基于MATLAB的內(nèi)?？刂苾?nèi)燃機(jī)故障分析系統(tǒng)

基于MATLAB和PCI-2250系列數(shù)據(jù)采集卡建立內(nèi)燃機(jī)故障分析系統(tǒng)，針對(duì)該系統(tǒng)提出內(nèi)模控制器的故障分析方法，通過(guò)控制器的算法，驗(yàn)證了內(nèi)?？刂破骺梢杂行?duì)內(nèi)燃機(jī)的故障信號(hào)的干擾進(jìn)行過(guò)濾。1

序言柴油機(jī)是用柴油作燃料的內(nèi)燃機(jī)，在運(yùn)輸、發(fā)電等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。它主要通過(guò)氣缸壓縮柴油與空氣的混合物產(chǎn)生內(nèi)能，用來(lái)帶動(dòng)曲軸等運(yùn)動(dòng)件，由此獲得強(qiáng)勁的動(dòng)能。但它的故障比較復(fù)雜，工作條件惡劣，系統(tǒng)、機(jī)構(gòu)與部件之間相互影響，導(dǎo)致真正的故障原因由于外界因素的干擾而難以確定，給排除故障帶來(lái)了一定困難。2

內(nèi)燃機(jī)故障檢測(cè)方法設(shè)計(jì)通過(guò)對(duì)內(nèi)燃機(jī)故障系統(tǒng)的分析，設(shè)計(jì)了針對(duì)內(nèi)燃機(jī)故障信號(hào)消除外界干擾的系統(tǒng)。由于內(nèi)燃機(jī)外界擾動(dòng)信號(hào)是非連續(xù)性的信號(hào)，硬件選擇了數(shù)據(jù)采集卡和振動(dòng)傳感器。針對(duì)內(nèi)燃機(jī)故障分析，提出基于內(nèi)?？刂频墓收戏治龇椒ǎㄟ^(guò)對(duì)外界擾動(dòng)的過(guò)濾，驗(yàn)證了內(nèi)?？刂破骺梢杂行Т_認(rèn)內(nèi)燃機(jī)真實(shí)的故障狀態(tài)。

2.1

6123系列某船用發(fā)動(dòng)機(jī)的基本構(gòu)成及故障分析（1）基本構(gòu)成

6123系列某船用發(fā)動(dòng)機(jī)（見(jiàn)圖1）的排放滿足非道路T3排放標(biāo)準(zhǔn)和歐洲S3A排放標(biāo)準(zhǔn)，且保留了充足的裕度，動(dòng)力強(qiáng)，性能好，油耗低，瞬態(tài)加載能力好。其中的增壓中冷、四氣門(mén)和電控技術(shù)，使得燃燒組織準(zhǔn)確、迅速，排放好，瞬態(tài)響應(yīng)性能好，加載能力強(qiáng)。該發(fā)動(dòng)機(jī)采用高強(qiáng)度氣缸體、合金曲軸、合金鋼連桿和內(nèi)冷油道活塞，使發(fā)動(dòng)機(jī)耐用；與同類產(chǎn)品相比，有較輕和較緊湊的結(jié)構(gòu)，使發(fā)動(dòng)機(jī)工作平穩(wěn)、可靠和高效。

