專利名稱：基于時域能量和支持向量機的發(fā)動機故障識別方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于發(fā)動機領(lǐng)域，尤其是一種基于時域能量和支持向量機的發(fā)動機故障識別方法。
背景技術(shù)：
隨著人們生活水平的提高，汽車逐漸進入百姓家庭，隨著汽車使用時間越來越長，汽車的發(fā)動機發(fā)生故障的幾率也越來越大，目前六缸發(fā)動機在汽車上應(yīng)用比較廣泛，在發(fā)動機內(nèi)的缸體發(fā)生故障時，很難進行準確判斷發(fā)動機內(nèi)部發(fā)生了什么故障，必須要對發(fā)動機進行拆卸才能進行故障識別，但是這樣的方法識別故障速度較慢，時間較長，效率較低，維修維護費時費力。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于時域能量和支持向量機的發(fā)動機故障識別方法，該方法提高了發(fā)動機故障識別速度，縮短了發(fā)動機故障識別時間，提高了發(fā)動機故障識別效率，方法簡單，易操作，方便了發(fā)動機的維修維護。本發(fā)明解決其技術(shù)問題是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的一種基于時域能量和支持向量機的發(fā)動機故障識別方法，其方法包括的步驟為(1)、在六缸發(fā)動機的第一缸與第二缸之間設(shè)置第一測點、第二缸與第三缸之間設(shè)置第二測點、第四缸與第五缸之間設(shè)置第三測點、第五缸與第六缸之間設(shè)置第四測點，在每個測點上分別安裝一加速度振動傳感器，該加速度振動傳感器通過振動信號采集儀連接計算機；⑵、把由加速度振動傳感器從上止點開始采集得到的發(fā)動機運行狀態(tài)的時域振動信號劃分為N段，每段分別包括M個振動信號幅值；⑶、求出N段中每段的時域能量Ei ；(4)、求出N段的時域能量之和Esum ；(5)、將每段的時域能量Ei與時域能量之和Esai相比進行能量單位化后構(gòu)造出特征向量，得到N個時域能量特征值；(6)、對N個時域能量特征值用支持向量機方法進行分類計算得到發(fā)動機運行狀態(tài)分類參數(shù)；(7)、將發(fā)動機運行狀態(tài)分類參數(shù)與發(fā)動機正常狀態(tài)分類參數(shù)進行比較得到發(fā)動機故障識別結(jié)果。而且，所述的發(fā)動機正常狀態(tài)分類參數(shù)獲得的方法為 (1)、在六缸發(fā)動機的第一缸與第二缸之間設(shè)置第一測點、第二缸與第三缸之間設(shè)置第二測點、第四缸與第五缸之間設(shè)置第三測點、第五缸與第六缸之間設(shè)置第四測點，在每個測點上分別安裝一加速度振動傳感器，該加速度振動傳感器通過振動信號采集儀連接計算機；
⑵、把由加速度振動傳感器從上止點開始采集得到的發(fā)動機正常狀態(tài)的時域振動信號劃分為N段，每段分別包括M個振動信號幅值；⑶、求出N段中每段的時域能量Ei ；(4)、求出N段的時域能量之和Esum ；(5)、將每段的時域能量Ei與時域能量之和Esai相比進行能量單位化后構(gòu)造出特征向量，得到N個時域能量特征值；(6)、對N個時域能量特征值用支持向量機方法進行分類計算得到發(fā)動機正常狀態(tài)分類參數(shù)。而且，所述的得到發(fā)動機故障識別結(jié)果后，還包括獲取發(fā)動機故障狀態(tài)分類參數(shù)，獲取發(fā)動機故障狀態(tài)分類參數(shù)的方法為(1)、在六缸發(fā)動機的第一缸與第二缸之間設(shè)置第一測點、第二缸與第三缸之間設(shè)置第二測點、第四缸與第五缸之間設(shè)置第三測點、第五缸與第六缸之間設(shè)置第四測點，在每個測點上分別安裝一加速度振動傳感器，該加速度振動傳感器通過振動信號采集儀連接計算機；⑵、把由加速度振動傳感器從上止點開始采集得到的發(fā)動機故障狀態(tài)的時域振動信號劃分為N段，每段分別包括M個振動信號幅值；⑶、求出N段中每段的時域能量Ei ；(4)、求出N段的時域能量之和Esum ；(5)、將每段的時域能量Ei與時域能量之和Esai相比進行能量單位化后構(gòu)造出特征向量，得到N個時域能量特征值；(6)、對N個時域能量特征值用支持向量機方法進行分類計算得到發(fā)動機故障狀態(tài)分類參數(shù)。