基于排气温度反馈的汽油锯过热分级保护方法及系统与流程

本发明涉及汽油锯控制，尤其涉及一种基于排气温度反馈的汽油锯过热分级保护方法及系统。

背景技术：

1、汽油锯作为林业采伐、园林修剪和应急抢险中广泛使用的手持式动力工具，其动力源为小型二冲程汽油发动机。二冲程发动机因结构紧凑、功重比高而被普遍采用，但其工作过程中每转即有一次燃烧做功，热负荷集中，且扫气过程中部分新鲜混合气直接短路至排气道，导致燃烧室及排气口附近区域长期处于高温交变应力条件下。在实际作业中，操作者常因锯切硬木、链条钝化或长时间满负荷连续切割，使发动机热状态持续恶化，当缸壁温度超过材料许用极限时，极易引发活塞拉缸、活塞环卡滞、缸壁划伤乃至整机抱死等不可逆热损伤故障，严重影响整机寿命和作业安全。

2、针对上述过热问题，现有保护方案普遍在缸体或火花塞座等位置安装温度传感器，当检测温度超过单一固定阈值时执行强制断火或停机。此类方案存在以下技术缺陷：缸体测温点的热响应存在显著滞后，当缸温传感器检测到危险温度时，排气口附近活塞环区域早已远超安全界限，保护介入时机过晚；单一固定阈值无法适应不同工况下的许用温度差异，高转速重载工况与低转速轻载工况的安全温度边界存在数十摄氏度的差别，采用同一阈值易导致高负荷下保护滞后而低负荷下误触发限功；保护动作以突然熄火或强制停机为主，在锯切作业中骤停极易造成锯链卡死在锯口内，引发夹锯反弹等操作安全隐患，且影响作业连续性；此外，二冲程发动机排气温度受扫气短路影响存在剧烈的循环间波动，简单阈值比较易因单循环温度尖峰而频繁误触发，缺乏对传感器信号噪声和瞬态干扰的有效抑制能力。因此亟需一种响应迅速、分级递进、自适应工况且抗干扰性强的过热保护方法，以兼顾发动机安全性与作业连续性。

技术实现思路

1、本发明克服了现有技术的缺陷，提供了一种基于排气温度反馈的汽油锯过热分级保护方法及系统，其重要目的在于提高过热响应速度并增强工况自适应能力，降低保护误触发风险。

2、为实现上述目的本发明第一方面提供了一种基于排气温度反馈的汽油锯过热分级保护方法，包括：

3、采集目标汽油锯的排气口快响应热电偶信号以及曲轴相位脉冲信号，按工作循环划分窗口并执行排气温度波形的循环内动态分割，同步提取工作循环特征参数构建多维特征谱向量；

4、构建双节点热状态空间模型，以每个工作循环的多维特征谱向量作为序贯观测输入，进行循环间热状态传递的时变参数估计，通过计算观测新息以校正先验状态并进行内部温度重构，得到内部预估温度；

5、获取曲轴瞬时转速序列，结合多维特征谱向量进行负载模式的多参量相位空间映射，利用聚类算法在映射空间中进行负载模式识别，基于实时聚类结果与内部预估温度构建热损伤风险因子进行热损伤风险分级量化，生成连续热损伤风险指数序列；

6、基于预设过热风险判定规则将所述连续热损伤风险指数序列划分为不同风险区间，得到随时间演化的过热风险序列，基于过热风险序列进行多模式冷却介入，生成连续保护动作方案进行执行，并在执行期间进行循环风险判定对保护动作方案进行调整；

7、在过热保护持续运行过程中，对排气温度传感器的长期健康状态进行非侵入式监测，通过均值漂移量、方差异常增大比例和自相关衰减时间常数以判定退化程度，依据退化程度进行退化矫正并生成预测性维护信息进行推送。

8、本方案中，所述采集目标汽油锯的排气口快响应热电偶信号以及曲轴相位脉冲信号，按工作循环划分窗口并执行排气温度波形的循环内动态分割，同步提取工作循环特征参数构建多维特征谱向量，具体包括：

9、采集目标汽油锯排气口快响应热电偶信号以及曲轴相位脉冲信号，将快响应热电偶信号输入至模数转换器以预设采样速率转换为数字电压序列，依据热电偶分度特性将数字电压序列映射为排气温度采样序列；

10、同步将曲轴相位脉冲信号转换为边沿触发序列并记录相邻上止点脉冲间隔，依据脉冲计数将排气温度采样序列按预设曲轴转角划分为若干独立工作循环窗口；

11、对每个工作循环窗口内的排气温度采样序列，以固定窄窗宽度逐点滑动计算各采样点的局部标准差作为瞬时噪声基底估计值，将噪声基底估计值沿时间轴排列形成当前循环内的噪声基底曲线；

