Розробка та реалізація методу автоматизованого діагностування системи запалювання автомобільного двигуна на основі порівняння спектрів сигналів

У другому розділі викладені основні теоретичні дослідження, сформульовано науковий підхід і розроблено математичну модель визначення діагностичних параметрів системи запалювання. Система запалювання, як і будь-яка інша система автомобіля, може бути охарактеризована рядом діагностичних і структурних параметрів. На основі аналізу критеріїв діагностичної цінності (прости реалізації, ступені інформативності та достовірності) оптимальним параметром для визначення технічного стану системи запалювання прийнятий характер зміни напруги у первинному колі.

Сигнал зміни напруги можна представити як функцію часу  , яка є неперервною і обмеженою в часі ( ). Для можливості проведення процесу аналізу сигнал напруги поділяється на окремі реалізації по циліндрах двигуна. За одну реалізацію  приймається частина сигналу, що відповідає часу роботи системи в одному циліндрі ( – номер циліндра двигуна,  – номер реалізації сигналу іскроутворення в цьому циліндрі). Інтервал часу, що відповідає одній окремій реалізації прийнятий інтервалом аналізу –  . При постійній частоті обертів колінчатого валу двигуна інтервали аналізу   будуть рівні і сигнал, з деякими припущеннями, приймається як періодичний і стаціонарний. Із зміною частоти обертів інтервали аналізу змінюються і сигнал переходить з категорії періодичних в категорію нескінченних.

При постійній частоті обертів колінчатого валу

 

де   – усереднений період повного робочого циклу двигуна.

При змінній частоті обертів колінчатого валу

 

де   – період кожного повного робочого циклу двигуна.

 

Усереднена функція реалізацій сигналу напруги в одному циліндрі 

 

При змінній частоті обертів колінчатого валу інтервали аналізу   для окремих реалізацій будуть різними і формула (3) не може бути реалізована. Для можливості усереднення доцільно окремі часові реалізації звести до однакового базового часового проміжку. Нехай   і   – інтервали аналізу двох будь-яких реалізацій одного m-го циліндра ( ≠ ), які описуються функціями   і   відповідно. Приймемо інтервал аналізу   як базовий. Процес масштабування сигналів можна записати у виді

 

де   – масштабний коефіцієнт. Якщо | | > 1, то сигнал стискається, а якщо | | < 1 – розтягується. 

З урахуванням масштабних коефіцієнтів  , сигнал напруги може бути представлений рядом Фур’є

Це підтверджує можливість визначення спектральних характеристик окремих реалізацій як при постійній так і при змінній частоті обертів колінчатого валу двигуна.

Математична модель, яка описує технічний стан системи запалювання, може бути представлена у виді матриці параметрів

 

Кожний елемент приведеної матриці, в свою чергу, являє собою одномірний масив даних. Проведемо його інтерполяцію і визначимо коефіцієнти поліномів, які будуть описувати графік функції, що відповідає даному діапазону частот. Для інтерполяції вибираємо поліном четвертого порядку. Тоді кожний діапазон частот можна представити функцією

 

Таким чином, залежність (7) буде представлена у виді матриці поліномів, або у спрощеному виді коефіцієнтами поліномів

 

Отже, виразом (9) може бути описаний будь-який стан системи запалювання – справний і при наявності типових несправностей. По описаному алгоритму, визначаються параметри   математичної моделі. Створюється відповідна інформаційна база даних. 

У процесі діагностування автомобіля, відповідно виразу (9), визначається параметр   системи, що досліджується. Автоматичне порівняння параметра   з параметрами   з бази даних дає можливість автоматизувати процес пошуку несправностей в системі запалювання.

Параметру   поставлений у відповідність графік СЩП  , кожний діапазон частот якого описаний поліномом   (8). Визначимо коефіцієнти кореляції між кожним діапазоном частот СЩП досліджуваного сигналу і відповідним діапазоном частот СЩП сигналу з бази даних

 

де   – номер параметра   з бази даних ( );   – номер діапазону частот у графіку СЩП ( );  – початок  -го діапазону частот;   – стандартні відхилення  -го діапазону частот;   – середні значення  -го діапазону частот.

Визначені коефіцієнти кореляції зводяться в матрицю  

 

Кожна стрічка даної матриці характеризує наскільки корелює параметр   досліджуваного сигналу з одним із параметрів   бази даних по окремих діапазонах частот. Оскільки кожний параметр   бази даних описує якусь несправність системи запалювання, то на основі цього робиться висновок про її технічний стан. Параметр   досліджуваного сигналу вважається відповідним параметру   бази даних, якщо всі коефіцієнти кореляції i-ї стрічки матриці (11) більші допустимого значення  .

Алгоритм створення інформаційної бази параметрів математичної моделі, передбачає можливість її поповнення в процесі функціонування діагностичної системи, що робить запропонований метод відкритим і адаптованим для різних типів систем запалювання.

Третій розділ присвячений практичній реалізації запропонованого методу діагностування. Першим етапом діагностування є зчитування сигналу напруги з системи запалювання і передача його в пам’ять ПК. Зчитаний сигнал являє собою одномірний масив даних  , елементи якого визначені через деякий інтервал часу   (період дискретизації). Характеристикою прийнятого масиву даних є частота дискретизації  . На першому етапі масив   поділяється на окремі реалізації по циліндрах двигуна, після чого він може бути представлений у вигляді матриці

 

Інтервал часу, що відповідає одній окремій реалізації (інтервал аналізу) визначається як