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基于小波变换信号处理的故障诊断方法

作者：孙丽君 郑善亮 来源：《大东方》2015年第10期

摘 要：本文着重介绍基于小波变换信号处理的故障诊断方法。所谓基于信号处理的方法，通常是利用信号模型，如相关函数、频谱、自回归滑动平均、小波变换等，直接分析可测信号，提取诸如方差、幅值、频率等特征值，从而检测出故障。故障诊断时，对采集的信号进行小波变换，在变换后的信号中除去由于输入变化引起的奇异点，剩下的奇异点即为系统发生的故障点。

关键词：小波变换；信号处理；小波除噪

为保证发动机安全、高效的运行，对其进行状态检测与故障诊断非常重要。由于内燃机在一个工作循环内转速是波动的，其转速的波动由瞬时转速来表达，发动机转速中包含各缸的气体压力、外负载、曲轴的转角等大量可供提取的内部状态信息，且转速测取方便。

目前文献对瞬时转速的研究多为如何利用瞬时转速判断气缸的压缩性、扭矩及发动机的工作状态等，总的来说研究得很少。

本文以发动机断缸故障为例，探讨了发动机转速信号小波分析法的可行性。 1实验及怠速信号采集 1.1实验过程

实验在Volvo B230F型电控发动机（点火顺序为1-3-4-2）上进行，试验数据见表1.1。试验在怠速下进行，切断第4和第2缸的供油采集转速传感器的正常和异常信号，记录发动机转速、点火提前角、喷油脉宽等参数的变化。 表1.1 实验数据

从表1.1可以看出，当发动机两个缸断油时，喷油脉宽增到4.0 ms，油耗和点火提前角不变，发动机转速基本不变，但有不稳现象。这是因为：断缸后，转速有下降趋势，为了维持怠速工况稳定，电脑指令喷油脉宽由2.6ms增加到4.0ms，保持总供油量不变，故转速基本不变。但由于供油量变化与转速变化不同步，加之各缸混合气均匀性恶化，故运转出现不稳现象。

1.2小波除噪

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各状态下的转速波形具有明显的干扰现象，这些干扰与各缸工作程度差异、传感器振动有关，同时干扰对故障特征参数提取有影响，所以去除干扰信号保留状态信息是诊断中的一个重要环节。

图1.1 信号的滤波过程

图1.1是小波变换的一层滤波原理图，原始转速信号S通过两个互补对称滤波器后，得到高、低频率的两路信号。

2利用连续小波变换分析正常和异常怠速信号 2.1转速信号小波变换

当转速信号除噪后，由于发动机飞轮系统的稳速作用，转速传感器的信号灵敏度低，所以滤波后必须进行处理。

利用Matlab 6.0软件的一维连续小波变换工具，通过Haar小波计算出了正常和异常信号的小波变换系数。

通过滤波的转速正常信号和其一维连续小波变换系数线可以看出，在发动机正常工况下，在曲轴每两转（720°）由于各缸的工作性能差不多一样、发动机飞轮系统的稳速作用，转速信号小波系数线的幅值变化均匀。

从小波系数线能看清楚：在第二段，两个缸不工作时，发动机曲轴转速下降，转速信号幅值下降，转速信号的一个脉冲的周期变大，信号小波系数幅值慢慢地变小；在第一段，转速信号小波系数线变化不均匀，曲轴转角0°～90°CA内幅值小，第1缸开始工作（转角90°CA左右）时，转速增大，同时，信号幅值和小波系数幅值也增加。

发动机转速较高的范围内信号频率和幅值大、周期小，小波系数幅值变大；转速越低信号频率和幅值越小、小波系数幅值越低。

从小波分析能看出，所变换信号的周期越小，小波系数幅值越大。 2.2故障信息特征参数的提取

故障信息特征量的提取对故障诊断至关重要，特征量过多，将造成诊断决策计算量过大，不易得到正确的结果：特征量太小，判据不足，诊断效果也不好。为此，在小波除噪后的信号基础上，提出下列特征参数： 2.2.1均方根：

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2.2.2峰态因数： 2.2.3匀幅指标：

用公式1.1～1.3计算出转速信号小波系数线的均方根、峰态因数和匀幅指标值，计算结果如表2.1所示：

表2.1故障信息特征参数计算结果

由计算结果知，在第一段，正常信号小波系数线的均方根为2.31，峰态因数为1.2597，匀幅指标为0.5730。异常信号小波系数均方根为2.23（下降3.5%），峰态因数（下转第233页）（上接第231页）为1.4125（增加12.1%），匀幅指标为0.1133（下降81.2%）：在第二段，正常信号小波系数线的均方根为2.35，峰态因数为1，3404，匀幅指标为0.5074，异常信号小波系数均方根为1.87（下降20.5%），峰态因数为1.4652（增加9.3%），匀幅指标为0.4102（下降30.9%）。

两个缸断油时，在第一段，发动机转速低、转速信号幅值小（周期较大）、小波变换的系数线的均方根下降；在第二段，由于两个缸不工作发动机转速下降、信号幅值变小（周期变长）、小波系数线的均方根明显地下降。

峰态因数增加表示波形幅值的突然变化程度。当发动机有两个缸不工作的故障时，在第一段，运转不稳定程度增加，所以异常信号小波系数线峰态因数增加10.7%。

匀幅指标对幅值的灵敏度较高，可用来刻画波形的异常。在第一段，正常和异常信号小波系数之间的差异为81.2%，这是因为：曲轴转角0°～90°CA范围内转速低，从90°CA发动机第1缸做功行程开始，转速和信号幅值逐渐增加（周期变小），小波变换系数线幅值也逐渐增加，这个现象导致转速信号幅值变化。在第二段，差异为30.9%，它的原因是，两个缸不工作时，转速不增加，信号幅值慢慢地下降或没有幅值的突然变化，小波系数线幅值变化不均匀。 3 总结

3.1发生缸断时在循环周期的断缸部分，瞬时转速降低，信号幅值变小，周期变长，小波系数线的均方根明显地下降。

3.2利用小波系数可以分析转速信号、判断发动机缸断的故障。

3.3由转速信号小波分析知，通过转速信号小波分析结果能对比发动机各缸的性能。 参考文献：