Proposal for an angle/time-cyclostationary parametric model with application on internal combustion engine analysis
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Data
2020-08-28
Autores
Orientador
Silva, Samuel da
Silva, Samuel da 
Coorientador
Pós-graduação
Engenharia Mecânica - FEIS
Curso de graduação
Título da Revista
ISSN da Revista
Título de Volume
Editor
Universidade Estadual Paulista (Unesp)
Tipo
Tese de doutorado
Direito de acesso
Acesso aberto
Resumo
Resumo (português)
The identification and model-based vibration analysis of a diesel internal combustion engine (ICE) is addressed in this thesis. An angle/time-dependent parametric model is proposed based on the existent well-known functional series time-varying autoregressive moving-average (FS-TARMA) formulation. However, instead of imposes the model coefficients' temporal evolution, this thesis suggests a model in which the coefficients are expanded and modeled as evolving according to an angular-periodic (related to the crankshaft position) basis. Due to this angle/time-dependency, we refer to this new model as an angle/time-FS-ARMA (or AT-FS-ARMA) model. The angular-periodic basis is derived from the AT-cyclostationary framework, a novel class of model extending the only time- or angle-cyclostationary framework. The proposed model considers the angle-periodicities (kinematic-related) often present in vibration-based signals from rotating and reciprocating machines, yet preserving the carrier (time-dependent dynamic). A ``Relaxed'' Multi-Stage Weighted-Least-Squares estimator is used to compute the models. The model structure is selected by evaluating the Bayesian information criterion through the assessment of several candidate models. A comparison between a model-based angle-frequency map and its non-parametric counterpart (obtained through smoothed-pseudo-Wigner-Ville distribution) was performed to show our proposal's potentiality. The results showed that the AT-FS-ARMA-based angle/frequency map provides a useful complementary tool for analysis; it is free from cross-terms and allows one to relate kinematics phenomena to the angular-instants in which they occur.
Resumo (português)
Esta tese trata do problema da identificação e análise de vibrações, baseada em modelo, de sinais de vibrações de um motor de combustão interna à diesel. Um modelo paramétrico dependente do tempo/ângulo é proposto. Este modelo baseado na formulação já consolidada de modelos autorregressivos média-móveis (ARMA, do inglês autoregressive-moving-average) tempo-variantes, que utilizam espaços funcionais (FS, do inglês functional series) para a expansão dos parâmetros. Todavia, ao invés de impor uma dependência temporal nos coeficientes do modelo, esta tese sugere a expansão destes em termos de funções periódicas que são dependentes do ângulo de rotação do virabrequim do motor. Devido à esta dependência do ângulo/tempo, o novo modelo é chamado FS-ARMA ângulo/tempo-variante (ou AT-FS-ARMA). A base ângulo-periódica é proveniente da ideia de modelagem ângulo/tempo-ciclo-estacionária, que sugere uma nova classe de modelos como uma expansão das classes apenas tempo- ou ângulo-ciclo-estacionárias. O modelo proposto considera as periodicidades, frequentemente presentes em sinais de máquinas rotativas e alternativas (relacionadas à cinemática), em termos da variável angular, enquanto preserva a descrição temporal de características intrínsecas dos sinais (dinâmica dependente no tempo). Um estimador “relaxado” e de múltiplos estágios, baseado no método dos mínimos quadrados, é utilizado para estimar o modelo, cuja estrutura é selecionada utilizando a métrica do critério Bayesiano, através da avaliação de diversos modelos-candidatos. É realizada então uma comparação entre um mapa ângulo-frequência baseado no modelo estimado e um equivalente não-paramétrico deste (obtido via a computação de uma Distribuição Wigner-Ville suavizada, ou Pseudo-smoothed-Wigner-Ville Distribution), para mostrar o potencial do método proposto. Os resultados mostraram que os mapas ângulo-frequência baseados no modelo AT-FS-ARMA provêm uma ferramenta complementar útil para análise, sendo livre de termos cruzados e permitindo a associação entre fenômenos cinemáticos aos “instantes” angulares em que estes ocorrem.
Descrição
Palavras-chave
Cicloestacionariedade ângulo/tempo, Análise de vibrações, Máquinas rotativas e alternativas, Motores de combustão interna, Identificação de sinais, Identificação paramétrica, Angle/time-cyclostationarity, Vibration analysis, Rotating and reciprocating machines, Internal combustion engines, Signal identification, Parametric identification
Idioma
Inglês