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1、一种涡轮增压器离心式压气机喘振自动识别算法 严潇 张志强 闫学明 北京理工大学机械与车辆学院 摘 要： 喘振的早期识别对于及时采取措施避免压气机喘振或喘振控制具有重要的意义.在压气机出口处安装动态压力传感器, 获取了两种型号的涡轮增压器压气机运行时的实时压力信号.对喘振信号特征进行了分析, 采用匹配滤波器对数据进行预处理, 从而提高了采集信号的信噪比 (SNR) .在此基础上设计了一种基于信号脉冲计数法的喘振自动识别算法.Matlab 仿真试验表明:该算法能够及时准确地识别出涡轮增压器压气机的喘振.关键词： 增压器; 喘振; 自动识别; 匹配滤波; 脉冲计数; 作者简介：严潇 (1991-)
2、, 男, 硕士, 研究方向为叶轮机械与电子控制.收稿日期：2017-04-14Automatic Recognition Algorithmof Surge in Turbocharger Centrifugal CompressorYAN Xiao ZHANG Zhi-qiang YAN Xue-ming School of Mechanical Engineering, Beijing Institute of Technology; Abstract： Early recognition is of great significance to take measures in time
3、to avoid compressor surge or to control it. The dynamic pressure sensors were installed at their outlets of the compressors and the realtime pressure signals of the two types of the turbochargers were obtained during the compressor in operation. The signal features of the surge were analyzed, the me
4、asured data were pretreated by using the matched filtering method, and then the signal-to-noise ratio ( SNR) was improved. An automatic recognition algorithm of surge was designed based on the signal pulse counting method. Simulation test in Matlab demonstrated that this algorithm can identify the c
5、ompressor surge of the turbocharger in time and accurately.Keyword： turbocharger; surge; automatic recognition; matched filtering; pulse counting; Received： 2017-04-14车用离心式涡轮增压器压气机的喘振对于其稳定运行有不利的影响1.快速识别喘振对于确保涡轮增压器的安全运行具有重要的意义.对于涡轮增压器的喘振识别, 有很多学者进行了研究2-6.对压气机喘振进行有效地识别, 主要方法就是利用高精度和高灵敏度的传感器对压气机近喘振状态的相
6、关物理量进行有效测量.检测算法主要有紊流度分析法、脉动压力方差法、压力变化速率法和相关积分法等.对文中涉及的离心压气机, 孙涛等利用相关积分法对离心压气机喘振过程进行非线性监测.以实验分析论证了相关积分值等三个监测参数在离心压气机运行工况监测、喘振强度辨识和压力信号非平稳性度量中的有效性7.贺云南等利用振动信号成功诊断了废气涡轮增压器喘振故障8.朱智富等采用动态测量采集系统获得了喘振过程中的多处动态压力信号, 采用滑动窗口法建立压气机的喘振判断标准.得到的结果比根据经验判断获得的的临近喘振点流量波动范围明显减小9.曹昳劼等使用了声音信号结合感知器神经网络作为判断喘振的基础, 最终设计了识别器对
7、喘振进行识别10.文中设计的喘振数据处理与识别方法基于动态压力信号, 抗干扰性好.另外, 使用的脉冲计数识别算法简洁有效, 降低了对硬件的性能要求并且保证了实时性.1 数据预处理1.1 喘振信号分析图 1 为涡轮增压器喘振动态压力测量信号, 在 2 秒处压气机发生喘振, 压气机出口压力波动幅度有明显的增加.由于在动态压力测量信号中夹杂有大量高频噪声与外部电信号的干扰.这部分将对信号进行预处理, 提高测量信号的信噪比, 以便于更好的识别出压气机喘振现象.图 1 喘振试验的动态压力信号 下载原图图 2 为截取的不同型号增压器喘振时信号的波形图.从图 2 可看出, 当增压器压气机发生喘振时, 压气机
8、出口压力脉动具有相似的波形, 对于具有相似波形的信号, 匹配滤波是一种有效的提高信号信噪比的滤波方法.图 2 不同工况下喘振时压力波动信号波形 下载原图1.2 匹配滤波的数学原理一般来说, 一个信号 s (t) 在传输过程中被噪声 n (t) 所干扰, 在输出端得到的实测信号为其时域离散表达式为若信号 s (t) 为一具有确定性结构的随机过程, 持续时间为 T0, 等于 M-1 个采样周期, 则信号可用一个 M 维的信号矢量表示, 即相应的噪声矢量为现将信号 s (k) 通过一个 M 阶的 FIR 滤波器, 该滤波器的系数矢量为则信号经滤波后的输出为相应的噪声经滤波后的输出为信噪比 SNR0定
