王彥軍

(榆林學(xué)院 能源工程學(xué)院，陜西 榆林 719000)

液壓傳動(dòng)已經(jīng)成為當(dāng)前十分重要的傳動(dòng)模式，在冶金、工程建設(shè)等諸多領(lǐng)域獲得頗為廣泛的運(yùn)用，而且在自動(dòng)化水平日益提升下，液壓裝配的信息與結(jié)構(gòu)傳遞過程呈現(xiàn)出顯著的復(fù)雜性，而且逐步升級(jí)為機(jī)電液綜合體，而且自動(dòng)化系統(tǒng)也具有高度的集成性。在此背景下，對(duì)其故障進(jìn)行識(shí)別與預(yù)防，就成為重要的技術(shù)難題。傳統(tǒng)對(duì)液壓系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，主要是利用壓力、振動(dòng)信號(hào)、流量等參數(shù)，對(duì)運(yùn)行狀態(tài)展開動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)。然而這些參數(shù)需要通過侵入式才能獲取較為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，這就造成較高的測(cè)量成本，而且相關(guān)參量較難獲取，容易受到各種外部要素的干擾，而且部分參量還具有非平穩(wěn)性，為精準(zhǔn)的評(píng)價(jià)系統(tǒng)狀態(tài)帶來較多的難題。文章提出的監(jiān)測(cè)技術(shù)則是以電參量為基礎(chǔ)，從而對(duì)該系統(tǒng)的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，在此過程中，還對(duì)提取離散電參量的基頻算法進(jìn)行了分析，然后立足于動(dòng)力源三相電的動(dòng)態(tài)獲取，使得成功對(duì)該液壓系統(tǒng)狀態(tài)展開動(dòng)態(tài)在線識(shí)別，并對(duì)沖擊工況這個(gè)極限環(huán)境進(jìn)行驗(yàn)證分析，得出此次技術(shù)具有實(shí)用與可靠性。

1 基于電參量的液壓系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)識(shí)別技術(shù)

1.1 電參量融合運(yùn)行狀態(tài)識(shí)別技術(shù)

基于電機(jī)的液壓系統(tǒng)，其中不同子系統(tǒng)模塊相互之間存在著能量的傳遞，因?yàn)殡姍C(jī)轉(zhuǎn)子存在著對(duì)應(yīng)的耦合效應(yīng)，有關(guān)設(shè)計(jì)局限性、載荷動(dòng)態(tài)改變、液壓設(shè)備狀態(tài)等信息就能利用流體和機(jī)械的參數(shù)最終耦合至三相電參量之中，這樣就可以對(duì)電參量進(jìn)行深入分析，從而提取衡量液壓系統(tǒng)狀態(tài)方面的信息[1]。圖1為液壓系統(tǒng)識(shí)別原理。

圖1 基于電參量信息融合的液壓系統(tǒng)識(shí)別原理Fig.1 Recognition principle of hydraulic system based on electrical parameter information fusion

在液壓系統(tǒng)中，電參量主要涉及到電機(jī)三相電壓、電流基頻信號(hào)幅值、相位等信息，通過對(duì)這些信息進(jìn)行科學(xué)的提取，就能獲得電機(jī)、液壓系統(tǒng)狀態(tài)。為此，提取這些參量信息，然后再借助于融合技術(shù)，使之構(gòu)成三相與單相李薩如圖形，進(jìn)而獲取該圖形的面積，以及它外接矩形面積、傾角方向等。該圖的面積可以衡量出電機(jī)的有功功率，而外接的矩形面積就能衡量電機(jī)視在功率，通過它們就能進(jìn)一步算出功率因數(shù)，進(jìn)而衡量出電機(jī)與液壓系統(tǒng)在功率上的匹配水平；通過單相李薩如圖形中的面積，就能對(duì)系統(tǒng)負(fù)載功率情況進(jìn)行衡量；而且該圖對(duì)應(yīng)的特征量，能夠?qū)σ簤合到y(tǒng)幾種具有典型的工況展開直觀性的監(jiān)測(cè)，譬如系統(tǒng)過載、加載、溢流等[2-5]。電參量不僅涉及到單一基頻分量，同時(shí)還涉及到負(fù)序分量、高次諧波等，而且對(duì)于三相交流電而言，所涉參量皆為復(fù)數(shù)，兼具方向與幅值的改變，若要對(duì)其進(jìn)行直接實(shí)時(shí)性監(jiān)測(cè)，難度較高，若是對(duì)干擾的基頻信號(hào)進(jìn)行去除，那么可以更好的對(duì)液壓系統(tǒng)、電機(jī)的狀態(tài)進(jìn)行衡量，為此，還需要對(duì)該電機(jī)的電流與電壓信號(hào)通過相關(guān)算法，對(duì)其中的基頻分量進(jìn)行快速的提取。

