常 玉 ， 高翠云， 童懷俊

(1. 安徽建筑大學(xué) 電能質(zhì)量分析及負(fù)荷檢測(cè)技術(shù)研究室，合肥 230601;2. 惠而浦(中國(guó))股份有限公司研發(fā)中心，合肥 230088)

通過(guò)對(duì)洗衣機(jī)各工作階段的轉(zhuǎn)速測(cè)量有助于了解洗衣機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，從而進(jìn)行優(yōu)化控制或故障診斷。洗衣機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量和一般電機(jī)測(cè)速有相似性，有許多學(xué)者對(duì)電機(jī)測(cè)速進(jìn)行了大量研究，大多采用振動(dòng)信號(hào)、光譜法、圖像處理手段，利用頻域法或時(shí)頻分析法等進(jìn)行電機(jī)測(cè)速。如Lin等[1]對(duì)處于穩(wěn)態(tài)工作發(fā)動(dòng)機(jī)，通過(guò)振動(dòng)信號(hào)的最低諧波頻率分量計(jì)算其轉(zhuǎn)速，并使用頻譜校正技術(shù)提高測(cè)量精度；Gryllias等[2]提出使用復(fù)雜連續(xù)小波變換估算發(fā)動(dòng)機(jī)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速。Urbanek等[3]對(duì)顯著變化或具有相對(duì)復(fù)雜的光譜特征的轉(zhuǎn)速信號(hào)提出基于相位解調(diào)和聯(lián)合時(shí)頻分析的兩步瞬時(shí)頻率估計(jì)方法。極少數(shù)學(xué)者采用圖像處理的方法測(cè)速，如Zhong等[4]則提出了一種基于視覺(jué)和條紋圖案的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速測(cè)量。這些方法各具特色，但是相比較而言，采取振動(dòng)測(cè)速成本較低，而且光譜法和圖像處理法算法復(fù)雜度相對(duì)較高。因此，基于振動(dòng)信號(hào)的轉(zhuǎn)速提取十分值得研究。

針對(duì)洗衣機(jī)振動(dòng)的研究主要是對(duì)已知轉(zhuǎn)速下的振動(dòng)特性進(jìn)行減振優(yōu)化控制研究，直接進(jìn)行測(cè)速的研究文獻(xiàn)相對(duì)較少。比較傳統(tǒng)的方法是將傳感器安裝在筒體并采用傳統(tǒng)的編碼器測(cè)速，如畢飛龍等[5]采取將霍爾傳感器安裝在外筒，利用脈沖編碼測(cè)速得到內(nèi)筒轉(zhuǎn)速。也有學(xué)者利用時(shí)頻分析法，如Boyraz等[6]則在滾筒洗衣機(jī)外筒安裝加速度傳感器，應(yīng)用希爾伯特變換來(lái)計(jì)算信號(hào)的相位角及其時(shí)間導(dǎo)數(shù)獲得瞬時(shí)頻率，即可換算成轉(zhuǎn)速。

最新的洗衣機(jī)檢測(cè)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB/T4288—2018[7]明確提出需要在洗衣機(jī)外箱體上安裝振動(dòng)傳感器進(jìn)行振動(dòng)性能包括加速度、速度、位移振動(dòng)量測(cè)量，而且對(duì)這些參數(shù)測(cè)量要在對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速下進(jìn)行檢測(cè)，即必須同時(shí)測(cè)量轉(zhuǎn)速。但是，該標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)轉(zhuǎn)速測(cè)量要求將傳感器安裝在洗衣機(jī)外筒，意味著必須打開(kāi)箱體進(jìn)行安裝。從測(cè)試的方便性和時(shí)效性，本文提出在滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量振動(dòng)參數(shù)的基礎(chǔ)上，同時(shí)利用振動(dòng)信號(hào)提取轉(zhuǎn)速，大大提高檢測(cè)效率，該舉措有助于實(shí)現(xiàn)不拆卸狀態(tài)下的整機(jī)性能測(cè)量。

