1、 武汉理工大学硕士学位论文基于小波分析的燃料电池发动机传感器故障诊断研究姓名：高翔申请学位级别：硕士专业：控制科学与工程指导教师：邓坚20100501燃料电池 发 动 机 系统 就 是 种 新 能 源 发 动 机 系统 。多 个 传感器被应用到此系统 中 来 采集这些 数 据。但 是 这些 传感器一旦出 现 问 题 不仅会影 响到数 据的 正常 采集， 如果 问 题 出 现 的 严 重 ，而 且 会损 坏 燃料单片电池 的 性 能 ，对 整个 燃料电池 发 动 机 系统 产 生 重 大的 损 失 。因 此 ， 及时准 确 的 找出 传感器的 故 障以 及出现 的 原 因 对 燃料电池 发 动
2、机 健康 有 序 运 行十 分 必 要 。本 文 对 燃料电池 发 动关 键词： 燃 料电池 发 动 机 ， 传感器， 故 障诊断， 小 波分 析 琧 ， ， 甋 產 ，服 务 。武 汉 理 工 大学 硕 士 学 位 论文的污染 除了 交 通灰 尘，还包 括 尾 气 摊放 。发 动 机 燃 烧 后 ，排 放 的主要 污染 物 包括 碳 氢 化合 物 、 氮 氧 化物 、 一 氧 化碳 和细 微 颗 粒 物 。对 人 们 的健 康 危 害 很大。除此 之 外 ，作为 汽 车 燃 料 的汽 油 是从 石 油 中 提取的，而石 油 是不 可再 生能源 。随着汽 车 数 量的增 多 带 来 的能源 短
3、缺的问题 变 得日 益 尖锐。各个 国 家 之 间 为 了争夺 能源 开采权摩 擦 冲 突 时有发 生。因 此 ，为 了还广 大人 民一 个 健 康 绿 色 的生活 环 境 ，缓解 能源 短缺的问题 ，每个 国 家 都投 入 大量科 研 经 费 投 入 到 新 能源 的开发 利 用 当中 。例如 太 阳能、 地 热能、 风 能、 海洋 能、 生物 质 能和核 聚变 能等 。“燃 料 电池汽 车 ” 就 是一 种 利 用 新 能源 的汽 车 ，它 以电能为 辅助能源 ，以燃 料 电池为 主要 能源 驱 动 汽车 的运行 。由 于燃 料 电池是通过氢 气 和氧 气 的化学 反应产生能量。因 此 和
4、传统 的汽 车 相 比 ，燃 料 电池汽 车 具 有零 排 放 、 发电效 率高、 无 污染 、 噪 声 小等 一 系 列 的优 点。燃 料 电池汽 车 的核 心部 件 就 是燃 料 电池发 动 机 系统 。此 系 统 由 传感 器 系 统 、 氢 气 循 环 系 统 、 空 气 输 入 系 统 、 冷却 水循 环 系 统 、数 据 控制监 视 系 统 等 一 系 列 系 统 组 件 起来 的。其 中 传感 器 系 统 作为 燃 料 电池发动 机 的电压 、 电流 、 流 量等 数 据 采集 系 统 对 整 个 系 统 的监 控以及正 常运行 起着不 可或 缺的作用 。而在长 期 的高温 、
5、高压 、 电磁 干 扰、 冲 击电流 等 复杂 的环 境下 ，传感 器 输 出 难免出 现偏 差 ，造 成监 控的电压 、 电流 等 各种 信 号的不 够 准确 ，影响 到 整 个 燃 料 电池发 动 机 系 统 安 全 运行 。因 此 ，对 传感 器 进 行 故 障 诊断 能够实时获取故 障 产生的原因 并 排 除故 障 以获 取准确 的输 入 信 号。防 止 错误、 无 效的信 号影响 。通 过对 传感 器 的有 效的故 障 诊断 ，提高输 入 信 号的准确 性 和有 效性 。在实 际的应用 中 绝大多 数 信 号是不 稳定的，而特 别 适用 于非稳定信 号的就是小波分 析 ，小波变 换
6、是一 个 时间 和频 率的局 域变 换 ，因 而能够 有效的从 信 号中 提取信 息 ，通 过 伸 缩 和平 移 等 运算 功 能对 信 号进 行 多 尺度细 化分 析 。因 此 ，响 。 同 时 ， 传 感 器所 出 来的 信号既有 高 频信息 ， 又 包 含低频信息 ， 这就 要 求 对于高 频信息 ， 时 间 间 隔 应 相 对 变 小 ， 以给 出 精 确 的 高 频信息 ； 对 于低频信息 ，时 间 间 隔 应 该 相 对 变 宽 ， 以给 出 一个 周 期 内的 完 整 信息 。 因 此 ， 从信号处 理 的角度 来看 ， 小 波 克 服 了 傅里 叶 分 析 方 法 表 示信息
