基于MATLAB的内模控制内燃机故障分析系统

宁皓，朱岩，周建

广西玉柴机器股份有限公司 广西玉林 537000

1 序言

柴油机是用柴油作燃料的内燃机，在运输、发电等领域发挥着重要作用。它主要通过气缸压缩柴油与空气的混合物产生内能，用来带动曲轴等运动件，由此获得强劲的动能。

但内燃机的故障就比较复杂，工作条件恶劣，系统、机构与部件之间相互影响，导致真正的故障原因由于外界因素的干扰而难以确定，给排除故障带来了一定困难。

2 内燃机故障检测方法设计

通过对内燃机故障系统的分析，设计了针对内燃机故障信号消除外界干扰的系统。由于内燃机外界扰动信号是非连续性的信号，硬件选择了数据采集卡和振动传感器。

针对内燃机故障分析，提出基于内模控制的故障分析方法，通过对外界扰动进行过滤，对内模控制器是否可以有效地确认内燃机真实的故障状态进行了验证。

2.1 6123系列某船用发动机的基本构成及故障分析

（1）基本构成 6123系列某船用发动机（见图1）的排放满足非道路T3排放标准和欧洲S3A排放标准，且保留了充足的裕度，动力强，性能好，油耗低，瞬态加载能力好。其中的增压中冷、四气门和电控技术，使得燃烧组织准确、迅速，排放好，瞬态响应性能好，加载能力强。

图1 6123系列某船用发动机

该发动机采用高强度气缸体、合金曲轴、合金钢连杆和内冷油道活塞，使发动机耐用。与同类产品相比，有较轻和较紧凑的结构，使发动机工作平稳、可靠和高效。

（2）主要故障分析 船用柴油发动机是由许多机械零部件、电子元件和气液等流体管路组成的一个十分复杂的机电设备。发动机的每个子系统之间虽然在内燃机工作时相互协调、相互联系，但在这样一个复杂的系统中，其故障原因更错综复杂、无法定量[1]。不同功能的子系统之间，在结构上存在着较大的差异。

内燃机系统在运转时，零部件不断磨损、老化等因素都可能会引起系统结构恶化、功能失调，还会影响到子系统间的关系变化，使系统故障特征的传播不平稳，甚至没有逻辑性，无法控制传播路径等，从而造成原始故障可带动其他的子系统一同产生故障[2]。

内燃机的故障特征主要表现为以下特点。

1）复杂性。由于构成设备的子系统、机构与部件之间的相互关联、相互影响，导致故障原因与故障现象之间关联性复杂，故障现象和故障原因之间的逻辑关系、定量关系和定性关系等错综复杂的联系交织在一起，使得故障诊断颇具复杂性。

2）层次性。即系统的特性，内燃机作为多设备组合而成的机电系统，其结构的层次性从大到小分为系统、子系统……每一个零件。一般来说，在制定故障策略的模型时，都是从大系统开始研究，直至每一个零件，层次从高到低开始拟定，这样随着层次性去查找故障原因会有更高的效率，也便于模拟计算。

3）错综性。故障原因和故障现象之间存在模糊性，内燃机故障诊断中提出的许多概念和使用方法存在错综性。

4）相关性。内燃机系统是由其相互作用、相互影响的子系统组成的复杂整体，发生故障时子系统之间也会相互作用和联系，此时会展现一定的相关性。

根据内燃机故障分析，选择如下一些指标作为故障参数。

1）转速。若内燃机在外部负荷稳定的工况下运行，转速却有较大波动，则主要原因如下：①燃油供给不稳定。若油路中进入了空气或水，输油泵供油不足，以及油中有堵塞物等均会使供油时断时续，造成内燃机转速波动。②燃烧不良。各缸喷油量、供油提前角和压缩压力不一致，会导致燃烧不良。③调速器失常。当调速器各零件卡滞比较严重，以及调速器飞铁与飞铁座磨损很大时，会造成自由晃动量过大，从而引起内燃机转速波动。

2）机油温度。当机油温度超过正常工作温度较大时，会导致润滑条件变差，使运动件摩擦表面温度过高，从而造成严重的机械故障。机油温度偏高主要原因如下：①内燃机长时间超负荷工作，燃烧过程后燃严重，造成机器温度过高。②凡是引起水温过高的原因，也是使油温升高的原因，如水泵的带过松等。③机油冷却器堵塞使机油冷却表面积不足。

判断堵塞方法：可用手摸一下通往散热器的进油管和出油管，若二者温度有差别，则证明散热器工作正常。

3）机油压力。机油压力是各个机械部件保证摩擦表面能够进行正常润滑的必要条件。机油压力不足一般情况有下列可能原因：储油量不足时，机油泵吸入和压出的油量减少，使油压变低；机油过稀时，各组合件的摩擦表面就不能形成一定的油膜，零件润滑不良，机油压力下降。