9、义为信号结束时刻 (m=M-1) , 无干扰信号的幅值平方与噪声方差之比.于是, 上述滤波器输出信号的信噪比 SNR0为在输入噪声是白噪声的情况下, 可简化为根据许瓦兹不等式有只有当下列条件成立时, 式 (10) 成等式.即若 k 为任意实常数, 并有 (b i) OPT=ks (M-1-i) 时, SNR 0取最大值, 即 SNR0= (SNR0) max.令常矢量于是匹配滤波器的系数矢量可写成由式 (11) 可知, 矢量 为信号矢量 的首尾倒置的结果, 即为 的倒置矢量.它满足了使式 (10) 成等式的条件, 使输出信噪比取得极大值, 匹配滤波器的这种特性使得其适合于具有确定波形信号的检测
10、.在匹配滤波时, 需要滤波器系数与采样数据做卷积运算.匹配滤波能够滤除高频信号和外部干扰信号, 但其计算量随采样频率的增加将急剧增大.经过分析, 应用匹配滤波技术对喘振进行实时识别时, 采样频率设置在 80100 Hz 最为理想.这是因为喘振频率在 4 Hz 左右, 一个喘振压力波形的周期大约在 0.25 s, 这样在采样频率为 80100 Hz 时, 一个压力波形上将采集 2025 个点, 能够满足实时监测计算量小的要求.文中选择采样频率为 100 Hz, 经过匹配滤波分析后JP90 增压器在 3 万转/分时, 实测信号与匹配滤波后信号如图 3 所示.从图 3 可看出, 喘振发生时, JP9
11、0 增压器压气机出口压力测量信号信噪比得到提高.图 3 JP90 在 3 万转/分时匹配滤波前后对比 下载原图2 喘振自动识别算法2.1 脉冲数统计方法图 4 为放大后的匹配滤波后信号.大部分高频噪声被滤除.此时喘振时的信号波形非常平滑, 非喘振时的信号仍然存在较多的高频分量.如图 4 所示, 若将每一个波动信号都视为一次脉冲, 未发生喘振时, 脉冲数量多, 但在喘振发生时, 脉冲数量则会急剧减少, 可以通过统计一段时间长度内的脉冲数量来判断是否到达喘振状态.文中采用对数据进行差分的简单算法来实现一段时间内的脉冲数统计.一个喘振脉冲信号可以看作是由一个数组组成的抛物线, 如图 5 所示.在脉冲
12、信号的左侧, 随着时间增加数据值由小变大, 而在脉冲信号的右侧, 数据值则由大变小.图 4 匹配滤波后信号的放大图 下载原图图 5 脉冲信号示意图 下载原图如果对数据进行差分的话, 差分结果将是如式 (13) 所示.由于脉冲左侧数据随时间递增, 差分后, 对于脉冲左侧的数据来说, 将是一系列正数, 而脉冲右侧数据则是一系列的负数.为了使数据格式更加规范, 对一次差分后的数据应用 sign 函数, 则脉冲数据如式 (14) 所示.显然, 脉冲数据经一次差分处理并应用 sign 函数处理后具备非常明显的特征, 即出现一次+1 和-1 的交替变化.如果将上述计算结果进行二次差分, 则对于一组脉冲数据
13、来说, 仅在最高点出现数值, 而其它位置数据则变为 0, 如式 (15) 所示.数据经二次差分后, 每一个脉冲信号仅出现一个数值-2, 取绝对值后, 每一个脉冲则由一个数据值 2 来代替.如图 6 所示, 经过二次差分后, 喘振前后脉冲密度对比非常明显.此时可以通过程序计算一段时间窗 t 内的非零数来统计脉冲数量, 从而判断喘振是否发生.如图 6 所示, 在程序内判断脉冲数首次小于设定的阀值, 程序自动识别喘振发生.由于时间窗 t 具有一定长度, 所以识别会有一些滞后.在 2.3 节中将进一步讨论窗口长度的选择.图 6 识别程序判断原理 下载原图2.2 喘振自动识别算法根据上述识别原理以及脉冲
14、统计算法, 设计了涡轮增压器压气机喘振自动识别算法, 其流程图如图 7 所示.图 7 涡轮增压器压气机喘振自动识别算法流程图 下载原图首先读入在采样频率为 100 Hz 时的涡轮增压器压气机喘振试验数据, 实时进行匹配滤波处理, 然后, 对匹配滤波后的数据进行两次差分处理.同时设定脉冲数统计时间窗 t, 对 t 内的数据进行求和运算.当计算结果首次小于某一设定值时, 判断喘振发生.值得注意的是, 此时的 t 的数值将会影响程序判断的及时性与准确度.以下将讨论 t 的影响, 并选其合适的值.2.3 不同统计时间窗对喘振识别的影响分析在 Matlab 软件上分别按时间窗 1 秒、0.5 秒和 0.
15、1 秒对 JP60 增压器在 6 万转/分时的动态压力数据进行喘振识别仿真.识别程序根据脉冲数首次降低到判断阀值以下来判断喘振是否发生.值得注意的是, 由于时间窗的长度设置不一样, 程序中的判断阀值 X 设置的大小也应该是不一样的.t 越长, X 也应越大.结果如图 8 所示, 图中指出的点是程序判断出喘振的时刻点.图 8 不同 t 窗仿真结果对比图 下载原图从图 8 中可看出, 若时间窗太短, 喘振和非喘振区分不明显, 发生误判现象;若时间窗设置过长, 则喘振识别准确度提高但及时性降低.根据仿真结果, 将时间窗 t 设置为 0.5 秒.2.4 Matlab 仿真试验在 Matlab 软件中,
16、 利用试验采集到的 JP90 在 3 万转/分与 6 万转/分的压气机出口压力信号数据, 进行了喘振自动识别算法的仿真试验验证.结果如图 9 和图10 所示.从图 9 和图 10 可看出, 在发生喘振时, 脉冲数变化明显, 所提出的算法准确有效地识别到了压气机喘振现象.图 9 JP90 增压器在 3 万转/分时仿真验证结果 下载原图图 1 0 JP90 增压器在 6 万转/分时仿真验证结果 下载原图3 结论通过对采集到的压气机出口压力信号进行匹配滤波可有效地提高信号信噪比, 在此基础上, 采用 t 时间内脉冲数统计数量的方法, 可准确、有效地识别出涡轮增压器压气机喘振信号.对出口压力采集频率和时间窗长度的分析和研究表明, 采样频率为 80100 Hz, 时间窗参数 t 选取值为 0.5 秒, 既可以达到判断的准确性又可以满足及时性.参考文献1范孝铨, 金永亮.增压器的离心压气机喘振分析J.铁道学报, 1985, 7