7、时 能够清晰 地 揭示出 信号的 频率特 征 但不能反 应 时间 域 上的 局部 信息 的 缺陷 ， 当利 用 小 波 实施时 频分 析 时，由于同 时 具 有 时 间 和频率的 局部 特 性 以及 多分 辨特 性 ， 使 得 对 飞 平稳信号的 处理 相 对 变 得 容易 。 小 波 变 换 就 是 一种 在 时 频域 都 具 有 表 征 信号局部 特 征 能力的分 析 方 法 ， 可实现 对 信号的 多尺 度 分 析 。 因 而利 用 小 波 分 析 这一优 点 可以传 感 器的 输 出 信号进 行 小 波 变 换 ， 实现 原 始 信号与 故障 信号的 分 离 ， 在 相 应 的 尺 度
8、 上得到故障 信息 。 小 波 分 析 作 为 是 在 近 十几 年发展起来的 ， 应 用 领 域 十分 广 泛， 例如 图 像 处 理 、 医 学 成像 与 诊断、 音乐 与 语 言 的 人工 合成、 大型 的 机械 和故障 诊断等 等 。 但是 在 传 感 器的 故障 诊断， 尤 其是 应 用 在 燃料 电池发动 机这一新 型 新能源系 统的 传 感 器系 统这一方 向 却是 十分 少 见 ， 本 文 通 过小 波 分 析 来对 燃料 电池的 传 感 器系 统进 行 故障 诊断的 研 究 ， 为 燃料 电池发动 机这一复杂系 统的 故障诊断提供 了 一个 有 效的 方 法 。武 汉 理 工
9、 大学 硕 士 学 位 论文传 感 器 数量 很多 ， 这些 方法 很难 检测 计算 出 众多 的 故障信 号 。改 进的 网 络 建 立传 感 器 故障模型 ， 对 系 统 的 状 态 和 故障参 数进行在线 估 计行测 量 ， 然后 用神 经 网 络 从 测 量 空间 影射 到故障空间 ， 实 现 故障诊 断 俊 俊 。近几 年来 ， 基 于 小 波分 析的 传 感 器 故障诊 断 的 应 用范 围越 来 越 广。其中应用到传 感 器 的 故障诊 断 也 是 越 来 越 深 入。小 波分 析， 从 宏观上看 ， 其“自 适应性 ”和 “数学 显 微 镜 ”的 性 质 能 够更 深 入的 观
10、察信 号 。从 微 观上看 ， 小 波分 析解 决了 傅 立叶 变换 不 能 解 决的 问 题 。从 应 用角 度来 说， 小 波函 数本 身 也 是 一 种信 号 ，该 信 号 是 一 些 很小 的 波形， 即 小 波， 小 波分 析具有 放 大信 号 信 息 的 作 用， 能 够在时 间 和 频率 范 围内 处理 输入输出 信 号 。因 此， 是 一 个 强 力 的 工 具来 处理 模型出 现 的 各种各样 信 号 的 基 本 解 决思想【矧。武 汉 理 工 大学 硕 士 学 位 论文故 障诊 断 中。由 于 有限的 等 级， 一个 单波 幅 图 不能在 足够的 等 级内描 述 信 号的所
11、 有细 节。这 种等 级的 样本由 于 比 较 少， 一些故 障 信 息就 会 在 这 种等 级内缺 失。为 了 在 故 障诊 断 的 应 用 中建 立 足够的 小 波 变换 等 级， 多小 波 变换 就 被 应 用 到传感 器 故 障诊 断 中。基于 多小 波 的 全 波 段 分解的 信 号能量的 差 别 被 作为 故 障特 征并 被 应 用 到多维小 波 变换 网 络 的 输 出。这 种方法不需 要 建 立 数 学 模型 ， 在 突 然出现 的 传感 器 故 障诊 断 中特 别 有刘儿捌 。徐 涛和王 祁提 出了 一种基于 小 波 包 的传感 器 故 障 诊 断 方法。小 波 包 分 解同
12、 时可 以 在 低频和高 频部 分 对信 号进行分 解，时， 小 波 分 析也应 用 到传感 器 故 障 信 号消噪 方面 ， 在 应 用 小 波 分 析对信 号降 噪时， 需 要 采用 阈值 来 量化小 波 系数 ， 张磊 和潘 泉 提 出了 其 阈值 的 计算方法。对于 小 波 变换 在 传感 器 故 障诊 断 中的 应 用 的 方法， 研究基于 小 波 变换 极 值 点的方法在 传感 器 故 障 诊 断 中的 应 用 。对输 入 信 号输 出 信 号进行小 波 变换 ， 利用 该 变换 求出 输 入 输 出 信 号的 奇 异 值 ， 然 后去 除由 于 输 入 突 变所 引 起 的 极