1.2 基頻電參量的快速提取算法

(1)Hilbert變換性質(zhì)與定義任一持續(xù)時(shí)間信號(hào)f(t)，Hilbert變換fh(t)為：

(1)

將它變換成：

定義信號(hào)f(t)的解析信號(hào)可以用公式表示為：

z(t)=f(t)+jfh(t)=a(t)ejθ(t)

(2)

其幅值以及相位分別表示為：

(3)

ω所代表的定義信號(hào)瞬時(shí)頻率是：

ω=dθ/dt

(4)

(5)

因此：

(6)

(2)離散電參量基頻實(shí)時(shí)提取，借助于對(duì)稱分量法，當(dāng)電機(jī)中性點(diǎn)沒有接地前提下，得到的電壓信號(hào)僅有負(fù)序與正序分量，不存在著零序分量。電參量借助于低通濾波(同階次)處理后，就能將其轉(zhuǎn)變成兩相靜止坐標(biāo)系環(huán)境中，利用Hilbert變換，再借助于三角函數(shù)關(guān)系，將負(fù)、正頻率進(jìn)行相移，就能獲取對(duì)應(yīng)的負(fù)、正序電壓，接著再重新變換至三相坐標(biāo)系，就能得到三相的負(fù)、正序電壓分量[6-8]。電流信號(hào)的分量相較于電壓信號(hào)更為復(fù)雜，為此，可以將提取出來的正序電壓，對(duì)同步坐標(biāo)變換矩陣加以優(yōu)化，同樣利用坐標(biāo)變換法，使得電流信號(hào)(三相)轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，由此就能獲得直流分量，也就是該電流正序分量，接著通過兩次Hilbert變換，就可以對(duì)該直流分量進(jìn)行消除，從而獲得電流信號(hào)正序分量(兩相)，隨后再變換至三相坐標(biāo)系，就能獲取負(fù)序電流(三相)，按照同樣的方法，也能獲得負(fù)序電流(三相)。

2 運(yùn)行狀態(tài)識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 整體方案

文章設(shè)計(jì)了電參量信息融合液壓系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)識(shí)別系統(tǒng)，該系統(tǒng)是由兩部分構(gòu)成，分別為軟件識(shí)別模塊和硬件采集模塊，見圖2。

圖2 基于電參量的液壓運(yùn)行實(shí)時(shí)識(shí)別系統(tǒng)構(gòu)成Fig.2 Structure of hydraulic operation real-time recognition system based on electrical parameters

此次選用的硬件采集模塊，能對(duì)三相模擬電參量進(jìn)行動(dòng)態(tài)、精準(zhǔn)的采集，其中涉及的裝置包括電流傳感器、霍爾電壓，可以對(duì)該電參量進(jìn)行獲取，然后利用轉(zhuǎn)換模塊，將大電流轉(zhuǎn)變成小電流，同時(shí)利用有源濾波模塊，對(duì)其中的干擾信號(hào)進(jìn)行濾除。軟件監(jiān)測(cè)模塊能動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)運(yùn)行狀態(tài)，具體利用LabView(NI公司開發(fā))系統(tǒng)用作開發(fā)環(huán)境，該系統(tǒng)提供了功能較多的前面板[9]，能夠靈活對(duì)開發(fā)的系統(tǒng)進(jìn)行態(tài)勢(shì)，另外還有豐富的擴(kuò)展函數(shù)等，能夠提升采集的精準(zhǔn)度，并能支持圖形動(dòng)態(tài)顯示，分析與存儲(chǔ)等。

