賈繼德，賈翔宇，韓佳佳，任 剛

(1.陸軍軍事交通學(xué)院 軍用車輛系，天津 300161；2.陸軍軍事交通學(xué)院 研究生管理大隊(duì)，天津 300161)

● 車輛工程VehicleEngineering

基于單振動(dòng)傳感器BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的柴油機(jī)失火診斷

賈繼德1，賈翔宇2，韓佳佳2，任 剛2

(1.陸軍軍事交通學(xué)院 軍用車輛系，天津 300161；2.陸軍軍事交通學(xué)院 研究生管理大隊(duì)，天津 300161)

為解決多缸柴油機(jī)失火診斷問題，提出基于單振動(dòng)傳感器與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的柴油機(jī)失火故障診斷方法。首先，通過柴油機(jī)缸蓋上的單振動(dòng)傳感器獲取振動(dòng)信號(hào)，對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行濾波提取點(diǎn)火頻率成分；然后，對(duì)振動(dòng)信號(hào)按工作周期進(jìn)行分段處理，進(jìn)行等角度重采樣及同步平均；最后，提取每缸工作信號(hào)的能量與峭度，建立特征向量，將其輸入到BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類器進(jìn)行診斷識(shí)別。應(yīng)用結(jié)果表明，該方法能有效診斷柴油機(jī)失火故障。

柴油機(jī)；BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；失火故障診斷；缸蓋振動(dòng)

柴油機(jī)燃燒過程影響因素較多，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)單個(gè)或多個(gè)汽缸不燃燒或燃燒不良的“失火”故障，導(dǎo)致柴油機(jī)加速無力、抖動(dòng)、油耗增加、排放超標(biāo)，它嚴(yán)重影響發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能及運(yùn)行安全，必須對(duì)其進(jìn)行診斷與排除。柴油機(jī)失火監(jiān)測(cè)方法較多，包括缸壓法[1]、轉(zhuǎn)速法[2-4]、排氣法[5]、噪聲法[6-7]、振動(dòng)法[8-10]等。由于缸蓋振動(dòng)信號(hào)包含豐富的柴油機(jī)狀態(tài)信息，只要將振動(dòng)傳感器安裝在缸蓋上就可實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)，因此，振動(dòng)法成為失火故障診斷的常用方法[10]。對(duì)于多缸柴油機(jī)失火故障診斷，每缸安裝一個(gè)振動(dòng)傳感器成本過高，因此，在保證監(jiān)測(cè)可靠、準(zhǔn)確的前提下，簡(jiǎn)化振動(dòng)傳感器數(shù)量，消除冗余尤為重要。

缸蓋振動(dòng)信號(hào)成分非常復(fù)雜，以往對(duì)于柴油機(jī)失火故障診斷主要以振動(dòng)信號(hào)高頻成分能量變化為依據(jù)[11]。但柴油機(jī)點(diǎn)火頻率是振動(dòng)信號(hào)中的主要激勵(lì)源，當(dāng)出現(xiàn)失火故障時(shí)，會(huì)破壞柴油機(jī)運(yùn)行的平衡性，引起點(diǎn)火頻率附近能量出現(xiàn)較大的變化，因此，通過監(jiān)測(cè)振動(dòng)信號(hào)中點(diǎn)火頻率的變化更有助于柴油機(jī)失火故障診斷。

柴油機(jī)失火故障特征參數(shù)的選取非常重要。由于柴油機(jī)失火缸位燃燒質(zhì)量差，做功能量下降，各缸工作能量可以作為診斷特征參數(shù)；同時(shí)，峭度對(duì)缸蓋振動(dòng)信號(hào)中的瞬時(shí)沖擊特性非常敏感，也可以作為診斷特征參數(shù)。柴油機(jī)工作的多變性常常導(dǎo)致特征參數(shù)與診斷結(jié)果之間存在復(fù)雜的非線性關(guān)系，而BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有自適應(yīng)性、容錯(cuò)性和非線性等特點(diǎn)，可以把處理過程的權(quán)值和閾值集中存儲(chǔ)和記憶，有效地實(shí)現(xiàn)輸入到輸出之間的非線性映射，實(shí)現(xiàn)診斷自動(dòng)化[12]。

