基于小波分析的某型裝備發(fā)動機分布式在線檢測系統(tǒng)設計

楊云飛，葛 玉，黃林昊，龔長紅

(武漢軍械士官學校,武漢 430075)

基于小波分析的某型裝備發(fā)動機分布式在線檢測系統(tǒng)設計

楊云飛，葛 玉，黃林昊，龔長紅

(武漢軍械士官學校,武漢 430075)

針對現(xiàn)代戰(zhàn)車大型發(fā)動機強干擾下的在線故障檢測需求，設計了一種基于小波分析的某型發(fā)動機分布式在線檢測系統(tǒng);整體設計基于分布式設計思想，在某型發(fā)動機合適部位設置檢測節(jié)點，通過CAN總線傳遞數(shù)據(jù)到顯控中心；利用CAN總線進行數(shù)據(jù)傳送，提高了測量與控制的精確度，減少了傳送誤差，增強了故障分析的準確度；顯控中心綜合運用了小波變換和模式識別技術進行故障診斷，具有快速故障定位能力和拓撲適應能力；應用表明，該系統(tǒng)能夠較好地應用于某型發(fā)動機的在線監(jiān)控，使用方便，故障診斷快速有效，解決了發(fā)動機在線預警和故障診斷的問題。

CAN總線;故障診斷;數(shù)據(jù)采集;信號調(diào)理

0 引言

現(xiàn)代信息化條件下的戰(zhàn)爭對武器裝備機動性能要求越來越高，某大型裝備的動力核心是其配備的發(fā)動機，在實際遂行任務過程中，一旦發(fā)生故障，將直接影響整車戰(zhàn)術技術性能，嚴重影響戰(zhàn)場態(tài)勢。如何實現(xiàn)對其工作狀態(tài)的在線監(jiān)控，預先判斷可能發(fā)生的問題，并且一旦發(fā)生故障，如何能夠快速進行故障定位，將直接關系到某大型裝備的整體可靠性。由于該型發(fā)動機集成化程度越來越高，加之綜合傳動系統(tǒng)的采用，使得其對維修保障的要求也越來越高，傳統(tǒng)的方法基本無法實現(xiàn)故障預判，而且當發(fā)生故障時，采用傳統(tǒng)的方法很難識別復雜的故障模式，無法快速準確判斷故障部位，由此使得維修保障變得越來越困難?；诖?，設計開發(fā)了基于小波分析的某型發(fā)動機分布式在線監(jiān)控系統(tǒng)，利用分布式節(jié)點實時在線監(jiān)控發(fā)動機工作的關鍵數(shù)據(jù)，通過CAN總線將數(shù)據(jù)發(fā)送給顯控中心，通過小波分析與模式識別[1]，成功實現(xiàn)了某型裝備發(fā)動機聯(lián)動工作時各類數(shù)據(jù)的在線監(jiān)控和故障的預判，一旦發(fā)生故障，還可以通過故障診斷快速實現(xiàn)故障定位，為某型裝備發(fā)動機穩(wěn)定的工作提供了可靠保證。

1 系統(tǒng)總體設計

某型發(fā)動機在工作中，會對其工作性能產(chǎn)生重要影響的參數(shù)主要包括發(fā)動機水溫、發(fā)動機油溫、發(fā)動機油壓、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、空氣濾負壓、發(fā)動機油量、電控系統(tǒng)性能及供油特性等。對分布式在線監(jiān)控系統(tǒng)的設計首先要考慮的就是如何對以上數(shù)據(jù)進行采集發(fā)送，這里根據(jù)分布式設計思想，依據(jù)發(fā)動機物理空間數(shù)據(jù)采集的要求，根據(jù)實車設計各數(shù)據(jù)的采集節(jié)點，分別獨立進行數(shù)據(jù)采集處理與上傳，為了減少電纜連接，增加數(shù)據(jù)傳送可靠性，采用了CAN總線連接方式。另外通過對以上組成部分各類信息的充分研究與分析，可對影響故障診斷分析的數(shù)據(jù)分成兩大類：一類是連續(xù)變化的量切可能不是瞬間出現(xiàn)故障的情況，比如油管裂縫引起的油壓降低，這些問題將最終導致嚴重故障的發(fā)生；另一類是突變信息，可立即導致發(fā)動機故障；這些信息都將交由顯控中心綜合分析判斷，通過小波變換與模式識別，最終實現(xiàn)故障預判與故障診斷。