圖1

6123系列某船用發(fā)動(dòng)機(jī)（2）主要故障分析

船用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)是由許多機(jī)械零部件、電子元件和氣液等流體管路組成的一個(gè)十分復(fù)雜的機(jī)電設(shè)備。發(fā)動(dòng)機(jī)的每個(gè)子系統(tǒng)之間雖然在內(nèi)燃機(jī)工作時(shí)相互協(xié)調(diào)、相互聯(lián)系，但在這樣一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)中，它的故障原因更錯(cuò)綜復(fù)雜、無(wú)法定量。不同功能的子系統(tǒng)之間，在結(jié)構(gòu)上存在著較大的差異。內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，零部件不斷磨損、老化等因素都可能會(huì)引起系統(tǒng)結(jié)構(gòu)惡化、功能失調(diào)，還會(huì)影響到子系統(tǒng)間關(guān)系變化，使系統(tǒng)故障特征的傳播不平穩(wěn)，甚至沒(méi)有邏輯性，無(wú)法控制傳播路徑等，從而造成原始故障可帶動(dòng)其他的子系統(tǒng)一同產(chǎn)生故障。內(nèi)燃機(jī)的故障特征主要表現(xiàn)為以下幾種。1）復(fù)雜性。由于構(gòu)成設(shè)備的子系統(tǒng)、機(jī)構(gòu)與部件之間的相互關(guān)聯(lián)、相互影響，導(dǎo)致故障原因與故障現(xiàn)象之間復(fù)雜的關(guān)聯(lián)性，故障現(xiàn)象和故障原因之間的邏輯關(guān)系、定量關(guān)系和定性關(guān)系等錯(cuò)綜復(fù)雜的聯(lián)系交織在一起，使得故障診斷頗具復(fù)雜性。2）層次性。即系統(tǒng)的特性，內(nèi)燃機(jī)作為多設(shè)備組合而成的機(jī)電系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)的層次性從大到小分為系統(tǒng)、子系統(tǒng)……每一個(gè)零件。一般來(lái)說(shuō)，在制定故障策略的模型時(shí)，都是從大系統(tǒng)開(kāi)始研究，直至每一個(gè)零件為止，層次從高到低開(kāi)始擬定，這樣隨著層次性去找故障原因會(huì)有更高的效率，也便于模擬計(jì)算。3）錯(cuò)綜性。故障原因和故障現(xiàn)象之間存在模糊性，內(nèi)燃機(jī)故障診斷中提出的許多概念和使用方法存在錯(cuò)綜性。4）相關(guān)性。內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)是由其相互作用、相互影響的子系統(tǒng)之間組成的復(fù)雜整體，發(fā)生故障時(shí)子系統(tǒng)之間也會(huì)相互作用和聯(lián)系，此時(shí)會(huì)展現(xiàn)一定的相關(guān)性。根據(jù)內(nèi)燃機(jī)故障分析，選如下一些指標(biāo)作為故障參數(shù)。1）轉(zhuǎn)速。若內(nèi)燃機(jī)在外部負(fù)荷穩(wěn)定的工況下運(yùn)行，轉(zhuǎn)速卻有較大波動(dòng)，則主要原因如下：①燃油供給不穩(wěn)定。若油路中進(jìn)入了空氣或水，輸油泵供油不足，以及油中有堵塞等均會(huì)使供油時(shí)斷時(shí)續(xù)，造成內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)。②燃燒不良。各缸噴油量、供油提前角和壓縮壓力不一致，會(huì)導(dǎo)致燃燒不良。③調(diào)速器失常。當(dāng)調(diào)速器各零件卡滯比較嚴(yán)重，以及調(diào)速器飛鐵與飛鐵座磨損很大時(shí)，造成自由晃動(dòng)量過(guò)大，都會(huì)引起內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)。