一种基于混沌理论的火花放电状态识别和检测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于混沌理论的火花放电状态分析方法，该方法包括：S1、分析电火花放电间隙状态时间序列，根据关联积分选定放电状态的嵌入维数m；S2、分析电火花放电间隙状态时间序列，采用CC算法计算得到放电状态时间序列的延迟时间τ；S3、基于步骤S1中获得的嵌入维数和步骤S2中获得的延迟时间，重构放电状态相空间；S4、根据重构空间，计算样本的最大李雅普诺夫指数，并根据该指数判断火花放电系统是否为混沌时间序列。本发明专利技术的火花放电状态识别和检测方法充分体现了电火花放电过程中的复杂耦合特性，实现了电火花间隙放电状态的精确判定。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及特种加工先进制造领域，特别是涉及一种基于混沌理论的火花放电状态识别和检测方法。
技术介绍
电火花加工属于一种先进制造手段，在航空航天制造、机械加工、汽车零件生产等领域获得了广泛的应用。电火花放电加工过程实质是利用工具电极与工件之间隙火花放电的能量来进行加工。自1943年在莫斯科大学由Lazarenko夫妇研发了第一个加工过程可控的电火花加工系统，该系统采用了电阻电容式放电电源。到20世纪80年代数控电源的出现，极大的推动了电火花加工技术的发展。加工效率提高、加工过程自动化，如工具电极自动补偿。在特定的条件下，实现了复杂微结构加工、光整加工等精密微细加工。影响电火花加工过程的因素有脉冲电源参数(峰值电压，脉冲宽度，极性，波形)、伺服进给系统参数(伺服电压，电极抬刀周期等)、冲液参数(工作液流量，压力，冲液方式)。这些参数综合作用的表现形式都可以用放电状态来描述。另外，对电火花放电状态的检测与判定，是实现自适应调整脉冲电源参数和伺服进给速度和方向，使加工处于稳定、最佳的状态，实现加工过程的高度自动化的关键技术和瓶颈技术。目前间隙放电状态检测法主要有平均电压(电流)检测法、放电脉冲有效火花数检测法、放电脉冲峰值电压(电流)检测法、高频分量检测法、放电击穿延迟时间检测法等。但是，这些检测方法或是存在状态检测结果粗糙，分类不准确的问题；或是由于检测原理上的缺陷而存在精确度缺失的问题。特别是，这些检测方法都没能将火花放电状态的内部动态特性考虑进来。由于电火花加工过程中的放电机理十分复杂，尤其在复杂型腔精密加工、大面积镜面加工、微细电火花加工中。高频高能、高频微能脉冲放电造成放电间隙内噪声信息增大，信噪比低，会使常规电火花加工的放电状态检测方法失效。另一方面，现有的电火花加工放电状态的辨识方法无法进一步精确地区分火花放电间隙状态。依据放电间隙电压和电流的波形和所含高频分量，电火花加工间隙的放电状态常被粗略地分为开路、火花、短路三种，而实际电火花放电间隙有许多中间放电状态过程。目前有学者提出了采用高频分量检测、间隙电流检测等方法以此区分正常放电和电弧弧放电的办法，然而，高频分量检测的电路十分复杂且容易受到加工过程中的各种噪声信号的干扰，难以实现精确高速的放电状态检测。可以说，目前的电火花间隙放电状态的判别手段和检测方法都不能够“尽如人意”，严重影响了加工精度和质量。因此，研究一种能够反映特质的、定量的、准确度高的放电状态识别办法意义重大。
技术实现思路
本专利技术要解决的第一个技术问题是提供一种基于混沌理论的火花放电状态识别方法，以解决电火花加工过程中加工状态的精确识别的问题；本专利技术要解决的第二个技术问题是提供一种基于混沌理论的火花放电状态检测方法，以解决对电火花加工过程中放电状态精准检测和工作状态精准检测的问题。为解决上述技术问题，本专利技术采用下述技术方案一种基于混沌理论的火花放电状态识别方法，该方法的步骤包括：S1、分析电火花放电间隙状态时间序列，根据关联积分选定放电状态的嵌入维数m；S2、分析电火花放电间隙状态时间序列，采用CC算法计算得到放电状态时间序列的延迟时间τ；S3、基于步骤S1中获得的嵌入维数m和步骤S2中获得的延迟时间τ，重构放电状态相空间；S4、根据重构空间，计算样本的最大李雅普诺夫指数，并根据该指数判断火花放电系统是否为混沌时间序列。优选地，步骤S1包括：S11、定义某一放电状态时间序列的关联积分：其中，r为相空间超球体半径，θ(x)为Heaviside单位函数，定义为|Y(ti)-Y(tj)|表示点Y(ti)和Y(tj)之间的距离，θ(r-|Y(ti)-Y(tj)|表示满足间距小于给定值r的点的个数；S12、根据关联积分，构建以lnC(m,r)为y轴，lnr为x轴为双对数坐标图；S13、在lnC(m,r)-lnr双对数坐标图中，随着m不断的变化曲线逐渐趋于一个稳定值，使曲线达到稳定的m的最小值将作为该放电状态的嵌入维数。