发动机故障诊断中工况的模式识别

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1997.03.002 Vol.19 No.3 北京科技大学学报 第19卷第3期 June 1997 Journal of University of Science and Technology Beijing 1997年6月 发动机故障诊断中工况的模式识别 刘立)李莉)王东)卢世杰2) 1)北京科技大学资源工程学院，北京1000832)北京矿冶研究总院，北京100044 摘要利用多项式回归的方法获得不同工况下发动机速度随时间变化的数学模型.基于测试工况 定义时的模糊性，故在测试中采用模糊模式识别的方法，确定实际的测试工况，以用于测试参数 的处理. 关键词发动机，故障诊断，模式识别 中图分类号TK407 在发动机故障诊断的信号检测与分析判断中，首先要确定发动机所处的工况，工况不同， 所反映的发动机性能状态不同，测量参数中所包含的测量信息也不同，状态标准和诊断标准 亦不相同，所以要对不同工况进行测试，以获得正确的诊断信息， 发动机不解体诊断中，工况是由操作人员在驾驶室中控制，有很多的人为因素例如缓加 速与急加速是靠脚踩油门的快慢来决定，存在着很大的不确定性.因此本文在数据分析时，采 用工况模式识别的方法， 1发动机不解体诊断中的工况测试 在实行不解体检测时汽车不运行，发动机不接负荷空转，此时，发动机所能进行的操作为 低怠速（部分气缸工作），高怠速（全体气缸工作），缓加速（缓慢踩油门，转速从1个速度缓慢 地增大到最大转速)，急加速（油门一脚踩到底转 速迅速上到最高转速)，诚速（从最高转速处松开 《a) 脚踏板使转速自由减小).正转脉冲如图1所示， 发动机不解体检测工况的特征是速度的不 同变化规律，检测工况的信息可以通过检测发动 -1 0.4270.5100.5930.6770.7600.843 机的转速来获得.在发动机不解体诊断中转速的 s 测量是采用非接触式的光电脉冲计测量.测量时 10 (b) 将反光片固定在与曲轴相关联的减振器上，光电 探头固定在机架上，每当反光片经过探头位置 0 时，光电探头将产生1个脉冲.脉冲经整形放大 -5 -10 后送入数据采集器，再进入计算机， 0.5361.5861.6361.6861.7361.786 根据两脉冲的间隔时间，可计算出发动机在 ts 图1曲线正转的脉冲 1996-11-08收稿 第一作者男35岁副教授硕士 (a))为；加速过程I1川和[2 *国家“八五'攻关课题

北 京 科 技 大 学 学 报 第 卷 第 期 年 月 发动机故 障诊断 中工况 的模式识别 刘立 ’ 李莉 ’ 王 东 ’ 卢世杰 北京科技 大学 资源 工 程 学 院 ， 北 京 北 京矿冶研究总 院 ， 北 京 摘要 利 用 多项式 回 归 的方法 获得 不 同工 况下 发动机速度 随时间变化 的数学模型 基于 测 试工 况 定 义 时 的模 糊性 ， 故在 测 试 中采 用 模 糊模 式 识别 的方法 ， 确 定 实 际 的测 试工 况 ， 以 用 于 测 试参数 的处理 关键词 发动机 ， 故障诊断 ， 模式识别 中图分类号 在 发 动机 故 障诊 断的信号检测 与分析判 断 中 ， 首先要 确定 发动机所处 的工 况 ， 工 况不 同 ， 所反 映 的 发 动 机 性 能状 态 不 同 ， 测 量 参数 中所 包含 的测量 信息 也 不 同 ， 状 态标准 和诊 断标准 亦 不 相 同 ， 所 以 要 对不 同工 况 进行 测 试 ， 以 获得 正 确 的诊 断信息 发 动机 不 解 体诊 断 中 ， 工 况 是 由操 作 人 员在 驾驶 室 中控 制 ， 有 很 多 的人 为 因素 例如缓加 速 与急加 速是 靠脚 踩 油 门的快慢 来 决 定 ， 存 在 着很 大 的不 确 定性 因此 本文在数据分析 