基于电参量信息融合的液压系统状态识别技术.pdf

第 4 7卷第 2 4期 2 0 1 1 年1 2 月 机械工程学报 J OU『RNAL 0F M ECHANI CAL ENGI NEERI NG V_01 ． 47 De c ． N O ． 2 4 2 0 1 1 DoI 1 O ． 39 01 ／ JM ． 2 01 1 ． 2 4 ． 1 41 基于 电参量信息融合 的液压系统状态识别技术木 谷立臣 刘沛津 陈江城 西安建筑科技大学机械电子技术研究所西安7 1 0 0 5 5 摘要以液压系统运行状态在线监测、故障诊断以及功率优化控制为研究 目标，提出将电动机三相交流电源的电压、电流信 号用李萨如图产生单相及三相信息融合方法。利用机电动力学建立交流电动机驱动液压系统的动态功率平衡方程，分析电、 机、液能量的转换和耦合过程，在此基础上提出用三相电气参量提供的幅值、相位、相间和相序信息绘制单相和三相李萨如 动态图形，由数学分析推导出李萨如图形面积、外接矩形、摆动角度等特征量与交流电功率之间的函数关系，通过计算李萨 如图特征量的变化实现对液压系统运行状态、运行工况以及功率匹配情况进行在线监测，形成基于电参量信息融合的液压系 统运行状态识别技术。研究结果表明，单相李萨如图形面积可线性表示液压系统负载功率的在线状态，其外接矩形面积表示 电源负荷状态，由此构成的功率圆可以在线监测 电动机与液压系统负载工况的功率匹配过程；通过李萨如图形特征可以识别 液压系统加载、减载、冲击、过载、溢流以及储能等典型工况；根据本方法形成的三相李萨如图还可对液压系统的电动机、 机械和液压故障进行分类判别。 关键词 液压系统信 息融合状 态识别 功率匹配 中图分类号T Hl 1 3 T H3 9 S t a t e Re c o g n i t i o n T e c h n i qu e o f Hy dr a u l i c S y s t e m Ba s e d o n El e c t r i c a l Pa r a m e t e r s I n f o r m a t i o n Fu s i o n G U L i c h e n L I U P e k i n C HE N J i a n g c h e n g R e s e a r c h I n s ti t u t e o f Me c h a n i c a l and E l e c t r o n i c T e c h n o l o g i e s ， Xi ’ a n U n i v e r s i t y o f A r c h i t e c t u r eT e c hno l o g y , Xi ’ an 7 1 0 0 5 5 Abs t r a c t A d y n a mi c p o we r b a l a n c e e q u a t i o n and an e l e c t r i c a l p a r a me t e r s i n f o r ma t i o n f u s i o n me tho d a r e p r e s e n t e d t o s t u d y o n s t a t e r e c o g n i t i o n and p o we r c o n t r o l t e c h n i q u e o f t h e h y d r a u l i c s y s t e m d r i v e n b y a l t e r n a t i n g c u r r e n t AC mo t o r ． T o ana l y s e the e l e c t r i c a l ， me c h ani c a l ， h y dra u l i c a l e n e r g y c o n v e r s i o n and c o u p l i n g p r o c e s s ， the p o we r b a l an c e e q u a t i o n o f the h y dra u l i c s y s t e m i s e s tab l i s h e d u s i n g e l e c t r o me c h ani c a l d yna mi c s ． B a s e d o n the ana l y s i s r e s u l t o f e q u a t i o n ． the s i n g l e - p h a s e