内燃机测试技术03第三章试验.ppt

第三章试验设计与数据整理本讲要点 与教材有所区别 一 试验设计1了解正交试验设计等研究性试验设计的基本知识 2重点掌握工程专题性试验设计 大纲 的编制要点 结合纳米比亚机车振动测试大纲 二 数据整理1复习有效数字与计算方法 试验数据的图示法 回归分析与经验公式等的基本知识 2重点掌握数字信号的简谐分析编程方法 动力机械试验目的 1 评定产品的性能 2 检查产品的产品质量 3 对产品的某项性能进行专题研究 动力机械试验分类 按试验目的分为 1 性能试验 2 检查性试验 3 单项专题试验 按内燃机安装情况分为 1 台架性能试验 2 装机性能试验 第一节试验设计与测试大纲一 试验设计概述试验设计 针对某预期试验目的 采用数理统计或经验方法 制定合理的试验方案 用较少的试验获得全面可靠的信息 良好的试验方案应包括设计 试验和分析三部分 其中试验设计是确保获得可靠实验结果的基础 试验设计的分类 考察单因素对试验结果的影响时 试验设计方法有完全随机化法 随机区组法 拉丁方方法等 考察多因素对试验结果的影响时 试验设计方法有全面试验法 简单对比试验法 正交试验设计法等 常用正交试验设计法 二 多因素试验方法几个基本概念因子 试验中欲考察的因素 按因子间在实验中有无相互影响 又可分为有交互作用和没有交互作用两种因子 水平 每个因子在考察范围内分成的若干等级 指标 考察试验结果的参数 全面试验法和简单对比试验法全面试验法 对各因子所有水平全部进行组合 总试验次数遵循乘法原则 以三因子三水平试验设计为例 共需进行33 27次试验 缺点是试验工作量太大 简单对比试验法 逐次固定其他因子 只变化一个因子并确定该因子的最佳值 最后组合成最佳试验方案 以三因子三水平试验设计为例 共需进行3 3 3 9次试验 该方法虽然试验次数少 但缺点是对各因子各水平不是同等对待 试验结果缺乏代表性 正交试验设计法正交试验设计法可克服全面试验法试验次数过多和简单对比试验法试验结果缺乏代表性的缺点 即有如下优点 1 各因子各水平的分配全面均衡 每个因子的各个不同水平 在试验中出现的次数相同 两个因子的不同组合 在试验中出现的次数相同 2 试验次数较少 以三因子三水平正交试验设计为例 在表中可选出的9个有代表性的试验点 满足试验点均匀分布的要求 这就是正交试验设计法的基本思想 工程测试大纲的编制要点 结合纳米比亚机车振动测试大纲 1 测试目的2 测试项目3 测试系统的组成4 测试设备 工具 工装5 测点布置及传感器安装位置6 测试试验步骤7 注意事项及应急措施8 测试内容及相关记录表 第二节有效数字与计算方法有效数字的基本概念同数学上的定义 本节主要介绍有效数字在工程测量中的计算法则 1 记录测量值时 只保留一位欠准数字 2 欠准数字表示末位有正负一个单位的误差 3 末位数后的第一位数大于5时 须在欠准数字上加1 小于5时 则舍去不计 等于5时 若前一位为奇数 则加1 为偶数则舍去不计 4 当第一位数有效数字大于或等于8时 在计算有效数字位数时可多计一位 5 进行小数加减法运算时 结果保留位数与各数中小数点后位数最少者相同 6 进行乘除法运算时 各因子保留位数 以相对误差最大者为标准 7 进行对数计算时 所取对数尾数应与其真数的有效数字位数相等 8 含无限小数的特定常数等 其有效数字位数可根据需要取舍 9 大于或等于4个数计算平均值时 平均值的有效数字可增加一位 10 表示精度时 一般只取一位 最多取两位有效数字 第三节试验数据的图示法试验数据表示方法有列表法 图示法和方程法三种 图示法 将因变量随自变量变化测得的数据点在所选定的坐标系中 然后描述成光滑曲线 图示法需遵循如下规则 1 坐标系的选择坐标系可选择为直角坐标 对数坐标 三角坐标或极坐标 直角坐标系最常用 一般以横坐标代表自变量 纵坐标代表因变量 坐标分度应使每一点在坐标上的位置能迅速方便地读出 还必须考虑到实验数据的精度 2 比例尺的选择横 纵坐标代表不同量纲的变量 故有各自不同的比例尺 一般所选坐标比例应使所绘制的曲线尽可能有近于1的斜率 3 曲线极值处理曲线极值点一般对试验分析有重大作用 故在曲线极值点附近应增加测量点 4 图示法的若干技术问题a 坐标分度值一般以低于变量最小值的某一整数作为起点 以高于变量最大值的某一整数作为终点 b 图中所连成的光滑曲线 应尽量与所有点相接近 并使位于曲线两侧的点数大致相等 c 充分利用现代计算机软件 实现曲线区分 数据标注等功能 第四节回归分析与经验公式将试验数据表示表示为数学公式 