航空发动机转子非稳态振动分量提取方法

对发动机转子振动状态进行监测是提高发动机可靠性的重要方法之一。然而在实际运行与振动监测过程中发现,发动机转速变化快且转子振动分量微弱,其转子谐频振动分量难以实时跟踪提取。为解决这一问题,提出了基于稀疏谐波乘积谱及自适应Vold-Kalman滤波的航空发动机转子振动分量提取方法。首先,分析了发动机机匣信号特性,通过机匣信号中叶片通过频率与转频的谐波关系,结合谐波乘积谱的思路,提出了一种快速计算发动机转频的方法,该方法无需准确的键相信息。其次,使用变步长迭代的方法最小化阶次谱残余误差,确定Vold-Kalman滤波器的最佳滤波参数,从而实现发动机转子谐频振动分量的准确提取。通过仿真数据验证了本方法在较大的噪声下仍能够很好地提取出机匣信号中微弱的转子振动分量,并与多种经典信号分解方法进行了对比。最后,对实际发动机信号进一步分析,针对发动机启停、加减速状态2种典型非稳态工况进行了计算并验证,证明了所提方法的优越性。     

裂纹转子非线性振动特征的谐波小波与分形识别

通过对谐波小波的分析研究,指出了谐波小波对振动信号局部频段分析的优良特性。采用谐波小波对裂纹转子的非线性振动信号在低频段进行了分析。理论分析与实验结果表明:对实际裂纹转子信号,经谐波小波的频段分析后,能够得到通常难以由理论分析与实验结果获得的非整数倍周期分叉的非线性特征频谱。计算了裂纹转子的分形维数,发现裂纹转子的振动信号比理论结果要复杂、可以用多重分形作为判断实际转子是否有裂纹的一个特征。提出了用谐波小波变换后的奇异谱来识别裂纹转子非整数倍周期分叉的非线性特征频谱的方法,并对实际转子信号进行分析,得到了明显的非整数倍周期分叉的奇异谱。      

基于SSD-HT时频阶比跟踪的变转速转子故障诊断

为解决变转速工况下转子故障特征难以提取的问题,提出一种基于SSD-HT时频阶比跟踪的转子故障诊断方法。应用一种新的信号分解方法—奇异谱分解对转子故障振动信号进行分解,得到包含故障特征信息的奇异谱分量。运用希尔伯特变换计算各个有效奇异谱分量的瞬时频率,获取故障信号的时频分布。根据时频分布中的转频信息对原始振动信号进行阶比跟踪分析,提取直观的阶次特征。仿真分析与实验分析结果表明,在无转速测量装置条件下,所述方法可准确判别变转速工况的转子故障模式,相对于传统分析方法表现出一定的先进性。     

非线性谐波法在叶轮机械非定常计算中的应用

非线性谐波法(NLH)进行叶轮机械非定常计算,具有占用资源少、计算时间短等优点,本文探讨了该方法在叶轮机械三维瞬态非定常流场计算中的应用。采用非线性谐波法和传统双时间步法对跨风速风扇和液力涡轮分别进行非定常计算分析。分析表明,在相同计算机硬件条件下,两种方法达到相同的计算精度,非线性谐波法可节省40%的计算时间。探讨了关键参数谐波阶次对计算精度的影响,结果表明,对于高雷诺数进口条件下的跨风速风扇采用三阶谐波逼近即可达到与传统双时间步法相当的计算精度;对于低雷诺数进口条件下的不可压缩液力涡轮,采用二阶谐波逼近即可达到与双时间步法相当的计算精度。     

非线性谐波法在对转压气机中的校检分析

以双级对转压气机为研究对象,对新型非定常模拟方法——非线性谐波(NLH)法进行了不同阶数下的校检,并与常规非定常模拟方法在宏观性能指标和微观流场结构上进行对比,分析了对转压气机转子独特的动-动干涉现象.研究结果表明:非线性谐波方法可在时均框架内有效计及非定常现象,对于该对转压气机,3阶谐波已能在计算成本和计算精度间获得最佳折衷,具备良好的工程应用前景.      

常开空心轴裂纹转子系统的动力学特性

研究了常开空心轴裂纹转子系统的动力学特性.考虑裂纹单元截面中性轴的时变特性,推导了裂纹转子的刚度矩阵,考虑重力及不平衡激励,采用有限元法建立了常开空心轴裂纹转子系统的动力学方程.采用谐波平衡法对方程进行求解,给出了不同裂纹深度下的三维幅频图,表明在临界转速和亚临界转速处均有峰值出现;分析了裂纹深度、裂纹位置对该系统的临界转速的影响,表明位于跨中靠近惯性量较大圆盘的深裂纹对常开空心轴裂纹转子系统的影响大,临界转速下降快;计算了该系统在亚临界转速时的非线性振动响应,结果表明:亚临界转速下常开空心轴裂纹转子系统会发生超谐共振现象.所提出的空心轴裂纹的建模方法为航空发动机转子系统裂纹故障的非线性动力学分析提供了理论指导.      

