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)操作及機械設(shè)備中,一旦其發(fā)生故障,將可能導(dǎo)致設(shè)備停機,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)計以及后期使用過程中對氣缸各項指標(biāo)數(shù)據(jù)進行分析判斷,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,設(shè)計優(yōu)化等工作過程中。由于氣缸工作過程中缸內(nèi)氣壓大、溫度高、變化快因此不容易測量,特別是對一些不可拆卸或者正在使用中的氣缸進行測量時,無法直接獲取氣缸內(nèi)部的數(shù)據(jù)。
技術(shù)實現(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)采集及處理簡單,能夠重構(gòu)缸壓數(shù)據(jù)。
為實現(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,包括氣缸中齒輪或飛輪的轉(zhuǎn)速脈沖信號,齒輪旋轉(zhuǎn)的角位移脈沖信號,以及氣缸上止點脈沖信號;
將上述轉(zhuǎn)速脈沖信號、角位移脈沖信號及氣缸上止點脈沖信號分別使用比較器處理,將上述模擬信號(即不規(guī)則方波信號)轉(zhuǎn)換為規(guī)則方波信號;
以上述模擬信號轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號為基礎(chǔ)數(shù)據(jù),尋找數(shù)字信號中的上升沿數(shù)據(jù)點位置,通過兩個上升沿之間的數(shù)據(jù)總數(shù)以及采樣頻率確定瞬時轉(zhuǎn)速得到瞬時轉(zhuǎn)速的數(shù)字信號數(shù)據(jù);
對上述瞬時轉(zhuǎn)速信號數(shù)據(jù)形成的曲線圖進行emd經(jīng)驗?zāi)B(tài)分析后得到imf分量曲線圖及數(shù)據(jù),選取與發(fā)動機頻率相同或相近的曲線圖進行疊加,得到真是瞬時轉(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行處理;
將上述經(jīng)處理形成的平滑的真實瞬時轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)代入以下公式進行計算得到缸壓重構(gòu)數(shù)據(jù)以及曲線圖;
其中
m1:往復(fù)運動集中換算質(zhì)量;
j:旋轉(zhuǎn)運動集中轉(zhuǎn)動慣量;
r:曲軸半徑;
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,其通過可以經(jīng)外部快速測量獲取的瞬時轉(zhuǎn)速、角位移、上止點信號等數(shù)據(jù),利用自編函數(shù)及比較器快速計算重構(gòu)缸壓數(shù)據(jù),本方法需要測量的數(shù)據(jù)少,所需設(shè)備簡單,采集效率高,后期處理計算量少,對計算系統(tǒng)性能要求低,缸壓重構(gòu)結(jié)果好。
附圖說明
圖1是本發(fā)明創(chuàng)造的具體實施步驟圖;
圖2是實施例中對采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過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分量的頻譜和瞬時頻率圖;
圖6是由各imf分量波形圖經(jīng)過疊加形成的真實瞬時轉(zhuǎn)速曲線圖;
圖7是經(jīng)過巴特沃斯貸通濾波器平滑處理后的轉(zhuǎn)速圖像;
圖8是對實施例中具體柴油機進行處理的計算模型;
圖9是實施例中對具體柴油機進行缸壓重構(gòu)獲得的曲線。
具體實施方式
以下結(jié)合具體實施例對本發(fā)明創(chuàng)造作詳細(xì)說明。
本發(fā)明創(chuàng)造的基于轉(zhuǎn)速的缸壓曲線重構(gòu)方法,其實施過程如圖1所示,其具體實施步驟包括:
1、信號采集方法;
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,角位移脈沖信號,氣缸上止點脈沖信號。
實際應(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量氣缸內(nèi)任意齒輪的轉(zhuǎn)速u來進行計算,為便于操作及觀察,優(yōu)選測量汽缸外的飛輪的轉(zhuǎn)速u進行計算。本實施例中利用傳感器測量飛輪的轉(zhuǎn)速u,利用編碼器采集飛輪角位移信號,通過在氣缸的上止點位置設(shè)置傳感器以收集上止點信號。
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,滿足測量需要。
在進行信號采集的過程中,根據(jù)需要設(shè)置采集頻率f0為4-10倍齒輪信號頻率f1,由齒輪的平均轉(zhuǎn)速ω1可估算齒輪信號頻率f1=ω1(實驗值ω1=800),即f0=kf1=kω1,k∈[4.10];
信號采集周期的長短決定了總得信號點個數(shù)以及信號精度;根據(jù)實際需要,采集5-10s可保證達(dá)到需要的計算精度。
2、模擬信號的數(shù)字化處理
使用matlab軟件對收集到的信號進行后序處理,
a、對齒輪脈沖信號new的處理,根據(jù)傳感器輸出的信號波形的極值點數(shù)值范圍[m,n],(a<b),規(guī)定大于x的信號(a<x<b)為x1(x1>0),小于x的信號為0;
b、對編碼器脈沖信號bmq的處理,根據(jù)編碼器輸出的信號波形的極值點數(shù)值范圍[s,t],(s<t),規(guī)定大于r的信號(s<r<t)為r1(r1>0),小于r的信號為0;
c、將上述處理后的信號作為基礎(chǔ)文件利用比較器進行對比,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;
利用比通過自編比較器使不規(guī)則方波變?yōu)橐?guī)則方波,無需計算過零點,減少了計算量,
提高了測量以及計算效率。
3、計算瞬時轉(zhuǎn)速;
首先尋找斜率為x1=10的點,即上升沿對應(yīng)點,每兩個上升沿代表齒輪旋轉(zhuǎn)一周,根據(jù)采樣頻率以及兩個上升沿之間的間隔點數(shù)計算瞬時轉(zhuǎn)速,計算公式為
......