本文提出基于單振動(dòng)傳感器與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的柴油機(jī)失火故障診斷方法，通過柴油機(jī)單振動(dòng)傳感器獲取振動(dòng)信號(hào)，對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行窄帶濾波，提取點(diǎn)火頻率信號(hào)；然后對(duì)振動(dòng)信號(hào)按工作周期進(jìn)行分段處理、等角度重采樣及多周期角域同步平均；最后，綜合每缸信號(hào)能量與峭度共同建立診斷特征向量，將提取的特征向量輸入到BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類器進(jìn)行故障的診斷識(shí)別。

1 單振動(dòng)傳感器BP網(wǎng)絡(luò)診斷原理

1.1單個(gè)振動(dòng)傳感器安裝位置

在多缸柴油機(jī)每個(gè)缸蓋上安裝振動(dòng)傳感器，通過測(cè)試分析，各缸燃燒在所有傳感器測(cè)點(diǎn)均會(huì)引起振動(dòng)響應(yīng)，距離傳感器測(cè)點(diǎn)不同，振動(dòng)信號(hào)響應(yīng)幅值略有差異，但響應(yīng)信號(hào)的頻譜成分不變。因此，選擇單個(gè)振動(dòng)傳感器安裝在缸蓋中部合理位置，不會(huì)影響監(jiān)測(cè)結(jié)果。

1.2柴油機(jī)點(diǎn)火頻率信號(hào)提取

柴油機(jī)點(diǎn)火頻率可由下式求出：

(1)

式中：n為柴油機(jī)轉(zhuǎn)速；C為柴油機(jī)汽缸數(shù)；S為柴油機(jī)沖程數(shù)。

通過對(duì)柴油機(jī)缸蓋振動(dòng)信號(hào)的窄帶濾波處理，可以提取柴油機(jī)點(diǎn)火頻率成分。

1.3振動(dòng)信號(hào)按周期分段處理

缸蓋振動(dòng)信號(hào)與柴油機(jī)第1缸上止點(diǎn)信號(hào)同步采集，根據(jù)第1缸上止點(diǎn)信號(hào)相鄰的兩個(gè)波峰就可對(duì)振動(dòng)信號(hào)按周期分段處理(如圖1所示)。

(a)第1缸上止點(diǎn)信號(hào)

(b)缸蓋振動(dòng)信號(hào)圖1 振動(dòng)信號(hào)與第1缸上止點(diǎn)關(guān)系

1.4振動(dòng)信號(hào)角域同步平均

由于柴油機(jī)的循環(huán)波動(dòng)，按周期分段后的振動(dòng)信號(hào)長度常常不等，如果采用固定時(shí)間窗進(jìn)行同步平均，將會(huì)影響降噪效果并扭曲信號(hào)；為此，對(duì)每個(gè)工作周期進(jìn)行等角度重采樣，通過等角度重采樣，將時(shí)域上非平穩(wěn)信號(hào)變?yōu)榈冉嵌炔蓸有蛄?，再進(jìn)行角域同步平均，就可消除信號(hào)中的非周期分量和隨機(jī)干擾。對(duì)于四沖程柴油機(jī)來說，一個(gè)工作循環(huán)為720°CA。選取曲軸轉(zhuǎn)角作為同步信號(hào)基準(zhǔn)，即以飛輪每個(gè)輪齒轉(zhuǎn)過的角度作為同步觸發(fā)信號(hào)，進(jìn)行同步角域平均。

1.5特征向量提取

各缸振動(dòng)信號(hào)能量可表示為

(2)

式中：i為應(yīng)振動(dòng)信號(hào)第i個(gè)分量，i=1，2，…，N；N為區(qū)間信號(hào)最大長度；j為汽缸序號(hào)，j=1，2，…，C(C為柴油機(jī)汽缸數(shù))。

各缸振動(dòng)信號(hào)峭度可表示為

(3)

式中：μj為第j缸振動(dòng)信號(hào)均值；σj為第j缸振動(dòng)信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)差。

特征向量T可表示為

T=[E1，E2，…，EJ，K1，K2，…，KJ]

(4)

1.6BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及其優(yōu)化

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)通常包括輸入層、隱層和輸出層(如圖2所示)。

圖2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)規(guī)則是使用最速下降法：正向傳播時(shí)，輸入樣本從輸入層傳入，經(jīng)各隱層依次逐層處理，傳向輸出層；若輸出層輸出與期望不符，誤差信號(hào)反向傳播。網(wǎng)絡(luò)根據(jù)誤差從后向前逐層修正權(quán)值及偏差，使網(wǎng)絡(luò)輸出層實(shí)際輸出與期望輸出誤差平方和達(dá)到最小。

