基于MATLAB的內(nèi)?？刂苾?nèi)燃機故障分析系統(tǒng)

寧皓，朱巖，周建

廣西玉柴機器股份有限公司 廣西玉林 537000

1 序言

柴油機是用柴油作燃料的內(nèi)燃機，在運輸、發(fā)電等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。它主要通過氣缸壓縮柴油與空氣的混合物產(chǎn)生內(nèi)能，用來帶動曲軸等運動件，由此獲得強勁的動能。

但內(nèi)燃機的故障就比較復雜，工作條件惡劣，系統(tǒng)、機構(gòu)與部件之間相互影響，導致真正的故障原因由于外界因素的干擾而難以確定，給排除故障帶來了一定困難。

2 內(nèi)燃機故障檢測方法設計

通過對內(nèi)燃機故障系統(tǒng)的分析，設計了針對內(nèi)燃機故障信號消除外界干擾的系統(tǒng)。由于內(nèi)燃機外界擾動信號是非連續(xù)性的信號，硬件選擇了數(shù)據(jù)采集卡和振動傳感器。

針對內(nèi)燃機故障分析，提出基于內(nèi)?？刂频墓收戏治龇椒?，通過對外界擾動進行過濾，對內(nèi)?？刂破魇欠窨梢杂行У卮_認內(nèi)燃機真實的故障狀態(tài)進行了驗證。

2.1 6123系列某船用發(fā)動機的基本構(gòu)成及故障分析

（1）基本構(gòu)成 6123系列某船用發(fā)動機（見圖1）的排放滿足非道路T3排放標準和歐洲S3A排放標準，且保留了充足的裕度，動力強，性能好，油耗低，瞬態(tài)加載能力好。其中的增壓中冷、四氣門和電控技術(shù)，使得燃燒組織準確、迅速，排放好，瞬態(tài)響應性能好，加載能力強。

圖1 6123系列某船用發(fā)動機

該發(fā)動機采用高強度氣缸體、合金曲軸、合金鋼連桿和內(nèi)冷油道活塞，使發(fā)動機耐用。與同類產(chǎn)品相比，有較輕和較緊湊的結(jié)構(gòu)，使發(fā)動機工作平穩(wěn)、可靠和高效。

（2）主要故障分析 船用柴油發(fā)動機是由許多機械零部件、電子元件和氣液等流體管路組成的一個十分復雜的機電設備。發(fā)動機的每個子系統(tǒng)之間雖然在內(nèi)燃機工作時相互協(xié)調(diào)、相互聯(lián)系，但在這樣一個復雜的系統(tǒng)中，其故障原因更錯綜復雜、無法定量[1]。不同功能的子系統(tǒng)之間，在結(jié)構(gòu)上存在著較大的差異。

內(nèi)燃機系統(tǒng)在運轉(zhuǎn)時，零部件不斷磨損、老化等因素都可能會引起系統(tǒng)結(jié)構(gòu)惡化、功能失調(diào)，還會影響到子系統(tǒng)間的關(guān)系變化，使系統(tǒng)故障特征的傳播不平穩(wěn)，甚至沒有邏輯性，無法控制傳播路徑等，從而造成原始故障可帶動其他的子系統(tǒng)一同產(chǎn)生故障[2]。

內(nèi)燃機的故障特征主要表現(xiàn)為以下特點。

1）復雜性。由于構(gòu)成設備的子系統(tǒng)、機構(gòu)與部件之間的相互關(guān)聯(lián)、相互影響，導致故障原因與故障現(xiàn)象之間關(guān)聯(lián)性復雜，故障現(xiàn)象和故障原因之間的邏輯關(guān)系、定量關(guān)系和定性關(guān)系等錯綜復雜的聯(lián)系交織在一起，使得故障診斷頗具復雜性。

2）層次性。即系統(tǒng)的特性，內(nèi)燃機作為多設備組合而成的機電系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)的層次性從大到小分為系統(tǒng)、子系統(tǒng)……每一個零件。一般來說，在制定故障策略的模型時，都是從大系統(tǒng)開始研究，直至每一個零件，層次從高到低開始擬定，這樣隨著層次性去查找故障原因會有更高的效率，也便于模擬計算。

3）錯綜性。故障原因和故障現(xiàn)象之間存在模糊性，內(nèi)燃機故障診斷中提出的許多概念和使用方法存在錯綜性。

4）相關(guān)性。內(nèi)燃機系統(tǒng)是由其相互作用、相互影響的子系統(tǒng)組成的復雜整體，發(fā)生故障時子系統(tǒng)之間也會相互作用和聯(lián)系，此時會展現(xiàn)一定的相關(guān)性。

