文档介绍：基于波形的汽车信号诊断及机械研究
郭红,,,,电机与电子工程师联合会成员
摘要
在本文中,我们描述了一个智能信号分析系统,该系统在汽车发动机故障诊断的解决方案中采用的是小波变换。汽车发动机诊断往往涉及多个信号的分析。首先,这个先进的系统将引导信号分成许多小片段,每个片段代表一个物理事件,它是基于小波变换的多分辨率信号分析。接着,这个系统把主要信号的分区结果应用到其他信号,其中每个分区的包括信号间关系的各种详细属性,都被提取了出来,而后形成一个特征向量。最后,模糊智能系统向一个包含从各种车辆状态的信号段中,提取特征向量及训练集合学习诊断特性。模糊系统按其诊断理论,把信号按照异常或正常进行分类。在本文中,该系统的实施被描述了出来,并且实验结果也呈现出来了。
1介绍
随着电子元件和车载电脑可靠性的提高,当今汽车变得越来越复杂。其结果是,这些车辆的故障诊断随着零部件和控制器之间的相互作用越来越复杂,变得越来越具有挑战性,并且有时是以人们不了解的方式出现。相应地,汽车故障诊断特别是非常规故障工作,变得更加困难。技术人员甚至经常无法查明造成故障的根源,只是更换了自认为出了问题的部件,寄希望于这些部件是问题的根源所在。这一“扔掉汽车部件”的方式提高了汽车制造商的保修成本,并会导致顾客不满意。因此,汽车制造商认为有必要开发一种新型的电子诊断技术,帮助人们迅速找到导致车辆故障的根本原因。
在20世纪80年代,发动机电子控制技术的快速引进,使汽车发动机的性能大大提高。另一方面,这样也使发动机诊断成为车辆诊断中最困难的部分。汽车诊断技术,可以分为三大类:
1) 车载诊断软件和自检过程。电子控制单元(ECU)软件可合并自检过程,在检测到故障时可以存储故障代码。
2)使用板外的诊断工具。当检查车辆获取诊断数据时,扫描仪或扫描工具可以连接到主板上的电脑诊断终端。这些工具可以简单地收集故障码供ECU自检,也可以记录从主板上的车辆传感器驱动时的连续输出信号。
3)关闭车载诊断站。这些工具结合从车辆ECU和传感器下载数据,离板诊断在车辆上所使用的复杂传感器。同样,这项技术剩下的全部任务是解释数据。
车载诊断有几个限制。首先,软件必须结合车辆具体的硬件,这意味着不同的车辆不能共享相同的软件或诊断方法。第二,所提供的错误代码的主板上的软件不,能提供足够的细节允许进行故障诊断。第三,知识存储在系统中是固定的,除非制造商更新它昂贵的配件。最后,由于在车辆上计算资源是有限的(较慢的处理器,较少的信息的存储空间),这是很难做到的仅仅去限制检查诊断类型。先进的信号分析技术,如信号转换或机器学习技术是不能应用的。随着CPU和信号处理的快速发展,离板式诊断技术在车载诊断中更有前景。车载电脑和离板式单元之间有数据连接,这也是标准所在的地方(ISO 9141),所以数据可以是先从ECU中收集,之后通过功能强大的计算机进行离线分析。不幸的是,在这个时候,诊断技术远远落后于数据采集技术。
车辆诊断技术可分为两类:基于模型的技术和无模型的技术。基于模型的技术,采用车辆部件的动态数学建模来分析车辆系统的行为。尽管这些模型可用于检查各发动机部件的简单结构,我们带有互动性元件实车没有不准确的模型。无模型系统以知识为基础,结合工程师的专业知识没有关于系统动力学细节的确切信息。这种方法
被采用的理由是:即使在汽车机械和电气动态方面不具有广泛的知识,许多有经验的技术人员仍然可以找到故障。该系统的例子包括策略引擎(HP),测试平台(卡内基组),IDEA(菲亚特研究中心)和MDS(戴姆勒- 奔驰研究)。
信号A
信号B
信号A
信号D
信号B
信号C
图1-1 信号改变图
在本文中,我们描述了一个通过ECU信号分析诊断系统、使用离板和无模型确定故障车辆的状况。然而这里讨论的来自动力总成控制模块(PCM)的信号开发的方法,这个信号系统足够被用来其他多种信号故障诊断问题。
紧耦合的系统,如汽车动力总成,每个组件的输入和输出影响其他大部分系统的组件。例如,驱动程序按节流会导致发动机的气流增加。该PCM改变控制策略,修改供油和火花时序。增加进气量和供油量,提高转速可以显著地改变传输等组件的输出,如交流发电机输出。此外,还有在反馈回路系统中,板载控制器监视其输出的排气质量、齿轮变化和气流变化,进一步修改系统的运行状况,以保持在最佳性能和排气污染降到最低。外部因素如道路阻力系数、道路坡度、车辆的重量、主动配件等提供物理反馈系统进一步改变运行状态。
在我们的系统中,我们依赖动力系统的信号获得到这些物理事件。例如,图1-1展示了一个简化的节气门位置(TP)和每分钟转数(RPM)信号之间的关系。TP突然上升和下降,而RPM模仿这种行为,但更