本發(fā)明屬于氣缸數(shù)據(jù)分析處理領(lǐng)域，尤其涉及一種基于轉(zhuǎn)速的缸壓曲線重構(gòu)方法。

背景技術(shù)：

氣缸廣泛應(yīng)用于各生產(chǎn)操作及機(jī)械設(shè)備中，一旦其發(fā)生故障，將可能導(dǎo)致設(shè)備停機(jī)，影響正常生產(chǎn)工作秩序甚至造成安全事故，因此，為保證氣缸安全穩(wěn)定工作，需要在氣缸早期設(shè)計(jì)以及后期使用過(guò)程中對(duì)氣缸各項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析判斷，以使氣缸獲取和保持最佳的使用狀態(tài)。其中缸壓重構(gòu)是反映氣缸壓力變化情況，表現(xiàn)實(shí)際工作狀態(tài)的重要數(shù)據(jù)，經(jīng)常應(yīng)用于氣缸的生產(chǎn)檢測(cè)，設(shè)計(jì)優(yōu)化等工作過(guò)程中。由于氣缸工作過(guò)程中缸內(nèi)氣壓大、溫度高、變化快因此不容易測(cè)量，特別是對(duì)一些不可拆卸或者正在使用中的氣缸進(jìn)行測(cè)量時(shí)，無(wú)法直接獲取氣缸內(nèi)部的數(shù)據(jù)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于，提供一種基于轉(zhuǎn)速的缸壓曲線重構(gòu)方法，其步驟少，數(shù)據(jù)采集及處理簡(jiǎn)單，能夠重構(gòu)缸壓數(shù)據(jù)。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明創(chuàng)造采用如下技術(shù)方案。

一種基于轉(zhuǎn)速的缸壓曲線重構(gòu)方法，其特征在于，包含以下步驟：

利用傳感器獲取模擬信號(hào)，包括氣缸中齒輪或飛輪的轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)，齒輪旋轉(zhuǎn)的角位移脈沖信號(hào)，以及氣缸上止點(diǎn)脈沖信號(hào)；

將上述轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)、角位移脈沖信號(hào)及氣缸上止點(diǎn)脈沖信號(hào)分別使用比較器處理，將上述模擬信號(hào)(即不規(guī)則方波信號(hào))轉(zhuǎn)換為規(guī)則方波信號(hào)；

以上述模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號(hào)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，尋找數(shù)字信號(hào)中的上升沿?cái)?shù)據(jù)點(diǎn)位置，通過(guò)兩個(gè)上升沿之間的數(shù)據(jù)總數(shù)以及采樣頻率確定瞬時(shí)轉(zhuǎn)速得到瞬時(shí)轉(zhuǎn)速的數(shù)字信號(hào)數(shù)據(jù)；

對(duì)上述瞬時(shí)轉(zhuǎn)速信號(hào)數(shù)據(jù)形成的曲線圖進(jìn)行emd經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析后得到imf分量曲線圖及數(shù)據(jù)，選取與發(fā)動(dòng)機(jī)頻率相同或相近的曲線圖進(jìn)行疊加，得到真是瞬時(shí)轉(zhuǎn)速曲線圖及數(shù)據(jù)；再使用巴特沃斯貸通平滑濾波器進(jìn)行處理；

將上述經(jīng)處理形成的平滑的真實(shí)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)代入以下公式進(jìn)行計(jì)算得到缸壓重構(gòu)數(shù)據(jù)以及曲線圖；

其中

m1:往復(fù)運(yùn)動(dòng)集中換算質(zhì)量；

j:旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)集中轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；

r:曲軸半徑；

第k缸相對(duì)第一缸的發(fā)火相位；

角速度；

角加速度；

f函數(shù)為：f(x)＝(sin(x)+(r/l)*sin(2x)./(2*sqrt(1-(r/l)²*sin(x).^2))g函數(shù)為：g(x)＝cos(x)+(r/l)*cos(2x)./sqrt(1-(r/l)²*sin(x).^2)+((r/l)³*sin(2x).^2)/(4*sqrt(1-(r/l)²*sin(x).^2).^3)

