基于支持向量机的往复压缩机气阀故障诊断.pdf

自动化与仪器仪表 2 0 1 3 年第 1 期 总第 1 6 5 期 基于支持向量机的往复压缩机气阀故障诊断 李宝栋 ， 宿忠娥 ， 柴世文 兰州工业学院 机械 工程 系 兰州， 7 3 0 0 5 0 兰州城市学院 培黎工程技术学院 兰州， 7 3 0 0 7 0 甘肃省机械科学研究院兰州， 7 3 0 0 3 0 摘要 提出了一种基于支持向量机的往复压缩机气阀故障诊断方法。把往复压缩机气阀的振动信号作为识别故障 的特征向量， 运用支持向量机方法， 训练后得到用于往复压缩机气阀故障诊断的支持向量机 网络。由对测试样本的分类 结果可知， 支持向量机网络的分类结果和实际故障情况一致。 关键词 往复压缩机气阀； 故障诊断； 支持向量机 Ab s t r a c t T h i s p a p e r p r o p o s e s a me t h o d f o r f a u l t d i a g n o s i s o n v a l v e o f r e c i p r o c a t i n g c o mp r e s s o r b a s e d o n S VM． Ac c o r d i n g t o t h e v i b r a t i o n s i g n a l f e a t u r e s ， A S VM r e c o gn i t i o n n e t wo r k o f f a u l t p a a e m o f r e c i p r o c a t i n g c o mp r e s s o r v a l v e wa s p r e s e n t e d b y tra i n i n g ． T h e t e s t s a m p l e c l a s s i fic a t i o n r e s u l t s s h o w t h a t t h e c l a s s i fic a t i o n r e s u l t s b y S VM c o i n c i d e wi t h a c t u a l f a u l t ． Ke y wo r d s Va l v e o f Re c i p r o c a t i n g Co mp r e s s o r ； F a u l t Di a gn o s i s ； S VM 中图分类号 T H I 6 5 ． 3 文献标识码 A 文章编号 i 0 0 1 - 9 2 2 7 2 0 1 3 - 0 1 - 0 1 5 7 - 0 2 0 引 言 往复式压缩机是一种广泛应用于机械、 化工等领域的重要 设备， 气阀是其最关键的部件之一。据统计， 往复压缩机气阀故 障引起的停机次数， 占总停机次数8 5％ 以上l 】1 。对于机械装备， 一 旦发生故障 ， 就会造成经济损 失或者重大事故 ， 所 以不会有 太 多的样本， 即使用人工方法获取故障样本， 由于成本原因， 样本 数量 也很有 限。而支持向量机 S u p p o V e c t o r Ma c h i n e ， 简称 S V M 不需要大量样本对模型进行训练， 所以在解决小样本的模 式识别上有 自己特有的优势 。本文采用支持向量机方法， 对 往复式压缩机气阀进行智能故障诊断。 1 支持向量机原理 支持 向量 机 以统计学 习理论为 基础 ， 针对 小样本数 据建 立 新的理论体系， 追求在有限样本下的最优解。 设样 本 集 有 n个样 本 ， E R ， 其 中 i 1 ， 2 ， ⋯， n ， Y ∈ 卜1 ， 1 1 是类别标号。分类面方程为w x b O 。 求满足式 1 条件 下 的最小值 ， 如式 2 。 Y i w x 6 一1 ≥0 1 ㈤ , w ll。 l W 埘 ， W 2 采用拉格朗日乘子法， 由优化理论的对偶理论可知， 此问题 可转化为求满足式 3 条件TO w 的最大值， 如式 4 。 -L y i c t 0 ， 0 r { t - 4 解上述问题后得最优分类函数为 ， 、 -厂 功 s g n { w b } s g n { ∑。 