基于改進(jìn)球向量機(jī)閉包球求解的往復(fù)式壓縮機(jī)故障診斷方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于故障診斷方法，尤其涉及一種基于改進(jìn)球向量機(jī)閉包球求解（IEBVM) 的往復(fù)式壓縮機(jī)故障診斷方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 往復(fù)式壓縮機(jī)作為生產(chǎn)環(huán)節(jié)的一種關(guān)鍵機(jī)械設(shè)備，一旦發(fā)生故障就可能無法正常 運(yùn)作、停機(jī)甚至帶來嚴(yán)重的生產(chǎn)事故，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失、環(huán)境損失甚至人員傷亡。由于 往復(fù)式壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)的日益復(fù)雜，進(jìn)行故障診斷所需的狀態(tài)信息增大，檢測(cè)數(shù)據(jù)增多，增大了 通過診斷算法建立模型的難度。傳統(tǒng)的故障診斷算法難以滿足實(shí)際生產(chǎn)需求，而一般智能 診斷算法用于壓縮機(jī)的故障診斷通常存在訓(xùn)練時(shí)間長(zhǎng)、診斷精度不夠高的缺點(diǎn)，因此對(duì)壓 縮機(jī)進(jìn)行快速準(zhǔn)確的故障診斷是亟待解決的問題。
[0003] 往復(fù)式壓縮機(jī)的故障診斷屬于模式識(shí)別領(lǐng)域，其實(shí)質(zhì)是分類問題。支持向量機(jī)算 法作為一種典型的分類算法，在許多分類問題上的分類效果很好，但是當(dāng)分類訓(xùn)練數(shù)據(jù)集 規(guī)模變大、數(shù)據(jù)在高維空間分布復(fù)雜時(shí)，其訓(xùn)練時(shí)間偏長(zhǎng)、訓(xùn)練精度下降，導(dǎo)致訓(xùn)練效果變 差。球向量機(jī)（BVM)算法將支持向量機(jī)算法中二次規(guī)劃的求解轉(zhuǎn)化為閉包球問題，在處理 大規(guī)模數(shù)據(jù)時(shí)，相比于一般的分類算法具有明顯優(yōu)勢(shì)。但數(shù)據(jù)規(guī)模過大時(shí)，訓(xùn)練時(shí)間仍相 對(duì)較長(zhǎng)，將BVM算法用于往復(fù)式壓縮機(jī)的故障診斷，其訓(xùn)練效果還需要進(jìn)一步提高以滿足 實(shí)際診斷需求。BVM算法在閉包球求解過程中，最耗時(shí)的部分是求解點(diǎn)到閉包球球心的距 離，每次在訓(xùn)練集中采樣一定個(gè)數(shù)的點(diǎn)，用于確定距離球心最遠(yuǎn)的點(diǎn)以更新球心，而在更新 球心若干次后，同一個(gè)點(diǎn)到球心的距離需要重新求解，原有的距離沒有得到充分利用。而距 離的求解與支持向量的個(gè)數(shù)有直接關(guān)系，當(dāng)數(shù)據(jù)集的規(guī)模很大時(shí)，支持向量的個(gè)數(shù)勢(shì)必很 多，使得距離的計(jì)算耗費(fèi)更多的時(shí)間，而往復(fù)式壓縮機(jī)由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故障數(shù)據(jù)維度高、個(gè) 數(shù)多，采用球向量機(jī)算法進(jìn)行故障診斷所需的時(shí)間也偏大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種基于改進(jìn)球向量機(jī)閉包球求解的往復(fù)式壓縮機(jī)故障 診斷方法。
[0005] 為了實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案：