and t h r e e - p h a s e l i s s a j o us’ g r a p h a r e d r a wn d yn a mi c a l l y b y me an s o f the mu l t i - s o u r c e inf o r ma ti o n s u c h a s p h a s e ， am p l i t u d e and p h a s e s e q u enc e p r o v i d e d b y the t h r e e - p h a s e c u r r e n t s and v o l t a g e s ． T h e f u n c t i o n a l r e l a t i o n s b e t we e n the g r a p h i c s f e a t u r e s and d y n am i c p o we r s o f the AC mo t o r a r e p u t f o r wa r d , and the n the f u n c ti o n a l r e l a ti o n s are t r a n s f e r r e d int o the p o we r c i r c l e f u n c ti o n fora p hic a l ana l y s i s o f the d y n a mi c p o we r ． T h e r e s u l t s o fthe p r o t o t y p e e x p e r i me n ts an d o n - s i t e t e s t s s h o w tha t the t y p i c al mn n i r l g c o n d i ti o n s s u c h a s l o a d i n g , u n l o a d i n g , i mp a c t , o v e r fl o w,e n e r g y - s torag e an d S O o n ,c a n b e r e c o g n iz e d b y t h e c a l c u l a ti o ns o f the g r a p h i c s f e a t u r e s ． A s t a t e r e c o g n i ti o n t e c h n i q u e v i a in f o r ma ti o nf u s i o ni s b u il t fi n a l l y ． The r e s e a r e hl e a d s t o the c o n c l usi o nt h a t the c l o s e d a r e a o f p l a n a r l i s s a j O us’ g r a p h s h o ws t h e r e a l p o w ero f AC mo t o r , wh i c hi n dic a tes t h e c h a n g i n go f l o a dandl o s s e dpo we r , a n dt h e o u t - r e c t a n g l e a r e a r e p r e s e n t sthe a p p a r ent po wer, thepo we r c i r c l e C ano n - l i n e mo n i t o r the ma t c h i n g p r o c e s s o f t h e mo t o r pow erwi tht h e t y p i c alr u n n i n g c o n di t i o ns， t h e s w i n g a n gle o f t h e g r a p h p r o v i d e s SOme c h a r a c t e r i s t i c in f o r ma ti o n r e l e v a n t t othemo t o r r u n n i n g s ta t u s ． I n a d d i ti o n al， t h r e e - p h asel i s s a j o us’ g r a p hi s use d n o t o n l yt o i d ent i f ythe r u n n ing c