2）機(jī)油溫度。當(dāng)機(jī)油溫度超過(guò)正常工作溫度較大時(shí)，導(dǎo)致潤(rùn)滑條件變差，使運(yùn)動(dòng)件摩擦表面溫度過(guò)高，從而造成嚴(yán)重的機(jī)械故障。機(jī)油溫度偏高主要原因如下：①內(nèi)燃機(jī)長(zhǎng)時(shí)間超負(fù)荷工作，燃燒過(guò)程后燃嚴(yán)重，造成機(jī)器溫度過(guò)高。②凡是引起水溫過(guò)高的原因，也是使油溫升高的原因。如水泵的帶過(guò)松等。③機(jī)油冷卻器堵塞使機(jī)油冷卻表面積不足。判斷堵塞方法可用手摸通往散熱器的進(jìn)油管和出油管，若二者溫度有差別，則證明散熱器工作正常。3）機(jī)油壓力。機(jī)油壓力是各個(gè)機(jī)械部件保證摩擦表面能夠進(jìn)行正常潤(rùn)滑的必要條件。一般情況有下列可能原因：儲(chǔ)油量不足時(shí)，機(jī)油泵吸入和壓出的油量減少，使油壓變低；機(jī)油過(guò)稀時(shí)，各組合件的摩擦表面就不能形成一定的油膜，零件潤(rùn)滑不良，機(jī)油壓力下降。若機(jī)油壓力過(guò)高，其主要原因如下：①機(jī)油黏度大。機(jī)油黏度增加而使油壓增高。內(nèi)燃機(jī)冷車起動(dòng)時(shí)，由于溫度低，機(jī)油黏度大，也會(huì)出現(xiàn)油壓過(guò)高，但是隨著溫度的升高，壓力逐漸回復(fù)到正常壓力。②機(jī)油油道堵塞。主油道內(nèi)由于機(jī)油油泥雜質(zhì)較多造成堵塞，使機(jī)油流動(dòng)阻力加大，油壓因而相應(yīng)升高。③連桿軸承的間隙過(guò)小。新裝配的內(nèi)燃機(jī)有時(shí)會(huì)因裝配不當(dāng)而使軸承間隙過(guò)小，也會(huì)造成機(jī)油壓力過(guò)高的現(xiàn)象。4）冷卻水溫度。冷卻水溫度能反映內(nèi)燃機(jī)負(fù)荷狀況，溫度過(guò)高會(huì)有如下影響：①水泵水量小或不泵水。②熱交換器管道內(nèi)積有大量水垢。這時(shí)不但散熱差，而且使流通的水量減小。③節(jié)溫器失靈。節(jié)溫器失靈后，節(jié)溫器閥門(mén)在冷卻水溫度達(dá)到規(guī)定值時(shí)還不能打開(kāi)，冷卻水不能進(jìn)行大循環(huán)，即水不能到散熱器中得到冷卻而使水溫升高。5）排氣溫度?？赏ㄟ^(guò)排氣溫度對(duì)燃燒狀況進(jìn)行評(píng)估。船用內(nèi)燃機(jī)排氣溫度過(guò)高的根本原因是混合氣體未能完全燃燒而在排入排氣管后繼續(xù)燃燒。造成內(nèi)燃機(jī)排氣溫度過(guò)高的具體原因如下：①排氣門(mén)密封不嚴(yán)。由于排氣門(mén)與氣門(mén)座密封錐面密封不嚴(yán)或積碳過(guò)多，排氣門(mén)泄漏，導(dǎo)致壓縮壓力降低。由于壓縮終了溫度的降低使點(diǎn)火延時(shí)而產(chǎn)生后燃。②噴油器霧化不良。噴油器霧化不良使燃油在燃燒室內(nèi)形成混合氣體的時(shí)間延遲，導(dǎo)致在排氣管內(nèi)產(chǎn)生后燃。6）進(jìn)氣壓力?？赏ㄟ^(guò)進(jìn)氣壓力對(duì)渦輪增壓器的狀況、進(jìn)氣道狀況進(jìn)行評(píng)估，并為燃燒狀況的評(píng)估提供依據(jù)。進(jìn)氣壓力下降，嚴(yán)重影響進(jìn)氣量，使燃油不能完全燃燒，導(dǎo)致內(nèi)燃機(jī)功率下降，耗油量增加，排氣溫度升高。造成進(jìn)氣壓力下降的主要原因如下：①空氣濾清器濾芯堵塞，使進(jìn)氣阻力增加，壓氣機(jī)吸氣量不足，導(dǎo)致進(jìn)氣壓力下降，此時(shí)應(yīng)更換空氣濾芯。②排氣管變形或排氣消聲器堵塞，致使渦輪排氣不暢，排氣阻力增大，廢氣在渦輪中的膨脹受到抑制，渦輪功率降低，增壓器轉(zhuǎn)速下降、進(jìn)氣壓力降低。（3）內(nèi)?？刂乒收舷到y(tǒng)分析