2.2 系統(tǒng)功能

依據(jù)電參量運(yùn)行狀態(tài)識(shí)別原理，識(shí)別系統(tǒng)應(yīng)該滿足如下幾個(gè)方面的需求：對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)庫管理、數(shù)據(jù)的在線實(shí)時(shí)處理、離線的數(shù)據(jù)回放處理以及三相電參量動(dòng)態(tài)顯示與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等。

3 識(shí)別系統(tǒng)各模塊實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集模塊

此模塊核心功能就是對(duì)電參量進(jìn)行動(dòng)態(tài)展現(xiàn)與采集，該采集面板能夠按照具有需求的差異，開發(fā)出濾波、采樣率、硬件電路數(shù)所標(biāo)定的參數(shù)設(shè)置功能(4個(gè))，對(duì)成功采集的數(shù)據(jù)，可以支持原始數(shù)據(jù)、標(biāo)定真實(shí)數(shù)據(jù)的顯示[10]。在成功完成參量設(shè)置后，就能對(duì)前面板采集按鈕進(jìn)行觸發(fā)，具體就是對(duì)該六通道電參量，展開動(dòng)態(tài)采集，為了確保信號(hào)具有可靠性，可以選用差分接線模式，可以完成共模電壓的約制，在后面板程序框架中，則利用While循環(huán)，來對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)采集，將消息隊(duì)列函數(shù)用作傳輸中介，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)緩存，這樣在數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)采集之際就能進(jìn)行處理數(shù)據(jù)，有效解決數(shù)據(jù)漏采問題。

3.2 數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理模塊

在此模塊中，通過LabView系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)電參量處理的算法，其中就配置了低通濾波技術(shù)，利用同階次濾波模塊，使得電參量有著穩(wěn)定性的相位相序；然后借助于公式節(jié)點(diǎn)，完成信號(hào)的坐標(biāo)系變換，在Hilbert標(biāo)準(zhǔn)支持下，就能快速提取電參量的正、負(fù)序分量。這樣就能為該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)在線分析提供重要的技術(shù)支持。

3.3 在線識(shí)別模塊

此模塊在對(duì)數(shù)據(jù)處理過程中，可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)李薩如圖形融合。將電機(jī)設(shè)置空載狀態(tài)，此時(shí)就能相應(yīng)的電流電壓基頻信號(hào)，然后將其視作基準(zhǔn)，進(jìn)一步標(biāo)定液壓系統(tǒng)不同工況下的電參量，電壓、電流基頻分別為橫、縱坐標(biāo)，這樣就能得到李薩如圖形(單相與三相)，實(shí)現(xiàn)對(duì)特征量的提取。利用此圖及其外接矩形面積之比，就能獲得功率因數(shù)指標(biāo)，同時(shí)還能對(duì)該圖的傾角、面積等參量進(jìn)行觀察，進(jìn)一步完成液壓系統(tǒng)諸多狀態(tài)的動(dòng)態(tài)識(shí)別，如識(shí)別系統(tǒng)的溢流、過載、沖擊等。

3.4 數(shù)據(jù)管理模塊

通過 LabVIEW 提供的數(shù)據(jù)庫接口工具包 Lab-VIEW SQLToolkit 進(jìn)行訪問數(shù)據(jù)庫，利用ACCESS 對(duì)識(shí)別系統(tǒng)的操作人員信息、分析處理后的數(shù)據(jù)、設(shè)備運(yùn)行的環(huán)境與狀態(tài)參數(shù)、原始數(shù)據(jù)進(jìn)行同意管理，創(chuàng)造液壓系統(tǒng)工況文檔，方便用戶后期對(duì)檔案進(jìn)行調(diào)用[11]。