o n d i ti o n ， b u t t o c l a s s i fythe f a u l t o f t h e mo t o r and h y d r a u l i c s y s t e m． Ke y wo r d s Hy d r a uli c s y s t e m I n f o r ma t i o n f u s i o n S tat e r e c o g n i t i o n Po wer ma t c h i n g 0 前言 液压系统以其快速响应、大功率、高性能及易 国家 自 然科学基金 9 7 5 2 l 8 、陕西省 厅产业化 0 8 J C l O 资助项目。2 0 1 1 0 2 1 2 收到初稿，2 0 1 1 0 8 0 2收到修改稿 于远程操作控制等特 点，作为一种主要传动装置被 广泛应用于各种机械设备中。随着自动化和智能化 程度的不断提高，液压设备传递的功率越来越大， 结构和信息传递过程越来越复杂，已经成为机电液 一 体化的综合体，其状态监测、节能控制以及故障 的早期预防和诊断成为亟待解决的技术难题 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 4 2 机械工程学报 第 4 7卷第 2 4期 液压设备在运行过程中，其机、电、液参数是 动态变化的，且相互耦合，这些动态参数能从不同 的角度 信 息空间 不 同程度地反映设备 的设计制造 水平和运行状态 ；若要全面 了解设备的设计制造水 平和运行状态，必须结合工况全面分析机 电液参数 的变化过程 ，如 电流、电压 、振动 、力 、转矩 、转 速 、压力和流量等 】 。目前对这些参数的观测大都 采用嵌入式测量方法【 3 ，因此测量成本高、不易获 取 、特征信息有 限且易被干扰，有些属于非平稳信 号，给工程应用带来 困难和局限性 。 理论分析和大量试验证实，在电动机拖动的液 压设备中，由于电动机定转子系统的耦合作用，有 关液压设备状况、负荷变化 以及 设计缺 陷等特征信 息会通过机 械和流体参数耦合 到 电动机 的三相 电 参数 中。由于交流 电动机的三相 电参数为大小、相 位均 随时间变化的交流正弦量 ，现有的利用电动机 电参数进行设备状态监测 的方法 包括作者 以前的 研究成果 没有将 电动机三相 电参数的幅值、 相位和 相序信息进行融合 ，所 以不能直观、全面 、可靠 以 及在线了解液压设备的运行状态 ， 。 本文采用非嵌入式测量 ，将三相异步电动机定 子的 电压、电流信号用李萨如 图进行单相及三相信 息融合，充分利用电气参量提供的幅值、相位、相 间和相序信息绘制单相及三相李萨如图，计算 电参 量与李萨如图各特征量之间定量关系，通过在线测 量李萨如 图形面积、外接矩形面积、摆动方 向以及 比例 的变化 实现对 液压系统 的运行状 态 、运行工 况、负载功率以及功率匹配情况进行在线监测，也 可以对液压系统中的电动机、机械和液压故障进行 分类判别， 为精确诊断和节能控制提供可靠依据L 5 J 。 1 液压系统能量平衡方程建立 1 ． 1 液压系统能量转换过程 在电动机拖动的液压系统中，包括了电动机、 液压泵、液压马达 或液压缸 以及工作装置。利用 二端 口网络换能模 型说 明液压系统 的能量 传递和 转换过程 ，如 图 l 所示。 图 1 电动机拖动液压系统二端口网络换能模型 在二端 口模型中，系统的输入为电能 ， f - 系 统状态耦合旋转动能 ， ∞ r 输出为流体动能和压 力能 ， q p 。在能量传递过程中，还包括 电损耗 电 阻 R 。 表示 、机械损耗 机械阻抗 Z n 表示 和流体压 力损耗 液阻抗 Z Y 表示 ，而机械阻抗 包括摩擦 和阻尼，液阻抗 Z Y 包括液阻和液感。 在电驱动液压系统能量转换过程 中，电动机 以 电磁耦合场为中心， 通过所存储 电磁能的变化 电流 变化引起 ，一方面使 电路产生感应 电动势 ，从外界 吸收 电能，另一方面产生电磁转矩，使磁能转化为 机械能输出，从而实现了电能向机械能的转换，即 机电耦合过程；液压泵高压腔一方面从电动机输出 轴吸收旋转机械能，另一方面从液压泵排油口输出 流体能量 ，即机液耦合过程 。根据功率守恒原则， 得到两次换能过程中功率平衡关系 1 P m 一 △ △ 。 0 u t 2 式中， 为电动机输入功率； 为电动机 电阻损 耗功率； 为电动机存储功率； 为 电动机输 出 机械功率 ； 为机械损耗功率； 为液压泵泄 漏损耗功率； 为液压泵高压腔存储功率； 。 为 液压泵输出功率。 