依據(jù)集成化、模塊化、分布式的總體設計思路，該在線監(jiān)控系統(tǒng)整體主要包括數(shù)據(jù)采集部分、綜合處理部分及數(shù)據(jù)傳送總線。數(shù)據(jù)采集部分主要包括發(fā)動機水溫采集節(jié)點、發(fā)動機油溫采集節(jié)點、發(fā)動機油壓采集節(jié)點、發(fā)動機轉(zhuǎn)速采集節(jié)點、空氣濾負壓采集節(jié)點、發(fā)動機油量采集節(jié)點、電控系統(tǒng)性能采集節(jié)點及供油特性采集節(jié)點；數(shù)據(jù)傳送部分采用了工業(yè)控制總線CAN總線；故障預判與故障診斷系統(tǒng)集成在顯控中心，整體組成如圖1所示。

圖1 自動測試系統(tǒng)整體組成

2 數(shù)據(jù)采集節(jié)點設計

數(shù)據(jù)采集節(jié)點是發(fā)動機工作時關鍵數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)源，是故障分析診斷的基礎，設計時采用了通用模塊化的思想，每個關鍵數(shù)據(jù)設計一個對應的數(shù)據(jù)采集節(jié)點，每個數(shù)據(jù)采集節(jié)點主要組成包括：傳感器、數(shù)據(jù)采集與處理電路、數(shù)據(jù)收發(fā)電路等[2]。數(shù)據(jù)采集節(jié)點可獨立工作，不間斷的檢測對應節(jié)點的數(shù)據(jù)并發(fā)給顯控中心，由顯控中心進行進一步處理并分析和預估故障。數(shù)據(jù)采集節(jié)點可實現(xiàn)自主智能選擇檢測控制邏輯進行數(shù)據(jù)采集，經(jīng)初步處理后與上位機實現(xiàn)信息有效傳輸。

數(shù)據(jù)采集節(jié)點采用通用化設計，因其實現(xiàn)功能類似，都是把分布式的各類數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換采集并傳送給顯控平臺，由顯控平臺進行數(shù)據(jù)分析和故障診斷處理。所以發(fā)動機水溫采集節(jié)點、發(fā)動機油溫采集節(jié)點、發(fā)動機油壓采集節(jié)點、發(fā)動機轉(zhuǎn)速采集節(jié)點、空氣濾負壓采集節(jié)點、發(fā)動機油量采集節(jié)點、電控系統(tǒng)性能采集節(jié)點及供油特性采集節(jié)點設計時都包含了物理量轉(zhuǎn)換電路和數(shù)據(jù)采集電路及CAN收發(fā)電路，在這些組成部分中，除了物理量轉(zhuǎn)換電路外，其它組成部分都可以通用。針對物理量轉(zhuǎn)換電路，設計時采用了專用各類型傳感器，即水溫傳感器、油溫傳感器、油壓傳感器、油量傳感器等，這類器件直接購置，其數(shù)據(jù)經(jīng)相關處理電路進一步按照實際檢測需求對信號進行阻抗匹配、增益控制和隔離放大等，以滿足復雜信號檢測分析的需要?？偩€控制電路控制適配器與顯控平臺的檢測控制信號和檢測反饋信息傳輸，通過CAN總線，實時進行檢測命令和檢測數(shù)據(jù)的上傳下達，為故障診斷分析提供可靠保證。

針對數(shù)據(jù)采集節(jié)點這里主要介紹通用部分設計，即數(shù)據(jù)采集部分和CAN收發(fā)電路的設計,如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集節(jié)點整體設計

2.1 數(shù)據(jù)采集與處理部分設計

在該系統(tǒng)中，系統(tǒng)正常工作的基礎是各傳感器實時工作的有關數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來源關鍵依靠數(shù)據(jù)采集節(jié)點完成，顯控平臺最終接收的傳送數(shù)據(jù)準確度高度依賴數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