优选地，步骤S2包括：S21、将时间序列x1,x2,…,xN分为t个子时间序列；S22、根据步骤S11中的关联积分，定义一个差函数：其中，N为时间序列样本数量，r为相空间超球体半径，u为变量；S23、根据步骤S22定义的差函数，构造并计算下列表达式：S24、当的首个零点或的首次出现极小值的时间点时，该时间点即为该样本时间序列的延迟时间τ。优选地，步骤S4包括：S41、基于重构相空间，寻找Yj的最短距离的临点其中，dj(0)为第j个点Yj到的垂直距离；S42、保证Yj和在一条轨线上，对Yj和进行限制短暂分离处理：其中p为时间序列的平均周期；S43、计算轨线的每个点的平均发散率；S44、对点Yj计算出与的第i个离散时间步长后的距离dj(i)：其中M＝N-(m-1)τ；S45、对步骤S44的距离dj(i)进行处理，定义一个y(i)：其中，q是非零dj(i)的数目；S46、对y(i)曲线中的线性段部分使用最小二乘法拟合出回归直线，其斜率就是所求L，根据李雅普诺夫定理知，如果计算得到的是稳定的、大于零的Lyapunov指数，那么时间序列可判定为混沌时间序列；Lyapunov指数混沌判据为：若系统的Lyapunov指数L＞0，则该系统一定是混沌的。一种基于混沌理论的火花放电状态检测方法，该方法的步骤包括：S1、采集多组电火花间隙放电状态样本数据；S2、利用权利要求1火花放电状态识别方法计算样本的最大李雅普诺夫指数；S3、对样本数据的最大李雅普诺夫指数进行状态分布的样本均值与标准差的参数计算，并确定状态阈值区域；S4、判断待识别脉冲数据的最大李雅普诺夫指数是否大于零，若是，则执行步骤S5，若否，则此时的工作状态为开路或短路；S5、根据阈值区域，判断当前放电状态的类型。优选地，步骤S3是根据所得到的参数，以置信度90％建立不同放电状态类型的检测区间。优选地，步骤S4中，当样本数据电压均值为0，则判定间隙状态处于短路状态；若样本数据电流均值为0，则判断间隙状态处于开路状态。本专利技术的有益效果如下：本专利技术所述技术方案优势在于：1.充分体现了电火花放电过程中的复杂耦合特性，即：以系统固有非线性混沌特性为依据，基于混沌理论定量地实现了放电状态的精确识别，以便加工过程能够快速进入目标状态，减少损耗，提高加工精度和速度。2.实现了电火花间隙放电状态的精确判定，即在传统三种放电间隙的基础之上，依据放电过程的动态特征变化，划分了七种间隙放电状态，包括开路、稳定火花放电、过度火花放电、不稳定火花放电、电弧放电、不稳定电弧放电、以及短路。附图说明下面结合附图对本专利技术的具体实施方式作进一步详细的说明；图1示出四种间隙放电状态。图2示出三种间隙放电状态。图3示出电火花放电状态的识别和控制流程图。图4示出实例1中样本700个数据点的时间序列。图5示出实例1中双对数的坐标图。图6示出实例1中放电状态延迟时间。具体实施方式为了更清楚地说明本专利技术，下面结合优选实施例和附图对本专利技术做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本专利技术的保护范围。本方案根据不同放电状态的混沌特性可以准确区分为七种放电状态，分别为开路、稳定火花本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于混沌理论的火花放电状态识别方法，其特征在于，该方法的步骤包括：S1、分析电火花放电间隙状态时间序列，根据关联积分选定放电状态的嵌入维数m；S2、分析电火花放电间隙状态时间序列，采用CC算法计算得到放电状态时间序列的延迟时间τ；S3、基于步骤S1中获得的嵌入维数m和步骤S2中获得的延迟时间τ，重构放电状态相空间；S4、根据重构空间，计算样本的最大李雅普诺夫指数，并根据该指数判断火花放电系统是否为混沌时间序列。

【技术特征摘要】
1.一种基于混沌理论的火花放电状态识别方法，其特征在于，该方法的步骤包括：S1、分析电火花放电间隙状态时间序列，根据关联积分选定放电状态的嵌入维数m；S2、分析电火花放电间隙状态时间序列，采用CC算法计算得到放电状态时间序列的延迟时间τ；S3、基于步骤S1中获得的嵌入维数m和步骤S2中获得的延迟时间τ，重构放电状态相空间；S4、根据重构空间，计算样本的最大李雅普诺夫指数，并根据该指数判断火花放电系统是否为混沌时间序列。2.根据权利要求1所述的火花放电状态识别方法，其特征在于，所述步骤S1包括：S11、定义某一放电状态时间序列的关联积分：C(m,r)=limr→01N2Σi,j=1Nθ(r-|Y(ti)-Y(tj)|)]]>其中，r为相空间超球体半...

【专利技术属性】
技术研发人员：王鹏，李伯虎，施国强，林廷宇，周军华，
申请(专利权)人：北京仿真中心，
类型：发明
国别省市：北京;11