时 ， 采 用 工 况模 式 识别 的方 法 发动机不解体诊断 中的工况测试 在 实行 不 解 体检 测 时汽车不 运 行 ， 发动机 不 接 负荷 空 转 此 时 ， 发 动机所 能进行 的操 作 为 低 怠 速 部 分 气缸 工 作 ， 高怠速 全 体气缸 工 作 ， 缓 加速 缓 慢踩 油 门 ， 转速 从 个 速度缓慢 地增 大 到 最 大 转速 ， 急加 速 油 门一 脚踩 到底 转 速 迅 速 上 到 最 高转 速 ， 减 速 从最 高转速处松 开 脚 踏板使 转 速 自由减 小 正 转脉 冲 如 图 所示 发 动 机 不 解 体 检 测 工 况 的特 征 是 速 度 的 不 同变 化规律 ， 检 测 工 况 的信息 可 以 通 过 检测 发动 机 的转 速 来 获得 在 发 动机 不 解 体诊 断 中转速 的 测 量是 采 用 非接 触式 的光 电脉 冲计 测量 测量 时 将反 光 片 固定在 与 曲轴相 关 联 的减振 器 上 ， 光 电 探 头 固 定 在 机 架 上 ， 每 当反 光 片 经 过 探 头 位 置 时 ， 光 电探 头 将 产 生 个 脉 冲 脉 冲 经 整 形 放 大 后 送 人 数据 采集器 ， 再进 人 计算机 根 据 两脉 冲 的 间隔 时 间 ， 可 计算 出 发动机 在 迁启‘ 、 之盆 一 一 一 收稿 第 一 作者 男 岁 副教授 硕 士 国 家 “ 八 五 ” 攻 关课题 扩 图 曲线正转的脉冲 ，伪 为 加速过程 一和 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1997．03．002

Vol.19 No.3 刘立等：发动机故障诊断中工况的模式识别 ·229· 这一段内的平均瞬时速度： n=1/△t (1) 曲轴的加速度为： a= 2-n,)2(A1-41,) (△1，+4r)(△1，+A1)△1，△， (2) 为了提高测量精度，可以同时均匀固定多个反光片，如此可获得】/圈内的瞬时平均 速度： nm=1/△1n (3) a,=2(nnm,-nm)/(△1m+△1ny) (4) 式中，m为反光片个数，ij(l,2,3,…,m)为第i,j个反光片. 2速度变化数学模型 为了确定发动机的工况，应先给出各工况的数学模型，然后用模式识别的方法来确定其 所处于什么工况：怠速工况（低怠速，高怠速）是在稳定速度下运行，发动机转速应为常数；而 加速过程的速度是一个变化的过程，应该建立速度变化的数学模型，以用于工况识别. 设发动机转速(N)与经过的时间()之间存在如下关系(i为第i个脉冲)： N=f。+fa+…+f,1+e。(a=1,2,…,m (5) 式中，e1,e2,…,enm相互独立，且c。一0，o)其中(N。。)是第a个速度脉冲的测量计算值：p,P, …P。为要解的系数. 令：1=4,112，，，1，则得到1个多元线性回归，式（⑤）变为： N。=B。+f,al+…+Bnlan+ea (6) 式中，e1,e2,“,enm相互独立，且e。一N(0,0).利用最小二乘法原理，经回归之后得到转速一时间 的关系为三次多项式.例如对图1()，(b)的测试结果，经回归分析之后得： N=1188.8+22.3661-0.1224+0.0004: N=589.68+23.876t-0.13532+0.0002f. 图1(a),(b)的回归拟合曲线如图2(a),(b)所示，复相关系数为：R=VS./S,=99.989%, 说明回归值与实测值拟合较好，则加速时的转速与时间之间的关系为： N=B。+B,1+B,+B, 30a 30b 24F 24 18 12 心 12 6 6 0 20 40 60 80 020406080100120140 图2(a)和(b)相应为图(a)和b)的回归拟合曲线