較優(yōu)地，所述巴特沃斯貸通平滑濾波器用振幅的平方對(duì)頻率的公式可表示為：

其中，n＝濾波器階數(shù)；

ωs＝截止頻率＝振幅下降為-3分貝時(shí)的頻率；

ωp＝通頻帶邊緣頻率；

在通頻帶邊緣的數(shù)值為：

其有益效果在于：

本發(fā)明創(chuàng)造的一種基于轉(zhuǎn)速的缸壓曲線重構(gòu)方法，其通過(guò)可以經(jīng)外部快速測(cè)量獲取的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速、角位移、上止點(diǎn)信號(hào)等數(shù)據(jù)，利用自編函數(shù)及比較器快速計(jì)算重構(gòu)缸壓數(shù)據(jù)，本方法需要測(cè)量的數(shù)據(jù)少，所需設(shè)備簡(jiǎn)單，采集效率高，后期處理計(jì)算量少，對(duì)計(jì)算系統(tǒng)性能要求低，缸壓重構(gòu)結(jié)果好。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明創(chuàng)造的具體實(shí)施步驟圖；

圖2是實(shí)施例中對(duì)采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理后獲得的未處理的循環(huán)轉(zhuǎn)速圖；

圖3是由循環(huán)轉(zhuǎn)速圖經(jīng)處理后獲得的imf分量轉(zhuǎn)角域值以及圖像；

圖4和圖5是imf分量的頻譜和瞬時(shí)頻率圖；

圖6是由各imf分量波形圖經(jīng)過(guò)疊加形成的真實(shí)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速曲線圖；

圖7是經(jīng)過(guò)巴特沃斯貸通濾波器平滑處理后的轉(zhuǎn)速圖像；

圖8是對(duì)實(shí)施例中具體柴油機(jī)進(jìn)行處理的計(jì)算模型；

圖9是實(shí)施例中對(duì)具體柴油機(jī)進(jìn)行缸壓重構(gòu)獲得的曲線。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明創(chuàng)造作詳細(xì)說(shuō)明。

本發(fā)明創(chuàng)造的基于轉(zhuǎn)速的缸壓曲線重構(gòu)方法，其實(shí)施過(guò)程如圖1所示，其具體實(shí)施步驟包括：

1、信號(hào)采集方法；

本發(fā)明的一種基于轉(zhuǎn)速的缸壓曲線重構(gòu)方法的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)，角位移脈沖信號(hào)，氣缸上止點(diǎn)脈沖信號(hào)。

實(shí)際應(yīng)用中，由于氣缸內(nèi)各齒輪的齒數(shù)及直徑都已經(jīng)確定，其轉(zhuǎn)速u可以相互轉(zhuǎn)換，因此可以采用可以采用測(cè)量氣缸內(nèi)任意齒輪的轉(zhuǎn)速u來(lái)進(jìn)行計(jì)算，為便于操作及觀察，優(yōu)選測(cè)量汽缸外的飛輪的轉(zhuǎn)速u進(jìn)行計(jì)算。本實(shí)施例中利用傳感器測(cè)量飛輪的轉(zhuǎn)速u，利用編碼器采集飛輪角位移信號(hào)，通過(guò)在氣缸的上止點(diǎn)位置設(shè)置傳感器以收集上止點(diǎn)信號(hào)。

較優(yōu)地，上述傳感器可以采用磁電傳感器。利用數(shù)據(jù)采集器，如ni9222等，可便捷的采集多路信號(hào)，滿足測(cè)量需要。

在進(jìn)行信號(hào)采集的過(guò)程中，根據(jù)需要設(shè)置采集頻率f0為4-10倍齒輪信號(hào)頻率f1，由齒輪的平均轉(zhuǎn)速ω1可估算齒輪信號(hào)頻率f1＝ω1(實(shí)驗(yàn)值ω1＝800)，即f0＝kf1＝kω1,k∈[4.10]；

信號(hào)采集周期的長(zhǎng)短決定了總得信號(hào)點(diǎn)個(gè)數(shù)以及信號(hào)精度；根據(jù)實(shí)際需要，采集5-10s可保證達(dá)到需要的計(jì)算精度。