根據(jù)內(nèi)燃機故障分析，選擇如下一些指標作為故障參數(shù)。

1）轉(zhuǎn)速。若內(nèi)燃機在外部負荷穩(wěn)定的工況下運行，轉(zhuǎn)速卻有較大波動，則主要原因如下：①燃油供給不穩(wěn)定。若油路中進入了空氣或水，輸油泵供油不足，以及油中有堵塞物等均會使供油時斷時續(xù)，造成內(nèi)燃機轉(zhuǎn)速波動。②燃燒不良。各缸噴油量、供油提前角和壓縮壓力不一致，會導致燃燒不良。③調(diào)速器失常。當調(diào)速器各零件卡滯比較嚴重，以及調(diào)速器飛鐵與飛鐵座磨損很大時，會造成自由晃動量過大，從而引起內(nèi)燃機轉(zhuǎn)速波動。

2）機油溫度。當機油溫度超過正常工作溫度較大時，會導致潤滑條件變差，使運動件摩擦表面溫度過高，從而造成嚴重的機械故障。機油溫度偏高主要原因如下：①內(nèi)燃機長時間超負荷工作，燃燒過程后燃嚴重，造成機器溫度過高。②凡是引起水溫過高的原因，也是使油溫升高的原因，如水泵的帶過松等。③機油冷卻器堵塞使機油冷卻表面積不足。

判斷堵塞方法：可用手摸一下通往散熱器的進油管和出油管，若二者溫度有差別，則證明散熱器工作正常。

3）機油壓力。機油壓力是各個機械部件保證摩擦表面能夠進行正常潤滑的必要條件。機油壓力不足一般情況有下列可能原因：儲油量不足時，機油泵吸入和壓出的油量減少，使油壓變低；機油過稀時，各組合件的摩擦表面就不能形成一定的油膜，零件潤滑不良，機油壓力下降。

若機油壓力過高，其主要原因如下：①機油黏度大。機油黏度增加而使油壓增高。內(nèi)燃機冷車起動時，由于溫度低，機油黏度大，也會出現(xiàn)油壓過高，但是隨著溫度的升高，壓力逐漸恢復到正常。②機油油道堵塞。主油道內(nèi)機油油泥雜質(zhì)較多造成堵塞，使機油流動阻力加大，油壓因而相應升高。③連桿軸承的間隙過小。新裝配的內(nèi)燃機有時會因裝配不當而使軸承間隙過小，也會造成機油壓力過高的現(xiàn)象。

4）冷卻水溫度。冷卻水溫度能反映內(nèi)燃機負荷狀況，溫度過高會有如下影響：①水泵水量小或不泵水。②熱交換器管道內(nèi)積有大量水垢。這時不但散熱差，而且會使流通的水量減小。③節(jié)溫器失靈。節(jié)溫器失靈后，節(jié)溫器閥門在冷卻水溫度達到規(guī)定值時還不能打開，冷卻水不能進行大循環(huán)，即水不能到散熱器中得到冷卻，從而使水溫升高。

5）排氣溫度?？赏ㄟ^排氣溫度對燃燒狀況進行評估。船用內(nèi)燃機排氣溫度過高的根本原因是混合氣體未能完全燃燒而在排入排氣管后繼續(xù)燃燒。造成內(nèi)燃機排氣溫度過高的具體原因如下：①排氣門密封不嚴。由于排氣門與氣門座密封錐面密封不嚴或積碳過多，排氣門泄漏，所以導致壓縮壓力降低，從而引起壓縮終了溫度的降低，使點火延時而產(chǎn)生后燃。②噴油器霧化不良。噴油器霧化不良使燃油在燃燒室內(nèi)形成混合氣體的時間延遲，導致在排氣管內(nèi)產(chǎn)生后燃。

6）進氣壓力?？赏ㄟ^進氣壓力對渦輪增壓器的狀況、進氣道狀況進行評估，并為燃燒狀況的評估提供依據(jù)。進氣壓力下降，嚴重影響進氣量，使燃油不能完全燃燒，導致內(nèi)燃機功率下降，耗油量增加，排氣溫度升高。造成進氣壓力下降的主要原因如下：①空氣濾清器濾芯堵塞，使進氣阻力增加，壓氣機吸氣量不足，導致進氣壓力下降，此時應更換空氣濾芯。②排氣管變形或排氣消聲器堵塞，致使渦輪排氣不暢，排氣阻力增大，廢氣在渦輪中的膨脹受到抑制，渦輪功率降低，增壓器轉(zhuǎn)速下降、進氣壓力降低。

（3）內(nèi)模控制故障系統(tǒng)分析 內(nèi)?？刂疲↖nternal Model Control，簡稱IMC）思路的實質(zhì)是把內(nèi)部模型和實際被控對象實現(xiàn)并聯(lián)并組合起來的結(jié)構(gòu)，控制器選取模型的動態(tài)逆，把輸入約束和魯棒性暫時移出考慮范圍外的條件下，讓閉環(huán)系統(tǒng)的性能盡可能地得到滿足，再使用低通濾波器提升系統(tǒng)的魯棒性，從而減少外界擾動所造成的不利影響，提升一定的適應性[3]。

