电参量信息融合液压系统运行状态识别技术探究

王彦军

(榆林学院 能源工程学院，陕西 榆林 719000)

液压传动已经成为当前十分重要的传动模式，在冶金、工程建设等诸多领域获得颇为广泛的运用，而且在自动化水平日益提升下，液压装配的信息与结构传递过程呈现出显著的复杂性，而且逐步升级为机电液综合体，而且自动化系统也具有高度的集成性。在此背景下，对其故障进行识别与预防，就成为重要的技术难题。传统对液压系统状态进行监测，主要是利用压力、振动信号、流量等参数，对运行状态展开动态评价。然而这些参数需要通过侵入式才能获取较为准确的数据，这就造成较高的测量成本，而且相关参量较难获取，容易受到各种外部要素的干扰，而且部分参量还具有非平稳性，为精准的评价系统状态带来较多的难题。文章提出的监测技术则是以电参量为基础，从而对该系统的状态进行实时监测，在此过程中，还对提取离散电参量的基频算法进行了分析，然后立足于动力源三相电的动态获取，使得成功对该液压系统状态展开动态在线识别，并对冲击工况这个极限环境进行验证分析，得出此次技术具有实用与可靠性。

1 基于电参量的液压系统运行状态识别技术

1.1 电参量融合运行状态识别技术

基于电机的液压系统，其中不同子系统模块相互之间存在着能量的传递，因为电机转子存在着对应的耦合效应，有关设计局限性、载荷动态改变、液压设备状态等信息就能利用流体和机械的参数最终耦合至三相电参量之中，这样就可以对电参量进行深入分析，从而提取衡量液压系统状态方面的信息[1]。图1为液压系统识别原理。

图1 基于电参量信息融合的液压系统识别原理Fig.1 Recognition principle of hydraulic system based on electrical parameter information fusion

在液压系统中，电参量主要涉及到电机三相电压、电流基频信号幅值、相位等信息，通过对这些信息进行科学的提取，就能获得电机、液压系统状态。为此，提取这些参量信息，然后再借助于融合技术，使之构成三相与单相李萨如图形，进而获取该图形的面积，以及它外接矩形面积、倾角方向等。该图的面积可以衡量出电机的有功功率，而外接的矩形面积就能衡量电机视在功率，通过它们就能进一步算出功率因数，进而衡量出电机与液压系统在功率上的匹配水平；通过单相李萨如图形中的面积，就能对系统负载功率情况进行衡量；而且该图对应的特征量，能够对液压系统几种具有典型的工况展开直观性的监测，譬如系统过载、加载、溢流等[2-5]。电参量不仅涉及到单一基频分量，同时还涉及到负序分量、高次谐波等，而且对于三相交流电而言，所涉参量皆为复数，兼具方向与幅值的改变，若要对其进行直接实时性监测，难度较高，若是对干扰的基频信号进行去除，那么可以更好的对液压系统、电机的状态进行衡量，为此，还需要对该电机的电流与电压信号通过相关算法，对其中的基频分量进行快速的提取。

1.2 基频电参量的快速提取算法

(1)Hilbert变换性质与定义任一持续时间信号f(t)，Hilbert变换fh(t)为：

(1)

将它变换成：

定义信号f(t)的解析信号可以用公式表示为：

z(t)=f(t)+jfh(t)=a(t)ejθ(t)

(2)

其幅值以及相位分别表示为：

(3)

ω所代表的定义信号瞬时频率是：

ω=dθ/dt

(4)

(5)

因此：

(6)

(2)离散电参量基频实时提取，借助于对称分量法，当电机中性点没有接地前提下，得到的电压信号仅有负序与正序分量，不存在着零序分量。电参量借助于低通滤波(同阶次)处理后，就能将其转变成两相静止坐标系环境中，利用Hilbert变换，再借助于三角函数关系，将负、正频率进行相移，就能获取对应的负、正序电压，接着再重新变换至三相坐标系，就能得到三相的负、正序电压分量[6-8]。电流信号的分量相较于电压信号更为复杂，为此，可以将提取出来的正序电压，对同步坐标变换矩阵加以优化，同样利用坐标变换法，使得电流信号(三相)转换成旋转坐标系，由此就能获得直流分量，也就是该电流正序分量，接着通过两次Hilbert变换，就可以对该直流分量进行消除，从而获得电流信号正序分量(两相)，随后再变换至三相坐标系，就能获取负序电流(三相)，按照同样的方法，也能获得负序电流(三相)。

2 运行状态识别系统设计

2.1 整体方案

文章设计了电参量信息融合液压系统运行状态识别系统，该系统是由两部分构成，分别为软件识别模块和硬件采集模块，见图2。

图2 基于电参量的液压运行实时识别系统构成Fig.2 Structure of hydraulic operation real-time recognition system based on electrical parameters