在箱體外部安裝振動(dòng)傳感器，信號(hào)強(qiáng)度比在內(nèi)筒或外筒安裝小很多，信噪比較低，測(cè)試難度大大提高，特別是脫水階段，信號(hào)變化劇烈，進(jìn)一步增加了檢測(cè)難度。

上述文獻(xiàn)中的研究者對(duì)電機(jī)或洗衣機(jī)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行了測(cè)速研究，但絕大多數(shù)針對(duì)洗衣機(jī)的研究都是對(duì)位于筒體上的傳感器振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行處理，不符合GB/T4288—2018標(biāo)準(zhǔn)要求的在外箱體進(jìn)行檢測(cè)。Jung等[8]在滾筒洗衣機(jī)外箱體進(jìn)行振動(dòng)檢測(cè)，但卻是對(duì)箱體振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行模態(tài)分析，進(jìn)而為滾筒洗衣機(jī)箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

針對(duì)上述問(wèn)題，文中按照國(guó)標(biāo)要求將3D加速度傳感器安裝在洗衣機(jī)外箱體上提取振動(dòng)信號(hào)，充分研究洗衣機(jī)脫水段振動(dòng)信號(hào)上升控制曲線(xiàn)與自由衰減段的不同特點(diǎn)，提出了一種采用平均幅度差函數(shù)和差分閾值分段處理相結(jié)合的算法來(lái)提取轉(zhuǎn)速。

通過(guò)對(duì)某型洗衣機(jī)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，證明該方法測(cè)量的轉(zhuǎn)速精度滿(mǎn)足國(guó)標(biāo)的要求。該方法能夠在無(wú)通訊協(xié)議下測(cè)得轉(zhuǎn)速，測(cè)試方式簡(jiǎn)單，工作效率高。該方法不僅適用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的出廠(chǎng)檢測(cè)，而且為實(shí)現(xiàn)面向提高生命周期的洗衣機(jī)健康預(yù)測(cè)、故障診斷及壽命預(yù)測(cè)的特征提取和狀態(tài)識(shí)別技術(shù)打下基礎(chǔ)。

1 平均幅度差函數(shù)(AMDF)

語(yǔ)音信號(hào)處理領(lǐng)域常用平均幅度差函數(shù)法求解基音周期[9]，定義為

(1)

式中：L為分幀的長(zhǎng)度；k為延遲量，將延時(shí)后的信號(hào)與原信號(hào)相減， 當(dāng)差值最小時(shí)所對(duì)應(yīng)的延遲量k即為信號(hào)周期。Ri(k)在周期的各整數(shù)倍上具有谷值特性， AMDF檢測(cè)周期時(shí)，是搜尋谷點(diǎn)值，若將一個(gè)毛刺點(diǎn)作為谷點(diǎn)，會(huì)存在檢測(cè)錯(cuò)誤，在文獻(xiàn)[10]介紹了通過(guò)線(xiàn)性變化將原函數(shù)的峰、谷點(diǎn)反轉(zhuǎn)。線(xiàn)性變換公式如式(2)所示

(2)

(3)

T=Nmax/Fs

(4)

2 方 法

洗衣機(jī)振動(dòng)信號(hào)雖然是非平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)，但是經(jīng)過(guò)去噪預(yù)處理，也具有與語(yǔ)音濁音信號(hào)類(lèi)似的短時(shí)準(zhǔn)平穩(wěn)特征，如圖1和圖2所示。

振動(dòng)信號(hào)的轉(zhuǎn)速定義為每分鐘電機(jī)旋轉(zhuǎn)的周數(shù)，如前文所述，在洗衣機(jī)外箱體安裝傳感器信噪比相對(duì)較低，為提高穩(wěn)健性，采用線(xiàn)性變換后的AMDF進(jìn)行周期求取， 從而獲得轉(zhuǎn)速V， 如公式(5)所示

圖2 語(yǔ)音信號(hào)波形與AMDF

V=60/T

(5)