根据图 1中的耦合过程 ，本文将 电动机 的电磁 转矩 定义为机 电耦合过程 中的耦合变量， 将液压 泵的出口压力 作为机液耦合过程中的耦合变量 。 文献[ 1 ] 研究表明，电动机一液压泵转子系统是一多 变量、强耦合、非线性系统，其多变量耦合过程如 下 工况负载决定耦合变量 P 。 ，P p 升高时，通过机 电耦合变量 使电动机 定、转子电流增加，同时加 剧转子系统 ， Y ，z 方向的振动；若由于制造偏心 或安装不对中等机械故障造成电动机偏心距 e 增大 时，会通过 ，Y ，z 方向的振动耦合到扭转振动系 统，导致 电流、液压参数发生变化；如果液压泵发 生故障，会使液压泵的压力、效率、流量发生变化， 同时通过扭振系统的耦合，影响电流和振动参数； 若 电动机发生故障 如短路、断条等 ，必使其电感 发生变化，导致电参数发生变化。下面从功率平衡 角度证明液压系统电参量与工况负载和耦合变量 间的函数关系，从而证明电参量的动力 学变化过程 中蕴含工况负载以及系统运行状态 的特征信息。 1 ． 2 三相异步电动机的功率平衡方程 在三相静止坐标系中，三相异步电动机的数学 模型是一个高阶、非线性、强耦合多变量系统。然 而通过坐标变换理论可以简化其数学模型【6 j 。 通过 C l a r k坐标变换 ，以定子、转子电流作为 状态变量 ，得到三相异步电动机在两相静止坐标系 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 1 年 1 2月 谷立臣等基于电参量信息融合的液压系统状态识别技术 1 4 3 a ， 下的电压平衡方程 足 0 pLm Us 口 Us p r Ur O 足 p Lm Us Us p 0 0 0 p L 一 0 q‘ pL I - - ● 式中，U 。 U i s 分别为 、 轴定子电压和 电流；u 、u l’ra 、 分别为 、 轴转子电压和 电流 ；R 、R 分别为定转子 电阻； 、L 分别为定 转子自感； 为定转子间互感；C O 为转子角速度； P为微分算子 。 转矩平衡方程 r m 一c x 生 4 ， z p n p Ⅲ 式中，刀 。 为极对数； 为电动机转动惯量；C T 为电 动机轴阻尼 ； 为电磁转矩 ； 为输出机械转矩 ； 为电动机机械损耗转矩 。 式 3 可 以简化为 】 l | f 上 p f G o i 5 式 中 Ⅳ 。 。 f fs d i a g ／ 足 足 足 f 0 0 ] 工 l o 厶 o I I L m u JL r 0 I l 0 0 厶 J G 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Lr Lm 0 Lr 0 对式 5 两端 同乘 以 ， 可得到电动机在两相静 止坐标系下瞬时功率平衡方程 i T u，R i i r L p i i r Gc o i 6 式 中，等式左边为电动机输入功率；等式右边第 1 项为电阻损耗功率，第 2项为电磁场存储功率，第 3 项为电动机输出机械功率。 对式 4 两端同乘以机械角速度 ∞ 。 ， 可得到电 动机轴上输出功率平衡方程 昔 詈 嚣 号 詈7 式中，等式左边为电动机输出功率；等式右边第 1 项为机械损耗功率 ， 中间两项为传动轴上存储 功 率，第 4项为液压泵吸收功率。 根据式 6 、 7 ，可得耦合变量 n p i T G／ ／ pL m 一f s 8 式 6 、 7 是三相异步电动机输入和输 出功率平衡方 程，式 8 是机 电耦合方程 。 1 ． 3 液压泵的功率平衡方程 根据机械动力学和流体力学理论假设忽略油 路中管道压力损失和动态过程；泵的泄漏流态为层 流；不考虑液压泵供油的脉动性 。液压泵 的流量平 衡方程为 薏 qL qp C lp纬 去 誓 式中， 为液压泵 的排量； 为系统压力q L 为液 压泵理论流量；q P 为液压泵输出流量 ；C l D 为液压泵 泄漏系数； 为液压泵高压腔容积； 。 为油液弹性 模量。 对式 9 两边 同乘 以 得到液压泵的功率平衡 方程 pp D 二 兀 p c o g p 1 0 式中，等式 的左边为液压泵输入功率；等式的右边 第 l 项为液压泵泄漏功率，第 2项为高压油腔存储 功率，第 3 项为液压泵输出流体功率。 1 ． 4 液压马达驱动负载的功率平衡方程 根据液压马达 的流量 方程及输 出轴 的转矩 平 衡方程可得液压马达带动负载的功率模型为 V c t o p C h p ； ．P p q T f o m c m C O m 1 1 式中，c 为液压马达轴阻尼；0 9 为液压马达角速 度；C l m为液压马达泄漏系数； 为液压马达工作 腔容积； 为液压马达转动惯量； 为液压马达摩 擦损耗转矩， 为液压 马达输出转矩。