而且，所述的發(fā)動機故障狀態(tài)分類參數(shù)為發(fā)動機進氣門故障狀態(tài)分類參數(shù)、發(fā)動機排氣門故障狀態(tài)分類參數(shù)以及發(fā)動機斷油故障狀態(tài)分類參數(shù)。本發(fā)明的優(yōu)點和有益效果為I、本基于時域能量和支持向量機的發(fā)動機故障識別方法能夠?qū)Πl(fā)動機異常工作提供故障識別，通過對加速度振動傳感器采集信號的處理，快速準確對發(fā)動機內(nèi)部故障進行識別，方便維修維護。2、本基于時域能量和支持向量機的發(fā)動機故障識別方法可以根據(jù)實際工況設(shè)置加速度振動傳感器，該傳感器為市場銷售的振動傳感器，成本較低。3、本發(fā)明有效提高了發(fā)動機故障識別速度，縮短了發(fā)動機故障識別時間，提高了發(fā)動機故障識別效率，方法簡單，易操作，方便了發(fā)動機的維修維護。


圖I為6缸發(fā)動機進氣門正常時的時域波形圖；、
圖2為6缸發(fā)動機進氣門故障時的時域波形圖；圖3為6缸發(fā)動機排氣門正常時的時域波形圖；圖4為6缸發(fā)動機排氣門故障時的時域波形圖；圖5為6缸發(fā)動機進氣門間隙故障時工作一個周期的時域波形圖6為發(fā)動機正常信號圖；圖7為發(fā)動機故障I信號圖；圖8為發(fā)動機故障2信號圖；圖9為發(fā)動機故障3信號圖；圖10為發(fā)動機故障4信號圖；圖11為發(fā)動機故障5信號圖；
圖12為進氣門間隙時域波形圖；圖13為排氣門間隙時域波形圖；圖14為斷油故障的時域波形圖；圖15為線性可分模式下二維輸入空間中最優(yōu)超平面的幾何結(jié)構(gòu)圖；圖16為發(fā)動機單缸不同類型故障的分類圖；圖17為發(fā)動機配氣系統(tǒng)不同故障量的分類圖。
具體實施例方式下面通過具體實施例對本發(fā)明作進一步詳述，以下實施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本發(fā)明的保護范圍。一種基于時域能量和支持向量機的發(fā)動機故障識別方法，其方法包括的步驟為(1)、在六缸發(fā)動機的第一缸與第二缸之間設(shè)置第一測點、第二缸與第三缸之間設(shè)置第二測點、第四缸與第五缸之間設(shè)置第三測點、第五缸與第六缸之間設(shè)置第四測點，在每個測點上分別安裝一加速度振動傳感器，該加速度振動傳感器通過振動信號采集儀連接計算機；⑵、把由加速度振動傳感器從上止點開始采集得到的發(fā)動機運行狀態(tài)的時域振動信號劃分為N段，每段分別包括M個振動信號幅值；⑶、求出N段中每段的時域能量Ei ；(4)、求出N段的時域能量之和Esum ；(5)、將每段的時域能量Ei與時域能量之和Esai相比進行能量單位化后構(gòu)造出特征向量，得到N個時域能量特征值；(6)、對N個時域能量特征值用支持向量機方法進行分類計算得到發(fā)動機運行狀態(tài)分類參數(shù)；(7)、將發(fā)動機運行狀態(tài)分類參數(shù)與發(fā)動機正常狀態(tài)分類參數(shù)進行比較得到發(fā)動機故障識別結(jié)果。上述發(fā)動機正常狀態(tài)分類參數(shù)獲得的方法為(1)、在六缸發(fā)動機的第一缸與第二缸之間設(shè)置第一測點、第二缸與第三缸之間設(shè)置第二測點、第四缸與第五缸之間設(shè)置第三測點、第五缸與第六缸之間設(shè)置第四測點，在每個測點上分別安裝一加速度振動傳感器，該加速度振動傳感器通過振動信號采集儀連接計算機；⑵、把由加速度振動傳感器從上止點開始采集得到的發(fā)動機正常狀態(tài)的時域振動信號劃分為N段，每段分別包括M個振動信號幅值；(3)、求出N段中每段的時域能量Ei ；