表1為某型波輪式洗衣機(jī)的洗衣機(jī)脫水階段時(shí)長(zhǎng)為2分45秒的上升到目標(biāo)轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速控制曲線(xiàn)表，圖3為其對(duì)應(yīng)的模擬曲線(xiàn)。本文的研究目的就是通過(guò)采集安裝在洗衣機(jī)外箱體的振動(dòng)傳感器數(shù)據(jù)，提取轉(zhuǎn)速，并獲得類(lèi)似圖3的含有上升控制曲線(xiàn)與自由衰減曲線(xiàn)的脫水段完整轉(zhuǎn)速曲線(xiàn)。波輪洗衣機(jī)脫水階段和洗滌階段相比，信號(hào)變化更加劇烈。從表1我們就可以得知0～120 r/min僅僅用了10 s的時(shí)間。此外，洗衣機(jī)脫水轉(zhuǎn)速到達(dá)目標(biāo)轉(zhuǎn)速和設(shè)定的脫水時(shí)間后不再供給電源，自由衰減到零轉(zhuǎn)速。圖4為實(shí)測(cè)的面板設(shè)置為3分鐘脫水的某型洗衣機(jī)脫水階段的振動(dòng)信號(hào)波形圖。從圖4可以看出起始段和衰減段的能量比較弱，信噪比較低，而中間部分相對(duì)能量高一些。根據(jù)該特點(diǎn)，本文提出分段測(cè)量轉(zhuǎn)速，即將脫水段劃分為三段，即轉(zhuǎn)速上升段、高轉(zhuǎn)速段、轉(zhuǎn)速衰減段。

表1 某型洗衣機(jī)脫水階段轉(zhuǎn)速控制曲線(xiàn)表

圖3 表1對(duì)應(yīng)的模擬轉(zhuǎn)速曲線(xiàn)

圖4 某型洗衣機(jī)脫水階段振動(dòng)信號(hào)波形

2.1 方法框架

如圖5所示，對(duì)脫水段振動(dòng)信號(hào)處理時(shí)，首先進(jìn)行低通濾波及分幀預(yù)處理，采用AMDF提取出一次轉(zhuǎn)速曲線(xiàn)，再利用差分閾值分段處理，即可將脫水段分成轉(zhuǎn)速上升段、高轉(zhuǎn)速段、轉(zhuǎn)速衰減段。對(duì)相對(duì)低信噪比的轉(zhuǎn)速上升段和轉(zhuǎn)速衰減段再次利用低通和AMDF獲得二次轉(zhuǎn)速曲線(xiàn)，然后和高轉(zhuǎn)速段的一次曲線(xiàn)按時(shí)間順序進(jìn)行整合。最后，對(duì)尾部信噪比過(guò)低的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行判斷與截除以及部分奇異點(diǎn)進(jìn)行修正。

圖5 方法框圖

2.2 預(yù)處理

預(yù)處理分為三部分：低通濾波、加窗與分幀。對(duì)不同的脫水段振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行處理時(shí)，首先進(jìn)行低通濾波，濾波參數(shù)根據(jù)對(duì)應(yīng)段的速度曲線(xiàn)上邊界點(diǎn)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行設(shè)置。通帶截止頻率ωp和阻帶截止頻率ωs分別如式(6)和式(7)所示

ωp=2π(V/60)/Fs

(6)

ωs=2π(V/60+5)/Fs

(7)

式中：V表示某段轉(zhuǎn)速曲線(xiàn)上邊界點(diǎn)的轉(zhuǎn)速；Fs為采樣率。本文采用矩形窗，采樣率為10 000 Hz，幀長(zhǎng)為5 s，幀移5 s。

2.3 分段轉(zhuǎn)速提取

該小節(jié)重點(diǎn)介紹如何將脫水段劃分為三段，即轉(zhuǎn)速上升段、高轉(zhuǎn)速段、轉(zhuǎn)速衰減段。AMDF算法受信噪比的影響較大，即使進(jìn)行了低通濾波，波形中的個(gè)別調(diào)制干擾依然會(huì)造成周期計(jì)算錯(cuò)誤，特別是能量低的部分，計(jì)算誤差會(huì)進(jìn)一步加劇。設(shè)置合理的周期上、下限值即對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速限值有助于消除干擾。上、下限值參數(shù)的設(shè)置如式(8)、式(9)

