王彥軍

(榆林學院 能源工程學院，陜西 榆林 719000)

液壓傳動已經成為當前十分重要的傳動模式，在冶金、工程建設等諸多領域獲得頗為廣泛的運用，而且在自動化水平日益提升下，液壓裝配的信息與結構傳遞過程呈現(xiàn)出顯著的復雜性，而且逐步升級為機電液綜合體，而且自動化系統(tǒng)也具有高度的集成性。在此背景下，對其故障進行識別與預防，就成為重要的技術難題。傳統(tǒng)對液壓系統(tǒng)狀態(tài)進行監(jiān)測，主要是利用壓力、振動信號、流量等參數，對運行狀態(tài)展開動態(tài)評價。然而這些參數需要通過侵入式才能獲取較為準確的數據，這就造成較高的測量成本，而且相關參量較難獲取，容易受到各種外部要素的干擾，而且部分參量還具有非平穩(wěn)性，為精準的評價系統(tǒng)狀態(tài)帶來較多的難題。文章提出的監(jiān)測技術則是以電參量為基礎，從而對該系統(tǒng)的狀態(tài)進行實時監(jiān)測，在此過程中，還對提取離散電參量的基頻算法進行了分析，然后立足于動力源三相電的動態(tài)獲取，使得成功對該液壓系統(tǒng)狀態(tài)展開動態(tài)在線識別，并對沖擊工況這個極限環(huán)境進行驗證分析，得出此次技術具有實用與可靠性。

1 基于電參量的液壓系統(tǒng)運行狀態(tài)識別技術

1.1 電參量融合運行狀態(tài)識別技術

基于電機的液壓系統(tǒng)，其中不同子系統(tǒng)模塊相互之間存在著能量的傳遞，因為電機轉子存在著對應的耦合效應，有關設計局限性、載荷動態(tài)改變、液壓設備狀態(tài)等信息就能利用流體和機械的參數最終耦合至三相電參量之中，這樣就可以對電參量進行深入分析，從而提取衡量液壓系統(tǒng)狀態(tài)方面的信息[1]。圖1為液壓系統(tǒng)識別原理。

圖1 基于電參量信息融合的液壓系統(tǒng)識別原理Fig.1 Recognition principle of hydraulic system based on electrical parameter information fusion

在液壓系統(tǒng)中，電參量主要涉及到電機三相電壓、電流基頻信號幅值、相位等信息，通過對這些信息進行科學的提取，就能獲得電機、液壓系統(tǒng)狀態(tài)。為此，提取這些參量信息，然后再借助于融合技術，使之構成三相與單相李薩如圖形，進而獲取該圖形的面積，以及它外接矩形面積、傾角方向等。該圖的面積可以衡量出電機的有功功率，而外接的矩形面積就能衡量電機視在功率，通過它們就能進一步算出功率因數，進而衡量出電機與液壓系統(tǒng)在功率上的匹配水平；通過單相李薩如圖形中的面積，就能對系統(tǒng)負載功率情況進行衡量；而且該圖對應的特征量，能夠對液壓系統(tǒng)幾種具有典型的工況展開直觀性的監(jiān)測，譬如系統(tǒng)過載、加載、溢流等[2-5]。電參量不僅涉及到單一基頻分量，同時還涉及到負序分量、高次諧波等，而且對于三相交流電而言，所涉參量皆為復數，兼具方向與幅值的改變，若要對其進行直接實時性監(jiān)測，難度較高，若是對干擾的基頻信號進行去除，那么可以更好的對液壓系統(tǒng)、電機的狀態(tài)進行衡量，為此，還需要對該電機的電流與電壓信號通過相關算法，對其中的基頻分量進行快速的提取。

1.2 基頻電參量的快速提取算法

(1)Hilbert變換性質與定義任一持續(xù)時間信號f(t)，Hilbert變換fh(t)為：

(1)

將它變換成：

定義信號f(t)的解析信號可以用公式表示為：

z(t)=f(t)+jfh(t)=a(t)ejθ(t)

(2)

其幅值以及相位分別表示為：

(3)

ω所代表的定義信號瞬時頻率是：

ω=dθ/dt

(4)

