一种基于压力脉动频谱特性的柱塞泵转速预测方法

本发明属于柱塞泵状态监测领域，设计一种基于压力脉动频谱特征的柱塞泵转速预测方法。

背景技术：

1、轴向柱塞泵以其结构紧凑、转动惯量小、流量输出大且具备变量控制的灵活性而显著，因而成为液压动力系统中首选的高功率密度能源转换装置。其应用范围广泛，涵盖航空航天、特种车辆及海洋船舶等重要领域。柱塞泵转速的实时监测，对于保障系统稳定运行和性能优化至关重要，柱塞泵的转速直接影响其输出流量和压力，通过转速监控，不仅可以对泵的稳定性进行评估，还可以确保其在理想工况内有效运作。

2、在传统情况下，柱塞泵转速的监测往往依靠轴向转速传感器，或者是借由在传动部分安装光电传感器来实现。然而，现代航空柱塞泵工作环境复杂，不利于精密传感器的工作，同时航空液压系统对高功重比的要求限制了所安装传感器的体积和重量。本发明瞄准该技术领域的现有空白，提出了一种基于压力脉动频谱特征的柱塞泵转速预测方法，从柱塞泵的出口压力脉动信号中可提取辨识出丰富的系统特征，通过对高频压力脉动信号进行频谱分析，将时域信号转换到频域内，依据出口压力脉动频率呈现的特定规律，对柱塞泵的转速进行实时、高精度预测。该方法所需数据来源于体积较小且重量轻的压力传感器，无需其他笨重的额外传感器设备，且因压力传感器的非活动性特征，该技术方案能够在不牺牲机载液压系统功重比与可靠性的前提下，为其提供实时且精确的转速监控。

技术实现思路

1、(一)发明的目的

2、本发明的目的是针对柱塞泵转速监测的实际工程需要，提出一种基于压力脉动频谱特性的柱塞泵转速预测方法，该方法通过压力传感器采集柱塞泵出口的高频压力脉动信号，对其频谱特性进行分析即可实现对柱塞泵转速的高精度预测，而不需要依赖传统的转速传感器，可满足各类液压系统高功重比、高可靠性的工作要求，为工程实践提供技术指导。

3、(二)技术方案

4、本发明的技术方案是：一种基于压力脉动频谱特性的柱塞泵转速预测方法，包括以下步骤：

5、(a)采用先进设备捕获并记录柱塞泵出口的高频压力信号；

6、(b)通过应用频谱分析工具，精细处理所述压力信号以分离各频率成分；

7、(c)采用滑动窗口的方法检测和提取频谱图中的频谱峰；

8、(d)依据频谱分析结果确定柱塞泵运转的基频；

9、(e)基于识别的基频，准确计算出柱塞泵的旋转速率；

10、步骤(a)中所述的采用先进设备捕获并记录柱塞泵出口的高频压力信号方法如下：

11、基于对航空柱塞泵系统工作特性的深入研究，选定与柱塞泵实际工作频率范围相匹配的高灵敏度压力脉动传感器，加装在柱塞泵的出口处。在不同的转速下建立系统负载压力，当整个系统的出口压力等关键参数保持稳定后，使用数据采集系统实时采集航空柱塞泵出口端的压力脉动信号用于后续分析。

12、步骤(b)中所述的通过应用频谱分析工具，精细处理所述压力信号以分离各频率成分的方法如下：

13、对步骤(a)中采集的一段连续时间序列数据进行频谱转换。具体地，按照固定时间间隔执行离散傅立叶变换，将压力信号从时域转换至频域，生成若干张频谱图，以便于后续分析。

14、步骤(c)中所述的采用滑动窗口的方法检测和提取频谱图中频谱峰的方法如下：

15、经离散傅里叶变换后得到的每张压力脉动频谱图均包含若干个频率峰值，它们代表了信号中不同频率成分的相对强度。采用滑动窗口的方法，对频谱图的数据中使用一个固定大小的窗口，随后计算窗口内元素的均值，由于峰值处的数据一般显著高于周围数据，当窗口内的某处数据大于均值的若干倍时，将该处的数据视为峰值，对应的频率设置为峰值频率。

16、步骤(d)中所述的依据频谱分析结果确定柱塞泵运转基频的方法如下：

17、将步骤(c)中得到的若干频谱峰对应的频率，按照由小到大的顺序排列成队列，并通过逐个比对来确认哪些频率符合基频的条件。具体而言，假设按照频率大小排列的队列为：q(f)＝[f1,f2,...,fn]，每次均从队列中取出最小频率fi，并判断fk＝k·fi(k＝2,3,4)是否在队列q(f)中，若均在队列中则表明该频率fi为柱塞泵基频fbase，若有一个k不满足要求，则表示该频率fi不是柱塞泵基频，将它从队列q(f)中删除，直至遍历完队列中所有频率。

