專(zhuān)利名稱(chēng)：相繼增壓系統(tǒng)故障預(yù)測(cè)與診斷裝置及故障預(yù)測(cè)與診斷方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)的控制裝置及控制方方法，具體地說(shuō)是柴油機(jī)相繼增壓系統(tǒng)的故障預(yù)測(cè)與故障診斷裝置及方法。
背景技術(shù)：
目前，柴油機(jī)因其熱效率高等優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用于船舶、汽車(chē)等交通工具主動(dòng)力、輔助發(fā)電設(shè)備等，相繼增壓是一種采用多臺(tái)增壓器改善柴油機(jī)性能的技術(shù)。由于柴油機(jī)工作環(huán)境惡劣，受多種因素影響因此有必要對(duì)其進(jìn)行故障診斷。同時(shí)目前流行的故障診斷技術(shù)多是在故障發(fā)生后對(duì)故障的種類(lèi)或部位進(jìn)行判斷。
相繼增壓是為了擴(kuò)大低壓縮比、高增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的工作范圍，增大發(fā)動(dòng)機(jī)的低速扭矩和降低部分負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的燃油消耗率的一項(xiàng)技術(shù)。該技術(shù)是采用多個(gè)渦輪增壓器，隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的增長(zhǎng)，相繼按次序地投入運(yùn)行，這樣就可以保證工作著的渦輪增壓器始終在高效率區(qū)運(yùn)行，以使發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗率在整個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)區(qū)域內(nèi)都較低，具有良好的部分負(fù)荷性能。
柴油機(jī)工作環(huán)境惡劣，所受機(jī)械負(fù)荷、熱負(fù)荷大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，然而，目前的對(duì)于柴油機(jī)的故障診斷技術(shù)主要是集中于柴油機(jī)本體，對(duì)于其相繼增壓系統(tǒng)的故障診斷與故障預(yù)測(cè)國(guó)內(nèi)外尚未見(jiàn)到文獻(xiàn)記載。相繼增壓系統(tǒng)包括多臺(tái)增壓器及其相應(yīng)的執(zhí)行閥和控制系統(tǒng)，對(duì)其進(jìn)行故障診斷與故障預(yù)測(cè)十分必要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種在故障發(fā)生之前能予以預(yù)測(cè)并對(duì)可能發(fā)生的故障進(jìn)行診斷，從而做到“防患于未然”，以便及時(shí)地防止故障發(fā)生的相繼增壓系統(tǒng)故障預(yù)測(cè)與診斷裝置。本發(fā)明的目的還在于提供一種相繼增壓系統(tǒng)故障預(yù)測(cè)與診斷的方法。。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的 本發(fā)明的相繼增壓系統(tǒng)故障預(yù)測(cè)與診斷裝置由信號(hào)采集裝置1、信號(hào)調(diào)理轉(zhuǎn)換器2、參數(shù)設(shè)置單元3、數(shù)據(jù)處理裝置4和顯示器5組成，信號(hào)采集裝置1由壓力、轉(zhuǎn)速、功率、油耗傳感器組成；信號(hào)調(diào)理轉(zhuǎn)換器2由信號(hào)放大、濾波單元21，電流轉(zhuǎn)換單元22和A/D轉(zhuǎn)換器23依次連接組成；數(shù)據(jù)處理裝置4由下一采樣時(shí)刻數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)單元41、均一化處理單元42、故障預(yù)測(cè)及診斷單元43依次連接組成；信號(hào)采集裝置1輸入信號(hào)調(diào)理轉(zhuǎn)換器2的信號(hào)放大、濾波單元21，信號(hào)調(diào)理轉(zhuǎn)換器2的輸出以及參數(shù)設(shè)置單元3連接到數(shù)據(jù)處理裝置4的下一采樣時(shí)刻數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)單元41，數(shù)據(jù)處理裝置4的故障預(yù)測(cè)及診斷單元43的輸出連接顯示器5。
本發(fā)明還可以包括 數(shù)據(jù)處理裝置4的故障預(yù)測(cè)及診斷單元43的輸出還連接報(bào)警器6。所述的報(bào)警器包括指示燈61和喇叭62。