Tmax=Fs*wlen

(8)

Tmin=Fs(60/V)

(9)

式中：V表示某段轉(zhuǎn)速曲線(xiàn)的上邊界點(diǎn)的轉(zhuǎn)速， wlen為幀長(zhǎng)。

鑒于此，本文先根據(jù)整個(gè)工作過(guò)程的轉(zhuǎn)速范圍提取獲得一次轉(zhuǎn)速曲線(xiàn)，然后利用差分閾值法進(jìn)行分段，獲得轉(zhuǎn)速上升段、高轉(zhuǎn)速段、轉(zhuǎn)速衰減段，根據(jù)三段的分界點(diǎn)轉(zhuǎn)速重新利用AMDF計(jì)算上升段和衰減段的轉(zhuǎn)速，獲得更加精準(zhǔn)的分段轉(zhuǎn)速曲線(xiàn)，最后整合并修正奇異點(diǎn)獲得。

2.3.1 一次轉(zhuǎn)速曲線(xiàn)提取

從圖6可以看出，為了提取一次轉(zhuǎn)速曲線(xiàn)，需要做以下步驟

圖6 一次轉(zhuǎn)速曲線(xiàn)提取過(guò)程

(1) 首先對(duì)脫水段的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理中的降噪部分，即低通濾波。本文洗衣機(jī)的目標(biāo)轉(zhuǎn)速設(shè)定為700 r/min，但是洗衣機(jī)的最高轉(zhuǎn)速通常為900 r/min。因此根據(jù)公式(6)～(7)，設(shè)置低通濾波器的通帶截止頻率為15 Hz，阻帶截止頻率為20 Hz；

(2) 然后對(duì)低通濾波后的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理中的加窗和分幀，采樣率為10 000 Hz，幀長(zhǎng)wlen為5 s，幀移為5 s，采用矩形窗。根據(jù)式(8)～式(9)設(shè)置上下門(mén)限閾值，此時(shí)V=700 r/min，即下門(mén)限設(shè)置為700 r/min所對(duì)應(yīng)的采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)，上門(mén)限閾值則為幀長(zhǎng)(相應(yīng)轉(zhuǎn)速為12 r/min)對(duì)應(yīng)的采樣點(diǎn)數(shù)。

(3) 對(duì)分幀后的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，即對(duì)每一幀數(shù)據(jù)利用平均幅度差函數(shù)法求出周期，并換算成頻率和轉(zhuǎn)速，即可顯示出一次轉(zhuǎn)速曲線(xiàn)，該曲線(xiàn)中的高轉(zhuǎn)速段轉(zhuǎn)速相對(duì)準(zhǔn)確，因此需要繼續(xù)分段，界定出高轉(zhuǎn)速段、上升段與衰減段。

2.3.2 基于差分閾值整形的分段界定

為了將一次轉(zhuǎn)速曲線(xiàn)分段界定出來(lái)，如圖7所示，本文采用差分閾值整形的方法尋找出分界點(diǎn)，再利用分界點(diǎn)對(duì)脫水段進(jìn)行分段界定，即轉(zhuǎn)速上升段、高轉(zhuǎn)速段、轉(zhuǎn)速衰減段。

(1) 差分閾值整形

圖7 脫水段的分段界定

首先對(duì)已求出的脫水段的轉(zhuǎn)速進(jìn)行差分計(jì)算。如公式(10)所示，第i+1幀洗衣機(jī)脫水段轉(zhuǎn)速為v(i+1)與第i幀洗衣機(jī)脫水段轉(zhuǎn)速v(i)的絕對(duì)差值A(chǔ)dv(i)為

Adv(i)=|v(i+1)-v(i)|

(10)

對(duì)差分后的數(shù)據(jù)，進(jìn)行兩次閾值整形。設(shè)定兩個(gè)閾值d1和d2，d1和d2是通過(guò)大量統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)得出。首先進(jìn)行第一次閾值整形，如公式(11)所示，若差分后的數(shù)據(jù)的絕對(duì)值小于d1，則置1；反之，則置0，其中，TP1(i)為第一次閾值整形后的值

