CN111046541A - 发动机基频振动幅值随转速变化自适应求解方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于航空发动机振动监测技术领域，具体涉及一种发动机基频振动幅值随转速变化自适应求解方法与系统，以避免频谱泄露、信噪比低等诸多因素的影响，提高测量精度。该方法包括：接收转速信号数字频率量和振动信号数字量；确定ΔT时间长度内转速频率特征；获取ΔT内转速信号变化情况Δf；当转速变化Δf满足窄带跟踪条件时，继续选择ΔT内振动数据进行转速跟踪幅值计算；当转速变化Δf无法满足窄带跟踪条件时，自动切换到ΔT'内振动数据进行转速跟踪幅值计算；当确定振动计算数据后，利用“时域整周期同步平均相关”算法，计算

频率对应的振动幅值信息。本发明对转速变化适应性、实时性强，能够获取常用的发动机振动转速跟踪幅值，对分析发动机振动监控具有重要价值。

Description

发动机基频振动幅值随转速变化自适应求解方法与系统

技术领域

本发明属于航空发动机振动监测技术领域，具体的说是一种航空发动机基频振动幅值计算方法，用于航空发动机振动告警时，振动基频/倍频幅值的准确求取。

背景技术

振动信号是反映发动机工作状态的重要信号之一，振动信号包含了系统大量的运行状态信息。目前，振动信号处理是诊断航空发动机故障的一种有效方法，绝大多数结构强度方面的故障都与振动信号有密切的关系。因此，发动机振动监测是状态监控与故障诊断的一项重要内容。通过相关的传感器，可以采集到发动机的各种振动信号，通过对振动信号的振幅、振动烈度、相位等参数的实时检测，结合振动信号的固有特征，可实时监测发动机的运转情况，避免大事故发生给企业造成损失。因此，振动信号的频谱信息对发动机的动态特性和故障特性有着重要的意义，研究振动信号频率测量方法具有非常重要的工程意义。

进行发动机振动信号告警监测有三方面的应用：振动总量超限监测、发动机基频振动告警和发动机2倍频告警。振动超限监测实时监测发动机振动大小，当发动机健康状况出现变化，反映到发动机振动水平上时，可以提前采取相应检查及维护措施，避免造成故障的恶化及重大事故；发动机部件出现不同的损伤或故障，其振动信号有相应的振动特征频谱。利用发动机不同频次的振动信号可以实现基于发动机振动信号的发动机故障诊断。

传统的振动信号频率测量方法如图2，通常是随机尽可能多的采集振动信号，然后采用FFT运算将信号转换到频域。利用FFT对信号进行频谱分析时，分析精度主要取决于混叠效应、量化误差、频谱泄漏与栅栏效应，而随机采集振动信号方法是等时间间隔采样，截取的离散信号一般不满足整周期条件，从而就会产生较大误差，存在的谱泄漏和栅栏效应，影响振动分析精度。其改进方法是首先以发动机转速信号作为基准信号，采样时间选取为转速信号周期的整数倍，对采样数据进行三次样条插值，拟合出原振动信号；然后对还原出的振动信号进行抽样；最后对抽样信号进行FFT运算，求解出信号的频率。该方法有效地克服了频谱泄露、栅栏效应等问题。但其计算量较大，不适用于机载振动监控功能(参考论文：赵建平《航空发动机振动信号整周期等相位重采样技术研究》。

比较成熟的方法是“时域整周期同步平均相关法”，具体为：采用下式表示的互相关算法(参见论文：康成良，曾胜，赵良梁.《全自动平衡机控制系统中多机通讯的设计与实现》)进行振动信号的幅值和相位计算，该算法还可看作一超窄带通滤波器可以滤除大部分工频以外的其他信号：