便于对其作进一步的数学运算 更适合计算机处理 1 回归分析回归分析的主要内容是采用数理方法 从大量试验数据中寻求变量之间相关关系的数学表达式 并对数学表达式的可信度进行统计检验 回归分析方法 一元线性回归分析 一元多项式回归分析 多元线性回归分析 非线性回归分析等 2 最小二乘法建立拟合曲线公式的方法有多种 其中以最小二乘法最优且最常用 设共有n点测量数据 x1 y1 x2 y2 xj yj xn yn 用最小二乘法建立经验公式时 设xj为自变量 yj为因变量 两变量之间总可以用一个m阶多项式来逼近 即式中 B0 B1 B2 Bm为待定常数 根据最小二乘法原理 可推得如下正态方程将各点数据代入以上方程组 可解得B0 B1 B2 Bm 并求得拟合曲线公式 第五节计算机数据处理系统1 计算机测量分析系统组成计算机测量分析系统主要包含三个组成部分 计算机主机 采集器和后台数据分析软件 计算机数据处理系统 计算机主机与采集器之间由多种通信连线实现数据交换和传递 数据传到计算机后 利用数据处理系统对实测数据进行各种计算分析 计算机数据处理系统基本功能 时域分析 简谐分析 1 时域分析与处理由测试所得到的信号一般都是时域信号 即时间历程 或称时域波形 实际的时域信号往往是很复杂的 它包含有确定性信号和随机信号 其中确定性信号又包含有周期信号和非周期信号 直接在时域内对信导的幅值及与幅值有关的统计特性进行分析 称为信号的时域分析 这种分析具有直观感强 物理概念明确等特点 是最常用的分析方法之 主要分析内容有 确定性信号幅值随时间的变化关系 随机信号幅值的统计特征分析 相关分析以及信号的积分和微分处理等 数字信号的幅值分析的主要内容有 均值 绝对均值 平均功率 有效值 峰值 正峰值或负峰值 双峰值 某一特定时刻的幅值 幅值随时间的变化关系 峰值因素和波形因素等 零均值化在时域信号的采集中 存在着大量的干扰噪声 如果不将这些干扰信号除去就会影响计算和分析结果 除去干扰信号通常采用滤波的方法 研究中采用零均值化除去干扰信号 其算法如下式中 有限长噪声信号的样本记录 零均值化的结果 的数据长度 有效值有效值又称为均方根值 它是信号平均能量或平均功率的一种表达方式 并且具有幅值量纲 是反映确定性信号作用强度的主要时域参数 对于长度为N的数字信号 其均值的计算公式为 信号一个时间段内 如内燃机一个工作循环 时域曲线的最大值max与最小值min之差的一半 即 综合幅值 syn 单峰值信号一个时间段内 如内燃机一个工作循环 时域曲线的最大波峰 绝对 值 多循环平均 将若干相同工况的周期性信号进行同相位平均 以消除随机误差 重点 简谐分析设信号y i 是数据长度为n 已经过零均值化的周期性信号 即可将y i 展开为傅里叶级数式中 为数学简谐次数 为各谐次的傅里叶系数 可由下式求出 信号频域分析是采用傅立叶变换将时域信号y t 变换为频域信号Y f 从而帮助人们从另一个角度来了解信号的特征 时域分析与频域分析的关系 信号频谱Y f 代表了信号在不同频率分量成分的大小 能够提供比时域信号波形更直观 丰富的信息 程序示例pi 4 atn 1 n 2 125ll 2010dimxr ll xi ll x n y n wx n jx n xx n zf ll sj 50open d bak hq 9 dat forinputas 1input 1 zgoto2020input 1 p30fori 1ton40input 1 x i 50nexti60close 1z z 2fori 1tonxx i x i nextigosub200fori 1tonx i 0nextiforj 1tollfori 1tonx i x i xr j cos j 2 pi n i xi j sin j 2 pi n i nextinextj100end200rem250fori 1tollxx 0 yy 0forJ 1tonXX XX x j cos i 2 pi j n YY YY x j sin i 2 pi j n nextjxr i 2 0 XX nxi i 2 0 YY ny i sqr xr i 2 xi i 2 nexti290return 傅里叶系数计算forv 1ton 2xx 0 yy 0fori 1tonXX XX x i cos v 2 pi i n YY YY x j sin v 2 pi i n nextiA v 2 0 XX nB v 2 0 YY nM v sqr xr v 2 xi v 2 nexti