13、值 点， 则 其 余的 极 值 点对应 于 传感 器 的 故 障【。基于 小 波 变换 的 故 障诊 断 方法， 具 有非 常高 的 分辨 率 ， 可 以 有效提 取 故 障的 特 征 频率 】 ； 对突 变故 障的 发生时刻定 位武 汉 理 工 大学 硕 士 学 位 论文 叫羹图 燃 料电池 传感 器 系统 图武 汉 理 工 大学 硕 士 学 位 论文 伊 被缓冲 ， 缓冲 器 的 输 出 端 接 入差 分 电路 ， 构成 一 个 有负 反馈的 运 算上 式 中 ， 是 电流 传感 器 输 出 电压 ， 汗 是 缓冲 器 输 出 电压 。到 电源上 。 运 算 放 大器 使 用 的 是 单
14、电源驱 动 的 运 算 放 大器 。 运 算 放 大器 选择是 ！ 搿 ： 汀 耄 菏 怯 糜 谌 范 涑 龅 缪 沽 愕愕牡 缪 埂谡饫 锼 嵌际 ，武 汉 理 工 大学 硕 士 学 位 论文毋簖亦图 疺 转 换电 路放 疺 变 换电 路 ， 传感 器工 作在 零 负 载 状 态 。 电 容 用 来 补 偿相移。 反 馈 电 阻心武 汉 理 工 大学 硕 士 学 位 论文猰 痬 在 质 子交 换膜燃 料 电 池 中 ， 氢 离子通 过 质 子交 换膜到 达 阴极 与 氧 离子结 合 。氢离子到 达 阴极 必须 携 带水 ， 水 从 阳极 到 达 阴极 导 致阳极 的 水 减少 。 为 了 使
15、 质子交 换膜不 脱 水 ， 必须 给 阳极 增湿 ， 以 保证质 子交 换膜在 一个 正 常 的 湿 度 下 。如果燃 料 电 池 堆内 部 湿 度 减少 甚至于 缺 水 ， 轻 则 影 响到 燃 料 电 池 堆的 发 电 效 率 ，重则 损坏 燃 料 电 池 单 片的 性 能 。 燃 料 电 池 堆发 电 效率 随着氢 气 和 氧 气 的 湿度 的增大而增加 。式中置为热 敏电 阻， 调整彤 的电 位 器 ， 可 以 改变 乩 ， 从 而可 阱调整虬 。 的输 组 成 的电 路 是 对湿 度和 温 度补 偿 的信 号 的求 和 。 其 输 出 电 压 为：可 得 组 成 湿 度输 出 放
16、大电 路 ， 的输 出 为： 丽 。 武 汉 理 工 大学 硕 士 学 位 论文武 汉 理 工 大学 硕 士 学 位 论文解质 中的 离子和 电 极 中的 电 子的 导 电 阻 力引 起 的 电 位 损 失叫欧 姆 极 化 。 电 池 温度的 提 高 能够 降 低化 学 极 化 和 欧 姆 极 化 。 升高 燃 料电 池 的 温 度能够 有利于 氢 气和 氧 气 的扩散 ， 提高 气 体的流 量 ， 降 低在 燃 料电 池 内 部反应气 体的浓 度， 减 少浓 度极 化 。 但 是 温 度上 升到 一 定 的程 度， 会使 燃 料电 池 堆 内 部湿 度减 少 甚 至 于缺 水 ， 电 池 的
17、 稳 定 性 和 质 子传导 性 能下 降 ， 严 重影 响 到 燃 料电 池 单片的 性 能。 保持 燃 料电 池 内 部温 度在 摄氏 度左 右， 是 最佳的 反应温 度， 能够 提 高 燃 料电 池的 发 电 效 率 。 因此 需要对 燃 料电 池 的 温 度进行 检 测 ， 让燃 料电 池 工 作 在 一 个 最瞿图 热敏电 阻器 的温 度 电 阻特性是 由 档拇笮 淳 龆摹 值越 大， 热敏电 阻器 的灵 敏度越 高 。 拇笮 】 捎 墒 来表 示： 狥从 公式 中可以看出 ， 当温 度上 升时 电 阻值会减 小 。 热敏 电 阻 热 响 应时 间五 三 五图 热敏电 阻 器 的 热
18、时 间 常 数者 作 为一 个 指 标 。 越 是 小 型 的热敏电 阻器 ， 热敏时 间 常 数越 小 ， 响 应速 度越厂令 墨 恐 一 可得 ：按 照 如 下 方式进 行 调 谐：先 调 节 墨获 得 要 求的 ， 一 旦调 节 好， 调 节 获 得武 汉 理 工 大学 硕 士 学 位 论文 本章 小 结武 汉 理 工 大学 硕 士 学 位 论文武 汉 理 工 大学 硕 士 学 位 论文，传感 器之间的 关联矩阵 表明了 传感 器之间关联度 。 当 超过了 最 大设定和 控 制 量 ， 8扇 拧 、为 合 适 维 矩阵 。 、表 示 建模误 差 ，式 的 观 测 器为 ： 埽 曰 甜 嘁 粂