式中：M为整周期的采样点数，x(i)为采集到的振动数据。由此可计算得到振动中心成分的振幅信息：幅值

此方法也称为“相关法”，能够高精度的获取振动信号幅值信息，计算量小，特别适合机载计算机，主要缺点为要求转速信号非常稳定，负责振动幅值也会被衰减。

在现有方法中，每种都具有不同的优缺点，选择哪种方法一般是依据经验，因此实际效果并不理想，特别是对于变转速情况下的振动基频/2倍频告警。

发明内容

本发明的目的在于克服上述振动信号幅值测量方法的不足，本发明提出了一种转速变化自适应的航空发动机机载振动幅值求解方法，以避免频谱泄露、信噪比低等诸多因素的影响，提高测量精度。

本发明的技术解决方案是提供一种航空发动机基频振动幅值随转速变化自适应求解方法，包括以下步骤：

步骤一、获取航空发动机经过带通滤波的转速频率和振动数据；

步骤二、获取ΔT时间长度内的平均转速频率

和转速频率变化情况Δf＝f_max-f_min；

步骤三、根据步骤二获取的转速频率变化情况Δf，决定计算转速跟踪幅值需要的时间长度ΔT'；

步骤四、选取ΔT'时间长度内的振动数据进行转速跟踪幅值计算，利用“时域整周期同步平均相关”算法，计算ΔT'时间内平均转速频率对应的振动幅值信息。

进一步地，步骤三具体包括：

步骤3.1、确定ΔT₁ΔT₂……ΔTn，ΔT₁＜ΔT₂＜ΔT₃……ΔTn，利用“时域整周期同步平均相关法”确定ΔT₁ΔT₂……ΔTn对应的窄带跟踪条件Δf₁₂Δf₂₃…Δf_n-1,n；其中ΔT为ΔT₁ΔT₂…ΔTn中的任一值；Δf_n-1,n≤Δf≤Δf₁₂；

步骤3.2、假设ΔT等于ΔT_m；比较Δf与Δf_m-1,m、Δf_m,m+1；其中m为位于1到n的正整数；

当Δf满足：Δf＝Δf₁₂，则ΔT'＝ΔT₁，选ΔT₁时间长度内的振动数据进行转速跟踪幅值计算；

当Δf满足：Δf＞aΔf_m-1,m时，继续依次比较Δf与aΔf_m-2,m-1、aΔf_m-3,m-4…Δf_j-1,j、Δf_j-2,j-1…Δf_2,3的大小，直至Δf小于ΔT_j-1时间段对应的窄带跟踪条件Δf_j-2,j-1，结束比较；则ΔT'＝ΔT_j，选ΔT_j时间长度内的振动数据进行转速跟踪幅值计算；其中a大于1，为滞回参数；

当Δf＜Δf_m,m+1时，继续依次比较Δf与Δf_m+1,m+2、Δf_m+2,m+3…Δf_i-1,i、Δf_i,i+1…Δf_n-2,n-1的大小，直至Δf大于ΔT_i+1时间段对应的窄带跟踪条件Δf_i,i+1，结束比较；则ΔT'＝ΔT_i，选ΔT_i时间长度内的振动数据进行转速跟踪幅值计算；

当Δf满足：Δf＝Δf_n-1,n，则ΔT'＝ΔTn，选ΔTn时间长度内的振动数据进行转速跟踪幅值计算；

当Δf均不满足上述条件时，则ΔT'＝ΔTm，继续选ΔTm时间长度内的振动数据进行转速跟踪幅值计算。

进一步地，滞回区间等于时域整周期同步平均相关算法对应的窄带跟踪频率带宽。

本发明还提供一种航空发动机基频振动幅值随转速变化自适应求解系统，其特殊之处于：包括振动数据采集电路、转速频率采集电路及上位机；所述振动数据采集电路与转速频率采集电路的输出端与上位机电连接；所述上位机包括存储器与处理器，所述存储器中存储计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现以下步骤：