(11)

然后進(jìn)行第二次閾值整形， 若TP1(i)中連續(xù)為1的個(gè)數(shù)小于d2，找到該段的數(shù)據(jù)起始和結(jié)束位置，將該段內(nèi)原有的1置0，得到修改后的TP1，其余不變。將修改后的TP1從第一個(gè)為1到最后一個(gè)為1之間的所有數(shù)據(jù)全部設(shè)置為1，得到第二次閾值整形后的值TP2，并找到TP2從0跳變到1和從1跳變到0的兩個(gè)分界點(diǎn)對(duì)應(yīng)的位置，分別表示為location1和location2。

(2) 分段界定

對(duì)于差分閾值整形后的數(shù)據(jù)，找到從0跳變到1和從1跳變到0的兩個(gè)分界點(diǎn)location1和location2對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速，分別表示為V1h和V3h。由于分幀的影響，為了得到分界點(diǎn)的轉(zhuǎn)速，由脫水段的起始位置到第一個(gè)分界點(diǎn)向后推一幀設(shè)定為轉(zhuǎn)速上升段，第一個(gè)分界點(diǎn)向前推一幀到第二個(gè)分界點(diǎn)為高轉(zhuǎn)速段，第二個(gè)分界點(diǎn)向前推一幀到脫水段的結(jié)束位置為轉(zhuǎn)速衰減段。

2.3.3 不同脫水段的轉(zhuǎn)速曲線(xiàn)二次提取

根據(jù)分段的兩個(gè)分界點(diǎn)，可以得知脫水的3個(gè)階段的轉(zhuǎn)速范圍分別為(12～V1h)，(V1h～Vmax，Vmax～V3h)，(V3h～12)。由于高轉(zhuǎn)速段的信噪比和能量相對(duì)較高，一次轉(zhuǎn)速曲線(xiàn)提取后加上差分閾值分段獲得左右兩個(gè)邊界點(diǎn)轉(zhuǎn)速后，位于(V1h～Vmax，Vmax～V3h)之間的一次轉(zhuǎn)速曲線(xiàn)波形平滑、誤差較小，不需要重新進(jìn)行二次提?。欢仙魏退p段轉(zhuǎn)速突變點(diǎn)較多誤差相對(duì)較大需要進(jìn)行二次轉(zhuǎn)速提取，即再次進(jìn)行低通濾波和AMDF計(jì)算轉(zhuǎn)速。對(duì)于轉(zhuǎn)速上升段，此時(shí)V=V1h，對(duì)于轉(zhuǎn)速衰減段V=V3h，分別將V代入濾波參數(shù)設(shè)置式(6)～式(7)進(jìn)行分段濾波，再分別將V代入AMDF參數(shù)設(shè)置公式(9)得到轉(zhuǎn)速上升段與轉(zhuǎn)速衰減段的下門(mén)限的閾值，由于分幀的長(zhǎng)度不變，因此對(duì)于轉(zhuǎn)速上升段和轉(zhuǎn)速衰減段的上門(mén)限的閾值都根據(jù)公式(8)設(shè)定，然后可以分別獲得轉(zhuǎn)速上升段與轉(zhuǎn)速衰減段的閾值范圍，最后再對(duì)轉(zhuǎn)速上升段與轉(zhuǎn)速衰減段的振動(dòng)信號(hào)利用AMDF分別求出轉(zhuǎn)速。

2.4 分段整合

為了實(shí)現(xiàn)分界點(diǎn)的無(wú)縫銜接，將轉(zhuǎn)速上升段、高轉(zhuǎn)速段、轉(zhuǎn)速衰減段得出的轉(zhuǎn)速進(jìn)行三段整合。采取將上升段的倒數(shù)第三幀轉(zhuǎn)速，與高轉(zhuǎn)速段的第一幀轉(zhuǎn)速相拼接，得到第一次整合后轉(zhuǎn)速，將第一次整合后的最后一幀轉(zhuǎn)速，與衰減段的第三幀轉(zhuǎn)速相拼接，最終即可得出脫水段的轉(zhuǎn)速曲線(xiàn)。