2 柴油機(jī)失火故障診斷實(shí)例分析

柴油機(jī)失火故障的診斷研究是在1臺(tái)HJ493柴油機(jī)上進(jìn)行的。失火故障通過各缸高壓油管分別部分?jǐn)嘤蛠砟M。測(cè)試時(shí)，柴油機(jī)處于怠速狀態(tài)，轉(zhuǎn)速在700～750 r/min。在柴油機(jī)缸蓋上第2缸及第3缸之間安裝1個(gè)PCB公司生產(chǎn)的ICP振動(dòng)加速度傳感器(601A01型)，用于獲取缸蓋的振動(dòng)信號(hào)；在柴油機(jī)第1缸高壓油管上夾持QSY8104外卡式高壓油管壓力傳感器，通過高壓油管的油壓脈沖確定第1缸上止點(diǎn)位置及測(cè)量轉(zhuǎn)速。該柴油機(jī)點(diǎn)火順序是1—3—4—2。系統(tǒng)采樣頻率為12.8 kHz，每個(gè)采樣數(shù)據(jù)樣本長度12 288數(shù)據(jù)點(diǎn)。

柴油機(jī)不同狀態(tài)下振動(dòng)信號(hào)50 Hz以下的幅值譜如圖3所示。從圖中可以看出：柴油機(jī)怠速(760 r/min)正常燃燒時(shí)，低頻部分主要能量集中在點(diǎn)火頻率(25 Hz)附近，當(dāng)出現(xiàn)某一缸失火故障后，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速下降到700 r/min，主要能量仍集中在點(diǎn)火頻率(23 Hz)附近，但是在點(diǎn)火頻率附近能量帶寬更大。

(a)正常燃燒;(b)第1缸失火;(c)第2缸失火;(d)第3缸失火;(e)第4缸失火圖3 柴油機(jī)不同燃燒狀態(tài)振動(dòng)信號(hào)幅值譜

考慮到柴油機(jī)怠速變化及斷火對(duì)于柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的影響，以18～28 Hz進(jìn)行窄帶濾波處理，并重構(gòu)信號(hào)；進(jìn)一步對(duì)振動(dòng)信號(hào)按工作周期分段處理、等角度重采樣、角域同步平均，消除了噪聲干擾，增強(qiáng)了信號(hào)特征。按此方法得到柴油機(jī)正常燃燒、第1缸失火、第2缸失火、第3缸失火、第4缸失火等5種狀態(tài)時(shí)點(diǎn)火頻率信號(hào)增強(qiáng)結(jié)果。如圖4所示，柴油機(jī)點(diǎn)火頻率信號(hào)角域同步平均，能初步分辨出各缸燃燒狀況的好壞。

(a)正常燃燒;(b)第1缸失火;(c)第2缸失火;(d)第3缸失火;(e)第4缸失火圖4 柴油機(jī)點(diǎn)火頻率信號(hào)角域同步平均

對(duì)增強(qiáng)后的信號(hào)分缸計(jì)算能量，可以看出，柴油機(jī)失火故障缸的能量相比正常燃燒缸的能量有一定下降(如圖5所示)；對(duì)增強(qiáng)后的信號(hào)分缸計(jì)算峭度，可以看出，峭度值對(duì)于失火故障非常敏感，但不穩(wěn)定(如圖6所示)。

(a)正常燃燒;(b)第1缸失火;(c)第2缸失火;(d)第3缸失火;(e)第4缸失火圖5 5種柴油機(jī)燃燒狀態(tài)信號(hào)能量對(duì)比

本文采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)于5種柴油機(jī)燃燒狀態(tài)進(jìn)行分層識(shí)別。首先，在柴油機(jī)每種燃燒狀態(tài)下采集3組柴油機(jī)缸蓋振動(dòng)信號(hào)，按上述方法對(duì)于缸蓋振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行處理，提取柴油機(jī)狀態(tài)特征向量{E1,E3,E4,E2,K1,K3,K4,K2}，維數(shù)為8。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)共有10個(gè)訓(xùn)練樣本(見表1)、有5個(gè)測(cè)試樣本(見表2)。因?yàn)樘卣飨蛄烤S數(shù)是8，柴油機(jī)工作狀態(tài)有5種，所以BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入節(jié)點(diǎn)選8，輸出節(jié)點(diǎn)選5，隱層節(jié)點(diǎn)數(shù)通過試驗(yàn)最后確定為17，隱層傳遞函數(shù)選用tansig函數(shù)，輸出層傳遞函數(shù)選用logsig函數(shù)。樣本輸出集為T={t1，t2，t3，t4，t5}，{1 0 0 0 0}表示柴油機(jī)正常燃燒狀態(tài)，{0 1 0 0 0}表示第1缸失火故障狀態(tài)，{0 0 1 0 0}表示