本發(fā)明的柴油機(jī)相繼增壓系統(tǒng)的故障預(yù)測(cè)與故障診斷方法是通過(guò)傳感器采集相繼增壓柴油機(jī)的各種運(yùn)行參數(shù)，首先對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行放大，然后根據(jù)信號(hào)特征進(jìn)行濾波以去除信號(hào)干擾，將各種信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，然后選用多路模擬開(kāi)關(guān)進(jìn)行選通逐一將采集的數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)處理裝置，在數(shù)據(jù)處理裝置中，首先由下一采樣時(shí)刻數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)單元預(yù)測(cè)出下一單元的采樣數(shù)據(jù)，然后將各種信號(hào)進(jìn)行歸一化處理，然后通過(guò)故障預(yù)測(cè)及診斷單元根據(jù)歸一化處理后的數(shù)據(jù)對(duì)即將發(fā)生的故障種類(lèi)進(jìn)行故障預(yù)測(cè)與診斷，當(dāng)判斷不會(huì)發(fā)生故障時(shí)，重新回到數(shù)據(jù)采樣環(huán)節(jié)，將當(dāng)判斷出有故障即將發(fā)生并診斷出故障種類(lèi)后，將故障種類(lèi)輸出。
本發(fā)明的方法還可以包括 1、所述的采集相繼增壓柴油機(jī)的各種運(yùn)行參數(shù)，是采集電壓信號(hào)、電流信號(hào)和類(lèi)正弦波信號(hào)。
2、所述的把故障的種類(lèi)輸出是通過(guò)液晶顯示器輸出。
3、所述的把故障的種類(lèi)輸出是通過(guò)液晶顯示器、指示燈和喇叭輸出。
4、它還包括通過(guò)按鍵輸入對(duì)數(shù)據(jù)處理裝置中的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。
已有的故障診斷技術(shù)主要針對(duì)于柴油機(jī)本體。同時(shí)，目前的故障診斷技術(shù)主要是一種對(duì)已發(fā)生故障的診斷，多是“事后彌補(bǔ)”。本發(fā)明專(zhuān)利提出的故障預(yù)測(cè)與故障診斷，是指在故障發(fā)生之前予以預(yù)測(cè)并對(duì)可能發(fā)生的故障進(jìn)行診斷，從而做到“防患于未然”，以便及時(shí)地防止故障發(fā)生。本項(xiàng)發(fā)明專(zhuān)利所采用的技術(shù)方案是采用灰色系統(tǒng)理論對(duì)測(cè)控系統(tǒng)傳感器采集到的信號(hào)進(jìn)行分析處理，對(duì)單調(diào)性信號(hào)建立灰色一階模型，對(duì)波動(dòng)性信號(hào)建立改進(jìn)后的灰色殘差一階模型，并采用新陳代謝模型處理新引進(jìn)系統(tǒng)的信息。通過(guò)預(yù)處理從得所得到的傳感器信息中提煉出下一采樣時(shí)刻的數(shù)據(jù)。應(yīng)用根據(jù)經(jīng)驗(yàn)所得的相繼增壓系統(tǒng)故障及其特征表現(xiàn)的相關(guān)數(shù)據(jù)培訓(xùn)出一個(gè)符合診斷精度的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，采用此神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)下一采樣時(shí)刻數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而預(yù)測(cè)并診斷出可能要發(fā)生的故障，為進(jìn)一步采取措施從而預(yù)防故障的發(fā)生奠定了基礎(chǔ)。
本發(fā)明的主要效果是，可以在機(jī)械設(shè)備等在有發(fā)生故障的趨勢(shì)時(shí)及時(shí)預(yù)測(cè)出并診斷出可能的故障，以避免故障發(fā)生所造成的危害。從而提高了相繼增壓系統(tǒng)的的可靠性。


圖1是本發(fā)明的裝置結(jié)構(gòu)框圖； 圖2是本發(fā)明的方法的流程圖。