3 實(shí) 驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

洗衣機(jī)振動(dòng)數(shù)據(jù)是利用本實(shí)驗(yàn)室的面向多領(lǐng)域的通用自動(dòng)測(cè)試平臺(tái)(General Purposed Automatic Testing System, GPTS)進(jìn)行采集，GPTS受安徽省科技攻關(guān)項(xiàng)目資助，榮獲安徽省科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。其借鑒虛擬儀器思想設(shè)計(jì)，具有較好的開(kāi)放性和二次開(kāi)發(fā)性，可廣泛適用于低頻信號(hào)自動(dòng)檢測(cè)。數(shù)據(jù)的采集模式為多通道采集，采集通道為6個(gè)通道，采樣率設(shè)置為10 000 Hz，采集方式為連續(xù)采集。本文對(duì)某型號(hào)波輪洗衣機(jī)進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試，主要對(duì)ADXL335型3D加速度傳感器采集的最敏感的z軸振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，實(shí)驗(yàn)的衣物重量為2.2 kg。

為針對(duì)脫水階段特性測(cè)試，按照工程師建議將洗衣機(jī)設(shè)置成直接脫水工作模式，為充分了解脫水階段的特性，選擇了3種不同的脫水時(shí)間即1 min(標(biāo)記為類(lèi)別一)、3 min(標(biāo)記為類(lèi)別二)及9 min(標(biāo)記為類(lèi)別三)進(jìn)行測(cè)試，目標(biāo)轉(zhuǎn)速均為700 r/min，每種參數(shù)對(duì)應(yīng)35組數(shù)據(jù)。洗衣機(jī)面板上設(shè)置的脫水1 min、3 min和9 min，在實(shí)際測(cè)試中對(duì)應(yīng)的測(cè)試時(shí)間分別為2分35秒、4分35秒和10分40秒。

3.2 脫水振動(dòng)特性的分析

以脫水設(shè)置3分鐘的類(lèi)別二中第4號(hào)樣本為例進(jìn)行具體分析。

首先對(duì)脫水段振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行低通濾波，圖8為類(lèi)別二模式下的第4號(hào)樣本的脫水振動(dòng)信號(hào)與低通濾波后的波形，由圖8(a)脫水振動(dòng)信號(hào)可見(jiàn)，洗衣機(jī)脫水段的工作狀態(tài)是非平穩(wěn)態(tài)。圖8(b)為脫水振動(dòng)信號(hào)及濾波后的趨勢(shì)細(xì)節(jié)。

對(duì)低通濾波后的數(shù)據(jù)進(jìn)行一次轉(zhuǎn)速曲線(xiàn)提取，再通過(guò)差分閾值計(jì)算以及兩次整合后，標(biāo)記出高轉(zhuǎn)速段轉(zhuǎn)速，如圖9所示。

圖8 類(lèi)別二4號(hào)樣本的脫水階段振動(dòng)信號(hào)原始波形和濾波后波形及97～102 s時(shí)間段展開(kāi)的波形細(xì)節(jié)

圖9 類(lèi)別二4號(hào)樣本的差分閾值整形過(guò)程

分別對(duì)界定出的三段進(jìn)行轉(zhuǎn)速測(cè)量，如圖10(a)、圖10(b)、圖10(c)所示，最后將三段轉(zhuǎn)速進(jìn)行整合，整合后的轉(zhuǎn)速圖如圖11所示，由于從洗衣機(jī)吸合到開(kāi)始振動(dòng)會(huì)經(jīng)歷約12 s，因此根據(jù)分幀特性從第3幀(對(duì)應(yīng)為15 s)開(kāi)始含有振動(dòng)信號(hào)。

3.3 衰減段低信噪比振動(dòng)信號(hào)的處理

由圖12給出的衰減段振動(dòng)信號(hào)所示，從洗衣機(jī)振動(dòng)衰減到洗衣機(jī)蜂鳴器響起這一段時(shí)間內(nèi)，存在大量信噪比和能量很低的振動(dòng)信號(hào)，這會(huì)造成圖10(c)衰減段所示的大量錯(cuò)誤轉(zhuǎn)速。