12、基于所述噪声基底曲线建立排气脉冲判定规则，计算所述排气温度采样序列的一阶前向差分并利用所述排气脉冲判定规则标记排气脉冲上升起点、排气脉冲峰值点及排气脉冲结束点；

13、以排气脉冲结束点为起点继续追踪至排气温度波动小于第一阈值且一阶差分在零值附近窄幅波动的最低温度区域，在最低温度区域内搜索最小采样值作为扫气后谷值温度点，完成当前工作循环窗口内排气脉冲峰值点、谷值温度点、上升起点及结束点的标定；

14、基于标定结果提取峰值温度、谷值温度、上升和下降沿的最大梯度、峰值半宽、脉冲面积积分和不对称比，按顺序组合为当前工作循环的特征向量序列，对连续若干个工作循环的特征向量序列执行方向自适应滤波后得到多维特征谱向量。

15、本方案中，所述进行循环间热状态传递的时变参数估计，通过计算观测新息以校正先验状态并进行内部温度重构，得到内部预估温度，具体包括：

16、构建以缸壁高温节点和排气道壁面节点为状态变量的双节点热状态空间模型，缸壁高温节点对应排气口附近缸壁区域，排气道壁面节点对应排气道内壁面区域，两个节点各自具有独立热容与温度状态，节点之间通过导热项耦合且与外部环境存在对流换热路径；

17、以汽油锯冷机启动后的首次工作循环为起点，将缸壁高温节点和排气道壁面节点的初始温度均设定为环境温度传感器实测值，初始状态协方差矩阵设定为对角阵，对角元素取值表征初始温度估计的不确定程度；

18、在每次状态预测前，依据当前工作循环的发动机转速和节气门开度实时更新状态转移矩阵中的对流换热系数项，将当前工作循环的多维特征谱向量作为序贯观测输入，以峰值温度和谷值温度为双测量输出建立峰值温度测量方程和谷值温度测量方程；

19、完成状态转移矩阵更新和测量方程建立后，执行先验状态预测，将上一个工作循环输出的缸壁高温节点和排气道壁面节点的后验温度估计值作为本循环的初始状态，代入更新后的状态转移矩阵，得到先验温度估计值和先验状态协方差矩阵；

20、将先验温度估计值代入所述峰值温度测量方程和所述谷值温度测量方程计算预测峰值温度和预测谷值温度，分别计算实测峰值温度与预测峰值温度之差以及实测谷值温度与预测谷值温度之差，构成观测新息向量；

21、计算多维特征谱向量中峰值温度与谷值温度在方向自适应滤波前后的偏差幅值，根据偏差幅值调整测量噪声协方差矩阵，利用调整后的测量噪声协方差计算卡尔曼增益，以卡尔曼增益加权所述观测新息向量对先验温度估计进行修正得到后验温度估计，取缸壁高温节点的后验温度估计值作为内部预估温度。

22、本方案中，所述进行负载模式的多参量相位空间映射，利用聚类算法在映射空间中进行负载模式识别，基于实时聚类结果与内部预估温度构建热损伤风险因子进行热损伤风险分级量化，具体包括：

23、从曲轴位置传感器的脉冲间隔序列中提取每个工作循环内瞬时转速随曲轴转角变化的曲轴瞬时转速序列，计算循环内最高瞬时转速与最低瞬时转速之差得到转速峰峰值，对曲轴瞬时转速序列进行傅里叶变换并计算半阶谐波能量占比；

24、提取排气峰值温度出现时刻的曲轴转角相位与转速峰值出现时刻的曲轴转角相位，计算两者之差作为相位偏移量，所述排气峰值温度出现时刻由多维特征谱向量对应的排气脉冲峰值点标定结果确定；

25、从多维特征谱向量中提取当前工作循环的峰值半宽与下降沿最大梯度，将峰值半宽与下降沿最大梯度相乘得到单循环排气热冲量表征值，与转速峰峰值、半阶谐波能量占比和相位偏移量构成四维负载特征向量，作为多参量相位空间中当前工作循环的实时映射点；

26、预设空载模式、轻载切割模式、重载切割模式和卡锯过载模式四个聚类中心为初始基准，利用最近邻分类算法计算当前四维负载特征向量与四个预设聚类中心的欧氏距离，选取欧氏距离最小的预设聚类中心所对应的负载模式作为当前工作循环的分类结果，得到负载模式识别信息。

27、基于负载模式识别信息，从预设安全限值参数组中调取当前负载模式对应的缸壁温度安全上限值，将内部预估温度除以所述缸壁温度安全上限值得到温度裕度比值；

28、同时从双节点热状态空间模型的后验状态协方差矩阵中提取缸壁高温节点对应的后验方差对角元素，以冷机启动初始协方差矩阵对应对角元素为基准进行归一化得到估计方差归一化值；

