李亞東 ,梁　奇

（杭州電子科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,杭州 310018）

基于小波分析氣門落座數(shù)據(jù)處理方法的研究

李亞東 ,梁奇

（杭州電子科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,杭州 310018）

本文主要提供了一種快速傅里葉變換（FFT）分析同小波包分析相聯(lián)合的數(shù)據(jù)處理方法。通過對處理后的加速度積分后所獲得的氣門速度數(shù)據(jù)信號，分析計(jì)算可得其干擾信號在數(shù)字濾波的基礎(chǔ)上減少了11.84%，氣門落座速度的精度也相對提升了15%，絕對誤差為6.59%。跟傳統(tǒng)的數(shù)字濾波器濾波的方式對比，此種方法有效提升了氣門落座動態(tài)數(shù)據(jù)的精度。

數(shù)字濾波器；快速傅里葉變換；小波包分析；氣門落座

0 　引言

本文主要針對使用常見的數(shù)字濾波器濾波方法在處理氣門落座動態(tài)數(shù)據(jù)時的缺陷，提出將快速傅里葉變換（FFT）分析與小波包分析相結(jié)合的數(shù)據(jù)處理方法，實(shí)現(xiàn)信號和誤差的濾波，有效地提高了數(shù)據(jù)的精度。

1　數(shù)字濾波器濾波分析氣門落座動態(tài)數(shù)據(jù)

氣門的動態(tài)數(shù)據(jù)在時域和頻域內(nèi)的區(qū)分不是很明顯，在時域內(nèi)，干擾信號總是存在；在頻域中，其信號不僅包含有與凸輪轉(zhuǎn)速同步的周期信號以外，還隱藏了氣門開啟和落座時的沖擊信號。而沖擊信號不是嚴(yán)格的周期信號，其在頻域和干擾噪聲有部分的重疊[1]。

本文采用高通濾波器，設(shè)置其低頻、高頻阻帶值為8Hz、10KHz，對氣門加速度信號做濾波處理。由結(jié)果分析可知，經(jīng)過數(shù)字濾波處理后其最大值由原始信號的10049m/s2變?yōu)榱?782m/s2，產(chǎn)生了2.65%的濾波誤差，其落座端的動態(tài)數(shù)據(jù)態(tài)勢也與原始信號在時間上有一定程度上的偏差。由此可見，濾波器在去除干擾信號的同時，真實(shí)信號也被削弱了，尤其是氣門落座段部分的高頻信號被削弱了。

2　小波分析氣門動態(tài)數(shù)據(jù)處理的拓展研究

小波變換具備多頻率分析信號的特征，是一種信號的時間-頻率分析方法，并且在時域、頻域內(nèi)均具有表征信號局部特征的功能。根據(jù)這個特點(diǎn)，將氣門落座的單個周期的動態(tài)數(shù)據(jù)分為工作段（A’-B）、落座段（B-C）、非工作段（A-A’和C-C’），如圖1所示。

圖1　氣門加速度曲線分段圖

2.1 FFT分析與小波包分析相結(jié)合去除干擾

小波包分析是由小波分析拓展而來，能夠?qū)π盘栕龈?xì)致的分析和重構(gòu)，可以同時對低頻信號和高頻信號做出分解，并在全局頻段內(nèi)對信號做細(xì)化，所以，用該方法可以去除夾雜在氣門加速度動態(tài)數(shù)據(jù)中的干擾[2]。對預(yù)處理后的氣門加速度數(shù)據(jù)各工作段進(jìn)行FFT分析。整個頻域段均包含著落座段部分的真實(shí)信號，而干擾信號則主要存在于加速度曲線各段FFT變換后圖形的突變處和曲線的粗糙部分。結(jié)合上述分析可獲得干擾信號頻率范圍分別是：0-3階、145-148階、380-394階和438-442階。為了進(jìn)一步去除干擾，必須對原始加速度數(shù)據(jù)信號進(jìn)行442階以上的細(xì)分，即需要對其做9層小波包分解，其512階頻率信號則被分成了512個頻率段。再通過小波包對上述干擾頻率范圍進(jìn)行重構(gòu)從而消除干擾。

2.2 對比分析

經(jīng)過上述分解與重構(gòu)，將常用數(shù)字濾波器去除干擾與小波包去除干擾所得的結(jié)果進(jìn)行對比，效果如圖2所示。

圖2　常用數(shù)字濾波處理和小波處理后加速度曲線對比

對圖2中數(shù)字濾波去除干擾和小波包去除干擾的的氣門加速度曲線進(jìn)行積分獲得氣門速度曲線，其對比圖如圖3所示。

圖3　處理后加速度曲線積分所得速度曲線對比

根據(jù)圖3的顯示分析可知，小波包處理和數(shù)字濾波處理后的速度信號，其最大值前者為2.936m/s，后者為2.555m/s，原始數(shù)據(jù)所得為3.142m/s。采用FFT分析與小波包分析相結(jié)合的方式處理氣門落座數(shù)據(jù)，通過對其積分后獲得的氣門速度信號，計(jì)算可得其干擾信號在數(shù)字濾波的基礎(chǔ)上減少了11.84%，氣門落座速度的精度也相對提升了15%，絕對誤差為6.59%。

3　結(jié)論

采用FFT分析與小波包分析相結(jié)合的方法去除干擾后，氣門的加速度曲線和積分后得到的氣門速度曲線的最大值不變，其真實(shí)性未受到影響，改善了數(shù)字濾波容易丟失真實(shí)信號的缺陷，有效的提高了配氣機(jī)構(gòu)動態(tài)數(shù)據(jù)的精度。

[1]謝勇.發(fā)動機(jī)四氣門配氣機(jī)構(gòu)系統(tǒng)分析研宄[D].上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文,2009.

[2] 何慶飛.基于奇異值分解和小波包分析的液壓泵振動信號特征提取方法[J].數(shù)據(jù)采集與處理,2012(02):241-247.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.21.208