此次选用的硬件采集模块，能对三相模拟电参量进行动态、精准的采集，其中涉及的装置包括电流传感器、霍尔电压，可以对该电参量进行获取，然后利用转换模块，将大电流转变成小电流，同时利用有源滤波模块，对其中的干扰信号进行滤除。软件监测模块能动态监测运行状态，具体利用LabView(NI公司开发)系统用作开发环境，该系统提供了功能较多的前面板[9]，能够灵活对开发的系统进行态势，另外还有丰富的扩展函数等，能够提升采集的精准度，并能支持图形动态显示，分析与存储等。

2.2 系统功能

依据电参量运行状态识别原理，识别系统应该满足如下几个方面的需求：对数据进行数据库管理、数据的在线实时处理、离线的数据回放处理以及三相电参量动态显示与实时监测等。

3 识别系统各模块实验结果

3.1 数据实时采集模块

此模块核心功能就是对电参量进行动态展现与采集，该采集面板能够按照具有需求的差异，开发出滤波、采样率、硬件电路数所标定的参数设置功能(4个)，对成功采集的数据，可以支持原始数据、标定真实数据的显示[10]。在成功完成参量设置后，就能对前面板采集按钮进行触发，具体就是对该六通道电参量，展开动态采集，为了确保信号具有可靠性，可以选用差分接线模式，可以完成共模电压的约制，在后面板程序框架中，则利用While循环，来对数据进行动态采集，将消息队列函数用作传输中介，从而实现数据缓存，这样在数据动态采集之际就能进行处理数据，有效解决数据漏采问题。

3.2 数据实时处理模块

在此模块中，通过LabView系统来实现电参量处理的算法，其中就配置了低通滤波技术，利用同阶次滤波模块，使得电参量有着稳定性的相位相序；然后借助于公式节点，完成信号的坐标系变换，在Hilbert标准支持下，就能快速提取电参量的正、负序分量。这样就能为该监测系统的动态在线分析提供重要的技术支持。

3.3 在线识别模块

此模块在对数据处理过程中，可以实现动态李萨如图形融合。将电机设置空载状态，此时就能相应的电流电压基频信号，然后将其视作基准，进一步标定液压系统不同工况下的电参量，电压、电流基频分别为横、纵坐标，这样就能得到李萨如图形(单相与三相)，实现对特征量的提取。利用此图及其外接矩形面积之比，就能获得功率因数指标，同时还能对该图的倾角、面积等参量进行观察，进一步完成液压系统诸多状态的动态识别，如识别系统的溢流、过载、冲击等。

3.4 数据管理模块

通过 LabVIEW 提供的数据库接口工具包 Lab-VIEW SQLToolkit 进行访问数据库，利用ACCESS 对识别系统的操作人员信息、分析处理后的数据、设备运行的环境与状态参数、原始数据进行同意管理，创造液压系统工况文档，方便用户后期对档案进行调用[11]。

3.5 离线分析模块

载入历史数据及工况比较是离线分析系统所具有的功能: 分析所需的通道数据，设置所需的速率回放实验数据；比较在不同工况与参数下的实验数据，分析干扰液压系统运行的各个因素，后期达到可以对识别系统的运行趋势与工况提前预判的目的。

3.6 试验

对此次液压系统进行试验知识，运用了多源信息诊断试验中心，可以对该系统的极限工况进行动态数据采集，从而分析该系统的准确与稳定性。采样频率设置为4.096 kHz，电压幅值最大值设置为10 V，差分接线，采集液压系统从2 MPa～8 MPa冲击工况数据，主要是三相电流与电压信号，然后利用Hilbert变换，对基频电流的周期改变进行提取，接着和李萨如图形进行融合，从而对该工况进行描述。由于系统压力呈现出周期性改变，电流值与负载压力，也有着规律性周期性改变[12-14]。该基频电流信号能对系统负载动态信息进行展现。对该记录图进行观察，压力从2 MPa突然上升至8 MPa时，李萨如图形面积呈现出跃迁式增大现象，从顺时针角度，倾角也有了明显增长。此图形对电流、电压基频信号进行了同时包括，而且集成了诸多系统状态。利用连接线标识负载工况的变化，这些连接线主要是通过此图正半轴顶点逐次连接构成，这样就能对该系统工况进行全面反映。随后通过该试验中心对液压系统的溢流、减载等工况进行了试验分析，都能实现精准、实时的监测。另外，借助于此技术，还能精准辨识电机故障，不过对整个液压系统的故障识别，还需要进一步研究[15]。

4 结语

由于电机单相电参量蕴含着丰富的液压系统工况信息，而且这种信号支持非侵入式测量，容易采集，支持实时分析等。借助于Hilbert变化，可以对该电参量基频分量进行提取，从而为状态动态识别提供支持。随后利用LabView平台，完成液压系统识别系统开发，从而支持在线工况识别、功率匹配监测等。最后通过试验中心完成极限工况验证，发现此次开发的技术可以对该液压系统状态进行动态识别，这意味着此次研究不仅提供了创新的、稳定性的识别方法，同时还有助于系统稳定、安全运行，在系统故障辨识、功率匹配、节能控制等方面都有着积极意义。