步骤一、获取航空发动机经过带通滤波的转速频率和振动数据；

步骤二、获取ΔT时间长度内的平均转速频率

和转速频率变化情况Δf＝f_max-f_min；

步骤三、根据步骤二获取的转速频率变化情况Δf，决定计算转速跟踪幅值需要的时间长度ΔT'；

步骤四、选取ΔT'时间长度内的振动数据进行转速跟踪幅值计算，利用“时域整周期同步平均相关”算法，计算ΔT'时间长度内平均转速频率对应的振动幅值信息。

进一步地，上述步骤三具体包括：

步骤3.1、确定ΔT₁ΔT₂……ΔTn，ΔT₁＜ΔT₂＜ΔT₃……ΔTn，利用“时域整周期同步平均相关法”确定ΔT₁ΔT₂……ΔTn对应的窄带跟踪条件Δf₁₂Δf₂₃…Δf_n-1,n；其中ΔT为ΔT₁ΔT₂…ΔTn中的任一值；Δf_n-1,n≤Δf≤Δf₁₂；

步骤3.2、假设ΔT等于ΔT_m；比较Δf与Δf_m-1,m、Δf_m,m+1；其中m为位于1到n的正整数；

当Δf满足：Δf＝Δf₁₂，则ΔT'＝ΔT₁，选ΔT₁时间长度内的振动数据进行转速跟踪幅值计算；

当Δf满足：Δf＞aΔf_m-1,m时，继续依次比较Δf与aΔf_m-2,m-1、aΔf_m-3,m-4…Δf_j-1,j、Δf_j-2,j-1…Δf_2,3的大小，直至Δf小于ΔT_j-1时间段对应的窄带跟踪条件Δf_j-2,j-1，结束比较；则ΔT'＝ΔT_j，选ΔT_j时间长度内的振动数据进行转速跟踪幅值计算；其中a大于1，为滞回参数；

当Δf＜Δf_m,m+1时，继续依次比较Δf与Δf_m+1,m+2、Δf_m+2,m+3…Δf_i-1,i、Δf_i,i+1…Δf_n-2,n-1的大小，直至Δf大于ΔT_i+1时间段对应的窄带跟踪条件Δf_i,i+1，结束比较；则ΔT'＝ΔT_i，选ΔT_i时间长度内的振动数据进行转速跟踪幅值计算；

当Δf满足：Δf＝Δf_n-1,n，则ΔT'＝ΔTn，选ΔTn时间长度内的振动数据进行转速跟踪幅值计算；

当Δf均不满足上述条件时，则ΔT'＝ΔTm，继续选ΔTm时间长度内的振动数据进行转速跟踪幅值计算。

进一步地，上述振动数据采集电路包括依次电连接的电荷放大器、带通滤波器及A/D采集单元；所述转速频率采集电路包括依次电连接的带通滤波器及频率采集单元。

本发明的有益效果是：

本发明采用的振动幅值随转速变化自适应求解方法，能够跟随转速变化准确获取振动信号基频幅值。根据转速变换Δf，选择“时域整周期平均相关”算法带通滤波范围的振动数据长度，既能够快速跟踪转速变化，又能够获取精度较高的振动幅值信息。通过这些方法提高了系统精度和适应性。

附图说明

图1是发动机转速和振动信号采集硬件架构图；

图2是常规固定时间段振动数据计算振动幅值方法架构图；

图3是本发明振动数据自适应计算振动幅值方法架构图；

图4是自适应方法架构图；

图5是某发动机任务刨面下转速变化示意图；

图6是某发动机台架振动时域示意图；

图7是某发动机台架振动频域示意图；

具体实施方式

如图1所示，本发明航空发动机基频振动幅值随转速变化自适应求解系统硬件部分包括振动数据采集电路和转速频率采集电路。原始转速信号通过带通滤波后进入频率采集单元，变换为数字频率量。原始振动信号通过电荷放大器和带通滤波器后进入模数采集器，采样频率固定为f_s，最后变换为振动数字量。