(5)

因此：

(6)

(2)離散電參量基頻實時提取，借助于對稱分量法，當電機中性點沒有接地前提下，得到的電壓信號僅有負序與正序分量，不存在著零序分量。電參量借助于低通濾波(同階次)處理后，就能將其轉變成兩相靜止坐標系環(huán)境中，利用Hilbert變換，再借助于三角函數關系，將負、正頻率進行相移，就能獲取對應的負、正序電壓，接著再重新變換至三相坐標系，就能得到三相的負、正序電壓分量[6-8]。電流信號的分量相較于電壓信號更為復雜，為此，可以將提取出來的正序電壓，對同步坐標變換矩陣加以優(yōu)化，同樣利用坐標變換法，使得電流信號(三相)轉換成旋轉坐標系，由此就能獲得直流分量，也就是該電流正序分量，接著通過兩次Hilbert變換，就可以對該直流分量進行消除，從而獲得電流信號正序分量(兩相)，隨后再變換至三相坐標系，就能獲取負序電流(三相)，按照同樣的方法，也能獲得負序電流(三相)。

2 運行狀態(tài)識別系統(tǒng)設計

2.1 整體方案

文章設計了電參量信息融合液壓系統(tǒng)運行狀態(tài)識別系統(tǒng)，該系統(tǒng)是由兩部分構成，分別為軟件識別模塊和硬件采集模塊，見圖2。

圖2 基于電參量的液壓運行實時識別系統(tǒng)構成Fig.2 Structure of hydraulic operation real-time recognition system based on electrical parameters

此次選用的硬件采集模塊，能對三相模擬電參量進行動態(tài)、精準的采集，其中涉及的裝置包括電流傳感器、霍爾電壓，可以對該電參量進行獲取，然后利用轉換模塊，將大電流轉變成小電流，同時利用有源濾波模塊，對其中的干擾信號進行濾除。軟件監(jiān)測模塊能動態(tài)監(jiān)測運行狀態(tài)，具體利用LabView(NI公司開發(fā))系統(tǒng)用作開發(fā)環(huán)境，該系統(tǒng)提供了功能較多的前面板[9]，能夠靈活對開發(fā)的系統(tǒng)進行態(tài)勢，另外還有豐富的擴展函數等，能夠提升采集的精準度，并能支持圖形動態(tài)顯示，分析與存儲等。

2.2 系統(tǒng)功能

依據電參量運行狀態(tài)識別原理，識別系統(tǒng)應該滿足如下幾個方面的需求：對數據進行數據庫管理、數據的在線實時處理、離線的數據回放處理以及三相電參量動態(tài)顯示與實時監(jiān)測等。

3 識別系統(tǒng)各模塊實驗結果

3.1 數據實時采集模塊

此模塊核心功能就是對電參量進行動態(tài)展現(xiàn)與采集，該采集面板能夠按照具有需求的差異，開發(fā)出濾波、采樣率、硬件電路數所標定的參數設置功能(4個)，對成功采集的數據，可以支持原始數據、標定真實數據的顯示[10]。在成功完成參量設置后，就能對前面板采集按鈕進行觸發(fā)，具體就是對該六通道電參量，展開動態(tài)采集，為了確保信號具有可靠性，可以選用差分接線模式，可以完成共模電壓的約制，在后面板程序框架中，則利用While循環(huán)，來對數據進行動態(tài)采集，將消息隊列函數用作傳輸中介，從而實現(xiàn)數據緩存，這樣在數據動態(tài)采集之際就能進行處理數據，有效解決數據漏采問題。

3.2 數據實時處理模塊

在此模塊中，通過LabView系統(tǒng)來實現(xiàn)電參量處理的算法，其中就配置了低通濾波技術，利用同階次濾波模塊，使得電參量有著穩(wěn)定性的相位相序；然后借助于公式節(jié)點，完成信號的坐標系變換，在Hilbert標準支持下，就能快速提取電參量的正、負序分量。這樣就能為該監(jiān)測系統(tǒng)的動態(tài)在線分析提供重要的技術支持。