Y 曲 b } 5 i l ， 对于非线性问题， 可通过变换将非线性问题变换为高维空 收稿 日期 2 0 1 2 - 0 9 - 2 5 作者简介 李宝栋， 男， 1 9 7 9 年 7 月一 ， 讲师。研究方向 数 字化 制造 技术。 间的线 性 问题 ， 再 求最优分 类面 。因式 4 和式 5 中都只涉及 样本的内积运算， 即变换为高维空间线性问题后也只需进行内 积运算。而根据泛函理论， 这种运算是可以用核函数实现的。 常用 的核 函数有 线性 核 函数 、 多项 式核 函数 、 径 向基核 函数和 S i g mo i d核函数等 。 2 往复压缩机气阀的故障诊断方法 往复压缩机气阀的失效主要是阀片断裂、 阀片有磨损和阀 片弹簧失效。考虑到生产现场很难搜集全各种故障数据， 首先 要人为的对气阀进行不同位置和不同程度的破坏， 然后进行试 验 。并运 用小波 包变换 与能量 算子对气 阀故障特 征进行 提取 ， 这种故障特征提 取方法解决 了对信号包 络解 调前需要人为确 定 载波带对信号进行带通滤波的问题 。 由于支持向量机是两类分类器， 可 以将阀片正常、 阀片断 裂、 阀片有磨损和 阀片弹簧失效分为4 个两类 问题 ， 依次建立 S V MO 阀片正 常 、 S V MI 阀片断裂 、 S V M2 阀片有 磨损 和 S V M3 f 阀片弹簧失效 等4 个分类器。当某分类器输出为 l 时， 为该分 类器所代表的故障形式存在 ， 当某分类器输 出为一 1 时， 为 该分类 器所代表的故障形式不存在。然后用支持向量机网络进行训 练， 实现对往复压缩机气阀的故障形式的识别。识别过程中， 当 上一个 分类器 的输 出为一 1 时 ， 就将特 征 向量输入 到下一个 分类 器中， 顺序执行直至结束。诊断流程如图1 。 特 征 信 号 提 取 兰 翌 墨 r _ _ 竺 苎 竺 苎 图 1 诊断流程 3 结果及分析 共收集了6 0 个样本， 阀片正常、 阀片断裂、 阀片有磨损和阀 片弹簧失效的各 1 5 个。每类样本中任选 l 2 个作为训练样本， 剩 余的3 个作为测试样本。即4 8 个为训练样本， 1 2 个为测试样本。 核函数选用径向基核函数， 核函数的宽度参数和误差惩罚 因子的选择采用交叉验证 的方法， 取核 函数 的宽度 参数为 1 5 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 基于支持向量机的往复压缩机气阀故障诊断李宝栋， 等 1 ． 3 0 6 ， 误差惩罚因子为0 ． 2 9 7 。 用训练后的 网络对测试样本进行分类， 结果如表 1 。 表1测试样本分类结果 序号 已知故障情况 S V M0 S V M1 S V M 2 S V M3 1 闽片正常 2 阀片正常 3 阀片正常 4 阀片断裂 5 阀片断裂 6 阀片断裂 7 阀片有磨损 8 阀片有磨损 9 阀片有磨损 1 0 阀片弹簧失效 1 1 阀片弹簧失效 1 2 阀片 弹簧失效 由表 1 可知， 支持向量机网络的分类结果和己知的实际故 障情况一致 ， 这说明训练后支持向量机网络具有很强的故障模 式识别 能力 。 4 结论 本文将支持向量机用于往复压缩机气阀的故障诊断， 采用 支持 向量机对往 复压缩机 气阀在阀片断裂 、 阀片有磨损、 阀片弹 簧失效以及无故障状态给予识别。由对测试样本的分类结果可 知， 支持向量机网络的分类结果和 己知的实际故障情况一致。 这说明该网络不仅能够检测到往复压缩机气阀故障的存在 ， 而 且能够更高效、 准确地进行往复压缩机气阀的故障模式识别， 能 够更好的应用于往复压缩机气阀的故障诊断中。 参考文献 [ 1 ] 沈庆根 ， 郑水英 ．设备故障诊断【 M] ．北京 化学工业 出版社 ， 2 00 7． 『 2 1 邓乃 阳， 田关杰 ．数据挖 掘中的新方法一支持 向量机 [ M] ．北 京 科 学出版社 ， 2 0 0 4 ． f 3 1 Hs u Ch i h We i ， L i n C h i l i J e n ．A Co mp a r i s o n o f me t h o d s f o r m u l t i -c l a s s s u p p o v e c t o r m a c h i n e s [ J ] ．