若机油压力过高，其主要原因如下：①机油黏度大。机油黏度增加而使油压增高。内燃机冷车起动时，由于温度低，机油黏度大，也会出现油压过高，但是随着温度的升高，压力逐渐恢复到正常。②机油油道堵塞。主油道内机油油泥杂质较多造成堵塞，使机油流动阻力加大，油压因而相应升高。③连杆轴承的间隙过小。新装配的内燃机有时会因装配不当而使轴承间隙过小，也会造成机油压力过高的现象。

4）冷却水温度。冷却水温度能反映内燃机负荷状况，温度过高会有如下影响：①水泵水量小或不泵水。②热交换器管道内积有大量水垢。这时不但散热差，而且会使流通的水量减小。③节温器失灵。节温器失灵后，节温器阀门在冷却水温度达到规定值时还不能打开，冷却水不能进行大循环，即水不能到散热器中得到冷却，从而使水温升高。

5）排气温度。可通过排气温度对燃烧状况进行评估。船用内燃机排气温度过高的根本原因是混合气体未能完全燃烧而在排入排气管后继续燃烧。造成内燃机排气温度过高的具体原因如下：①排气门密封不严。由于排气门与气门座密封锥面密封不严或积碳过多，排气门泄漏，所以导致压缩压力降低，从而引起压缩终了温度的降低，使点火延时而产生后燃。②喷油器雾化不良。喷油器雾化不良使燃油在燃烧室内形成混合气体的时间延迟，导致在排气管内产生后燃。

6）进气压力。可通过进气压力对涡轮增压器的状况、进气道状况进行评估，并为燃烧状况的评估提供依据。进气压力下降，严重影响进气量，使燃油不能完全燃烧，导致内燃机功率下降，耗油量增加，排气温度升高。造成进气压力下降的主要原因如下：①空气滤清器滤芯堵塞，使进气阻力增加，压气机吸气量不足，导致进气压力下降，此时应更换空气滤芯。②排气管变形或排气消声器堵塞，致使涡轮排气不畅，排气阻力增大，废气在涡轮中的膨胀受到抑制，涡轮功率降低，增压器转速下降、进气压力降低。

（3）内模控制故障系统分析 内模控制（Internal Model Control，简称IMC）思路的实质是把内部模型和实际被控对象实现并联并组合起来的结构，控制器选取模型的动态逆，把输入约束和鲁棒性暂时移出考虑范围外的条件下，让闭环系统的性能尽可能地得到满足，再使用低通滤波器提升系统的鲁棒性，从而减少外界扰动所造成的不利影响，提升一定的适应性[3]。

内模控制的结构原理如图2所示。图中，Gp（s）表示控制对象为内燃机，（s）为对象模型，R（s）为设定值，Ym（s）为控制器输出的控制量，Y（s）为控制系统输出，D（s）为发动机外界扰动信号。

图2 内模控制结构原理

由图2不难看出，内模控制的核心内容分为以下3部分：①内部模型，即被控对象的内部模型，用来预测被控对象的输出。②内模控制器，可不断改变和调整输出值，让设定值成为输出值的追踪目标。③滤波器，在外界扰动信号通过滤波器时对外界的干扰进行过滤。

由于内燃机是一种多振源、宽频带和振动形态复杂的大型机械，其外界扰动信号呈现非平稳时变特征，噪声干扰大，故障信号往往被淹没在干扰噪声中，因此可以通过控制算法，最大限度地消除外界干扰，从而输出正确的内燃机故障信号[4]。

利用内模控制特性进行处理。内模控制的设计思路是：需要设计一个理想的稳定控制器，并在理想的控制下开始准备工作，通过引入过滤器用来调整参数和结构。先不考虑鲁棒性，由此设计出符合实际条件的控制器。

可以看出，控制系统中有两个输入：设定值输入R（s）和扰动信号输入D（s）（设该输入不可测）。下面分两种情况讨论施加不同的输入时系统输出的情况。

1）当R（s）=0，D（s）≠0时，若该模型不变，即（s）=Gp（s），此时（s）=D（s）。由于设定此时R（s）=0，由图2可得

若模型可导，即可实现，则

将式（2）代入式（1）得

由式（3）可以得出结论：当R（s）=0，D（s）≠0，以及模型准确且可导的情况下，本控制器是可以对外界扰动有很好抑制作用的理想控制器。

2）当R（s）≠0，D（s）=0，以及模型准确且可导时，由于D（s）=0，则可知=0，由图2可得

式（4）表明：在R（s）≠0，D（s）=0，以及模型准确且可导时，本控制器是Y（s）能对R（s）的变化进行跟踪的理想控制器。

由式（4）得，内模控制存在以下关系

如果模型准确时，式（5）可以化简为

外界扰动信号为

通过上述分析可知，该模型的输出与过程的输出相等，即可确定外界扰动信号D（s）=0。故存在给定输入的情况下，内模控制系统具有开环结构。在实际作业过程控制中，减少甚至消除外界干扰是所有控制系统的核心。图2中外界扰动信号D（s）可以反映外界扰动对内燃机故障信号输出的影响，由此构成了闭环的控制结构，通过控制器的控制算法，最大限度地消除外界干扰，保证内燃机故障信号输出[5]。