內(nèi)?？刂疲↖nternalModelControl，簡(jiǎn)稱IMC）思路的實(shí)質(zhì)是把內(nèi)部模型和實(shí)際被控對(duì)象實(shí)現(xiàn)并聯(lián)并組合起來(lái)的結(jié)構(gòu)，控制器選取模型的動(dòng)態(tài)逆，把輸入約束和魯棒性暫時(shí)移出考慮范圍外的條件下，讓閉環(huán)系統(tǒng)的性能盡可能地得到滿足，再使用低通濾波器提升系統(tǒng)的魯棒性，從而減少外界擾動(dòng)所造成的不利影響，提升一定的適應(yīng)性。內(nèi)?？刂频慕Y(jié)構(gòu)原理如圖2所示。圖中，Gp（s）表示控制對(duì)象：內(nèi)燃機(jī)，（s）為對(duì)象模型，R（s）為設(shè)定值，Ym（s）為控制器輸出的控制量，Y（s）為控制系統(tǒng)輸出，D（s）為發(fā)動(dòng)機(jī)外界擾動(dòng)信號(hào)。

圖2

內(nèi)模控制結(jié)構(gòu)原理由圖2不難看出，內(nèi)模控制的核心內(nèi)容分為以下3部分：①內(nèi)部模型：被控對(duì)象的內(nèi)部模型，用來(lái)預(yù)測(cè)被控對(duì)象的輸出。②內(nèi)?？刂破鳎翰粩喔淖兒驼{(diào)整輸出值，讓設(shè)定值成為輸出值的追蹤目標(biāo)。③濾波器：在外界擾動(dòng)信號(hào)通過(guò)濾波器時(shí)對(duì)外界的干擾進(jìn)行過(guò)濾。由于內(nèi)燃機(jī)是一種多振源、寬頻帶和振動(dòng)形態(tài)復(fù)雜的大型機(jī)械，其外界擾動(dòng)信號(hào)呈現(xiàn)非平穩(wěn)時(shí)變特征，噪聲干擾大，故障信號(hào)往往被淹沒(méi)在干擾噪聲中，因此可以通過(guò)控制算法，最大限度地消除外界干擾，從而輸出正確的內(nèi)燃機(jī)故障信號(hào)。采用內(nèi)模控制特性進(jìn)行處理。內(nèi)模控制的設(shè)計(jì)思路是：需要設(shè)計(jì)一個(gè)理想的穩(wěn)定控制器，并在理想的控制下開(kāi)始準(zhǔn)備工作，通過(guò)引入過(guò)濾器用來(lái)調(diào)整參數(shù)和結(jié)構(gòu)。先不考慮魯棒性，由此設(shè)計(jì)出符合實(shí)際條件的控制器。可以看出，控制系統(tǒng)中有兩個(gè)輸入：設(shè)定值輸入R（s）和擾動(dòng)信號(hào)輸入D（s）（設(shè)該輸入不可測(cè)）。下面分兩種情況討論施加不同的輸入時(shí)系統(tǒng)輸出的情況。1）當(dāng)R（s）=0，D（s）≠0時(shí)，若該模型不變，即此時(shí)由于設(shè)定此時(shí)R（s）=0，由圖2可得

（1）若模型可導(dǎo)，即可實(shí)現(xiàn)，則

將式（2）代入式（1）得Y（s）=0

（3）由式（3）可以得出結(jié)論：當(dāng)R（s）=0，D（s）≠0，以及模型準(zhǔn)確且可導(dǎo)的情況下，本控制器是可以對(duì)外界擾動(dòng)有很好抑制的理想控制器。2）當(dāng)R（s）≠0，D（s）=0，以及模型準(zhǔn)確且可導(dǎo)時(shí)，由于D（s）=0，則可知由式（1）可得

式（4）表明：在R（s）≠0，D（s）=0，以及模型準(zhǔn)確且可導(dǎo)時(shí)，本控制器是Y（s）能對(duì)R（s）的變化進(jìn)行跟蹤的理想控制器。由式（4）得，內(nèi)?？刂拼嬖谝韵玛P(guān)系

如果模型準(zhǔn)確時(shí)，式（5）可以化簡(jiǎn)為

外界擾動(dòng)信號(hào)為

通過(guò)上述分析可知，該模型的輸出與過(guò)程的輸出相等，即可確定外界擾動(dòng)信號(hào)D（s）=0。因此存在給定輸入的情況下，內(nèi)?？刂葡到y(tǒng)具有開(kāi)環(huán)結(jié)構(gòu)。在實(shí)際作業(yè)過(guò)程控制中，減少甚至消除外界干擾是所有控制系統(tǒng)的核心，在圖2中外界擾動(dòng)信號(hào)D（s）可以反映外界擾動(dòng)的影響，由此構(gòu)成了閉環(huán)的控制結(jié)構(gòu)，通過(guò)控制器的控制算法，最大限度地消除外界干擾，保證內(nèi)燃機(jī)故障信號(hào)輸出。該發(fā)動(dòng)機(jī)故障分析系統(tǒng)的原理是安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)上的傳感器將振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集模塊，經(jīng)過(guò)處理后的信號(hào)輸送到變送器，再檢測(cè)工藝參數(shù)，并將測(cè)量值以特定的信號(hào)形式傳送出去，以便控制室進(jìn)行顯示、調(diào)節(jié)。本文設(shè)計(jì)的發(fā)動(dòng)機(jī)故障分析系統(tǒng)如圖3所示。圖3

發(fā)動(dòng)機(jī)故障分析系統(tǒng)2.2故障分析系統(tǒng)的硬件組成如上所述，發(fā)動(dòng)機(jī)故障分析裝置是安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)上的振動(dòng)傳感器。檢測(cè)裝置中的核心器件為振動(dòng)傳感器，它可以將測(cè)量到的發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換按一定規(guī)律變換成為電信號(hào)或其他所需形式便于直觀展現(xiàn)和容易處理的信號(hào)。（1）振動(dòng)傳感器