I E E E T r a n s a c t i o n s o n N e u r a l N e t w o r k s ， 2 0 0 2 ， 1 3 2 4 1 5 4 2 5 [ 4 ] V l a d i m i r N ． V a p n i k著 ， 张 学工译 ．统计 学习理论 的本质【 M1 ．北京 清华 大学 出版社 ， 2 0 0 0 ． [ 5 ] 魏 中青等．运用小波包变换与能量算子的气阀故障特征提 取I J 1 ．振动 、 测试与诊断， 2 0 1 l ， 3 1 1 5 0 5 4 ． 上接 第 1 5 3 页 一 ／ _f 7 8 ． 0 0 g 其中 △ 、 ， 代入数据得 A m0 ． 0 1 4 g m A m f 7 8 ．0 0 0 ．0 1 4 g 同 理 得 X o X o k x 0 6 ．0 0 _ 0 ．0 1 2 c m 5 T 5 r A s r 1 ．0 3 _ 0 ．0 3 s d o d o A d o f 2 ． 0 0 0 0 ． O 0 1 c m 带入 ， 一5 T， 。 得 8 ． 6 1 1 0 泊 △ 仪 ， 又 r l t in f t d r ] 。 一f t x o ] 2 f t P o ] f t 盟 d o f t 塑 5 T 0 ．21 21 ％ ． ‘ ． A t／ 玎 E ≈2 1 0 泊 ． ． 9 2 1 0 3 泊 4 讨论 4 ． 1 误 差分析 1 很明显， 数据的得出有些地方还很不完善， 比如实验中 对 d x 的测量的方法为估计法， 用视觉判断运动的空心玻璃棒对 侧面水的影响范围， 这有较大的误差， 但可以估计数量级应是正 确 的。 2 公式本 身也有误差 ， 如对 1 式 的近似处理 ， 将X 近 似为 所 以由此引入系统误差。 3 查 的水 的粘滞 系数标准 值为x l o 8 ． 0 1 “ 1 0 一， 则实验 测得 l 58 值与 之相 比较可 知相对 误差 为 1 0 0 ％5 ． 1 2 ％ ， 虽然 已 。 有 比较理 想的近似 ， 但 可看 到试验所 作 出的不确 定度与标 准值 有相当大的差距。这反映出实验本身很粗糙。 4 可以设想到当棒上下振动时在棒的周围应该由于水对 棒的润湿性而导致在棒接近水面处有表面张力的影响， 但当棒 的直径很小时， 表面张力大小与棒 自身重力 即水的浮力 相比 很小， 故可 以不考虑其对振动产生的影响。 5 在落球法 测油 的粘滞 系数 的实验 中要考 虑液面 的大小 对实验 的影响 ， 猜想本实验也应该存在类似 的问题 ， 故猜想可对 不 同直径 的棒进行测量 ， 进而用作图法外推到棒 的d 一0 的 情况 。 4 ． 2 对本 实验可拓展之处的探 究 1 方案 1 实验中还可探究空心玻璃棒的粗糙程度对实验 数据 的影响 ， 方法可选 定为用粗 砂纸打磨棒 的时 间来控 制粗糙 程度 但要注意不能明显改变棒的直径 。 2 方案2 可 以研究当棒的振动幅度增大时对实验的影响 振动幅度 可逐渐线性变化 。 3 方案 3 可 对水 的密度做 一定 的变化 如加入盐等 测量 不同密度对实验结果的影响大小。 4 ． 3 实验 思路 的 引 出 实验思路源 自于 曾经 关于木棒在水 中做小幅震荡 为简 谐振 动 的一道题 目。 参考文献 f 1 ] 宋家鳌 ， 王立． 大学物理实验[ M】 ． 西安 陕西人民出版社 ， 2 0 0 2 ． 6 2 - 6 4 [ 2 ] 杨述武． 普通物理实验 一、 力学及热学部分 【 M J ． 第 3 版． 北京 高等教 育 出版社 ， 2 0 0 0 ． 1 1 4 1 1 6． [ 3 ] 任新成 ， 王玉清 ， 安爱芳． 多管落球法测液体粘度实验的研究【 J 】 ． 物理 实验 ， 2 0 0 4， 2 4 4 ． 3 53 7 ． [ 4 ] 王玉清 任新成 落球法测液体粘度实验的改进f J ] ． 大学物理 2 0 0 4 ， 2 3 f 8 1 ． 4 1 4 2 ． 【 5 ] 饶黄云， 刘悦． 用自制仪器精确测定变温液体的粘滞系数f J 1 ． 实验力学 2 0 0 8 ．2 3 2 ． 1 8 6 1 9 1 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m