等式的左边 为流体功率；等式的右边第 l 项为液压马达泄漏损 耗功率，第 2项为液压马达油腔存储功率 ，第 3项 为马达机械损耗功率 ，第 4 、5两项为液压马达轴 上存储功率，最后一项为液压马达输出功率。 1 ． 5 电动机拖动液压系统能量平衡方程 根据第 1 ． 1节关于液压系统能量转换过程定性 分析 以及第 1 ． 2 ～1 ． 4节关于能量转换过程定量计 算，联立式 6 、 7 、 1 O 、 1 1 可得电动机拖动液 压系统功率平衡方程 i r ui T Ri i r 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 机械工程学报 第 4 7卷第 2 4期 klx ,Y ,Z{ 詈 毒 每 l C lp 誓 2 V m p ． 、 ] ] cm 等 j I} 12 式 中， k l ， Y ， z ’ 表示 电动机与液压泵连接系数， ， 、 分别表示工况负载的转矩和转速。 连接系数k l ， Y ， 办 l r 是 、Y、z方 向振动量构成的空间矢量 I， J √ 2 函 数， 它 取决于电 动 机与液 压泵 的连接方式和加工安装质量，理想条件下可 以视为 常数 ，为不影响主题分析笔者将连接系数视 为常量 k l r - I ，实际工况下的变化规律将择文介绍。 ∞ 是液压系统承受的实际负载功率，其变化形式取决 于液压系统 工作装置承受 的具体工况和实 际工作 负载 ，既有确定性成分又有随机因素，需要利用现 代信息处理技术进行识别。式 1 2 可进一步表示为 i T l l i T L pi i T Ri 兰 髓 lmc l, p c ， z P 唾 砖 Pp d p p一 Cm CO2m 等 式中，等式 的左端两项分别代表电动机的瞬时输入 功率 和无功功率 e o ；等式的右端表示电动机输 出 的瞬时功率 P m，可 以定性地分为以下三部分功率。 液压系统损耗和泄漏 包括控制阀泄漏 功率 i T R i C lp 1 3 P 液压系统存储 包括蓄能器 功率 嚣 等 等 誓 V m d P． c 埘 d 1 4 工况负载消耗功率 C O rn 1 5 由上述 分析可 以得出式 1 2 表示的液压系统功 率构成及动态平衡关系 一 P o P m 尸 懿 1 6 液压系统的工作特点是其损失功率、存储功率 和负载功率相互影响且随时变化。若损失功率升高 则会导致液压系统效率下降，系统温度和故障率上 升；若存储功率低 ，液压系统的波动会增加 ，抗冲 击性能和稳定性变差；如工况负载功率过高，存储 功率将下降，损失功率会增加 ，同时液压系统 的可 控性降低、故障率上升。正是这些特点增加了开展 液压系统状态监测与故障诊断研究工作的难度 ，因 此一定要根据机 电液系统的动力学特点、能量结构 以及与工况的匹配情况，有针对性地开展其状态监 测、故障诊断以及功率匹配等方面 的研究工作 。 利用三相交 流 电参量信 息融合方法在线 观测 电动机输出功率的构成及动态变化过程 ，再结合液 压系统运行工况，从 电动机输 出功率动态变化过程 中获取反映系统运行状态、故障诊断 以及功率匹配 需要的特征，最终形成一种基于 电参量信息融合的 液压系统状态监测识别技术是本文的 目的。 2 基于李萨如图的电参量信息融合 利用三相交流 电原理建立 电动机定子 a 、b 、C 三相各 自的电压和电流李萨如方程，并 由李萨如方 程产生李萨如图，提取李萨如图形变化特征 ，通过 分析 电参量与李萨 如图形特 征 间的函数关系 形成 基于李萨如图的电参量信息融合数学方法。 2 ． 1 单相 电参量信息融合 的李萨如图 设电动机定子三相 电压、 电流信号为 ／ j Y A 肌 c o ∞ s c o t． _ ， b ， c 1 7 I v ’ 。 将式 1 7 的电压信号相位加 9 O 。 ，即 i Y A c o ∞ s o t 。 。 1 8 【 令 一 ， 9 O 。 ， 为相电压和相 电流 的相位差，c o s 为功率因数。令 ∞f ，则 { u X B c o s 1 9 Ii yA C OS 得到 c 。s Y 2 0 将式 2 0 代入式 1 9 ，得 x c 。 s C O S c 。 