18、步骤(e)中所述的基于识别的基频，准确计算出柱塞泵的旋转速率的方法如下：

19、柱塞泵基频fbase的物理意义为柱塞泵出口流量倒灌频率，此频率应为转速频率fz的柱塞数倍，此时柱塞泵转速n可通过下式(1)计算：

20、

21、其中，z为当前柱塞泵的柱塞数。通过此公式，能够实时并准确地估算出柱塞泵的实际转速，以指导系统优化和状态监测。

技术特征：

1.一种基于压力脉动频谱特性的柱塞泵转速预测方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于压力脉动频谱特性的柱塞泵转速预测方法，其特征在于：步骤(a)所述的采用先进设备捕获并记录柱塞泵出口的高频压力信号方法为：通过对所研究的航空柱塞泵系统进行分析，根据柱塞泵系统的实际工作频率范围匹配对应的高频压力脉动传感器，加装在柱塞泵的出口处，在不同的转速下建立系统负载压力，当整个系统的出口压力等关键参数保持稳定后，使用数据采集系统实时采集航空柱塞泵出口端的压力信号用于后续分析。

3.根据权利要求1所述的一种基于压力脉动频谱特性的柱塞泵转速预测方法，其特征在于：步骤(b)中所述的通过应用频谱分析工具，精细处理所述压力信号以分离各频率成分的方法为：对步骤(a)中采集的一段连续时间的压力脉动数据进行频域分析，按照固定的时间间隔对数据进行离散傅里叶变换，将信号从时域转换到频域，生成若干频谱图。

4.根据权利要求1所述的一种基于压力脉动频谱特性的柱塞泵转速预测方法，其特征在于：步骤(c)中所述的采用滑动窗口的方法检测和提取频谱图中频谱峰的方法为：经离散傅里叶变换后得到的每张压力脉动频谱图均包含若干个频率峰值，它们代表了信号中不同频率成分的相对强度，采用滑动窗口的方法，对频谱图的数据中使用一个固定大小的窗口，随后计算窗口内元素的均值，由于峰值处的数据一般显著高于周围数据，当窗口内的某处数据大于均值的若干倍时，将该处的数据视为峰值，对应的频率设置为峰值频率。

5.根据权利要求1所述的一种基于压力脉动频谱特性的柱塞泵转速预测方法，其特征在于：步骤(d)中所述的依据频谱分析结果确定柱塞泵运转基频的方法为：将步骤(c)中得到的若干频谱峰对应的频率，按照由小到大的顺序排列成队列：q(f)＝[f1,f2,...,fn]，每次均从队列中取出最小频率fi，并判断fk＝k·fi(k＝2,3,4)是否在队列q(f)中，若均在队列中则表明该频率fi为柱塞泵基频fbase，若有一个k不满足要求，则表示该频率fi不是柱塞泵基频，将它从队列q(f)中删除，直至遍历完队列中所有频率。

6.根据权利要求1所述的一种基于压力脉动频谱特性的柱塞泵转速预测方法，其特征在于：步骤(e)中所述的基于识别的基频，准确计算出柱塞泵的旋转速率的方法为：柱塞泵基频fbase的物理意义为柱塞泵出口流量倒灌频率，此频率应为转速频率fz的柱塞数倍，此时柱塞泵转速n可通过下式(1)计算：

技术总结本发明提供一种基于压力脉动频谱特性的柱塞泵转速预测方法，属于柱塞泵状态监测领域，主要包括：(A)采用先进设备捕获并记录柱塞泵出口的压力信号；(B)通过应用频谱分析工具，精细处理所述压力信号以分离各频率成分；(C)采用滑动窗口的方法检测和提取频谱图中的频谱峰；(D)依据频谱分析结果确定柱塞泵运转的基频；(E)基于识别的基频，准确计算出柱塞泵的旋转速率。本发明通过压力传感器采集机载液压系统的高频出口压力脉动信号，借助频域分析方法实时预测柱塞泵的转速，在不依赖传统转速传感器的前提下，便可在实时的环境下对柱塞泵的转速进行高精度预测，显著提升了监控过程的效率与准确性。技术研发人员：王岩,黄炳昊,李宇鹏,陈杰受保护的技术使用者：北京航空航天大学技术研发日：技术公布日：2024/7/11