气缸压力测量中能量频谱法的应用

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1、成都，2007年8月中国内燃机学会燃烧净化节能分会2007年学术年会论文集气缸压力测量中能量频谱法的应用任自中谷峰张慧（中船重工七一一研究所上海200090）摘要本文针对气缸压力测试中的通道效应问题，提出一套频谱分析的方法，可实时确定通道效应的干扰频率，再通过适当的滤波及移相处理，能有效地去除通道效应的影响，获得比较准确、光顺的缸压曲线。关键词：气缸压力；频谱分析；信号处理；通道效应1．绪论该方法的特点是使用方便，实时性强，不必倚赖内燃机气缸压力的测量分析是内燃机性能研通道结构参数的获取也无须依靠测量波形的反究及工作过程监测中的一项重要任务，为了保证算。气

2、缸压力测量的准确性，往往需要将缸压传感器安装在气缸盖的底平面，而由于气缸盖设计的复2．频谱分析及滤波处理基本公式杂性与紧凑性，这在大多数情况下，尤其在发动本文所采用的是基于快速傅立叶变换（FFT）机现场测试的情况下，难以实现这一安装条件。的能量频谱（PowerSpectrum）分析法，可以在满因此，往往借用柴油机缸盖上的空气启动阀或示足变换精度要求下，提高数据处理的速度。式（1）功阀的位置进行缸压传感器的安装。这样从气缸给出了离散化的FFT变换公式，该公式包含转换燃烧室到传感器测点就会形成较长的测量通道，后信号的幅值及相位的信息。产生所谓的通道效应，通道越

3、长，干扰越明显。N−1*⎡⎛2πnk⎞⎛2πnk⎞⎤实测的原始缸压曲线会带有明显的通道效应产生Y(k)=∑X(n)⎢cos⎜⎟−jsin⎜⎟⎥n=0⎣⎝N⎠⎝N⎠⎦的压力波振荡。一般需先求出振荡频率，然后通（1）过滤波加以解决。目前，确定通道效应振荡频率式中，各主要参数的含义如下：的办法有两条，一是根据通道的形状尺寸，通过Y*(k)－信号分布在频率k节点上的幅值计算事先求得该干扰频率；二是根据初始测量缸X(n)－信号在时刻n节点上的采样值压曲线，分析计量出叠加在其上的干扰频率。这N－总的采样点数两种方法的的缺点是实时性及应用便利性差，通j－表示复合函数虚部

4、道的形状尺寸在许多条件下也难以获取。采样数据通过式（1）的变换，代入式（2）针对上述不足，本文提出利用频谱能量分析的就可以获得动态信号能量在频域上的分布值方法对实测缸压曲线进行实时分析，求取其主要*干扰频率，然后进行合适的数字滤波，获得比较Y(k)×Y(k)PS(k)=（2）2准确的缸压波形。频谱分析的基本原理是通过一N定的数学变换将信号能量或声级在时域上的分布式中，PS(k)为振动能量幅值在频域上的分布转换为能量或声级在频域上的分布，通过这一变值，Y*(k)与N的定义如式（1），Y(k)为Y*(k)的实换，可以从一个受各种干扰形成的复杂合成信号部。通过式

5、（2）频谱能量的计算分析，可以获得1检测出其主要组成的谐波频率成分。本方法正是组成信号的主要谐波成分的频率分布。然后，根从这一基本原理出发，进行实测缸压信号的频谱据需要滤去的干扰波频率，采用数字式IIR（无限分析，以确定叠加在信号上的通道的振荡频率。脉冲反响式）滤波器进行滤波处理。Nb−1Na−1Yi=∑bjxi−j−∑akYi−k（3）作者简介：任自中(1951-)，男，研究员；研究方向：内燃j=0k=1机性能与测控技术E-mail:renzie@online.sh.cn成都，2007年8月中国内燃机学会燃烧净化节能分会2007年学术年会论文集式（3）中

6、，各主要参数的含义如下：通道效应的干扰频率。对此，可以采用滤去这两Yi－滤波后当前i节点的输出值个峰值之间的频率能量的带宽波阻法，也可以采Bj－一套前向滤波系数，与滤波方法、频率等用滤去第二峰值频率以上能量的低通滤波法。经有关过对两者滤波效果的比较，详见第4节，确定采Nb－前向系数的数量，取决于滤波器的价数用3价IIR的低通滤波，根据滤波后获得的曲线Xi-j－采集信号i节点前面的的输入量对原曲线的相位偏移值，进行逆向移位，使曲线ak－一套逆向滤波系数，与滤波方法、频率等对应点的误差之和最小。这样可使滤波前后由缸有关压曲线决定的气缸作功能力保持不变，示功图面

7、Na－逆向系数的数量积值的误差最小，可以较为准确地滤去不需要的Yi-k－滤波后i节点前面的输出值干扰分量，而保留有用的气缸循环功的主频分量，其中滤波系数的求法有Bessel、Chebyshev等保证缸压及爆压测量的可信度。几种，针对缸压通道干扰的特点，采用含有Equi-Ripple处理方式的InverseChebyshev方法比较合适。与FIR（有限脉冲反响式）滤波器相比，IIR滤波器考虑了参数变换的逆向影响，针对本问题的滤波效果比较稳定，精度也较高。3．缸压采集及处理程序气缸压力测试系统由缸压传感器、电荷放大器、光电传感器、高速数据采集卡（带USB接口）

8、及笔记本电脑组成，其中光电传感器起角标仪与转速传感器的双重作用。由