而對于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[3]來說，其核心性能又決定于AD轉(zhuǎn)換芯片，AD轉(zhuǎn)換性能某種程度上決定了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)整體關鍵性能指標。

為了可靠精確地獲得發(fā)動機工作數(shù)據(jù)，重點在選擇合適的轉(zhuǎn)換芯片。工程上選擇轉(zhuǎn)換芯片過程中主要應當關注其數(shù)據(jù)精度、數(shù)據(jù)的量化誤差、數(shù)據(jù)的分辨率及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換速率。

一個ADC 轉(zhuǎn)換器的分辨率基本就限定了所能夠區(qū)分的模擬數(shù)據(jù)的最小變化值。在系統(tǒng)工作中，滿足分辨率需求的模擬數(shù)據(jù)的值取決于二進制數(shù)，所以工程上采用位數(shù)來表示其分辨率參數(shù)，量化誤差是由于模擬轉(zhuǎn)換器件的有限分辨率所造成的誤差，就是說轉(zhuǎn)換器件階梯狀轉(zhuǎn)移特性曲線與理想曲線的最大偏差；數(shù)據(jù)精度就是指工作過程中的量化誤差與附加誤差之和；器件的轉(zhuǎn)換速率表示該器件在完成一次模數(shù)轉(zhuǎn)換任務時，所消耗的時間的倒數(shù)。在綜合考慮數(shù)據(jù)精度、數(shù)據(jù)的量化誤差、數(shù)據(jù)的分辨率及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換速率后，結(jié)合本系統(tǒng)性能需要，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)選擇了ADC08200芯片，ADC08200 是美國 某公司設計生產(chǎn)的，該數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換芯片性能較好地滿足了發(fā)動機傳感器數(shù)據(jù)的需求，其數(shù)據(jù)分辨率為8位，數(shù)據(jù)采樣速率為200 Msps，而且在正常工作時功耗較小，能夠很好的滿足分布式長時間工作的系統(tǒng)使用，另外，該器件還內(nèi)置有數(shù)據(jù)采樣保持器，為數(shù)據(jù)處理提供了方便。另外，該器件提供了較多的接口，其中包括單端輸入口一個， CLK輸入口一個，數(shù)據(jù)總線輸出端口一組，而且模擬電源和數(shù)字電源采用分路模式，有效地抑制了系統(tǒng)噪聲。數(shù)據(jù)采集電路如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集電路

在數(shù)據(jù)采集電路[4]設計中，VIN 是來自發(fā)動機工作輸出的調(diào)理后的信號，對模數(shù)轉(zhuǎn)換器件實現(xiàn)匹配。CLK 為數(shù)據(jù)采集電路的時鐘輸入信號，系統(tǒng)設定200 MHz。DSP控制器提供了系統(tǒng)工作的高速時鐘。DB[0..7]為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換芯片的輸出端口，對接DSP的GPIO，經(jīng)處理后轉(zhuǎn)發(fā)給CAN總線收發(fā)電路，進而傳送到顯控平臺。

2.2 CAN收發(fā)電路設計

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集節(jié)點不但具有模數(shù)轉(zhuǎn)換能力，針對顯控平臺具有可靠通信能力，以保證所采集數(shù)據(jù)的可靠傳輸。在分布式系統(tǒng)數(shù)據(jù)節(jié)點中，設置了DSP控制器，該器件集成有CAN總線控制器，不過僅僅具有邏輯控制功能，數(shù)據(jù)驅(qū)動缺失，不適合該分布式系統(tǒng)的應用。所以為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集節(jié)點與顯控平臺的數(shù)據(jù)傳送，這里設計有CAN收發(fā)電路，以提供合適的數(shù)據(jù)驅(qū)動能力。驅(qū)動電路組成如圖4所示，該電路中的驅(qū)動芯片采用了TI公司設計生產(chǎn)的SN65HVD231，針對CAN總線的工作，該芯片提供了可靠的差動放大能力，有效匹配了DSP控制器的CAN總線控制部分。另外，電路中設置有雙路光電耦合芯片，對電路進行了物理隔離，可以提供很好的抗干擾能力，有效提高系統(tǒng)的可靠性。