如图3，发动机机载振动幅值求解方法软件部分包括以下步骤：

首先，获取ΔT时间长度内，转速信号平均频率

和转速信号变化情况Δf＝f_max-f_min；

其次，根据转速信号频率变化情况Δf，决定计算振动幅值需要的时间长度ΔT'的振动点数。

具体方法为：确定ΔT₁ΔT₂……ΔTn，ΔT₁＜ΔT₂＜ΔT₃……ΔTn，利用“时域整周期同步平均相关法”确定ΔT₁ΔT₂……ΔTn对应的窄带跟踪条件Δf₁₂Δf₂₃…Δf_n-1,n；其中ΔT为ΔT₁ΔT₂…ΔTn中的任一值；Δf_n-1,n≤Δf≤Δf₁₂；

假设ΔT等于ΔT_m；比较Δf与Δf_m-1,m、Δf_m,m+1；其中m为位于1到n的正整数；

当Δf满足：Δf＝Δf₁₂，则ΔT'＝ΔT₁，选ΔT₁时间长度内的振动数据进行转速跟踪幅值计算；

当Δf满足：Δf＞aΔf_m-1,m时，继续依次比较Δf与aΔf_m-2,m-1、aΔf_m-3,m-4…Δf_j-1,j、Δf_j-2,j-1…Δf_2,3的大小，直至Δf小于ΔT_j-1时间段对应的窄带跟踪条件Δf_j-2,j-1，结束比较；则ΔT'＝ΔT_j，选ΔT_j时间长度内的振动数据进行转速跟踪幅值计算；其中a大于1，为滞回参数；

当Δf＜Δf_m,m+1时，继续依次比较Δf与Δf_m+1,m+2、Δf_m+2,m+3…Δf_i-1,i、Δf_i,i+1…Δf_n-2,n-1的大小，直至Δf大于ΔT_i+1时间段对应的窄带跟踪条件Δf_i,i+1，结束比较；则ΔT'＝ΔT_i，选ΔT_i时间长度内的振动数据进行转速跟踪幅值计算；

当Δf满足：Δf＝Δf_n-1,n，则ΔT'＝ΔTn，选ΔTn时间长度内的振动数据进行转速跟踪幅值计算；

当Δf均不满足上述条件时，则ΔT'＝ΔTm，继续选ΔTm时间长度内的振动数据进行转速跟踪幅值计算。

此处可以三组数据进行说明：ΔT₁，ΔT₂，ΔT₃对应的窄带跟踪条件为Δf₁₂，Δf₂₃，Δf₃₄，如图4。

假如当目前处于ΔT₂时间长度内，如果Δf＜Δf₂₃，说明转速信号频率比较稳定，选择ΔT₃时间长度内的振动数据进行转速跟踪幅值计算；如果Δf＞aΔf₁₂，说明转速信号频率比较波动，选择ΔT₁时间长度内的振动数据进行转速跟踪幅值计算；如果两者都不满足，继续按照ΔT₂时间长度的振动数据进行转速跟踪幅值计算。

其中ΔT、Δf设置要结合具体发动机而定，一般而言，大涡扇发动机转速比较稳定，ΔT较大，小涡轴发动机转速波动较大，ΔT较小；a用来设置一定的滞回区间，避免振动数据时间长度频繁变化。

最后，利用“时域整周期同步平均相关”算法，计算

频率对应的振动幅值信息。

下面以某涡轴发动机机载振动幅值为例进行具体实施的说明。

某涡轴发动机，动力涡轮转速Np最大值约为320Hz，燃气涡轮转速Ng最大值约为750Hz，其中Np转速较为稳定，Ng转速最大变换率为80Hz/S，上层系统要求192ms更新一次振动幅值数据。