刘 立等 发动机 故 障诊 断中工况 的模式 识别 这 一段 内的平 均 瞬 时速 度 曲轴 的加 速度 为 一 ，，， “ 二 伍不万币 △ △ ， 一 △ 』 △几 为 了提 高测 量 精度 ， 可 以 同时均 匀 固定 多 个 反 光 片 ， 如此 可 获得 速 度 ” ，，，， △毛 ，，‘ ，， ， 一 ，， ， 一 。 ， △气 △毛 ，， 式 中 ， 为反 光 片个 数 ， ， ，， ， … ， 为第 ， 个反 光 片 圈 内的瞬 时平均 ， 、 、产矛， 、了 ︸、 、了 速度变化数学模型 为 了确 定 发 动机 的工 况 ， 应 先 给 出各 工 况 的数学模 型 ， 然后 用 模 式 识别 的方 法来 确定 其 所处 于 什 么 工 况 怠速 工 况 低 怠 速 ， 高怠速 是 在稳 定 速度 下 运 行 ， 发 动机 转速 应 为常数 而 加 速 过 程 的速 度是 一个 变 化 的过 程 ， 应 该建 立速 度 变化 的数学模型 ， 以 用 于 工况 识别 设 发 动机 转速 汉 与经过 的 时 间 ，之 间存在 如下 关 系 为第 个脉 冲 戈 卢 。 声 ’ 二 口 ，‘二 ￡。 ， ， … ， 式 中 ， 。 ，￡ ，… ，。 ，相 互 独 立 ， 且 ￡“ 一 ，护 其 中 戈 ， 是 第 个速度脉 冲 的测 量计算 值 民 ， 月 ， …吞 为要 解 的系数 令 气一 ， 几一 ’ ，… ， 今一 尸， 则 得到 个 多元 线性 回归 ， 式 变 为 一 月 。 刀 ” ’ 几 。 “ 。 式 中 ， ￡ ，。 ，… ， 。 川 相 互 独立 ， 且 。 。 一 ，少 利 用 最小 二 乘法 原理 ， 经 回 归之 后 得 到转速一 时 间 的关 系 为三 次多项 式 例如对图 ， 的测 试结果 ， 经 回归分析之 后 得 一 尸 一 图 ， 的 回 归拟 合 曲线 如 图 ， 所示 ， 复相 关系数 为 一 仅石 一 ， 说 明 回 归值 与 实测值 拟 合较 好 则 加速 时 的转 速 与 时 间之 间的 关系 为 一 口 。 声 ， 月 声 ， 户 一层。︵一认 ·日 斤 一弓 〕 卜弓广嘴广咭广 和 相应为 图 和伪 的回归拟合 曲线 ︸，山︸ 八 沙 ︸，‘ 一叶厂月 八

·230· 北京科技大学学报 1997年第3期 3发动机工况的识别 对发动机工沅可归结为转速基本上稳定、缓加速和急加速3种，对这些具有模糊性的工 况采用模糊模式识别的方法和最大隶属度原则. 设： 4,∈F(U0(i=1,2,…,n) (7) 其中，4。∈U. 若E∈{1,2，…，n},使得 4,(o)=max{4i(u4(u,,…,4(o} (8) 则认为U。相对属于4，即元素U,应归于模式4 要实现发动机各工况的模糊识别，必须首先确定各模糊集合的隶属度函数 令：为A发动机转速基本稳定工况集合；4为缓加速工况集合；A为急加速工况集合， 可利用模糊统计来确定4,44的隶属度 表1关于缓加速所需时间组的调查表s 函数，即通过实验求隶属度.模糊实验的4个要 4~146~19 7~159~148~17 素为：(1)论域U;(2)U中每个确定元素；(3) 5~168-228~168~157~20 U中1个随运动的普通集合A·,A·联系着一 6~1812~209~1761510~15 个模糊集合：(4)条件S. 7~2012~206~186~148~15 隶属度计算公式为： 8~199~1610~258~159~14 U。对4的隶属频率=A,覆盖4。