3.3 在線識別模塊

此模塊在對數據處理過程中，可以實現(xiàn)動態(tài)李薩如圖形融合。將電機設置空載狀態(tài)，此時就能相應的電流電壓基頻信號，然后將其視作基準，進一步標定液壓系統(tǒng)不同工況下的電參量，電壓、電流基頻分別為橫、縱坐標，這樣就能得到李薩如圖形(單相與三相)，實現(xiàn)對特征量的提取。利用此圖及其外接矩形面積之比，就能獲得功率因數指標，同時還能對該圖的傾角、面積等參量進行觀察，進一步完成液壓系統(tǒng)諸多狀態(tài)的動態(tài)識別，如識別系統(tǒng)的溢流、過載、沖擊等。

3.4 數據管理模塊

通過 LabVIEW 提供的數據庫接口工具包 Lab-VIEW SQLToolkit 進行訪問數據庫，利用ACCESS 對識別系統(tǒng)的操作人員信息、分析處理后的數據、設備運行的環(huán)境與狀態(tài)參數、原始數據進行同意管理，創(chuàng)造液壓系統(tǒng)工況文檔，方便用戶后期對檔案進行調用[11]。

3.5 離線分析模塊

載入歷史數據及工況比較是離線分析系統(tǒng)所具有的功能: 分析所需的通道數據，設置所需的速率回放實驗數據；比較在不同工況與參數下的實驗數據，分析干擾液壓系統(tǒng)運行的各個因素，后期達到可以對識別系統(tǒng)的運行趨勢與工況提前預判的目的。

3.6 試驗

對此次液壓系統(tǒng)進行試驗知識，運用了多源信息診斷試驗中心，可以對該系統(tǒng)的極限工況進行動態(tài)數據采集，從而分析該系統(tǒng)的準確與穩(wěn)定性。采樣頻率設置為4.096 kHz，電壓幅值最大值設置為10 V，差分接線，采集液壓系統(tǒng)從2 MPa～8 MPa沖擊工況數據，主要是三相電流與電壓信號，然后利用Hilbert變換，對基頻電流的周期改變進行提取，接著和李薩如圖形進行融合，從而對該工況進行描述。由于系統(tǒng)壓力呈現(xiàn)出周期性改變，電流值與負載壓力，也有著規(guī)律性周期性改變[12-14]。該基頻電流信號能對系統(tǒng)負載動態(tài)信息進行展現(xiàn)。對該記錄圖進行觀察，壓力從2 MPa突然上升至8 MPa時，李薩如圖形面積呈現(xiàn)出躍遷式增大現(xiàn)象，從順時針角度，傾角也有了明顯增長。此圖形對電流、電壓基頻信號進行了同時包括，而且集成了諸多系統(tǒng)狀態(tài)。利用連接線標識負載工況的變化，這些連接線主要是通過此圖正半軸頂點逐次連接構成，這樣就能對該系統(tǒng)工況進行全面反映。隨后通過該試驗中心對液壓系統(tǒng)的溢流、減載等工況進行了試驗分析，都能實現(xiàn)精準、實時的監(jiān)測。另外，借助于此技術，還能精準辨識電機故障，不過對整個液壓系統(tǒng)的故障識別，還需要進一步研究[15]。

4 結語

由于電機單相電參量蘊含著豐富的液壓系統(tǒng)工況信息，而且這種信號支持非侵入式測量，容易采集，支持實時分析等。借助于Hilbert變化，可以對該電參量基頻分量進行提取，從而為狀態(tài)動態(tài)識別提供支持。隨后利用LabView平臺，完成液壓系統(tǒng)識別系統(tǒng)開發(fā)，從而支持在線工況識別、功率匹配監(jiān)測等。最后通過試驗中心完成極限工況驗證，發(fā)現(xiàn)此次開發(fā)的技術可以對該液壓系統(tǒng)狀態(tài)進行動態(tài)識別，這意味著此次研究不僅提供了創(chuàng)新的、穩(wěn)定性的識別方法，同時還有助于系統(tǒng)穩(wěn)定、安全運行，在系統(tǒng)故障辨識、功率匹配、節(jié)能控制等方面都有著積極意義。