在工程振動(dòng)測(cè)試領(lǐng)域中，測(cè)試手段與方法多種多樣，但是按各種參數(shù)的測(cè)量方法及測(cè)量過(guò)程的物理性質(zhì)來(lái)分，可以分成3類。1）機(jī)械式。將工程振動(dòng)的參量轉(zhuǎn)換成機(jī)械信號(hào)，再經(jīng)機(jī)械系統(tǒng)放大后，進(jìn)行測(cè)量、記錄。常用的儀器有杠桿式測(cè)振儀和蓋格爾測(cè)振儀，其能測(cè)量的頻率很低，精度也較差。2）光學(xué)式。將工程振動(dòng)的參量轉(zhuǎn)換為光學(xué)信號(hào)，經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)放大后顯示和記錄，如激光測(cè)振儀等。3）電測(cè)式。將工程振動(dòng)的輸入信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)的信號(hào)傳輸線路放大后顯示和記錄。電測(cè)法的要點(diǎn)在于先將機(jī)械振動(dòng)量轉(zhuǎn)換為電量（電動(dòng)勢(shì)、電荷等），然后對(duì)電量進(jìn)行分析，從而得到所要測(cè)量信號(hào)的分析。本文采用的振動(dòng)傳感器如圖4所示。圖4

振動(dòng)傳感器（2）數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集卡可以將電壓信號(hào)通過(guò)抗干擾能力較強(qiáng)的雙絞線傳輸?shù)娇刂剖业能浖?，進(jìn)行顯示、調(diào)節(jié)。本文采用PCI-2250系列數(shù)據(jù)采集卡，如圖5所示。圖5

PCI-2250系列數(shù)據(jù)采集卡3

基于MATLAB的數(shù)據(jù)分析與處理MATLAB是美國(guó)MathWorks公司出品的高級(jí)數(shù)學(xué)軟件，多數(shù)用于數(shù)據(jù)分析、信號(hào)處理、機(jī)器人及控制系統(tǒng)等領(lǐng)域。MATLAB是matrix&laboratory兩個(gè)詞的組合，意為矩陣工廠（矩陣實(shí)驗(yàn)室），它將數(shù)據(jù)分析、矩陣計(jì)算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強(qiáng)大功能集成在一個(gè)易于使用的視窗環(huán)境中，為工程設(shè)計(jì)及必須進(jìn)行的有效數(shù)值計(jì)算提供了一種全面的解決方案。3.1數(shù)據(jù)采集模塊與變送器（1）數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集的工作其實(shí)就是將各種物理量或者化學(xué)量等模擬信號(hào)，通過(guò)各種傳感器件轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，并對(duì)轉(zhuǎn)化出的電信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、采樣、量化和編碼，轉(zhuǎn)化成計(jì)算機(jī)便于識(shí)別的數(shù)字信號(hào)。數(shù)據(jù)采集模塊的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)可以看其采樣率，也叫做采樣頻率，即單位時(shí)間內(nèi)從連續(xù)信號(hào)中提取并組成離散信號(hào)的采樣個(gè)數(shù)，它用赫茲（Hz）來(lái)表示。通俗地講，采樣頻率是指計(jì)算機(jī)單位時(shí)間內(nèi)能夠采集多少個(gè)信號(hào)樣本。連續(xù)信號(hào)在時(shí)間或空間上以某種方式變化著，而采樣過(guò)程則是在時(shí)間或空間上，以T為單位間隔來(lái)測(cè)量連續(xù)信號(hào)的值。T稱為采樣間隔。通常他們的采樣間隔都很小，一般在毫秒、微秒的量級(jí)。采樣過(guò)程產(chǎn)生一系列的數(shù)字，稱為采集樣本。采集樣本承載著原來(lái)的信號(hào)。每一個(gè)樣本都對(duì)應(yīng)著測(cè)量這一樣本的特定時(shí)間點(diǎn)，而采樣間隔的倒數(shù)，1/T即為采樣頻率。（2）變送器

變送器由傳感器進(jìn)一步發(fā)展而來(lái)，傳感器輸出標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。由于直流信號(hào)具有不受線路中電感、電容及負(fù)載性質(zhì)的影響，不存在相移問(wèn)題等優(yōu)點(diǎn)，所以國(guó)際電工委員會(huì)規(guī)定：將電流信號(hào)4～20mA（DC）和電壓信號(hào)1～5V（DC）確定為過(guò)程控制系統(tǒng)中模擬信號(hào)的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。變送器是基于負(fù)反饋原理工作的，它主要由測(cè)量部分、放大器和反饋部分組成。測(cè)量部分用于檢測(cè)被測(cè)變量x，并將其轉(zhuǎn)換成能被放大器接受的輸入信號(hào)Zi（電壓、電流、位移、作用力或力矩等信號(hào)）。反饋部分則把變送器的輸出信號(hào)y1轉(zhuǎn)換成反饋信號(hào)Zf，再回送至輸入端。Zi與調(diào)零信號(hào)Zo的代數(shù)和同反饋信號(hào)Zf進(jìn)行比較，其差值ε送入放大器進(jìn)行放大，并轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)輸出