29、将所述温度裕度比值与所述估计方差归一化值相乘得到当前工作循环的热损伤风险因子，对连续多个工作循环的热损伤风险因子进行滑动窗口均值滤波，生成连续热损伤风险指数序列。

30、本方案中，所述基于过热风险序列进行多模式冷却介入，生成连续保护动作方案进行执行，并在执行期间进行循环风险判定对保护动作方案进行调整，具体包括：

31、将连续热损伤风险指数序列按升序依次划分为正常区间、预警区间、限制区间和紧急区间四个风险区间，相邻区间之间设置过渡重叠带，区间划分的边界阈值依据当前负载模式识别结果进行动态偏移；

32、将连续热损伤风险指数序列中每一指数值映射至对应风险区间，形成随时间演化的过热风险序列，过热风险序列中每个元素包含当前工作循环的风险区间归属以及风险指数在所属区间内的相对位置比例；

33、基于过热风险序列中每个工作循环的风险区间归属和相对位置比例，执行多模式冷却介入以生成连续保护动作方案；若当前元素归属正常区间，则维持发动机原始控制参数，喷油脉宽按正常功率空燃比计算，点火提前角保持原机标定值；

34、若当前元素归属预警区间，则在基础喷油脉宽之上叠加附加喷油脉宽，附加喷油脉宽幅度与风险指数在预警区间内的相对位置比例呈线性正相关，点火提前角进行推迟且推迟幅度与相对位置比例线性关联，发动机最高许用转速限制于预设中间转速水平；

35、若当前元素归属限制区间，则沿预设衰减曲线连续缩减节气门开度，喷油模式变更为周期性间歇喷射，非喷油工作循环则保留点火以维持曲轴旋转惯性，发动机转速维持预设怠速水平以驱动冷却风扇运转；

36、若当前元素归属紧急区间，则将节气门完全关闭，切断喷油信号和点火信号，发动机停机后需操作者手动复位方可重新启动；在保护动作方案执行期间每个工作循环根据新生成的热损伤风险指数重新进行循环风险判定并对保护动作方案参数进行动态调整。

37、本方案中，所述对排气温度传感器的长期健康状态进行非侵入式监测，通过均值漂移量、方差异常增大比例和自相关衰减时间常数以判定退化程度，依据退化程度进行退化矫正并生成预测性维护信息进行推送，具体包括：

38、利用双节点热状态空间模型在每个工作循环输出的实测峰值温度与预测峰值温度之差、实测谷值温度与预测谷值温度之差构成新息序列，作为传感器健康状态监测的数据源，对连续预设数量工作循环的新息序列执行滑动窗口递推统计；

39、采用指数加权移动平均算法计算峰值温度新息和谷值温度新息的平滑值并取两者绝对值较大者作为均值漂移量，取窗口内峰值温度新息方差与谷值温度新息方差中较大者除以出厂标定基准方差得到方差异常增大比例；

40、采用yule-walker方程拟合对滑动窗口内峰值温度新息序列的一阶自回归模型系数，提取滞后一步的自相关系数并代入指数衰减模型，计算归一化自相关函数衰减至预设阈值时对应的滞后步数并换算为曲轴转角，作为自相关衰减时间常数；

41、将均值漂移量、方差异常增大比例和自相关衰减时间常数分别与预设轻微退化阈值和中等退化阈值比较，若至少一项指标超过轻微退化阈值且无指标达到中等退化阈值则评定为轻微退化，若至少一项指标超过中等退化阈值则评定为中等退化；

42、当评定为轻微退化时，维持实测信号参与闭环校正，将计算热损伤风险因子时使用的估计方差归一化值的乘法系数上调预设比例，使过热保护决策趋于保守，并生成包含退化指标数值和轻度维护建议的预警信息进行推送；

43、当评定为中等退化时，启动从闭环校正到开环预测的无扰切换，使测量噪声协方差矩阵的逆矩阵范数按指数衰减函数在连续多个工作循环内平滑减小以令卡尔曼增益同步衰减至零，切换后由双节点热状态空间模型进行纯开环预测，将缸壁温度安全上限值乘以裕度系数，并生成包含更换传感器建议的维护信息进行推送。

44、本发明第二方面提供了一种基于排气温度反馈的汽油锯过热分级保护系统，该系统包括：存储器、处理器、通信接口，所述存储器中包含基于排气温度反馈的汽油锯过热分级保护方法程序，所述基于排气温度反馈的汽油锯过热分级保护方法程序被所述处理器执行时实现如上述任一项所述的基于排气温度反馈的汽油锯过热分级保护方法步骤。