功順序?yàn)?—3—4—2，做功間隔角為180°。在柴油機(jī)各缸缸蓋頂部安裝有603C01 ICP振動(dòng)傳感器，在發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸前端凸緣位置安裝有霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器。信號(hào)采集是在柴油機(jī)700 r/min的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速下進(jìn)行的，分別測(cè)得各缸完全斷油時(shí)缸蓋表面振動(dòng)信號(hào)。采樣頻率為12 800 Hz，采樣時(shí)間2 s，獲得數(shù)據(jù)點(diǎn)的總長(zhǎng)度為25 600。

3.2 故障特征提取方法應(yīng)用

以柴油機(jī)正常燃燒狀態(tài)下的特征提取為例，對(duì)基于廣義S變換增強(qiáng)的柴油機(jī)失火故障特征提取方法進(jìn)行進(jìn)一步說明。圖3示出柴油機(jī)正常燃燒時(shí)振動(dòng)信號(hào)的時(shí)域波形。

圖2 仿真信號(hào)時(shí)頻分析

圖3 時(shí)域波形

時(shí)域波形中包含著與柴油機(jī)燃燒過程密切相關(guān)的瞬態(tài)沖擊成分，然而這些沖擊成分出現(xiàn)的時(shí)刻以及幅值不斷變化，呈現(xiàn)非平穩(wěn)周期循環(huán)特征。

按照信號(hào)處理流程，將正常燃燒缸蓋振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行處理：首先，對(duì)信號(hào)進(jìn)行等角度重采樣(見圖4)；然后，利用廣義S變換對(duì)信號(hào)進(jìn)行消噪處理，得到二維時(shí)頻分布；將周期性的瞬態(tài)特征向同一工作循環(huán)相應(yīng)的角度范圍進(jìn)行映射，最大限度地削弱循環(huán)波動(dòng)的影響，達(dá)到故障特征增強(qiáng)的目的(見圖5)。

圖4 等角度重采樣

圖5 正常信號(hào)時(shí)頻分布

3.3 柴油機(jī)燃燒狀態(tài)監(jiān)測(cè)

按上述方法提取了柴油機(jī)各缸的失火故障特征，見圖6。通過圖6可以看出，0°～180°對(duì)應(yīng)的能量較低，說明第1缸燃燒不良；圖6b中，540°～720°對(duì)應(yīng)能量較低，說明第2缸燃燒不良；以此類推，圖6c和圖6d中，180°～360°和360°～540°的能量較低，說明第3缸和第4缸燃燒不良。由此可見，通過廣義S變換增強(qiáng)的柴油機(jī)失火故障特征提取方法，能較好地提取故障特征，有利于失火故障的準(zhǔn)確診斷。

圖6 4種不同的柴油機(jī)燃燒狀態(tài)

4 結(jié)束語

基于廣義S變換增強(qiáng)的柴油機(jī)失火故障特征提取方法，可以有效地降低仿真信號(hào)的噪聲，且具有較高的時(shí)頻分辨率，更加形象直觀地呈現(xiàn)了信號(hào)特征。

應(yīng)用該方法對(duì)某4缸柴油機(jī)失火故障特征進(jìn)行提取，結(jié)果表明基于廣義S變換增強(qiáng)的柴油機(jī)失火故障特征提取方法能顯著增強(qiáng)柴油機(jī)失火故障特征，有助于準(zhǔn)確診斷柴油機(jī)失火故障。

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[編輯： 袁曉燕]

A Feature Extraction Method for Misfire Fault of Diesel Engine Based on Generalized S-Transform and Signal Enhancement

JIA Xiangyu1,2, JIA Jide3, MEI Jianmin3, ZHANG Shuai1, WU Chunzhi1

(1. Postgraduate Training Brigade, Military Transportation University, Tianjin 300161, China; 2. Department of Equipment Technology, Bengbu Automobile NCO Academy, Bengbu 233011, China; 3. Military Vehicle Department, College of Military Transportation, Tianjin 300161, China)

In order to extract the characteristic signal of the diesel engine misfire fault effectively, a misfire fault feature extraction method of diesel engine based on generalized S-transform and signal enhancement was proposed. Firstly, the signal was resampled according to the relationship between combustion process and valve timing of diesel engine. Then the signal was denoised by generalized S-transform and the periodic transient characteristics of the signal were synchronously enhanced according to the working cycle. According to the simulation signal verification and a diesel engine cylinder head vibration signal example application, the method could effectively extract the characteristic signal of the diesel engine misfire fault and realize the purpose of fault diagnosis.

diesel engine; misfire fault; feature extraction; generalized S-transform

2016-12-07；

2017-04-02

賈翔宇(1987—)，男，講師，碩士，主要研究方向?yàn)槠嚬收现悄軝z測(cè)與診斷；kittyyoyo_jxy@126.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2017.02.012

TK421.24

B

1001-2222(2017)02-0067-05