基于电参量信息融合的液压系统状态识别技术

　　0 前言

　　液压系统以其快速响应、大功率、高性能及易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。

　　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^[1-2]。目前对这些参数的观测大都采用嵌入式测量方法^[3-4]，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^{[1, 5]}。

　　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^[5]。

　　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1 所示。

　　在二端口模型中，系统的输入为电能(u, i)→系统状态耦合旋转动能(T_e, ω_r)→输出为流体动能和压力能(pp, qp)。在能量传递过程中，还包括电损耗(电阻Re表示)、机械损耗(机械阻抗Z?表示)和流体压力损耗(液阻抗ZY表示)，而机械阻抗Z?包括摩擦和阻尼，液阻抗ZY包括液阻和液感。