s q ／ -s i n as i n c o s 一s i nas i n o 因此 y C O S Or 一 s i n a _『_ 2 1 s i n 通过式 2 0 、 2 1 ，得到 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 1 年 l 2月 谷立臣等基于电参量信息融合的液压系统状态识别技术 1 4 5 X 2 一 2 2 C OS s i‘ n A B A 0 2 2 一 二 ’ 二 一 ’ U t 二 z J BE s i n 2 一s 0 2 3 一 s 1 n _c o s ‘ _U 【 式 2 3 描述的是在笛卡尔坐标平面内，轨迹为 一 中心位于 原点的椭圆，所以将式 2 3 定义为电压、 电流的李萨如方程。由式 2 3 绘制 的平面封 闭图形 称 为单 相 审参 詈李 萨 如 图 ，如 图 2所示 。 l 2 最 。 蓊 外接矩形 如图 一 l 2 0 1 ．Z 量纲一 电压“ 图 2 单相电参量李萨如图 2 ． 2 三相电参量信息融合的李萨如图 将 a 、b 、c三相的单相李萨如图等间距地表示 在 同一坐标系中，依次将 a 、b 、c三相李萨如图中 对应点相连 ，同时以三相椭圆的最大外接矩形为基 准 ，绘 出三相椭圆的外接矩形 ，如图 3所示。椭圆 面积、外接矩形、摆动角度以及连线是反映三相 电 参数变化的特征量 。 煺 脚 1 蒜 蚓 量 纲一 电压 “ 图 3 三相 电参 量李萨如 图 2 ．3 李萨如图特征量与电参量间的函数关系 2 ． 3 ． 1 李萨如图面积与三相有功功率间的函数关系 如前所述， 式 2 3 为中心位于原点的椭圆方程， 方程系数构成的对称矩阵 l B C OS s m AB c os s i n AB c os 1 A C OS 2 4 式 2 4 的特征值分别为椭圆长半轴和短半轴长 度平方的倒数，即 A I - A l 一 1 一 ABe o s 0 2 5 解 得 ，2 A 2 B 2 4 A 2 B 2 z _ 4A2 一 B2 c o s zp 2 6 ， z 一 o J 1 2Az B C O S 一 一 ，2 。 √ B 一 4 A B c o s B 。 -Y - √ 一 4 A B C O S 2 因 a b ，所 以 口z 皇 二 2 7 1 2 6 星 二 皇 二 兰 皇 2 8 2 由韦达定理，有 1 1 1 一b 2 A2 B2 C O S 2 0 所 以a bA Bc o s q 0 9 0 。 。 又因李萨如椭圆面积 S Ln a b，电动机单相有 功功率 A B c o s p警 c 。 s 电动机三相有功功率 P 3 c 。 s 所 以 s L P 2 9 由式 2 9 可见 ，椭圆面积与 电动机有功功率为 线性函数关系，通过观测椭圆大小变化可直观反映 电动机有功功率变化规律。 2 ．3 ． 2 椭圆外接矩形与三相视在功率间的函数关系 对于中心过原点的椭圆，其外接矩形边长的一 半 一 和， 一 分别代表 X轴和Y轴的最大值，而 轴的最大值为电压的最大幅值，Y轴的最大值为电 流的最大幅值，由此可以得到椭圆外接矩形与电动 机视在功率间的函数关系。 由电工原理知，三相异步电动机视在功率 S3 U ／3 一3 A B 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 机械工程学报 第 4 7卷第 2 4期 李萨如 图形外接矩形面积 2 一 2 一4AB 则 褂 雷 3 0 瑟 式中， 为椭圆外接矩形面积， 为电动机三相视 在功率。显然，椭圆外接矩形的面积变化可以直接 反映电动机三相视在功率的变化规律。 2 ． 3 ．3 李萨如图特征量与电动机功率间的函数关系 电动机为感性储能元件，它使电能流动的方向 产生周期性变化，交流 电功率在电工原理 中被定义 为通过某给定节点能量 的流动率，由两部分构成， 分别 为有功功率和无功功率两项。由电工原理知 交流波形 的一个完整周期 内的平均能量使 能量在 一 个方向传递的功率流称为有功功率 P ；被储备并 返回电源的功率流称为无功功率 Q ；电流和电压方 均根值 的乘积为视在功率 。视在功率是有功功率 和无功功率的矢量和之模 S P O 3 1 由式 2 9 ～ 3 1 得到 Q 2 s 2 , 2 3 2 一 3 SL 兀 兀 ． 兀[ 吾 ． 一 利用式 3 在同一坐标系下建立电动机三项功 率圆，得到式 3 3 。S l 即为外圆面积， 为 内圆面 积， 为圆环面积。 图4为利用李萨如特征量计算得到的电动机三 项功率圆，图4中外圆面积代表视在功率的平方， 内圆面积代表有功功率平方，圆环面积代表无功功 率平方。由式 3 3 绘制的可视化图形可以直接观测 到电动机在液压系统负荷变化过程中三项功率间 的动态变化关系。 