的次数/ 10~158~1711~228~177~15 试验次数 (9) 12~2412~1610~159~185~14 以缓加速集合为例说明如下， 7-2610~239~1711~204~23 选择50位适当人选（包括工人，技术人员 8~187~1910~199~16520 和设计研究人员)，让他们独立考虑缓加速的 10~17 7~206~188~179~16 含义（即发动机缓慢从怠速升高到最高空转速所需的时间），如表1所示 表中最小级为4，最大级为26，故按3.6~26.5分组，每组以中值为代表，计算隶属频率， 计算结果如表2， 表2分组计算隶属频率 序号 分组 颍数隶属频率序号 分组 频数 隶属频率 13.54.5 2 0.04 13 15.5-16.5 36 0.72 2 4.5～5.5 5 0.10 14 16.517.5 30 0.60 3 5.56.5 11 0.22 15 17.5~18.5 23 0.46 6.57.5 18 0.36 16 18.519.5 20 0.4 7.5-8.5 30 0.60 17 19.5-20.5 14 0.28 6 8.5-9.5 37 0.74 18 20.5-21.5 9 0.18 > 9.510.5 43 0.86 19 21.5~22.5 & 0.16 e 10.511.5 46 0.92 20 22.5~23.5 6 0.12 11.5~12.5 50 1.00 21 23.524.5 4 0.08 10 12.513.5 50 1.00 22 24.525.5 2 0.04 11 13.5~14.5 50 1.00 23 25.526.5 0.02 12 14.5~15.5 46 0.92

北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 发动机工 况 的识别 对发 动 机 工 况 可 归结 为 转 速 基 本 上 稳 定 、 缓 加 速 和 急 加 速 种 对这 些 具 有模 糊性 的工 况 采 用模糊模 式识 别 的方 法 和 最 大隶属度原则 设 丝 ‘ 的 ， ，‘ · ‘ · ， 其 中 ， “ 。 若乓 ， ， 一 。 ， 使得 丝 。 一 丝 ， 丛 ， 一 丝 。 。 则认 为 相 对属 于丝 ，， 即元 素 叭应 归于模 式 丝厂 要 实 现 发 动机各 工 况 的模糊 识 别 ， 必须 首先确 定各模糊集合 的隶属度 函数 令 为丝发 动机 转 速基 本稳定 工 况集 合 丛为缓 加 速 工 况 集合 丝 为急加速 工 况集合 可利 用模 糊 统计来确 定丝 ， 丛 ， 丛的隶属度 表 关于级加速所需时间组的调查表 函数 ， 即通过 实验求隶属度 模糊 实验 的 个要 爪二万下厂万，厂万不厂万一获 丁 素为 论域 ‘ 中每个确定 元 素 一 一 一 一 一 中 个 随运 动 的普通集合 汉 ’ ， 通 联 系着 一 一 一 一 一 一 个模糊集 合 条件 一 一 一 一 一 隶 属度计算公 式 为 一 一 一 一 一 对丝的隶 属频 率 一 ’ ， 覆 盖 的次数 一 一 一 一 一 试 验次数 一 一 一。 一 一 一 以 缓加 速集合 为例说 明如下 一 一。 一 一 一 一 选 择 位 适 当人 选 包括 工 人 、 技术 人 员 一 一 一 一 一 和 设 计研 究 人 员 ， 让 他们 独 立 考虑 缓 加 速 的 止生止匕二三竺止二二竺一』口二止口匕 含义 即发 动机缓慢从怠速 升高到最 高空转速所需 的时 间 ， 如表 所示 表 中最 小 级 为 ， 最 大级 为 ， 故按 一 分组 ， 每组 以 中值 为代表 ， 计算隶属频率 ， 计算 结果 如 表 序号 分组 一 一 一 一 一 一 频数 表 分组计算隶属频率 隶属频率 日 序号 分组 一 一 一 一 一 一 ， 一 频数 隶属频率 巧 ︶ 一，气 ‘ 了矛 产 八“， ︸且 ，盛勺月且