圖4 CAN收發(fā)電路

3 顯控平臺設計

顯控平臺硬件采用工程上成熟應用的工業(yè)計算機系統(tǒng)，通用性強，配合CAN卡即可實現(xiàn)與分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸。這里重點介紹故障診斷軟件的設計。裝備發(fā)動機的故障診斷[5]顯然依托于分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供的關鍵信號數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的突變往往標志著故障的發(fā)生，顯控平臺首要任務就是能夠有效識別工作過程中的突變信號。而由于裝備發(fā)動機工作環(huán)境震動很大，電磁環(huán)境復雜，使得相關數(shù)據(jù)噪聲也較強，突變信號往往不易提取，這就需要故障診斷系統(tǒng)必須能夠在強噪聲背景下較好地提取工作數(shù)據(jù)，以分析可能的故障。近年來的研究發(fā)現(xiàn)，小波分析可以有效解決這一問題。

3.1 小波變換

小波變換是小波分析的基礎。

小波變換是信號數(shù)學變換的一種，對f∈L2，待分析信號f可進行小波變換如下:

其中:*表示卷積，ψs=1/sψ(x/s)(s≠0)。

小波變化可以看做設置了濾波器，其具有頻率分辨力為Δf/f，而且頻率分辨力是相對恒定的，信號經(jīng)變換后的特性便于對其進行進一步分析。

針對信號的小波變換與傅里葉變換具有相似性，傳統(tǒng)方法在對信號進行傅里葉變換時，運用數(shù)學計算將待分析信號分解為正弦波信號或余弦波信號的無窮累加和，這樣雖然進行了分解，但不能進行信號的局部分析；而針對信號的小波變換，設置了一簇小波函數(shù)來表示對應的信號，在信號分析的角度，就是相當于增加了可變的帶通濾波器，通過帶通濾波器，可以針對信號得到時域和頻域進行局部的分析。

將小波分析應用于發(fā)動機系統(tǒng)的故障診斷信號處理法的一種。這樣做的好處是分析時，不用具體考慮被分析對象的數(shù)學模型，這對于發(fā)動機系統(tǒng)來說相當有效，因為，針對發(fā)動機工作不易建立模型的特性相當有效。

3.2 小波變換故障診斷

針對發(fā)動機某待分析信號這里定義為f(t)，設置小波函數(shù)為t，則小波反對稱變換為:

小波對稱變換為:

根據(jù)平滑函數(shù)和反對稱小波特性，在待分析信號中的邊緣跳變處，通過信號的反對稱變換，將會出現(xiàn)一個最大值，如果信號進行了對稱小波變換，則會出現(xiàn)一個零值；相反，針對信號的峰值跳變，通過反對稱小波變換，將出現(xiàn)一個零值，而針對信號的對稱變換則會出現(xiàn)最大值。所以，針對發(fā)動機系統(tǒng)的分析，對于階躍信號故障診斷系統(tǒng)采用反對稱變換，而對于轉(zhuǎn)速傳感器等脈沖信號采用對稱小波變換，這樣都可以得到一個利用小波變換檢測信號突變的故障方法連續(xù)小波變換能夠通過多尺度分析提取信號的奇異點。因此，利用小波變換可以區(qū)分噪聲和信號邊沿，有效地檢測出強噪聲背景下的信號邊沿(奇變)，即可以有效地檢測出信號的突變，由此進行故障的定位。動態(tài)系統(tǒng)的故障通常會導致系統(tǒng)的觀測信號發(fā)生奇異變化，可以直接利用小波變換檢測觀測信號的奇異點，從而實現(xiàn)對系統(tǒng)故障的檢測。比如，檢測中可以根據(jù)裝備發(fā)動機油路泄漏造成的壓力信號突變的特點，用小波變換檢測這些突變點，實現(xiàn)發(fā)動機工作時油路的泄漏診斷。

