发动机缸内压力信号频谱分析与滤波处理.doc

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1、第一章绪论1.1研究的背景及意义现今的世界是一个信息世界，而信息的载体是信号。信号以各种形式存在于我们的日常生活当中。例如：我们说话时听到的语音信号、经常在电脑或电视上看到的视频图像信号、心电、脑电、血压等生物医疗信号以及机械设备振动和声音信号等。信号是变化的，是一个多变量函数，如电场强度是时间和空间的变量。通常描述信号有两种方式：时间描述、频率描述。因此，时间和频率是信号的两个最基本的物理量。信号分析是对信号基本性质的研究和表征。在信号分析研究中主要强调随时间的变化情况。为深入、全面了解信号的基本性质，

2、需要将信号表示为不同的形式。在数学上，最基本的表示方法是用完备的函数集来展开信号。函数集的选取是由信号的特性或实际需要决定的，目的在于更好地理解信号的基本性质。选取简单的三角函数集展开信号，是最简单也是最重要的一种信号表示方式，即信号的傅立叶展开，它将信号表示为具有不同频率的正弦信号的和的形式，为以后的频谱分析奠定了基础。通过对信号进行分析处理，可以获得有用信息，因此从信号中获得信息是信息与控制科学发展的主要方向，近十几年发展迅速，在传统的基于傅立叶变换的信号分析方法基础上，新理论和新算法层出不穷，如小波

3、变换。现代信号处理则以非线性、非高斯和非平稳信号作为分析与处理的对象。在现代信号处理中，非平稳信号的分析与处理是最为活跃、发展最为迅速的方向之一【1】。在通信、雷达、自动控制、模式识别、水声、机械振动、地震勘测和生物医学工程等领域有广泛应用。通过分析信号的时变特征，构造合适的时频分布并进行恰当处理，达到不同的信号处理目的。因此，找到合适的、性能优良的时频分布成为非平稳信号分析与处理的一个重要研究容。机械设备的状态监测和故障诊断就是信号处理方法的重要应用领域之一。为了保证设备的安全运行，大力开展设备故障诊断

4、系统的研究，提高故障信号的监测、检测、分析与处理能力已经是当务之急，达到设备故障早发现，早诊断的目的。信号的分析与处理要靠特征提取这个环节来实现，特征提取是实现信号分析的关键环节。特征提取的方法很多，针对各类振动信号的分析和处理，出现了诸如时域分析、频域分析、时频分析、统计分析、模态分析等手段来提取特征信息的方法；并不是说每一种方法都可以用于各类信号分析，每一种方法都有自己独特的适应性和技术关键，各自适应于不同的场合，需要根据不同类型的信号机理、分析目的进行选取。可见信号处理在工程应用中的作用是非常大的。

5、采用基于线性理论的时域和频域分析方法进行信号的特征提取，是目前应用最成熟的方法，但是随着科学技术的发展及设备结构的复杂化，它的一些缺点和局限性也逐渐暴露出来。其主要问题是：当非线性的因素很大时，应用基于线性系统的信号处理方法难以取得令人满意的效果，因而在实际工程应用中遇到了不可逾越的障碍。随着非线性理论、先进算法、信号处理及智能控制等技术的深入，非线性系统的信号处理技术已有了很大的发展。1.2研究现状有效的信号分析与处理方法有利于提取特征信息，进行工程分析。目前采用的信号分析处理方法主要有时域统计分析、时

6、域分析和频域分析。频域分析法是平稳信号常用的处理方法，而最常用的频域分析是傅立叶分析，差谱分析、倒频谱分析、三维全息谱分析等，但这些方法适用于平稳信号。基于傅立叶变换的信号频域表示及其能量域分布揭示了信号的频域特征，在传统的信号分析与处理方法中发挥了极其重要的作用，建立了信号从时域到频域变换的桥梁。可以说，自十九世纪J．Fourier首次提出傅立叶变换至今，它一直是信号处理领域中最完善、最经典、应用最广泛的一种分析手段。1965年，Cooley和Tukey提出了FFT算法，从而使傅立叶分析在实际工程领域得

7、到了更广的应用。但是，傅立叶变换有其局限性，它是一种整体或全局变换，即对信号的表征要么完全在时域，要么完全在频域，作为频域表示的频谱或功率谱并不能说明其中的某种频率分量出现在什么时候及其变化情况，无法获得信号各频率分量随时间变化的规律。而且被分析系统必须是线性的；信号必须是严格周期或者平稳的，否则，分析结果无物理意义。数据光顺是数据处理中比较常用的纯数学方法，缺乏客观物理模型的支持，因而缺乏光顺性和客观实际逼近的评价标准，无法证明平滑过的示功图是否切合实际。随着数字信号处理理论与应用发展较快，人们目前一般

8、对采集到的气缸压力信号进行频谱分析，得到气缸压力的频谱特性。一般将频域区域划分为低中高三个频域[2，3]，并且指出通道效应的主要影响于示功图的中频域，但是许多文献对此没有令人信服的说明，因而对示功图进行滤波处理缺乏说服力。在实际示功图的测录过程中，常有一系列因素影响着示功图本身的准确性，例如测压通道的腔振。测压通道的通道效应也是影响示功图测量精度的重要因素之一。为了避免通道效应，理论上建议将传感器与燃烧室平齐安装，但是由于气缸