a=find(diff(new)==10);%斜率為10的點的位置
fori=1:length(a)-1;
v(i)=60*f0/(a(i+1)-a(i))/136
end
v=[v,v(end)]
szd=szd(a);%齒輪上止點位置
szd1=find(szd(1:200)==szd(1:200)));%尋找第一個上止點
n=v(szd1:szd1+271);
save(’循環(huán)轉(zhuǎn)速未處理.mat’,’n’)
......
通過需尋找斜率為定值的脈沖點,結(jié)合齒數(shù)等相關(guān)數(shù)據(jù),確定齒輪瞬時轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù),不需要對齒輪進行逐點計算取值,減少了計算量,簡化數(shù)據(jù)處理過程。
利用matlab軟件及上述經(jīng)過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pc性能要求低,降低本方法測量的成本,擴大其應(yīng)用場合。
4、獲取真實瞬時轉(zhuǎn)速曲線圖;
在上述未處理的循環(huán)轉(zhuǎn)速圖的基礎(chǔ)上,運用emd經(jīng)驗?zāi)B(tài)分析方法對圖形進行處理,獲得各imf分量轉(zhuǎn)角域值以及圖像,如圖3中所示。
其中用于進行emd經(jīng)驗?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、對得到的imf數(shù)據(jù)進行希爾伯特黃變換(hht變換):
利用hhmspectrum_new、disp_hhms_new、hhspectrum、hhspectrum1函數(shù)對各imf分量進行變換處理,其中fliplr為矩陣翻轉(zhuǎn)函數(shù),得到imf分量的頻譜和瞬時頻率圖,如圖4、圖5中所示。
其中,用于進行hht變換的計算函數(shù)如下,
......
%估算個分量的瞬時頻率及作圖
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、獲取真實瞬時轉(zhuǎn)速曲線圖;
在上一部的基礎(chǔ)上,根據(jù)發(fā)動機頻率比較并選擇1倍頻以下的波形做疊加得到真實瞬時轉(zhuǎn)速曲線圖,如圖6所示。
利用巴特沃斯貸通濾波器對上述真實瞬時轉(zhuǎn)速曲線圖進行平滑處理,巴特沃斯貸通濾波器可用如下振幅的平方對頻率的公式表示
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);
將瞬時轉(zhuǎn)速單位r/pm轉(zhuǎn)換為角速度單位rad/s;
在進行缸壓重構(gòu)過程中,本實施例采用柴油機非線性動力學(xué)模型,將摩擦力矩等阻力矩視為定值進行計算,計算模型如圖8所示。
輸入柴油機的結(jié)構(gòu)參數(shù)(以下數(shù)據(jù)為實驗用設(shè)備的數(shù)值):
往復(fù)運動集換算質(zhì)量/kg,m1=20;旋轉(zhuǎn)運動換算質(zhì)量/kg,m2=1000;
曲軸半徑/m,r=0.065;連桿長度/m,l=0.219;有效輸出功率,ne=30;
機械效率,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)運動集中換算質(zhì)量;
j:旋轉(zhuǎn)運動集中轉(zhuǎn)動慣量;
r:曲軸半徑;
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,本具體實施例的計算過程中主要是在matlab數(shù)學(xué)軟件中進行,因此其函數(shù)及方法均使用相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫及函數(shù)形式,運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),本實施例僅為具體表達(dá)計算方法和思路,不應(yīng)當(dāng)理解為對本發(fā)明創(chuàng)造的限制。