一种永磁同步电机谐波抑制的工程化方法

提出了一种抑制永磁同步电机电流谐波的工程化方法。对相电流谐波进行坐标变换和低通滤波,提取出其中5次、7次谐波的直流分量,求解高次谐波稳态电压方程,再通过坐标反变换计算出电压谐波补偿量,最后注入PARK逆变换输出电压中作为SVPWM计算单元输入,可以抑制相电流中的5次、7次谐波。试验结果证明所提工程化方法是可行和有效的。     

四阶累积量MUSIC算法及其在谐波提取中的应用

MUSIC方法具有很好的分辨性能,而四阶累积量具有良好的盲噪声特性,将四阶累积量与MUSIC方法相结合,将能够很好的应用于诸如动态目标回波谐波特征等微弱信号的提取.文中简要说明了四阶累积量MUSIC算法的构造方法,以及为了降低算法的估计方差而进行的Toeplitz化预处理方法,详细讨论了谐波个数与谐波振幅对算法分辨性能的影响,认为对于有限的采样数,在一定的信噪比下,谐波数目和谐波振幅对算法的性能存在着一定的影响.文中应用四阶累积量MUSIC算法对某运动目标的实测回波进行计算,得到了目标回波真实的谐波构造特征,计算结果与目标的运动特性一致.     

转子振动故障的过程功率谱熵特征分析与定量诊断

针对传统旋转机械振动故障定性诊断的不足,提出了1种以信息熵理论为基础的转子故障特征分析与定量诊断方法。在转子试验台上模拟转子振动的4种典型故障,分别得到4个测点多转速下的振动过程故障数据;对这些故障数据进行分析和处理,提取反映其振动过程的故障特征——功率谱信息熵,建立能描述转子振动过程变化规律的多转速多测点下的故障信息熵矩阵,并对振动故障进行分析;通过对转子振动故障信号的实例计算和定量诊断分析,验证了该方法在转子振动故障分类和故障严重程度判断方面是可行的。     

用于压气机流动计算的3种模型比较

为了更好地对压气机流动进行模拟，在课题组自行开发的结构化有限体积解算器上实现了用于压气机流场计算的混合平面法、谐波平衡法及相滞后法.以NASA Stage 35为例，对3种方法的计算结果进行了比较分析.结果表明:相滞后法的计算精度最高，混合平面法的计算精度最低；相滞后法与半环的双时间推进法结果相近，计算速度提高了20倍；相比混合平面法，谐波平衡法能准确地模拟动静叶间的非定常干涉及进出口参数变化；在谐波阶数达到5阶后，谐波平衡法计算得到的结果不随阶数变化，且与相滞后法的结果基本吻合；混合平面法的计算效率远高于另外两种方法，相滞后法与谐波平衡法在谐波阶数为5阶时的计算效率相当.      

基于形态分量分析与阶次跟踪的齿轮箱复合故障诊断方法

针对变转速下齿轮箱复合故障的故障特征提取,提出了基于形态分量分析与阶次跟踪的齿轮箱复合故障诊断方法.该方法根据齿轮箱复合故障振动信号中齿轮和滚动轴承故障成分的形态差异性,先用形态分量分析将其分解为包含齿轮局部故障信息的谐振分量、包含滚动轴承局部故障信息的冲击分量和随机噪声分量,再根据实测转速信号分别对谐振分量和冲击分量进行包络阶次分析,根据各包络阶次谱诊断齿轮箱复合故障.算法仿真和应用实例表明:该方法能有效分离变转速下齿轮和滚动轴承的故障特征,且其故障特征提取效果要优于传统的包络阶次谱方法.      

感应电机全阶状态观测器及其无源性转速控制

为了实现感应电机的高动态调速性能,针对电机的非线性本质,提出了一种基于全阶状态观测器及其转速自适应估算的感应电机无源性转速控制方案。在基于感应电机无源性与稳定性分析的基础上,设计了渐近稳定转矩跟踪无源性控制器。针对无源控制律所需转子电流难以观测的问题,提出了一种旋转坐标系下以转子电流和转子磁链为状态变量的全阶状态观测器,并应用该观测器对转速进行估算,实现了感应电机无速度传感器的无源性转速控制。仿真结果表明该控制方法易于实现,采用全阶观测器观测转子电流值和估算转速值更为准确,显著提高了感应电机的动静态性能。     

同步磁阻电机直接转矩控制系统研究

鉴于矢量控制对电机参数依赖性强的问题,借鉴现有永磁同步电机数学模型及其直接转矩控制的相关理论,分析同步磁阻电机的数学模型,提出了同步磁阻电机的直接转矩控制方法,包括空间电压矢量的计算、磁链和转矩的滞环控制等;并基于位置信息的估算,设计了速度的闭环控制器。构建了系统的仿真模型,并对电机的稳态和动态性能进行了仿真分析。由仿真结果可知,所提方法设计的系统能够在较宽的转速范围内变速运行。     