2、模擬信號(hào)的數(shù)字化處理

使用matlab軟件對(duì)收集到的信號(hào)進(jìn)行后序處理，

a、對(duì)齒輪脈沖信號(hào)new的處理，根據(jù)傳感器輸出的信號(hào)波形的極值點(diǎn)數(shù)值范圍[m，n]，(a＜b)，規(guī)定大于x的信號(hào)(a＜x＜b)為x1(x1＞0)，小于x的信號(hào)為0；

b、對(duì)編碼器脈沖信號(hào)bmq的處理，根據(jù)編碼器輸出的信號(hào)波形的極值點(diǎn)數(shù)值范圍[s，t]，(s＜t)，規(guī)定大于r的信號(hào)(s＜r＜t)為r1(r1＞0)，小于r的信號(hào)為0；

c、將上述處理后的信號(hào)作為基礎(chǔ)文件利用比較器進(jìn)行對(duì)比，尋找上升沿，以確定齒輪位置，所述比較器內(nèi)容如下，

為便于后文描述，定義x＝5，x1＝10，r＝2.5，r1＝5；

利用比通過(guò)自編比較器使不規(guī)則方波變?yōu)橐?guī)則方波，無(wú)需計(jì)算過(guò)零點(diǎn)，減少了計(jì)算量，

提高了測(cè)量以及計(jì)算效率。

3、計(jì)算瞬時(shí)轉(zhuǎn)速；

首先尋找斜率為x1＝10的點(diǎn)，即上升沿對(duì)應(yīng)點(diǎn)，每?jī)蓚€(gè)上升沿代表齒輪旋轉(zhuǎn)一周，根據(jù)采樣頻率以及兩個(gè)上升沿之間的間隔點(diǎn)數(shù)計(jì)算瞬時(shí)轉(zhuǎn)速，計(jì)算公式為其中v為瞬時(shí)轉(zhuǎn)速，f0為采樣頻率，ds+1-ds為兩個(gè)上升沿之間采樣點(diǎn)數(shù)，n為飛輪齒數(shù)(后文中以試驗(yàn)中齒輪齒數(shù)n＝136為基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算)。其計(jì)算公式在計(jì)算機(jī)中表達(dá)為，

......

a＝find(diff(new)＝＝10)；％斜率為10的點(diǎn)的位置

fori＝1：length(a)-1；

v(i)＝60*f0/(a(i+1)-a(i))/136

end

v＝[v，v(end)]

szd＝szd(a)；％齒輪上止點(diǎn)位置

szd1＝find(szd(1：200)＝＝szd(1：200)))；％尋找第一個(gè)上止點(diǎn)

n＝v(szd1：szd1+271)；

save(’循環(huán)轉(zhuǎn)速未處理.mat’，’n’)

......

通過(guò)需尋找斜率為定值的脈沖點(diǎn)，結(jié)合齒數(shù)等相關(guān)數(shù)據(jù)，確定齒輪瞬時(shí)轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，不需要對(duì)齒輪進(jìn)行逐點(diǎn)計(jì)算取值，減少了計(jì)算量，簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)處理過(guò)程。

利用matlab軟件及上述經(jīng)過(guò)上述公示處理后得到未處理的循環(huán)轉(zhuǎn)速如圖2中所示；

matlab軟件對(duì)pc性能要求低，降低本方法測(cè)量的成本，擴(kuò)大其應(yīng)用場(chǎng)合。

4、獲取真實(shí)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速曲線圖；

在上述未處理的循環(huán)轉(zhuǎn)速圖的基礎(chǔ)上，運(yùn)用emd經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析方法對(duì)圖形進(jìn)行處理，獲得各imf分量轉(zhuǎn)角域值以及圖像，如圖3中所示。

其中用于進(jìn)行emd經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析的emd函數(shù)及步驟如下，

......

load(’循環(huán)轉(zhuǎn)速未處理.mat’)

z＝n；

figure(1)

t＝linspace(0，720，272)；

set(gcf，’color’，’w’)

plot(t，z，’k’)

set(gca，’fontname’，’timesnewroman’)

set(gca，’fontsize’，14.0)

axis([0720750850])

c＝emd(z)

......