第2缸失火故障狀態(tài)，{0 0 0 1 0}表示第3缸失火故障狀態(tài)，{0 0 0 0 1}表示第4缸失火故障狀態(tài),以此為目標(biāo)輸出，對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練。對(duì)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練采用自適應(yīng)學(xué)習(xí)速率動(dòng)量梯度下降反向傳播算法，適當(dāng)選取初始權(quán)值和偏差，經(jīng)過11次循環(huán)訓(xùn)練后，網(wǎng)絡(luò)的誤差平方和落在所設(shè)定的1×10-6內(nèi)，并將訓(xùn)練成功的網(wǎng)絡(luò)權(quán)值和偏差存至存儲(chǔ)器中。

(a)正常燃燒;(b)第1缸失火;(c)第2缸失火;(d)第3缸失火;(e)第4缸失火圖6 5種柴油機(jī)燃燒狀態(tài)信號(hào)峭度對(duì)比

最后，利用訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)權(quán)值和偏差，把測(cè)試樣本輸入到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)輸出與測(cè)試樣本輸出向量的比較，可以看到，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)際輸出向量估計(jì)的柴油機(jī)燃燒狀態(tài)與實(shí)際情況完全一致(結(jié)果見表3)。

表1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型訓(xùn)練樣本

表2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型測(cè)試樣本

表3 測(cè)試樣本的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出和診斷結(jié)果

4 結(jié) 論

(1)單個(gè)振動(dòng)傳感器安裝在缸蓋中部合理位置，能夠?qū)崿F(xiàn)多缸柴油機(jī)燃燒狀態(tài)監(jiān)測(cè)；

(2)對(duì)缸蓋振動(dòng)信號(hào)按周期分段處理，等角度重采樣及角域同步平均方法，有助于消除噪聲干擾，各缸信號(hào)能量及峭度能反映柴油機(jī)燃燒狀態(tài)特征；

(3)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了提取的特征向量與柴油機(jī)燃燒狀態(tài)的非線性映射，可以有效地診斷柴油機(jī)失火故障。

研究表明，基于單振動(dòng)傳感器的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的柴油機(jī)失火故障診斷成本低、安裝方便，充分發(fā)揮了信號(hào)處理對(duì)非平穩(wěn)信號(hào)特征提取能力及BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)非線性映射能力，適合于解決柴油機(jī)失火故障診斷這類復(fù)雜的問題。

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(編輯：張峰)

DieselMisfireDiagnosisBasedonSingleVibrationSensorandBPNeuralNetwork

JIA Jide1, JIA Xiangyu2, HAN Jiajia2, REN Gang2

(1.Military Vehicle Department, Army Military Transportation University, Tianjin 300161, China; 2.Postgraduate Training Brigade, Army Military Transportation University, Tianjin 300161, China)

In order to solve the problem of multi-cylinder diesel misfire diagnosis, the paper proposes the method based on single vibration sensor and BP neural network. It firstly obtains the vibration signals through single vibration sensor on the diesel cylinder head, and extracts the ignition frequency components by filtering the vibration signals. Then, it segments the vibration signals according to the operating cycle, and resamples them in equal angle and averages synchronously. Finally, it constructs feature vector by extracting energy and kurtosis of each cylinder, and inputs it into BP neural network classifier for diagnosis and identification. The application result shows that this method can diagnose diesel misfire failure effectively.

diesel; BP neural network; misfire failure diagnosis; cylinder head vibration

10．16807/j.cnki.12-1372/e.2017.11.007

TK421.24

A

1674-2192(2017)11- 0030- 05

2017-02-20；

2017-03-02．

軍委裝備發(fā)展部科研計(jì)劃項(xiàng)目(WG2015JJ010002).

賈繼德(1962—)，男，博士，教授，碩士研究生導(dǎo)師.