基于Lyapunov函数的永磁同步电机速度控制器设计

传统的PI 速度控制器具有速度超调、动态时间长、跟踪精度低、抗负载转矩扰动能力和恢复能力差等缺点。提出了利用永磁同步电机(PMSM)的运动方程和转矩方程推导出控制系统q轴电流给定量,基于Lyapunov稳定性条件设计出的一种PMSM速度控制器。相比于传统的PI速度控制器,该控制器没有速度超调量、动态时间短、跟踪精度高,抗负载扰动能力和恢复能力有一定的提高。利用 MATLAB/Simulink仿真软件,搭建控制系统模型并进行仿真分析。仿真验证了提出的PMSM速度控制器的有效性,获得了很好的速度控制性能。     

适用于非周期流固耦合问题的时间谱方法

针对非定常流固耦合设计、分析问题所面临的计算效率与精度、鲁棒性之间的矛盾,采取将Chebyshev谱方法与基于非定常面元和几何非线性梁有限元模型的流固耦合分析方法相结合的方式,建立了针对大展弦比机翼非定常流固耦合优化设计问题的,可与伴随方法相结合的时间谱方法。Chebyshev谱方法直接对流固耦合的控制方程进行处理,利用Chebyshev算子替换系统状态变量,将非定常问题转化为Chebyshev控制点处耦合的定常问题。通过这种方式建立的流固耦合时间谱方法具有较高的计算精度、效率和足够的鲁棒性。验证算例及Goland机翼颤振速度计算实例表明,Chebyshev谱方法的计算精度随着Chebyshev控制点个数的增加而不断增大。只需选取较少的控制点,Chebyshev谱方法便可以达到满足精度要求的计算结果。与此同时,建立的流固耦合时间谱方法不仅适用于周期性非定常问题还适用于非周期性非定常问题。     

基于DSP的航空发动机转速传感器设计

提出了一种基于TMS320 LF2407A DSP的航空发动机智能转速传感器。设计了转速信号处理电路、显示电路、数字信号处理(DSP)与控制器局域网(CAN)总线接口电路和电源电路。提出采用动态分频技术的转速测量方法，并分析了其在2407A DSP上的实现，提高了转速测量的精度。实验结果表明该智能转速传感器功能强大、实时性好、精度可达0．01％，可应用于航空发动机分布式控制系统中。     

永磁同步电机无位置估计误差的滑模观测器无速度传感器控制方法

传统滑模观测器(SMO)无速度传感器控制方法在电机的运行速度出现较大变化时,对位置的估计会出现稳态误差。为了消除位置的估计误差,提出了一种带有反动电势修正的SMO无速度传感器控制方法。反电动势的修正律基于永磁同步电机(PMSM)的dq轴电流模型。即使电机运行在速度大幅波动的情况下,也能保持位置估计误差为零,且该方法计算增量较小,易于实现。将所提出的方法在1台1.5 kW的PMSM上进行了仿真和试验,结果验证了位置估计误差能有效地收敛至零。     

基于级联型逆变器的感应电机无速度传感器矢量控制

针对采用级联型逆变器的感应电机矢量控制系统,提出了基于反电动势的转速辨识方法。该方法以反电动势作为系统模型输出来构造模型参考自适应系统(MRAS)。MRAS采用参考模型和可调模型并联型结构实现转速辨识,消除了纯积分环节带来的问题。将所提方法应用于感应电机矢量控制系统并通过仿真和试验得以实现。仿真和试验结果表明,该方法易于实现,能够准确估计电机的转速。     

Resolution of signal sources via spectral moment estimation

In different practical situations it is desired to estimate the number of signal sources and their positions in space or in frequency domain. The first problem is known as the detection or the order estimation and the second one as the resolution. For the resolution problem techniques such as nonlinear least squares (NLSM), high-order Yule-Walker method (HOYW), multiple signal classification (MUSIC), Pisarenko harmonic retrieval method, min-norm method, estimation of signal parameters by rotational invariance technique (ESPRIT), were proposed (Marple, 1987 and Stoica and Moses, 1997). All these high-resolution methods are based on the analysis of the signal covariance matrix. But the covariance matrix is not the only choice to represent the signal spectrum. In different applications (weather radars, synthetic aperture radar (SAR) signal processing, ultrasound imaging in medicine, atmospheric turbulence measurements) the signal spectrum can be modeled through its algebraic moments. Recently a number of efficient nonparametric methods have been proposed to estimate the algebraic spectral moments (Monakov, 1999). The presented paper is an attempt to solve the direction of arrival (DOA) problem via estimation of the algebraic spectral moments. A method proposed in the article is comparable in its accuracy with the MUSIC method. At the same time its computational burden is much lower. The method permits to estimate the signal power of sources easily to complete the full spectral line analysis. Additionally the method shows good robustness in situations when signal sources have noticeable spatial extend     

基于模糊自适应扩展卡尔曼滤波器的异步电动机无速度传感器控制

针对传统扩展卡尔曼滤波器(EKF)固定的噪声协方差矩阵在观测感应电动机转速时不能同时满足系统动态和静态下精确估计的问题,提出了一种模糊自适应调整噪声协方差的方法。该方法可以根据状态鉴别器输出状态,经模糊自适应调整噪声协方差矩阵参数,解决了系统在动态和静态时对噪声协方差矩阵中不同参数需求的问题。仿真表明所提模糊自适应EKF转速估计精度更高,有效地提高了系统的抗干扰能力。