(4)、求出N段的時域能量之和Esum ；(5)、將每段的時域能量Ei與時域能量之和Esai相比進行能量單位化后構(gòu)造出特征向量，得到N個時域能量特征值；(6)、對N個時域能量特征值用支持向量機方法進行分類計算得到發(fā)動機正常狀態(tài)分類參數(shù)。本發(fā)明得到發(fā)動機故障識別結(jié)果后，還包括獲取發(fā)動機故障狀態(tài)分類參數(shù)，獲取發(fā)動機故障狀態(tài)分類參數(shù)的方法為(1)、在六缸發(fā)動機的第一缸與第二缸之間設(shè)置第一測點、第二缸與第三缸之間設(shè)置第二測點、第四缸與第五缸之間設(shè)置第三測點、第五缸與第六缸之間設(shè)置第四測點，在每個測點上分別安裝一加速度振動傳感器，該加速度振動傳感器通過振動信號采集儀連接計、算機；⑵、把由加速度振動傳感器從上止點開始采集得到的發(fā)動機故障狀態(tài)的時域振動信號劃分為N段，每段分別包括M個振動信號幅值；⑶、求出N段中每段的時域能量Ei ；(4)、求出N段的時域能量之和Esum ；(5)、將每段的時域能量Ei與時域能量之和Esai相比進行能量單位化后構(gòu)造出特征向量，得到N個時域能量特征值；(6)、對N個時域能量特征值用支持向量機方法進行分類計算得到發(fā)動機故障狀態(tài)分類參數(shù)。發(fā)動機故障狀態(tài)分類參數(shù)為發(fā)動機進氣門故障狀態(tài)分類參數(shù)、發(fā)動機排氣門故障狀態(tài)分類參數(shù)以及發(fā)動機斷油故障狀態(tài)分類參數(shù)。下面按發(fā)動機曲軸轉(zhuǎn)角對應(yīng)振動信號進行時域能量劃分及計算本發(fā)明由加速度振動傳感器采集得到發(fā)動機時域振動信號X(t)，則時域能量E為E = \J X2(t)dt 公式(I)對于公式(I)所求的信號能量，按時間離散變換后求得的幅值能量為一組離散的點，按照曲軸轉(zhuǎn)角劃分為N段信號后，每段信號包含的點分別有M個，每段信號內(nèi)離散的點的集合為(XpXfXjd=Id, M};則求出每段信號內(nèi)的能量為
JfArE1 = ^xi ； Kxmu - K, i = 1,2，…，N 公式(2)
,I<+ I將每段的時域能量Ei與時域能量之和Esum相比進行能量單位化后構(gòu)造出特征向量，得到N個時域能量特征值；[E/E議，E2/E■，…En/Esum]i = 1，2，...，N 公式(3)I. I. I特征值的提取方法介紹根據(jù)發(fā)動機的工作原理，6缸進氣門發(fā)生落座沖擊的時刻，大約發(fā)生在I缸壓縮上止點之前150°左右，并且該沖擊發(fā)生時刻不伴隨有其它類型的沖擊，因此可以通過沖擊相位來判斷進氣門故障，如圖I為6缸發(fā)動機進氣門正常時的時域波形圖和圖2為6缸發(fā)動機進氣門故障時的時域波形圖。根據(jù)發(fā)動機的工作原理，6缸排氣門落座沖擊位置發(fā)生在I缸排氣上止點后約20°，仍以6缸排氣門間隙為例，則排氣門落座沖擊就應(yīng)該發(fā)生在I缸壓縮上止點后20°左右，因為I缸壓縮上止點，正好對應(yīng)6缸排氣上止點。圖3為6缸發(fā)動機排氣門正常時的時域波形圖；圖4為6缸發(fā)動機排氣門故障時的時域波形圖。發(fā)動機工作過程中，其缸蓋將受到燃燒沖擊、活塞碰撞、配其氣機構(gòu)沖擊等多種激勵力的作用，從而引發(fā)缸蓋的結(jié)構(gòu)振動。由于發(fā)動機的不同氣缸是按一定順序工作的，振動信號在時域上必然也有一定的順序，所以從振動波形基本可以確定幾個主要激勵的時刻。圖5為6缸發(fā)動機進氣門間隙故障時，測點Al. 56處，發(fā)動機工作一個周期的時域波形圖。經(jīng)過上面的分析可知，判斷同一氣缸的進氣門或者排氣門的故障，可以通過曲軸轉(zhuǎn)角的位置來判斷。對于在同一曲軸轉(zhuǎn)角位置，不同性質(zhì)的沖擊，可以從幅值能量上進行判斷。