具體實(shí)施例方式 下面結(jié)合附圖舉例對(duì)本發(fā)明做更詳細(xì)地描述 結(jié)合圖1，的相繼增壓系統(tǒng)故障預(yù)測(cè)與診斷裝置由信號(hào)采集裝置1、信號(hào)調(diào)理轉(zhuǎn)換器2、參數(shù)設(shè)置單元3、數(shù)據(jù)處理裝置4和顯示器5，信號(hào)采集裝置1由壓力、轉(zhuǎn)速、功率、油耗傳感器組成；信號(hào)調(diào)理轉(zhuǎn)換器2由信號(hào)放大、濾波單元21，電流轉(zhuǎn)換單元22和A/D轉(zhuǎn)換器23依次連接組成；數(shù)據(jù)處理裝置4由下一采樣時(shí)刻數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)單元41、均一化處理單元42、故障預(yù)測(cè)及診斷單元43依次連接組成；信號(hào)采集裝置1輸入信號(hào)調(diào)理轉(zhuǎn)換器2的信號(hào)放大、濾波單元21，信號(hào)調(diào)理轉(zhuǎn)換器2的輸出以及參數(shù)設(shè)置單元3連接到數(shù)據(jù)處理裝置4的下一采樣時(shí)刻數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)單元41，數(shù)據(jù)處理裝置4的故障預(yù)測(cè)及診斷單元43的輸出連接顯示器5、指示燈61和喇叭62。
本發(fā)明的方法通過(guò)如下具體步驟來(lái)實(shí)現(xiàn) 將原始數(shù)據(jù)列中的數(shù)據(jù)按某種要求作數(shù)據(jù)處理，稱(chēng)為生成。數(shù)據(jù)生成方式包括累加生成、累減生成、均值生成、級(jí)比生成、差值生成、白化函數(shù)生成等。累加生成(AGO)是灰色系統(tǒng)建模時(shí)一種常用的生成，設(shè)G為一種生成，x(0)為原始離散函數(shù) x(0)＝[x(0)(1)，x(0)(2)，…，x(0)(k)] G[x(0)(1)，x(0)(2)，…，x(0)(k)]＝x(1)(k) 則累加生成可以表示為 同樣累減生成(IAGO)可以表示為 IAGO[x(0)(k)]＝x(0)(k)-x(0)(k-1)＝x(1)(k) 光滑比ρ(k)可表示為 ρ(k)＝x(0)(k)/x(1)(k-1) 如果ρ(k)滿足 ρ(k)∈
∈
則稱(chēng)x(0)(k)滿足光滑性條件。
GM(1，N)模型適合于建立系統(tǒng)的狀態(tài)方程，適合于各變量動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)分析，也適用于為高階系統(tǒng)提供建?；A(chǔ)。但用于預(yù)測(cè)時(shí)GM(1，N)模型精度較低，因此，預(yù)測(cè)時(shí)常使用單個(gè)參數(shù)模型也就是GM(1，1)模型。
考慮有x1，x2，…，xn等n個(gè)變量，每個(gè)變量共有N個(gè)數(shù)劇列，其中x1為系統(tǒng)主行為 可建立白化形式的微分方程 這是一階N個(gè)變量的微分方程模型，即GM(1，N)模型。記模型中的參數(shù)列為
則有 在最小二乘準(zhǔn)則下，有 其中，B為數(shù)組矩陣，yN為數(shù)據(jù)向量，即 數(shù)組矩陣B中 至此，GM(1，N)模型建立完成。
GM(1，1)模型是GM(1，N)模型在N＝1時(shí)的特例。此時(shí)模型中的參數(shù)列為 則灰微分方程可寫(xiě)為 x(0)(k)+a[x(1)(k)]＝b 在滿足條件 序列x(0)、x(1)中沒(méi)有使用零序號(hào)元素，即 x(0)(0)x(0)，x(1)(0)x(1)； x(1)(0)＝x(0)(1)時(shí)，GM(1，1)的指數(shù)響應(yīng)形式為 將得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行累減生成 由于增壓器轉(zhuǎn)速信號(hào)波動(dòng)較大，因此建立的GM(1，1)模型的精度難以滿足工程需要，因此需要對(duì)灰色模型進(jìn)行改進(jìn)。本發(fā)明采用GM(1，1)殘差模型對(duì)波動(dòng)信號(hào)進(jìn)行建模預(yù)測(cè)。
GM(1，1)殘差模型是指通過(guò)引入殘差建立GM(1，1)殘差模型修正原GM(1，1)模型從而提高模型精度。建立殘差模型的方法如下 首先建立GM(1，1)模型，得到模型計(jì)算數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的殘差 從而得到殘差序列 q(0)＝[q(0)(i)，q(0)(i+1)，…，q(0)(n)] 為了便于理解與計(jì)算，上述數(shù)據(jù)列可改寫(xiě)為 q(0)＝[q(0)(1′)，q(0)(2′)，…，q(0)(n′)](n′＝n-i) 對(duì)殘差序列建立GM(1，1)模型可得 對(duì)上述結(jié)果進(jìn)行累減生成可得 其中k′＝0，1′，2′，L，n′-1 將上述數(shù)據(jù) 其中當(dāng)k≥i時(shí)，σ＝1，當(dāng)k≤i時(shí)，σ＝0。
殘差模型的精度受到參數(shù)i選取的影響，殘差模型非要修正所有的模型數(shù)據(jù)，而是注重修正原點(diǎn)附近的數(shù)。
