汽油机爆震诊断与控制策略的研究

Figure 2-17 Single sub-band reconstruction algorithm

单子带重构算法从整体上看相当于滤波，它是一个将信号分解到一系列二进划分的频带上的过程。在这个分解与重构的过程中，隔点采样过程中的频率折叠在隔点插零过程中得到纠正。所得到的子信号与原始信号具有相同的采样频率[108]。

2.4.5应用小波变换提取爆震特征

用单子带重构算法对信号进行小波变换。选取Daubchies小波db10，小波变换尺度取23，分别对图2-3中的正常点火提前角时测得的缸内压力信号和缸盖振动信号实施DWT，其结果分别如图2-18和图2-19所示。两图中，a1、a2、a3为各尺度下信号的近似部分，d1、d2和d3为各尺度下信号的细节部分。从图2-18和图2-19的小波变换结果可以看出：正常点火时，无论是压力信号还是振动信号(图2-19)，小波变换得到的各子带信号均没有出现与燃烧周期相一致的冲击信号，即没有得到爆震特征，这与实际燃烧情况相符。

同样选取Daubchies小波db10，小波变换尺度取23，分别对图2-4中点火提前角增大10o时的缸内压力信号和缸盖振动信号实施DWT，其结果分别如图2-20和图2-21所示。

观察图2-20压力信号的DWT结果，子带信号d3(理论频率范围为6400~12800Hz)在0.01秒、0.051秒和0.072秒附近分别有冲击存在，其中0.072秒处冲击的幅值更大；从时间上分析，对比其原始气缸压力示功图2-4 a)，冲击发生时间符合爆震可能发生的时间；从频率上分析，d3的频率范围也在爆震的特征频率带之内，可以确定这三个冲击是爆震冲击。因此，小波变换能够从气缸压力信号中提取出爆震特征，压力信号的DWT子带信号d3能表征出爆震特征，可以将压力信号的d3子带做为爆震特征域。

再观察图2-21振动信号的DWT结果，子带信号d1(理论频率范围为25600~51200Hz)和子带信号d3(理论频率范围为6400~12800Hz)在0.072秒附近有明显的冲击存在，子带信号d2(理论频率范围为12800~25600Hz)在0.01秒、0.051秒和0.072秒附近分别有明显的冲击存在；从时间上分析，对比其原始气缸压力示功图2-4a)，冲击发生时间符合爆震可能发生的时间；从频率上分析，频率范围也在爆震的特征频率带之内，可以确定发生在0.01秒、0.051秒和0.072秒的三个冲击是爆震冲击；三个子带相比较，d2表现出的冲击特征更清晰。因此，小波变换能够从气缸振动信号中提取出爆震特征，对于振动信号，小波变换d2子带更适合做为爆震特征域。

以上分析说明DWT方法能够直接从汽油机的压力信号和振动信号中提取出爆震特征，而不需要对信号进行提前滤波处理。

2.4.6多气缸爆震边缘特征提取

从图2-21中d2子带信号可以看出，除0.01秒、0.051s和0.072s处的冲击之外，尚有其他冲击存在。为了搞清其他瞬态冲击的性质，再进一步做如下分析。为清晰起见，截取后两个循环进行分析，将小波变换结果的d2信号利用小波进行降噪处理，降噪结果如图2-22所示。降噪后的信号清晰了许多。

分析图2-22所示信号，在0.051s和0.072s两处的冲击之间还有3个明显的冲击，而且它们之间接近等间隔，显示出了明显的规律性。由于爆震信号是在人为增大点火提前角的条件下测取的，从理论上推断其它各缸也很有可能发生爆震。为了便于分析，将图2-22放大如图2-23所示。图2-23中A和E分别对应图2-22中0.051s和0.072s两个位置。可先推断B、C、D处信号也是爆震特征，下面对其进行详细的分析验证。

原始振动信号是在4缸HYUNDAI汽油机1缸缸盖的位置上采集的，汽油机的发火次序为1—3—2—4，发火间隔角为180oCA。信号A和E是上文所提取的1缸爆震信号，发生于1缸上止点后约30oCA左右。从时域上分析，信号B、C、D也发生于各缸上止点后30oCA左右，符合爆震发生的时刻。从幅值上看，2缸与1缸相邻，幅值较大；3、4两缸距离1缸较远，信号衰减大，幅值较小。因此，可以断定信号A、B、C、D分别为1、3、2、4缸爆震的冲击。由此可见，应用DWT方法可以用一只传感器检测到四个气缸的爆震特征。

图2-23一只加速度传感器检测到的四个气缸爆震特征

Figure 2-23 Knock features of four cylinders detected by an acceleration sensor

2.4.7三种方法的比较分析

对STFT、SPWD和DWT三种时频分析方法应用于汽油机爆震特征提取方面的效果进行比较分析。

从三种算法消耗的时间方面比较，STFT方法所需要的时间是DWT方法的14倍左右，SPWD方法所需要的时间是DWT方法的46倍左右；从信号处理的复杂程度方面比较，DWT方法可以直接对原始信号进行处理，无须滤波，而STFT方法和SPWD方法必须先对信号进