实施例1：针对转速Ng对应频率下的振动信号幅值求取，由于Ng变换较快，选择3个ΔT，按照如表1所示。上电默认选择ΔT₂＝192ms(系统要求更新时间为192ms)，一般选择ΔT₁＝0.5ΔT₂，ΔT₃＝2ΔT₂，Δf的选择要结合“时域整周期同步平均相关”的窄带滤波功能，为了保证精度需要选择Δf小于窄带滤波器的带宽，工程常常选择0.25倍滤波器带宽。根据仿真在ΔT₂时间长度内，滤波带宽约为4.0Hz，ΔT₃时间长度内滤波带宽约为1.5Hz，ΔT₁时间长度内滤波带宽约为15Hz，能够满足最大转速变化过程中对于转速对应幅值的跟踪获取。滞回参数选择a＝5。表1

实施例2：针对转速Np对应频率下的振动信号幅值求取，由于Np变换较慢，

选择2个ΔT就能满足要求，按照如表2所示。

表2

上电默认选择ΔT₁＝192ms(系统要求更新时间为192ms)，一般选择ΔT₂＝2ΔT₁，Δf的选择要结合“时域整周期同步平均相关”的窄带滤波功能，为了保证精度需要选择Δf小于窄带滤波器的带宽，工程常常选择0.25倍滤波器带宽。根据仿真在ΔT₃时间长度内滤波带宽约为1.5Hz。滞回参数选择a＝5。

Claims (6)

1.一种发动机基频振动幅值随转速变化自适应求解方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、获取航空发动机经过带通滤波的转速频率和振动数据；

步骤二、获取ΔT时间长度内的平均转速频率

和转速频率变化情况Δf＝f_max-f_min；其中f_i为第i个转速频率；

步骤三、根据步骤二获取的转速频率变化情况Δf，确定计算转速跟踪幅值需要的时间长度ΔT'；

步骤四、选取ΔT'时间长度内的振动数据进行转速跟踪幅值计算，利用“时域整周期同步平均相关”算法，计算ΔT'时间内平均转速频率对应的振动幅值信息。

2.根据权利要求1所述的发动机基频振动幅值随转速变化自适应求解方法，其特征在于，步骤三具体包括：

步骤3.1、确定ΔT₁ΔT₂……ΔTn，ΔT₁＜ΔT₂＜ΔT₃……ΔTn，利用“时域整周期同步平均相关法”确定ΔT₁ΔT₂……ΔTn对应的窄带跟踪条件Δf₁₂Δf₂₃…Δf_n-1,n；其中ΔT为ΔT₁ΔT₂…ΔTn中的任一值；Δf_n-1,n≤Δf≤Δf₁₂；

步骤3.2、假设ΔT等于ΔT_m；比较Δf与Δf_m-1,m、Δf_m,m+1；其中m为2到n的正整数；

当Δf满足：Δf＝Δf₁₂，则ΔT'＝ΔT₁，选ΔT₁时间长度内的振动数据进行转速跟踪幅值计算；

当Δf满足：Δf＞aΔf_m-1,m时，继续依次比较Δf与aΔf_m-2,m-1、aΔf_m-3,m-4…Δf_j-1,j、Δf_j-2,j-1…Δf_2,3的大小，直至Δf小于ΔT_j-1时间段对应的窄带跟踪条件Δf_j-2,j-1，结束比较；则ΔT'＝ΔT_j，选ΔT_j时间长度内的振动数据进行转速跟踪幅值计算；其中a大于1，为滞回参数；

当Δf＜Δf_m,m+1时，继续依次比较Δf与Δf_m+1,m+2、Δf_m+2,m+3…Δf_i-1,i、Δf_i,i+1…Δf_n-2,n-1的大小，直至Δf大于ΔT_i+1时间段对应的窄带跟踪条件Δf_i,i+1，结束比较；则ΔT'＝ΔT_i，选ΔT_i时间长度内的振动数据进行转速跟踪幅值计算；