內(nèi)模控制的結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。圖中，Gp（s）表示控制對象為內(nèi)燃機，（s）為對象模型，R（s）為設定值，Ym（s）為控制器輸出的控制量，Y（s）為控制系統(tǒng)輸出，D（s）為發(fā)動機外界擾動信號。

圖2 內(nèi)模控制結(jié)構(gòu)原理

由圖2不難看出，內(nèi)模控制的核心內(nèi)容分為以下3部分：①內(nèi)部模型，即被控對象的內(nèi)部模型，用來預測被控對象的輸出。②內(nèi)模控制器，可不斷改變和調(diào)整輸出值，讓設定值成為輸出值的追蹤目標。③濾波器，在外界擾動信號通過濾波器時對外界的干擾進行過濾。

由于內(nèi)燃機是一種多振源、寬頻帶和振動形態(tài)復雜的大型機械，其外界擾動信號呈現(xiàn)非平穩(wěn)時變特征，噪聲干擾大，故障信號往往被淹沒在干擾噪聲中，因此可以通過控制算法，最大限度地消除外界干擾，從而輸出正確的內(nèi)燃機故障信號[4]。

利用內(nèi)?？刂铺匦赃M行處理。內(nèi)?？刂频脑O計思路是：需要設計一個理想的穩(wěn)定控制器，并在理想的控制下開始準備工作，通過引入過濾器用來調(diào)整參數(shù)和結(jié)構(gòu)。先不考慮魯棒性，由此設計出符合實際條件的控制器。

可以看出，控制系統(tǒng)中有兩個輸入：設定值輸入R（s）和擾動信號輸入D（s）（設該輸入不可測）。下面分兩種情況討論施加不同的輸入時系統(tǒng)輸出的情況。

1）當R（s）=0，D（s）≠0時，若該模型不變，即（s）=Gp（s），此時（s）=D（s）。由于設定此時R（s）=0，由圖2可得

若模型可導，即可實現(xiàn)，則

將式（2）代入式（1）得

由式（3）可以得出結(jié)論：當R（s）=0，D（s）≠0，以及模型準確且可導的情況下，本控制器是可以對外界擾動有很好抑制作用的理想控制器。

2）當R（s）≠0，D（s）=0，以及模型準確且可導時，由于D（s）=0，則可知=0，由圖2可得

式（4）表明：在R（s）≠0，D（s）=0，以及模型準確且可導時，本控制器是Y（s）能對R（s）的變化進行跟蹤的理想控制器。

由式（4）得，內(nèi)?？刂拼嬖谝韵玛P(guān)系

如果模型準確時，式（5）可以化簡為

外界擾動信號為

通過上述分析可知，該模型的輸出與過程的輸出相等，即可確定外界擾動信號D（s）=0。故存在給定輸入的情況下，內(nèi)模控制系統(tǒng)具有開環(huán)結(jié)構(gòu)。在實際作業(yè)過程控制中，減少甚至消除外界干擾是所有控制系統(tǒng)的核心。圖2中外界擾動信號D（s）可以反映外界擾動對內(nèi)燃機故障信號輸出的影響，由此構(gòu)成了閉環(huán)的控制結(jié)構(gòu)，通過控制器的控制算法，最大限度地消除外界干擾，保證內(nèi)燃機故障信號輸出[5]。

該發(fā)動機故障分析系統(tǒng)的原理是安裝在發(fā)動機上的傳感器將振動信號轉(zhuǎn)化為電信號，傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集模塊，經(jīng)過處理后的信號輸送到變送器，再檢測工藝參數(shù)，并將測量值以特定的信號形式傳送出去，以便控制室進行顯示、調(diào)節(jié)[6]。本文設計的發(fā)動機故障分析系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 發(fā)動機故障分析系統(tǒng)

2.2 故障分析系統(tǒng)的硬件組成

如上所述，發(fā)動機故障分析裝置是安裝在發(fā)動機上的振動傳感器。檢測裝置中的核心器件為振動傳感器，它可以將測量到的發(fā)動機振動信號轉(zhuǎn)換，按一定規(guī)律變換成電信號或其他所需的形式便于直觀展現(xiàn)和容易處理的信號。

（1）振動傳感器 在工程振動測試領(lǐng)域中，測試手段與方法多種多樣，但是按各種參數(shù)的測量方法及測量過程的物理性質(zhì)來分，可以分成3類。

1）機械式。先將工程振動的參量轉(zhuǎn)換成機械信號，再經(jīng)機械系統(tǒng)放大后，進行測量、記錄。常用的儀器有杠桿式測振儀和蓋格爾測振儀，其能測量的頻率很低，精度也較差。