Vol.19 No.3 刘立等：发动机故障诊断中工况的模式识别 ·231· 各组的平均角速度为： N末-N监×2r = 60 用0代替表1中加速时间：，并将@与隶属度描点，得到“缓加速”模糊集合的隶属曲线（图3）· 利用多项回归的方法对图3的隶属曲线进行分段拟合，得表达式为： 6.22917+3.19559w-0.627667w2+0.05498w3(6≤w≤12) A(ω)= 1.80636+0.59444w-0.041958w2+0.001119w(12≤0≤40) (10) 同样可获得其他工况的隶属度函数： A(@)=0.90606-0.01439w2(0≤0≤8) (11) 28.6797-2.43018w+0.06684w2-0.000589w3(30≤m≤46) A@)=11@>46) (12）。 3种工况的隶属度函数曲线如图3所示： .0h 0.8 装 0.6 0.4 0 10 20 30 40 50 60 a/r.s2 图3隶属度曲线 4讨论 经实例计算后可知，此方法能很好地应用于解决发动机诊断中的基本问题，即工况确定 另外，此方法亦可应用于其他机械故障诊断的工况确定 确定了隶属度函数后就利用最大隶属度原则，对发动机加速工况进行识别.以图1的2个 测试结果为例进行识别，计算结果如表3所示， 表3计算结果表 项 日 加速过程[1] 加速过程[2] 平均角加速度ω 46.33 20.57 求属度4(e) 0 0 隶属度4(e) 0.04 0.62 隶属度4(E) 0 结论 属模糊工况集合A 属模糊工况集合丛

刘 立等 发 动机故 障诊断 中工况 的模式识别 各组 的平 均 角 速度 为 末 一 气 用厉代替 表 中加 速 时 间 ， 并将石与隶 属度 描点 ， 得 到 “ 缓加 速 ” 模糊集合 的隶 属 曲线 图 利用 多项 回 归 的方 法 对图 的隶属 曲线进行分段 拟 合 ， 得 表达式 为 矛 ‘ ‘吸了、 ‘、 凡 “ 一 山 一 山 田 一 田 一 田 口 ‘ 。 ‘ ‘ 。 ‘ 同样可 获得 其他 工况 的隶属度 函数 动 一 一 。 ， ‘ 石 、 凡佃 一 田 臼 一 田 。 ‘ 种 工况 的隶属度 函数 曲线如 图 所示 侧蹊格 · 图 隶属 度 曲线 讨论 经 实例计算后 可 知 ， 此 方 法 能很 好地 应 用 于解 决 发动机 诊 断 中的基 本 问题 ， 另 外 ， 此 方 法亦 可 应 用 于 其他 机械 故 障诊 断 的工况 确定 确 定 了隶属度 函数后 就利 用 最 大 隶属 度 原则 ， 对发动机加 速 工况 进行 识别 测 试结果 为例进行 识别 ， 计算 结果 如 表 所示 即工 况 确定 以 图 的 个 项 目 平均角加速度 田 隶属度立 ￡ 隶属度鱼 ￡ 隶属度生 ￡ 结 论 表 计算结果表 加 速 过 程 【 加 速 过 程 脸』 属模糊工 况集合么 属模糊工况集合么

·232· 北京科技大学学报 1997年第3期 5结论 利用多项回归的方法获得不同工况下发动机速度随时间的变化的数学模型，宋用模糊模 式识别的方法，可进行工况确定，这对以动机故障诊断的信号检测与分析判断提供依据 参考文献 1屈粱生，何正嘉.机械故障诊断学，上海：上海科技技术出版社，1987 2赵云峰.柴油机供油系统不解体故障诊断方法探讨.工程机械，1993(2)：37~40 Pattern Recognization on Working Condition in Diagnosis of Engine Liu Li Li Li Wang Dong Lu Shijie 1)Resource Engineering School,UST Beijing.Beijing 100083 China 2)Mining Research Institute,Beijing 100044 ABSTRACT In diagnosis of engine,working conditon is the basis of data analysis,condi- tion evaluation and fault diagnosis.Rotating speed signal shows the working condition. Speed varies with different working