5、對(duì)得到的imf數(shù)據(jù)進(jìn)行希爾伯特黃變換(hht變換)：

利用hhmspectrum_new、disp_hhms_new、hhspectrum、hhspectrum1函數(shù)對(duì)各imf分量進(jìn)行變換處理，其中fliplr為矩陣翻轉(zhuǎn)函數(shù)，得到imf分量的頻譜和瞬時(shí)頻率圖，如圖4、圖5中所示。

其中，用于進(jìn)行hht變換的計(jì)算函數(shù)如下，

......

％估算個(gè)分量的瞬時(shí)頻率及作圖

defspl＝270；

[a，f，tt]＝hhspectrum(c)；

psd＝hhmsdisphhms

pectrum_new(a，f，270)；

disp_hhms_new(psd，defspl)；

li＝length((c(；，1)))；

％各分量的功率譜

6、獲取真實(shí)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速曲線圖；

在上一部的基礎(chǔ)上，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)頻率比較并選擇1倍頻以下的波形做疊加得到真實(shí)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速曲線圖，如圖6所示。

利用巴特沃斯貸通濾波器對(duì)上述真實(shí)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速曲線圖進(jìn)行平滑處理，巴特沃斯貸通濾波器可用如下振幅的平方對(duì)頻率的公式表示

其中，n＝濾波器階數(shù)

ωs＝截止頻率＝振幅下降為-3分貝時(shí)的頻率

ωp＝通頻帶邊緣頻率

在通頻帶邊緣的數(shù)值為：

得到平滑的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速曲線。所得轉(zhuǎn)速圖形如圖7

7、缸壓重構(gòu)；

將瞬時(shí)轉(zhuǎn)速單位r/pm轉(zhuǎn)換為角速度單位rad/s；

在進(jìn)行缸壓重構(gòu)過(guò)程中，本實(shí)施例采用柴油機(jī)非線性動(dòng)力學(xué)模型，將摩擦力矩等阻力矩視為定值進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算模型如圖8所示。

輸入柴油機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)(以下數(shù)據(jù)為實(shí)驗(yàn)用設(shè)備的數(shù)值)：

往復(fù)運(yùn)動(dòng)集換算質(zhì)量/kg，m1＝20；旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)換算質(zhì)量/kg，m2＝1000；

曲軸半徑/m，r＝0.065；連桿長(zhǎng)度/m，l＝0.219；有效輸出功率，ne＝30；

機(jī)械效率，eta＝0.88；曲軸連桿比，lam＝r/l；

根據(jù)下方公式重構(gòu)壓力曲線。

式中：

m1:往復(fù)運(yùn)動(dòng)集中換算質(zhì)量；

j:旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)集中轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；

r:曲軸半徑；

第k缸相對(duì)第一缸的發(fā)火相位；

角速度；

角加速度；

f函數(shù)定位及表達(dá)為：

......

functionf_phi＝f(phi)

r＝0.065；

l＝0.219；

lam＝r/l

f_phi＝sin(phi)+lam*sin(2*phi)./(2*sqrt(1-lam²*sin(phi).²))

......

f函數(shù)定位及表達(dá)為：

functiong_phi＝g(phi)

r＝0.065；

l＝0.219；

lam＝r/l

g_phi＝cos(phi)+lam*cos(2*phi)./sqrt(1-lam²*sin(phi).²)+lam³*sin(2*phi).²/(4*sqrt(1-lam²*sin(phi).²).³)

最后得到的壓力曲線圖如圖9所示。

需要指出的是，本具體實(shí)施例的計(jì)算過(guò)程中主要是在matlab數(shù)學(xué)軟件中進(jìn)行，因此其函數(shù)及方法均使用相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)及函數(shù)形式，運(yùn)用本方法或思路也可以利用其他數(shù)學(xué)軟件或分析軟件以不同形式或函數(shù)再現(xiàn)，本實(shí)施例僅為具體表達(dá)計(jì)算方法和思路，不應(yīng)當(dāng)理解為對(duì)本發(fā)明創(chuàng)造的限制。