该发动机故障分析系统的原理是安装在发动机上的传感器将振动信号转化为电信号，传输到数据采集模块，经过处理后的信号输送到变送器，再检测工艺参数，并将测量值以特定的信号形式传送出去，以便控制室进行显示、调节[6]。本文设计的发动机故障分析系统如图3所示。

图3 发动机故障分析系统

2.2 故障分析系统的硬件组成

如上所述，发动机故障分析装置是安装在发动机上的振动传感器。检测装置中的核心器件为振动传感器，它可以将测量到的发动机振动信号转换，按一定规律变换成电信号或其他所需的形式便于直观展现和容易处理的信号。

（1）振动传感器 在工程振动测试领域中，测试手段与方法多种多样，但是按各种参数的测量方法及测量过程的物理性质来分，可以分成3类。

1）机械式。先将工程振动的参量转换成机械信号，再经机械系统放大后，进行测量、记录。常用的仪器有杠杆式测振仪和盖格尔测振仪，其能测量的频率很低，精度也较差。

2）光学式。先将工程振动的参量转换为光学信号，再经光学系统放大后显示和记录，如激光测振仪等。

3）电测式。本文采用的振动传感器如图4所示。先将工程振动的输入信号转变成电信号，再经现场的信号传输线路放大后进行显示和记录。电测法的要点是先将机械振动量转换为电量（电动势、电荷等），然后对电量进行分析，从而得到所要测量信号的分析。

图4 振动传感器

（2）数据采集模块 数据采集卡可以将电压信号通过抗干扰能力较强的双绞线传输到控制室的软件里，进行显示、调节。本文采用PCI-2250系列数据采集卡，如图5所示。

图5 PCI-2250系列数据采集卡

3 基于MATLAB的数据分析与处理

MATLAB是美国MathWorks公司出品的高级数学软件，多数用于数据分析、信号处理、机器人及控制系统等领域。

MATLAB是Matrix&Laboratory两个词的组合，意为矩阵工厂（矩阵实验室），它将数据分析、矩阵计算、科学数据可视化及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为工程设计及必须进行的有效数值计算提供了一种全面的解决方案。

3.1 数据采集模块与变送器

（1）数据采集模块 数据采集的工作其实就是将各种物理量或者化学量等模拟信号，通过各种传感器件转化为电信号，并对转化出的电信号进行数据处理、采样、量化和编码，转化成计算机便于识别的数字信号。

数据采集模块的评价标准可以看其采样率，也叫做采样频率，即单位时间内从连续信号中提取并组成离散信号的采样个数，单位用赫兹（Hz）来表示。通俗地讲，采样频率是指计算机单位时间内能够采集多少个信号样本。

连续信号在时间或空间上以某种方式变化着，而采样过程则是在时间或空间上，以T为单位间隔来测量连续信号的值（T称为采样间隔）。通常他们的采样间隔都很小，一般为毫秒、微秒的量级。采样过程产生一系列的数字，称为采集样本。采集样本承载着原来的信号。每一个样本都对应着测量这一样本的特定时间点，而采样间隔的倒数，1/T即为采样频率。

（2）变送器 变送器由传感器进一步发展而来，传感器输出标准信号。由于直流信号具有不受线路中电感、电容及负载性质的影响，不存在相移问题等优点，所以国际电工委员会规定：将电流信号 4～20mA（DC）和电压信号 1～5V（DC）确定为过程控制系统中模拟信号的统一标准。

变送器是基于负反馈原理工作的，它主要由测量部分、放大器和反馈部分组成。

测量部分用于检测被测变量x，并将其转换成能被放大器接受的输入信号Zi（电压、电流、位移、作用力或力矩等信号）。反馈部分则把变送器的输出信号y1转换成反馈信号Zf，再回送至输入端。Zi与调零信号Zo的代数和同反馈信号Zf进行比较，其差值ε送入放大器进行放大，并转换成标准输出信号y2。

3.2 控制室程序

控制室程序设计的过程中，MATLAB准备了专门的程序编辑器，可以根据试验环境和试验要求，对各功能参数进行调整和设计。功能齐全，条件完备，能更好地进行模拟试验。

在发动机上进行试验时，可通过信号的处理，使得发动机的故障反馈更加精准。找到更准确的故障问题就能进行更具体、更针对的解决方案筹划，寻找准确的故障源，并着手解决。

4 结束语

通过建立故障分析系统，将各种干扰通过控制器进行滤波，从而得到真正的故障原因，并将故障排除。在对内燃机进行开发时，这套系统能够提高确定故障的准确性，可减少故障原因不明而导致的成本与时间的浪费，降低了内燃机的开发成本。