condition.The speed-time model can be obtained by polynomial regression under different working condition.On the basis of fuzzy pattern recognizaton method,practical working condition can be determined. KEY WOROS engine,fault diagnosis,pattern recognization 岸※路※岸※####尝*岸景崇常崇岸※岸？举茶※※※崇举常常崇岸*岸崇*※※※弊#举※※茶#崇#兴崇荣#※ 《工程索引》(EI)简介(I) 《工程索引》(The Engineering Idex,简称EI)创刊于1884年，由美国工程索引公司编辑， 以月刊和年刊2种形式出版.《EI》分成2类：一类是《EI Page one》收录论文题录、光盘版；一 类是《EI Conpendex Plus》收录论文摘要，杂志版和光盘2种，此外还有工程索引卡片、缩微 胶卷、磁带等， 《EI》报道50余个国家和地区科技期刊、会议文献、图书简讯等工程技术领域里的最新 研究成果，年报道量达l0余万条；《EI Conpendex Plus》,收录科技期刊3500余种，其中核心 期刊1000种，大多为英文版，其他文种版极少. 《E》收录工程学科的内容十分广泛，几乎覆盖当前的全部领域.但是，它重点收录内容 为新材料（兵器和航空航天材料、无机材料、化工材料等）、石油开发技术、有色金属矿山开采 和冶炼、计算机科学等 ※常※岸※#茶#※#崇崇兴崇兴崇#崇#崇*#※茶#茶旅崇※#举※崇※※岸路##岸米米岸※※#※洛#兴※※※

北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 结论 利 用 多 项 回 归 的方 法 获得 不 同工 况 下 发动 机速度 随时 间的变化 的数学模型 ， 宋 用模糊模 式 识别 的方 法 ， 可 进行 工 况 确定 ， 这 对以 动机故 障诊 断的信号检测 与分 析判 断提供依据 参 考 文 献 屈 粱生 ， 何正 嘉 机械故障诊断学 海 上海科技技术 出版社 ， 赵 云 峰 柴油 机供油 系 统不 解 体故障诊 断方法探讨 工程机械 ， 一 ‘ 。 口‘ 百 刀‘ 肠 ， 加 从夕 ， 庵 ， ， 眠 ， ， ， 一 ， ， ， 辛辛寮奈奋紊辛带寮寮今帝今辛辛辛帝寮帝帝辛带辛今帝辛带带带帝今帝辛辛辛带寮今奋帝带带帝寮今帝帝牵辛辛寮今辛 《 工程索引》 简介 工 《 工 程 索 引》 ， 简称 创 刊于 年 ， 由美 国工 程 索 引公 司编 辑 ， 以 月 刊和 年 刊 种 形 式 出版 《 》 分 成 类 一类是《 》 收录论 文题 录 、 光盘 版 一 类 是 《 》 收 录 论 文摘 要 ， 杂 志 版 和光 盘 种 此 外 还 有 工 程 索 引卡 片 、 缩 微 胶卷 、 磁 带等 《 》 报 道 余个 国 家和 地 区 科 技 期 刊 、 会 议 文 献 、 图 书 简 讯 等 工 程 技 术领 域 里 的最 新 研 究成 果 ， 年 报 道 量 达 余万 条 《 》 ， 收 录科 技期 刊 余种 ， 其 中核 心 期 刊 种 ， 大 多 为英文版 ， 其他 文种版极 少 《 》 收 录 工 程 学 科 的 内容 十分 广 泛 ， 几 乎 覆 盖 当前的全 部领 域 但是 ， 它 重 点 收 录 内容 为新 材 料 兵 器 和 航 空 航 天 材 料 、 无机 材 料 、 化 工 材 料 等 、 石 油 开 发技 术 、 有 色金 属矿 山 开 采 和 冶炼 、 计算机科 学 等 寮寮今今帝带寮寮寮今今今辛辛寮寮奋牵今今寮寮今帝辛带寮寮今今带寮寮寮寮紊牵辛寮寮今今带辛辛寮帝今辛辛辛今帝