2）光學式。先將工程振動的參量轉(zhuǎn)換為光學信號，再經(jīng)光學系統(tǒng)放大后顯示和記錄，如激光測振儀等。

3）電測式。本文采用的振動傳感器如圖4所示。先將工程振動的輸入信號轉(zhuǎn)變成電信號，再經(jīng)現(xiàn)場的信號傳輸線路放大后進行顯示和記錄。電測法的要點是先將機械振動量轉(zhuǎn)換為電量（電動勢、電荷等），然后對電量進行分析，從而得到所要測量信號的分析。

圖4 振動傳感器

（2）數(shù)據(jù)采集模塊 數(shù)據(jù)采集卡可以將電壓信號通過抗干擾能力較強的雙絞線傳輸?shù)娇刂剖业能浖?，進行顯示、調(diào)節(jié)。本文采用PCI-2250系列數(shù)據(jù)采集卡，如圖5所示。

圖5 PCI-2250系列數(shù)據(jù)采集卡

3 基于MATLAB的數(shù)據(jù)分析與處理

MATLAB是美國MathWorks公司出品的高級數(shù)學軟件，多數(shù)用于數(shù)據(jù)分析、信號處理、機器人及控制系統(tǒng)等領(lǐng)域。

MATLAB是Matrix&Laboratory兩個詞的組合，意為矩陣工廠（矩陣實驗室），它將數(shù)據(jù)分析、矩陣計算、科學數(shù)據(jù)可視化及非線性動態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強大功能集成在一個易于使用的視窗環(huán)境中，為工程設計及必須進行的有效數(shù)值計算提供了一種全面的解決方案。

3.1 數(shù)據(jù)采集模塊與變送器

（1）數(shù)據(jù)采集模塊 數(shù)據(jù)采集的工作其實就是將各種物理量或者化學量等模擬信號，通過各種傳感器件轉(zhuǎn)化為電信號，并對轉(zhuǎn)化出的電信號進行數(shù)據(jù)處理、采樣、量化和編碼，轉(zhuǎn)化成計算機便于識別的數(shù)字信號。

數(shù)據(jù)采集模塊的評價標準可以看其采樣率，也叫做采樣頻率，即單位時間內(nèi)從連續(xù)信號中提取并組成離散信號的采樣個數(shù)，單位用赫茲（Hz）來表示。通俗地講，采樣頻率是指計算機單位時間內(nèi)能夠采集多少個信號樣本。

連續(xù)信號在時間或空間上以某種方式變化著，而采樣過程則是在時間或空間上，以T為單位間隔來測量連續(xù)信號的值（T稱為采樣間隔）。通常他們的采樣間隔都很小，一般為毫秒、微秒的量級。采樣過程產(chǎn)生一系列的數(shù)字，稱為采集樣本。采集樣本承載著原來的信號。每一個樣本都對應著測量這一樣本的特定時間點，而采樣間隔的倒數(shù)，1/T即為采樣頻率。

（2）變送器 變送器由傳感器進一步發(fā)展而來，傳感器輸出標準信號。由于直流信號具有不受線路中電感、電容及負載性質(zhì)的影響，不存在相移問題等優(yōu)點，所以國際電工委員會規(guī)定：將電流信號 4～20mA（DC）和電壓信號 1～5V（DC）確定為過程控制系統(tǒng)中模擬信號的統(tǒng)一標準。

變送器是基于負反饋原理工作的，它主要由測量部分、放大器和反饋部分組成。

測量部分用于檢測被測變量x，并將其轉(zhuǎn)換成能被放大器接受的輸入信號Zi（電壓、電流、位移、作用力或力矩等信號）。反饋部分則把變送器的輸出信號y1轉(zhuǎn)換成反饋信號Zf，再回送至輸入端。Zi與調(diào)零信號Zo的代數(shù)和同反饋信號Zf進行比較，其差值ε送入放大器進行放大，并轉(zhuǎn)換成標準輸出信號y2。

3.2 控制室程序

控制室程序設計的過程中，MATLAB準備了專門的程序編輯器，可以根據(jù)試驗環(huán)境和試驗要求，對各功能參數(shù)進行調(diào)整和設計。功能齊全，條件完備，能更好地進行模擬試驗。

在發(fā)動機上進行試驗時，可通過信號的處理，使得發(fā)動機的故障反饋更加精準。找到更準確的故障問題就能進行更具體、更針對的解決方案籌劃，尋找準確的故障源，并著手解決。

4 結(jié)束語

通過建立故障分析系統(tǒng)，將各種干擾通過控制器進行濾波，從而得到真正的故障原因，并將故障排除。在對內(nèi)燃機進行開發(fā)時，這套系統(tǒng)能夠提高確定故障的準確性，可減少故障原因不明而導致的成本與時間的浪費，降低了內(nèi)燃機的開發(fā)成本。