3.5 離線分析模塊

載入歷史數(shù)據(jù)及工況比較是離線分析系統(tǒng)所具有的功能: 分析所需的通道數(shù)據(jù)，設(shè)置所需的速率回放實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；比較在不同工況與參數(shù)下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析干擾液壓系統(tǒng)運(yùn)行的各個(gè)因素，后期達(dá)到可以對(duì)識(shí)別系統(tǒng)的運(yùn)行趨勢(shì)與工況提前預(yù)判的目的。

3.6 試驗(yàn)

對(duì)此次液壓系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)知識(shí)，運(yùn)用了多源信息診斷試驗(yàn)中心，可以對(duì)該系統(tǒng)的極限工況進(jìn)行動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集，從而分析該系統(tǒng)的準(zhǔn)確與穩(wěn)定性。采樣頻率設(shè)置為4.096 kHz，電壓幅值最大值設(shè)置為10 V，差分接線，采集液壓系統(tǒng)從2 MPa～8 MPa沖擊工況數(shù)據(jù)，主要是三相電流與電壓信號(hào)，然后利用Hilbert變換，對(duì)基頻電流的周期改變進(jìn)行提取，接著和李薩如圖形進(jìn)行融合，從而對(duì)該工況進(jìn)行描述。由于系統(tǒng)壓力呈現(xiàn)出周期性改變，電流值與負(fù)載壓力，也有著規(guī)律性周期性改變[12-14]。該基頻電流信號(hào)能對(duì)系統(tǒng)負(fù)載動(dòng)態(tài)信息進(jìn)行展現(xiàn)。對(duì)該記錄圖進(jìn)行觀察，壓力從2 MPa突然上升至8 MPa時(shí)，李薩如圖形面積呈現(xiàn)出躍遷式增大現(xiàn)象，從順時(shí)針角度，傾角也有了明顯增長(zhǎng)。此圖形對(duì)電流、電壓基頻信號(hào)進(jìn)行了同時(shí)包括，而且集成了諸多系統(tǒng)狀態(tài)。利用連接線標(biāo)識(shí)負(fù)載工況的變化，這些連接線主要是通過此圖正半軸頂點(diǎn)逐次連接構(gòu)成，這樣就能對(duì)該系統(tǒng)工況進(jìn)行全面反映。隨后通過該試驗(yàn)中心對(duì)液壓系統(tǒng)的溢流、減載等工況進(jìn)行了試驗(yàn)分析，都能實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)、實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)。另外，借助于此技術(shù)，還能精準(zhǔn)辨識(shí)電機(jī)故障，不過對(duì)整個(gè)液壓系統(tǒng)的故障識(shí)別，還需要進(jìn)一步研究[15]。

4 結(jié)語

由于電機(jī)單相電參量蘊(yùn)含著豐富的液壓系統(tǒng)工況信息，而且這種信號(hào)支持非侵入式測(cè)量，容易采集，支持實(shí)時(shí)分析等。借助于Hilbert變化，可以對(duì)該電參量基頻分量進(jìn)行提取，從而為狀態(tài)動(dòng)態(tài)識(shí)別提供支持。隨后利用LabView平臺(tái)，完成液壓系統(tǒng)識(shí)別系統(tǒng)開發(fā)，從而支持在線工況識(shí)別、功率匹配監(jiān)測(cè)等。最后通過試驗(yàn)中心完成極限工況驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)此次開發(fā)的技術(shù)可以對(duì)該液壓系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)識(shí)別，這意味著此次研究不僅提供了創(chuàng)新的、穩(wěn)定性的識(shí)別方法，同時(shí)還有助于系統(tǒng)穩(wěn)定、安全運(yùn)行，在系統(tǒng)故障辨識(shí)、功率匹配、節(jié)能控制等方面都有著積極意義。