在相繼增壓故障預(yù)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)運(yùn)行中，系統(tǒng)不停地采集到新的傳感器數(shù)據(jù)，灰色系統(tǒng)將這些新的信息稱(chēng)之為新息，反之為舊息。擴(kuò)充了新息后建立的模型稱(chēng)之為新息模型，新息模型的優(yōu)點(diǎn)是反映了系統(tǒng)的最新信息?？墒请S著時(shí)間的推移，舊息越來(lái)越多且不適應(yīng)新的情況，且運(yùn)算量也越來(lái)越大，因此在增加新息的同時(shí)應(yīng)當(dāng)剔除舊息。這種新數(shù)據(jù)補(bǔ)充、老數(shù)據(jù)去除的數(shù)據(jù)列，由于其維數(shù)不變，因此稱(chēng)為等維新息模型，或稱(chēng)為新陳代謝模型。新陳代謝模型具有較低的原點(diǎn)誤差，因此更適合于進(jìn)行預(yù)測(cè)。
根據(jù)提煉出的柴油機(jī)相繼增壓系統(tǒng)的特征故障及相對(duì)應(yīng)故障的特征參數(shù)，訓(xùn)練出可以對(duì)故障進(jìn)行診斷的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，而后采用這一神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理以診斷可能發(fā)生的故障。
該故障診斷與故障預(yù)測(cè)裝置主要包括信號(hào)采集單元、信號(hào)調(diào)理單元、下一采樣時(shí)刻數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)單元、均一化處理單元、故障預(yù)測(cè)判斷單元、液晶顯示單元和報(bào)警單元。
信號(hào)采集單元的功能是采集傳感器發(fā)出的信號(hào)。
信號(hào)調(diào)理單元的功能是對(duì)采集到的傳感器信號(hào)進(jìn)行放大、濾波等處理。
下一采樣時(shí)刻數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)單元的功能是對(duì)不同的信號(hào)選擇合適的灰色模型，單調(diào)性數(shù)據(jù)選擇灰色新陳代謝模型，波動(dòng)數(shù)據(jù)采用灰色殘差新陳代謝模型，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行建模計(jì)算，以預(yù)測(cè)得到下一采樣時(shí)刻相應(yīng)的信號(hào)值。
權(quán)利要求
1.一種相繼增壓系統(tǒng)故障預(yù)測(cè)與診斷裝置，由信號(hào)采集裝置(1)、信號(hào)調(diào)理轉(zhuǎn)換器(2)、參數(shù)設(shè)置單元(3)、數(shù)據(jù)處理裝置(4)和顯示器(5)組成，其特征是信號(hào)采集裝置(1)由壓力、轉(zhuǎn)速、功率、油耗傳感器組成；信號(hào)調(diào)理轉(zhuǎn)換器(2)由信號(hào)放大、濾波單元(21)，電流轉(zhuǎn)換單元(22)和A/D轉(zhuǎn)換器(23)依次連接組成；數(shù)據(jù)處理裝置(4)由下一采樣時(shí)刻數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)單元(41)、均一化處理單元(42)、故障預(yù)測(cè)及診斷單元(43)依次連接組成；信號(hào)采集裝置(1)輸入信號(hào)調(diào)理轉(zhuǎn)換器(2)的信號(hào)放大、濾波單元(21)，信號(hào)調(diào)理轉(zhuǎn)換器(2)的輸出以及參數(shù)設(shè)置單元(3)連接到數(shù)據(jù)處理裝置(4)的下一采樣時(shí)刻數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)單元(41)，數(shù)據(jù)處理裝置(4)的故障預(yù)測(cè)及診斷單元(43)的輸出連接顯示器(5)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的相繼增壓系統(tǒng)故障預(yù)測(cè)與診斷裝置，其特征是數(shù)據(jù)處理裝置(4)的故障預(yù)測(cè)及診斷單元(43)的輸出還連接報(bào)警器(6)。所述的報(bào)警器包括指示燈(61)和喇叭(62)。