当Δf满足：Δf＝Δf_n-1,n，则ΔT'＝ΔTn，选ΔTn时间长度内的振动数据进行转速跟踪幅值计算；

当Δf均不满足上述条件时，则ΔT'＝ΔTm，继续选ΔTm时间长度内的振动数据进行转速跟踪幅值计算。

3.根据权利要求2所述的发动机基频振动幅值随转速变化自适应求解方法，其特征在于：滞回参数对应的滞回区间等于时域整周期同步平均相关算法对应的窄带跟踪频率带宽。

4.一种发动机基频振动幅值随转速变化自适应求解系统，其特征在于，包括振动数据采集电路、转速频率采集电路及上位机；所述振动数据采集电路与转速频率采集电路的输出端与上位机电连接；所述上位机包括存储器与处理器，所述存储器中存储计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现以下步骤：

步骤一、获取航空发动机经过带通滤波的转速频率和振动数据；

步骤二、获取ΔT时间长度内的平均转速频率

和转速频率变化情况Δf＝f_max-f_min；

步骤三、根据步骤二获取的转速频率变化情况Δf，决定计算转速跟踪幅值需要的时间长度ΔT'；

步骤四、选取ΔT'时间长度内的振动数据进行转速跟踪幅值计算，利用“时域整周期同步平均相关”算法，计算ΔT'时间长度内平均转速频率对应的振动幅值信息。

5.根据权利要求4所述的航空发动机基频振动幅值随转速变化自适应求解系统，其特征在于，步骤三具体包括：

步骤3.1、确定ΔT₁ΔT₂……ΔTn，ΔT₁＜ΔT₂＜ΔT₃……ΔTn，利用“时域整周期同步平均相关法”确定ΔT₁ΔT₂……ΔTn对应的窄带跟踪条件Δf₁₂Δf₂₃…Δf_n-1,n；其中ΔT为ΔT₁ΔT₂…ΔTn中的任一值；Δf_n-1,n≤Δf≤Δf₁₂；

步骤3.2、假设ΔT等于ΔT_m；比较Δf与Δf_m-1,m、Δf_m,m+1；其中m为2到n的正整数；

当Δf满足：Δf＝Δf₁₂，则ΔT'＝ΔT₁，选ΔT₁时间长度内的振动数据进行转速跟踪幅值计算；

当Δf满足：Δf＞aΔf_m-1,m时，继续依次比较Δf与aΔf_m-2,m-1、aΔf_m-3,m-4…Δf_j-1,j、Δf_j-2,j-1…Δf_2,3的大小，直至Δf小于ΔT_j-1时间段对应的窄带跟踪条件Δf_j-2,j-1，结束比较；则ΔT'＝ΔT_j，选ΔT_j时间长度内的振动数据进行转速跟踪幅值计算；其中a大于1，为滞回参数；

当Δf＜Δf_m,m+1时，继续依次比较Δf与Δf_m+1,m+2、Δf_m+2,m+3…Δf_i-1,i、Δf_i,i+1…Δf_n-2,n-1的大小，直至Δf大于ΔT_i+1时间段对应的窄带跟踪条件Δf_i,i+1，结束比较；则ΔT'＝ΔT_i，选ΔT_i时间长度内的振动数据进行转速跟踪幅值计算；

当Δf满足：Δf＝Δf_n-1,n，则ΔT'＝ΔTn，选ΔTn时间长度内的振动数据进行转速跟踪幅值计算；

当Δf均不满足上述条件时，则ΔT'＝ΔTm，继续选ΔTm时间长度内的振动数据进行转速跟踪幅值计算。

6.根据权利要求4所述的航空发动机基频振动幅值随转速变化自适应求解系统，其特征在于：所述振动数据采集电路包括依次电连接的电荷放大器、带通滤波器及A/D采集单元；所述转速频率采集电路包括依次电连接的带通滤波器及频率采集单元。

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