這就需要提出一種新的方法確定發(fā)生沖擊的性質(zhì)，究竟是什么類型的沖擊，是進、排氣門沖擊，還是其他類型的沖擊，進而才能做出正確的故障診斷。實驗選定發(fā)動機工況為怠速900r/min，測得發(fā)動機各種狀態(tài)下的振動信號。由于實際采樣的原始信號沒有明確的起始點，不是發(fā)動機工作周期的整數(shù)倍，這樣造成信號間 的可比性很差，不利于下一步的故障診斷，因此需要對原始信號進行上止點的定位，截取發(fā)動機的一個工作周期進行分析。圖I、圖2、圖3、圖4中所示為發(fā)動機工作一個周期內(nèi)，可以發(fā)現(xiàn)不同氣缸氣門間隙故障都有不同區(qū)間段。由圖5中可以清晰看出，氣門故障和燃燒沖擊有一定的曲軸間隔。因此，可以選用與曲軸轉(zhuǎn)角和幅值相關(guān)的量進行特征提取。發(fā)動機一個循環(huán)周期對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角為720°，截取的信號以I缸壓縮上止點為標準缸，為了更好區(qū)分發(fā)動機各缸的進氣門、排氣門、斷油等故障，按配氣系統(tǒng)故障將發(fā)動機周期信號按曲軸轉(zhuǎn)角均分為N=12段。按公式(I)公式(2)公式(3)計算得到不同曲軸轉(zhuǎn)角對應(yīng)的能量值。I. I. 2特征值的提取過程汽車發(fā)動機在運行時必將產(chǎn)生振動，而振動信號中包含著豐富的信息。對采集的發(fā)動機的振動信號，在時域上提取信號特征量，對發(fā)動機進氣門、排氣門間隙、斷油故障進行診斷。為了更好的區(qū)分各缸之間的相同故障和每缸的不同故障，根據(jù)振動信號的特點將一整段周期信號分成12等分，通過公式(I)、公式(2)得到發(fā)動機各種狀態(tài)下的能量EJf這些特征值用向量組來E = [E1, E2, -,E12]表示，利用公式(3)計算后，將特征值A(chǔ)E=LE1/Esuffl, E2/E_，…，E12/E_]作為支持向量機分類函數(shù)的輸入向量，建立發(fā)動機不同故障狀態(tài)下的訓(xùn)練樣本。I. I. 3發(fā)動機故障分析(I)發(fā)動機配氣系統(tǒng)不同故障量的分析圖6為發(fā)動機正常信號圖；圖7發(fā)動機故障I信號圖；圖8為發(fā)動機故障2信號圖；圖9為發(fā)動機故障3信號圖；圖10發(fā)動機故障4信號圖；圖11發(fā)動機故障5信號圖；通過對上面發(fā)動機配氣系統(tǒng)五種不同故障量狀態(tài)下的振動信號進行故障特征提取，提取發(fā)動機配氣系統(tǒng)不同故障量狀態(tài)下的特征能量，并初步判斷故障類型。提取的特征能量值如表I所示。表I發(fā)動機配氣系統(tǒng)不同故障量的特征能量值
權(quán)利要求
1.一種基于時域能量和支持向量機的發(fā)動機故障識別方法，其特征在于該方法包括的步驟為 (I)、在六缸發(fā)動機的第一缸與第二缸之間設(shè)置第一測點、第二缸與第三缸之間設(shè)置第二測點、第四缸與第五缸之間設(shè)置第三測點、第五缸與第六缸之間設(shè)置第四測點，在每個測點上分別安裝一加速度振動傳感器，該加速度振動傳感器通過振動信號采集儀連接計算機； ⑵、把由加速度振動傳感器從上止點開始采集得到的發(fā)動機運行狀態(tài)的時域振動信號劃分為N段，每段分別包括M個振動信號幅值； ⑶、求出N段中每段的時域能量Ei ；(4)、求出N段的時域能量之和Esum； (5)、將每段的時域能量Ei與時域能量之和Esm相比進行能量單位化后構(gòu)造出特征向量，得到N個時域能量特征值； (6)、對N個時域能量特征值用支持向量機方法進行分類計算得到發(fā)動機運行狀態(tài)分類參數(shù)； ⑴、將發(fā)動機運行狀態(tài)分類參數(shù)與發(fā)動機正常狀態(tài)分類參數(shù)進行比較得到發(fā)動機故障識別結(jié)果。