3.一種相繼增壓系統(tǒng)故障預(yù)測(cè)與診斷裝置的故障預(yù)測(cè)與診斷方法，其特征是通過(guò)傳感器采集相繼增壓柴油機(jī)的各種運(yùn)行參數(shù)，首先對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行放大，然后根據(jù)信號(hào)特征進(jìn)行濾波以去除信號(hào)干擾，將各種信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，然后選用多路模擬開(kāi)關(guān)進(jìn)行選通逐一將采集的數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)處理裝置，在數(shù)據(jù)處理裝置中，首先由下一采樣時(shí)刻數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)單元預(yù)測(cè)出下一單元的采樣數(shù)據(jù)，然后將各種信號(hào)進(jìn)行歸一化處理，然后通過(guò)故障預(yù)測(cè)及診斷單元根據(jù)歸一化處理后的數(shù)據(jù)對(duì)即將發(fā)生的故障種類(lèi)進(jìn)行故障預(yù)測(cè)與診斷，當(dāng)判斷不會(huì)發(fā)生故障時(shí)，重新回到數(shù)據(jù)采樣環(huán)節(jié)，將當(dāng)判斷出有故障即將發(fā)生并診斷出故障種類(lèi)后，將故障種類(lèi)輸出。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的相繼增壓系統(tǒng)故障預(yù)測(cè)與診斷裝置的故障預(yù)測(cè)與診斷方法，其特征是所述的采集相繼增壓柴油機(jī)的各種運(yùn)行參數(shù)，是采集電壓信號(hào)、電流信號(hào)和類(lèi)正弦波信號(hào)。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的相繼增壓系統(tǒng)故障預(yù)測(cè)與診斷裝置的故障預(yù)測(cè)與診斷方法，其特征是所述的把故障的種類(lèi)輸出是通過(guò)液晶顯示器輸出。
6.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的相繼增壓系統(tǒng)故障預(yù)測(cè)與診斷裝置的故障預(yù)測(cè)與診斷方法，其特征是所述的把故障的種類(lèi)輸出是通過(guò)液晶顯示器、指示燈和喇叭輸出。
7.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的相繼增壓系統(tǒng)故障預(yù)測(cè)與診斷裝置的故障預(yù)測(cè)與診斷方法，其特征是它還包括通過(guò)按鍵輸入對(duì)數(shù)據(jù)處理裝置中的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的相繼增壓系統(tǒng)故障預(yù)測(cè)與診斷裝置的故障預(yù)測(cè)與診斷方法，其特征是它還包括通過(guò)按鍵輸入對(duì)數(shù)據(jù)處理裝置中的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的相繼增壓系統(tǒng)故障預(yù)測(cè)與診斷裝置的故障預(yù)測(cè)與診斷方法，其特征是它還包括通過(guò)按鍵輸入對(duì)數(shù)據(jù)處理裝置中的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。
全文摘要
本發(fā)明提供的是一種柴油機(jī)相繼增壓系統(tǒng)故障預(yù)測(cè)與診斷裝置及故障預(yù)測(cè)與診斷方法。由信號(hào)采集裝置、信號(hào)調(diào)理轉(zhuǎn)換器、參數(shù)設(shè)置單元、數(shù)據(jù)處理裝置和顯示器組成。采用灰色系統(tǒng)理論對(duì)測(cè)控系統(tǒng)傳感器采集到的信號(hào)進(jìn)行分析處理，對(duì)單調(diào)性信號(hào)建立灰色一階模型，對(duì)波動(dòng)性信號(hào)建立改進(jìn)后的灰色殘差一階模型，并采用新陳代謝模型處理新引進(jìn)系統(tǒng)的信息。通過(guò)預(yù)處理從所得到的傳感器信息中提煉出下一采樣時(shí)刻的數(shù)據(jù)。應(yīng)用根據(jù)經(jīng)驗(yàn)所得的相繼增壓系統(tǒng)故障及其特征表現(xiàn)的相關(guān)數(shù)據(jù)培訓(xùn)出一個(gè)符合診斷精度的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，采用此神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)下一采樣時(shí)刻數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而預(yù)測(cè)并診斷出可能要發(fā)生的故障，為進(jìn)一步采取措施從而預(yù)防故障的發(fā)生奠定了基礎(chǔ)。
文檔編號(hào)F02B37/12GK101182802SQ20071014475
公開(kāi)日2008年5月21日 申請(qǐng)日期2007年12月6日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月6日
發(fā)明者王銀燕, 杜劍維, 劉小玲 申請(qǐng)人:哈爾濱工程大學(xué)