2 ．3 ．4 李萨如图摆角与电动机工况间函数关系 设标准坐标系为 ∞ 标准方程下，焦点在 轴 ， 非标准坐标系为 0 ， 则将坐标轴旋转公式 量纲一功率 P l 量纲一功率 Pl a 】 加载2 ．6 ～3 ． 0 IM _ P a b 加载5 ． 6 ～6 ． 0 MP a c 加载8 ． 6 ～9 0 MP a d 加载l 1 6 ～1 2 ． 0 M P a 量纲一功率 P 1 e 减载 1 2 0～ 1 1 ．6MP a 量纲一功率 P 1 g 减载60 ～ 5 ．6MP a 量纲一功率 P f 减载9 0～8 ． 6MP a 量纲一功率 Pl h 减载3 0～2 ． 6 MP a 图4 液压系统负载变化时三项功率圆的动态关系 f x c o s 0一y s i n O j c 0 s s in 代入 电压 、电流李萨如方程式 2 3 2 xy s i n o y, 。 2 S i n C OS 0 B AB A 一 一 矽 z ‘ 得到 x c o s 0 - ys i n 0 22 s i n q x c o s 0-ys i n0 ABc o s cOs ’。 y c o s Ox s i n y c o s 0 x s i n 0 2 1 进一步计算化简得到 3 3 ，L 1，● ●●j 2 ＼、 ●，- 、 、 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 1 年 1 2月 谷立臣等基于电参量信息融合的液压系统状态识别技术 1 4 7 f sin 2 0 1 z I B C O S 。 A C O S 。 A B c o s J 。 f 一 s in 2 0 E I B COS ’ A C OS ABc o s ⋯ ‘ ／ [ 2 sin 0 c o s 2 0 一 丽 sin 2 0A B c o s CO S I 矽 c o s J 2 s i n O c o s 2 0一 丽 s i n 2 0 s i n 2 0 o cOs cOs cOs 所以 t a n2 02 A B s i n B ≠ D ‘ B A 0 4 而椭圆以原点 对称，因此定义 ∈ 『 _ 兀 ／ 2 ， 兀 ／ 2 1 a r c 3 4 A 一B‘ 上述分析可见，功率因数接近于 1 时，功率 因娄 位差 对椭 圆倾角 t 9的影响较为显著 ，其余 范围变化时，对 的影响并不显著；同时从式 3 4 可见，随着电流的增大，0减小，即椭圆顺时针旋 转， 且电流的增大对 的影响远大于相位差的影响。 3 液压系统运行状态监测及识别技术 根 据上述信 息融合方法可 以开发一种液压 系 统运行状态监测及识别技术 。 3 ． 1 三相 电参量融合信息获取技术 液压系统三相电参量获取的软硬件设计详见 文献【 9 ] 。采用非侵入式的测量方法，用霍尔传感器 同时获取电动机定子三相电压 “ 、电流 f 模拟电信 号 电参量 ，经过调理电路处理后送入 A ／ D采样器 获得三相六通道数字电参量信号{ u j n ， 产a ， b ， c ；n 0 ， 1 ， 2 ，⋯， Ⅳ } ，如图 5 所示 。以电压 为 横坐标、电流 ， z 为纵坐标，将驱动电动机定子的 电压、电流信号取标幺值 以空载运行 电压、电流信 号为基准值，取运行 电压 、电流信号与基准值的比 值 ，用式 2 3 实时绘制单相及三相李萨如图，如 图 2和 图 3所示。 用式 2 9 、 3 O 、 3 4 分别计算李萨如 图形面积 、 外接矩形面积以及图形摆角；用式 3 3 计算电动机 三项功率以及功率因数的变化。 3 ． 2 液压 系统运行状态在线监测试验 试验装置原理及试验方法详见文献[ 1 0 1 。利用 该装 置完成了液压系统加载、减载、溢流 、过载 以 及 冲击 等 典 型 工况 ，使用 本 文所 述 方 法得 到 了 稳定可靠的试验结果 ，如 图 6 ～1 0所示，其中各种 工 况的周期均 设定为 1 mi n ，负载最 小压力 为 0 感应 电动机 l 传动系统 量纲一电压 “ a 加载2 ．6 ～3 0 MP a 量纲一 电压 “ b 加载5 6 ～6 0 MP a 量纲一电压 “ c 加载8 ． 6 ～9 0MP a 量纲一 电压 “ d 加载1 1 6 ～1 2 0 MP a 图 6 加载 O ～l 2 ． O MP a 过程电动机 a 相李萨如图变化规律 量纲一电压 a 减载1 2 O ～1 1 ． 6 MP a 量纲一 电压 b 减载9 0 ～8 6MP a 量纲一 电压 “ 量纲一电压 “ c 减载6 ．