圖10 類(lèi)別二4號(hào)樣本的上升段轉(zhuǎn)速曲線(xiàn)、高轉(zhuǎn)速段轉(zhuǎn)速曲線(xiàn)及衰減段轉(zhuǎn)速曲線(xiàn)

圖11 類(lèi)別二4號(hào)樣本的三段整合轉(zhuǎn)速曲線(xiàn)

對(duì)衰減段進(jìn)行處理，保留信噪比和能量相對(duì)高的振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)速。設(shè)置兩個(gè)閾值d3和d4，這兩個(gè)閾值是通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)獲得，本文設(shè)置d3=75，d4=115。首先比較衰減段的轉(zhuǎn)速，記第i幀的轉(zhuǎn)速為V*，后移一點(diǎn)時(shí)的轉(zhuǎn)速與該點(diǎn)的差值記為E1，后移兩位時(shí)的轉(zhuǎn)速與該點(diǎn)的差值為E2，如公式(12)所示，尋找location3(i)為1時(shí)的第一個(gè)位置，記衰減段第一個(gè)轉(zhuǎn)速到該位置轉(zhuǎn)速為去低信噪比信號(hào)的轉(zhuǎn)速。圖13給出了衰減段去低信噪比信號(hào)前后的轉(zhuǎn)速

圖12 類(lèi)別二4號(hào)樣本的衰減段振動(dòng)信號(hào)和濾波后信號(hào)及30～48 s時(shí)間段內(nèi)波形細(xì)節(jié)圖

(12)

圖13 類(lèi)別二4號(hào)樣本的衰減段去低信噪比信號(hào)前后的轉(zhuǎn)速曲線(xiàn)

對(duì)去除低信噪比后的衰減段轉(zhuǎn)速與上升段和高轉(zhuǎn)速段進(jìn)行三段整合，如圖14(a)所示，依然會(huì)存在奇異點(diǎn)，因此需要對(duì)奇異點(diǎn)進(jìn)行修正。為了便于修正，將整合后的轉(zhuǎn)速分兩部分分別進(jìn)行修正，第一部分為起始點(diǎn)到轉(zhuǎn)速最高點(diǎn)，第二部分則從最高點(diǎn)到末點(diǎn)。進(jìn)行修正時(shí)，首先找出奇異點(diǎn)，如公式(13)所示對(duì)第一部分的奇異點(diǎn)進(jìn)行判斷，設(shè)置一個(gè)閾值d5且小于零，在轉(zhuǎn)速誤差允許范圍(-10～10)內(nèi)，本文選擇d5=-8，其中第幀洗衣機(jī)脫水段轉(zhuǎn)速為v(i+1)， 第i幀轉(zhuǎn)速為v(i)，v(i-1)則為第i-1幀轉(zhuǎn)速

(13)

對(duì)第二部分的奇異點(diǎn)則采用公式(14)的判斷方法

(14)

再將找出的奇異點(diǎn)進(jìn)行修正，采用奇異點(diǎn)前后兩點(diǎn)求均值的方法代替該奇異點(diǎn)的值，如式(15)所示

(15)

如圖14(b)所示為奇異點(diǎn)修正后的三段轉(zhuǎn)速整合圖。

圖14 類(lèi)別二4號(hào)樣本的未修正奇異點(diǎn)及修正奇異點(diǎn)的三段整合后轉(zhuǎn)速曲線(xiàn)

3.4 三類(lèi)振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)速的對(duì)比與驗(yàn)證