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于時域能量和支持向量機的發(fā)動機故障識別方法，其特征在于所述的發(fā)動機正常狀態(tài)分類參數(shù)獲得的方法為 (I)、在六缸發(fā)動機的第一缸與第二缸之間設(shè)置第一測點、第二缸與第三缸之間設(shè)置第二測點、第四缸與第五缸之間設(shè)置第三測點、第五缸與第六缸之間設(shè)置第四測點，在每個測點上分別安裝一加速度振動傳感器，該加速度振動傳感器通過振動信號采集儀連接計算機； ⑵、把由加速度振動傳感器從上止點開始采集得到的發(fā)動機正常狀態(tài)的時域振動信號劃分為N段，每段分別包括M個振動信號幅值； ⑶、求出N段中每段的時域能量Ei ； (4)、求出N段的時域能量之和Esum； (5)、將每段的時域能量Ei與時域能量之和Esm相比進行能量單位化后構(gòu)造出特征向量，得到N個時域能量特征值； (6)、對N個時域能量特征值用支持向量機方法進行分類計算得到發(fā)動機正常狀態(tài)分類參數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于時域能量和支持向量機的發(fā)動機故障識別方法，其特征在于所述的得到發(fā)動機故障識別結(jié)果后，還包括獲取發(fā)動機故障狀態(tài)分類參數(shù)，獲取發(fā)動機故障狀態(tài)分類參數(shù)的方法為 (I)、在六缸發(fā)動機的第一缸與第二缸之間設(shè)置第一測點、第二缸與第三缸之間設(shè)置第二測點、第四缸與第五缸之間設(shè)置第三測點、第五缸與第六缸之間設(shè)置第四測點，在每個測點上分別安裝一加速度振動傳感器，該加速度振動傳感器通過振動信號采集儀連接計算機； ⑵、把由加速度振動傳感器從上止點開始采集得到的發(fā)動機故障狀態(tài)的時域振動信號劃分為N段，每段分別包括M個振動信號幅值；⑶、求出N段中每段的時域能量Ei ； (4)、求出N段的時域能量之和Esum； (5)、將每段的時域能量Ei與時域能量之和Esm相比進行能量單位化后構(gòu)造出特征向量，得到N個時域能量特征值； (6)、對N個時域能量特征值用支持向量機方法進行分類計算得到發(fā)動機故障狀態(tài)分類參數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于時域能量和支持向量機的發(fā)動機故障識別方法，其特征在于所述的發(fā)動機故障狀態(tài)分類參數(shù)為發(fā)動機進氣門故障狀態(tài)分類參數(shù)、發(fā)動機排氣門故障狀態(tài)分類參數(shù)以及發(fā)動機斷油故障狀態(tài)分類參數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于時域能量和支持向量機的發(fā)動機故障識別方法，其為⑴、在每個測點上分別安裝一加速度振動傳感器通過振動信號采集儀連接計算機；⑵、把從上止點開始采集時域振動信號劃分為N段，每段分別包括M個振動信號幅值；⑶、求出N段中每段的時域能量Ei；⑷、求出N段的時域能量之和ESUM；⑸、將Ei與ESUM相比進行能量單位化后構(gòu)造出特征向量，得到N個時域能量特征值；⑹、用支持向量機方法進行分類計算得到發(fā)動機運行狀態(tài)分類參數(shù)；⑺、比較得到發(fā)動機故障識別結(jié)果。本發(fā)明有效提高了發(fā)動機故障識別速度，縮短了發(fā)動機故障識別時間，提高了發(fā)動機故障識別效率，方法簡單，易操作，方便了發(fā)動機的維修維護。
文檔編號G01M15/04GK102661866SQ20121014493
公開日2012年9月12日 申請日期2012年5月11日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月11日
發(fā)明者呂燕春, 徐玉秀, 楊文平, 邢鋼, 馬新華 申請人:天津工業(yè)大學(xué)