現(xiàn)代戰(zhàn)車發(fā)動機在工作過程中，故障發(fā)生的部位、時間、特征都具有很大不確定性，為了做好快速故障辨識和處理，設計時采用了以目前應用效果較好的小波網(wǎng)絡與模式識別相結(jié)合的故障診斷方法。在具體的故障診斷過程中，突變信號采用小波分析直接判斷，緩慢變化的信號比如機械裂縫造成的震動變化，可以通過對各種故障模式進行小波變換，并進行故障識別，就可很好提高診斷結(jié)果的可信度，并且便于擴展。

4 結(jié)束語

在線檢測系統(tǒng)基于便攜式、分布式設計思想，針對某型裝備發(fā)動機工作的復雜環(huán)境，通過在發(fā)動機上分布式布局數(shù)據(jù)采集節(jié)點，實時獲得發(fā)動機工作過程中各關鍵數(shù)據(jù)，利用CAN總線實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集節(jié)點與顯控中心的數(shù)據(jù)傳輸，顯控中心通過對檢測數(shù)據(jù)的小波對稱和反對稱變換，得到故障診斷的奇異值，以準確實時的發(fā)現(xiàn)故障。利用該檢測系統(tǒng)對某武器系統(tǒng)大型裝備發(fā)動機檢測，數(shù)據(jù)傳送誤差低于0.1%，重復發(fā)送后，可以有效糾錯，確保了數(shù)據(jù)準確性；通過對某型BV150發(fā)動機測試實驗，故障定位準確率達到97%，可有效輔助裝備的故障診斷。利用顯控中心與數(shù)據(jù)采集節(jié)點的分體式設計思想，實現(xiàn)了平臺物理資源復用和測試程序與硬件無關，從而實現(xiàn)了底層設備的通用性，保障了測試的一致性。適配器部分采用的復合結(jié)構(gòu)，在控制效果和運算速度上達到了統(tǒng)一，為了適應多路復雜信號有效采集，在ADC前端設計了自適應調(diào)理電路，實現(xiàn)了檢測信號與采集電路的完好匹配。顯控中心故障診斷模塊采用小波變換故障診斷方法，在針對發(fā)動機的故障診斷過程中，不僅提高了診斷結(jié)果的精確性，也更加適用于發(fā)動機在線檢測設備的功能擴展。

[1] 趙玉剛，鞠建波，楊兵兵.基于小波變換的電子設備故障診斷技術研究 [J].兵器裝備工程學報，2016,5:49-52.

[2] 楊云飛，高 強，葛 玉.基于嵌入式系統(tǒng)的某型火控系統(tǒng)檢測儀設計[J].計算機測量與控制，2010,18(12):2786-2788 .

[3] 梁宇恒. 高精度數(shù)據(jù)采集及DSP+FPGA高速信號處理硬件系統(tǒng)設計[D].西安：電子科技大學，2012.

[4] 馬 青. 高速數(shù)據(jù)采集信號調(diào)理電路的研究[D]. 哈爾濱:哈爾濱理工大學，2009.

[5] 傅建平，張培林，焦文生. 基于故障樹和專家系統(tǒng)的自行火炮火控系統(tǒng)故障診斷[J]. 四川兵工學報，2009,30(9)：32.

Design of Distributed Online Test System for a Certain Type EngineBased on Wavelet Analysis

Yang Yunfei,Ge Yu , Huang Linhao, Gong Changhong

(Wuhan Ordnancy Non-commissioned Officer Academy of PLA, Wuhan 430075,China)

Aimed at the requirements of the fault detection system for the modern large engine of tank, which worked under strong interference conditions, one online fault detection system based on wavelet analysis was designed. The detection nodes were set in a certain type of the engine, the information was transmitted to the center through the CAN bus. Using CAN bus to transmit information could improve the precision of the measurement and control; the wavelet transform and the pattern recognition technology were used for the fault analysis in the control center, by which the people could locate the fault quickly. The application showed that the system would be better applicable to modern digital chariots of maintenance support, and which was used easily, the fault could be detected quickly and efficiently.

CAN bus; fault diagnosis; data acquisition; singal conditioning

2016-12-20；

2017-02-20。

楊云飛(1980-)，男，湖北武漢人，碩士，主要從事自動測試方向的研究。

1671-4598(2017)08-0097-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.08.025

TP921.2

A