圖15描述了類(lèi)別一的轉(zhuǎn)速曲線(xiàn)統(tǒng)計(jì)圖，目標(biāo)轉(zhuǎn)速設(shè)置為700 r/min時(shí)，如圖所示，1 min脫水振動(dòng)信號(hào)的最高轉(zhuǎn)速不能達(dá)到目標(biāo)轉(zhuǎn)速。圖16是對(duì)類(lèi)別二的脫水振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行說(shuō)明，從圖中可以看出，3 min脫水振動(dòng)信號(hào)剛好能夠達(dá)到設(shè)定的目標(biāo)轉(zhuǎn)速。圖17則給出了類(lèi)別三的脫水振動(dòng)信號(hào)的轉(zhuǎn)速曲線(xiàn)統(tǒng)計(jì)圖，如圖所示，9 min脫水振動(dòng)信號(hào)的最高轉(zhuǎn)速能夠達(dá)到目標(biāo)轉(zhuǎn)速并且會(huì)在目標(biāo)轉(zhuǎn)速下維持一段平穩(wěn)狀態(tài)。如三種類(lèi)別的轉(zhuǎn)速統(tǒng)計(jì)圖所示，均存在兩個(gè)平穩(wěn)段，即120 r/min和240 r/min。

圖15 類(lèi)別一的35組脫水振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)速曲線(xiàn)以及部分展開(kāi)細(xì)節(jié)圖

圖16 類(lèi)別二的35組脫水振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)速曲線(xiàn)以及部分展開(kāi)細(xì)節(jié)圖

圖17 類(lèi)別三的35組脫水振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)速曲線(xiàn)以及部分展開(kāi)細(xì)節(jié)圖

由于波輪洗衣機(jī)采取模糊控制策略，脫水時(shí)間設(shè)置、衣物重量的變化會(huì)造成實(shí)際控制曲線(xiàn)與理論曲線(xiàn)的上升段有較大差異，但是120 r/min與240 r/min平穩(wěn)段差異不大，因此將三種類(lèi)別統(tǒng)計(jì)出的轉(zhuǎn)速曲線(xiàn)圖與圖3所示的理論轉(zhuǎn)速曲線(xiàn)的120 r/min與240 r/min平穩(wěn)段以及目標(biāo)轉(zhuǎn)速段進(jìn)行誤差分析。由于1 min的最高轉(zhuǎn)速達(dá)不到目標(biāo)轉(zhuǎn)速，因此采取與平均值比較的方法。從表2可知：由于上升段初期屬于快速加速段，信噪比相對(duì)較低，所以120 r/min平穩(wěn)段的標(biāo)差較大、離散度偏高，而240 r/min平穩(wěn)段及最高轉(zhuǎn)速段信號(hào)能量相對(duì)高，轉(zhuǎn)速標(biāo)差較小、測(cè)試精度高。此外，在120 r/min平穩(wěn)狀態(tài)的維持時(shí)間為25 s，240 r/min平穩(wěn)狀態(tài)為15 s，基本符合理論轉(zhuǎn)速控制時(shí)間特性。

表2 平穩(wěn)段及目標(biāo)段轉(zhuǎn)速曲線(xiàn)誤差表

4 結(jié) 論

通過(guò)在洗衣機(jī)箱體安裝3D加速度傳感器獲取振動(dòng)信號(hào)，本文提出了一種采用平均幅度差函數(shù)和差分閾值分段處理相結(jié)合的算法來(lái)提取脫水階段振動(dòng)信號(hào)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速，該方法解決了一次轉(zhuǎn)速提取中轉(zhuǎn)速上升段和轉(zhuǎn)速衰減段信噪比過(guò)低造成的測(cè)量誤差過(guò)大問(wèn)題。進(jìn)一步判斷并截除衰減段信噪比和能量過(guò)低信號(hào)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速曲線(xiàn)，修正完整轉(zhuǎn)速曲線(xiàn)中的少數(shù)奇異點(diǎn)，使得轉(zhuǎn)速曲線(xiàn)更加接近實(shí)際值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法測(cè)試精度較高，滿(mǎn)足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB/T4288—2018要求，可以很好地驗(yàn)證洗衣機(jī)脫水段的轉(zhuǎn)速控制曲線(xiàn)和自由衰減特性。但對(duì)于轉(zhuǎn)速較低段需要改進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及算法，如提高預(yù)處理電路的增益從而提高信噪比，并且改進(jìn)低速段的算法魯棒性。