[0006] 1)利用溫度傳感器和壓力傳感器采集往復(fù)式壓縮機(jī)各級(jí)缸的進(jìn)氣口以及排氣口 處在不同工況下的溫度和壓力數(shù)據(jù)，所述工況包括所述往復(fù)式壓縮機(jī)的若干種故障類型；
[0007] 2)構(gòu)造數(shù)據(jù)集S ={Zi，…，zN}，Zi=(xi,yj，Xi是采集到的d維溫度和壓力數(shù)據(jù)， yi G {1，2,…，P}，i = 1，2,…，N，{1，2,…，P}為所述往復(fù)式壓縮機(jī)的工況集合，y為x，寸 應(yīng)的工況，N為采集到的數(shù)據(jù)組數(shù)；
[0008] 3)采用改進(jìn)球向量機(jī)閉包球求解算法對(duì)訓(xùn)練數(shù)據(jù)集進(jìn)行訓(xùn)練，采用一對(duì)一的策 略，P種工況共需訓(xùn)練_
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于改進(jìn)球向量機(jī)閉包球求解的往復(fù)式壓縮機(jī)故障診斷方法，其特征在于：包 括W下步驟： 1) 利用溫度傳感器和壓力傳感器采集往復(fù)式壓縮機(jī)各級(jí)缸的進(jìn)氣口W及排氣口處在 不同工況下的溫度和壓力數(shù)據(jù)，所述工況包括所述往復(fù)式壓縮機(jī)的若干種故障類型； 2) 構(gòu)造數(shù)據(jù)集S= {zi，…，ZnKZi= (Xi，yi)，Xi是采集到的d維溫度和壓力數(shù)據(jù)， yiG(1，2,…，巧，i= 1，2,…，N，{1，2,…，巧為所述往復(fù)式壓縮機(jī)的工況集合，y;為Xi對(duì) 應(yīng)的工況，N為采集到的數(shù)據(jù)組數(shù)； 3) 采用改進(jìn)球向量機(jī)閉包球求解算法對(duì)訓(xùn)練數(shù)據(jù)集進(jìn)行訓(xùn)練，采用一對(duì)一的策略， P種工況共需訓(xùn)練個(gè)二分類器；確定改進(jìn)球向量機(jī)閉包球求解算法的核函數(shù)W及 近似求解精度目標(biāo)e,。。1;對(duì)于每個(gè)二分類器，所述算法在求解閉包球問題時(shí)，將所有Zi通 過映射風(fēng)0映射到高維空間構(gòu)成訓(xùn)練數(shù)據(jù)集，在訓(xùn)練數(shù)據(jù)集中尋找最遠(yuǎn)點(diǎn)時(shí)緩存對(duì)應(yīng)點(diǎn) 與球屯、的點(diǎn)積，用于球屯、更新一定次數(shù)后同一個(gè)點(diǎn)與球屯、的距離的計(jì)算；在尋找最遠(yuǎn)點(diǎn)時(shí) 跳過部分非最遠(yuǎn)點(diǎn)；支持向量權(quán)重在球屯、每更新一定次數(shù)后再更新；當(dāng)支持向量個(gè)數(shù)過多 時(shí)，增大在支持向量集中尋找最遠(yuǎn)點(diǎn)的次數(shù)； 4) 達(dá)到近似求解精度目標(biāo)后完成一個(gè)二分類器的求解，重復(fù)步驟3)直至完成所有二 分類器的求解，得到改進(jìn)的球向量機(jī)訓(xùn)練模型； 5) 通過所述改進(jìn)的球向量機(jī)訓(xùn)練模型對(duì)所述往復(fù)式壓縮機(jī)進(jìn)行故障診斷，確定所述往 復(fù)式壓縮機(jī)的故障類型。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于改進(jìn)球向量機(jī)閉包球求解的往復(fù)式壓縮機(jī)故障 診斷方法，其特征在于：所述閉包球問題的求解具體包括W下步驟：餅5,)滿足核函數(shù) 居(Z,- 擇吟）=乂y/O,. ) + "，, + ^，其中，k(X;，Xj)為標(biāo)準(zhǔn)核函數(shù)，C為懲 罰參數(shù)，
初始化球屯、&〇=風(fēng)2。）W及近似求解精度e=e。，如果點(diǎn)務(wù)(5,) 在球S巧，(1 +句勺外，確定離球屯、最遠(yuǎn)的點(diǎn)餅z,,J，使位置移動(dòng)最小到S,+i，保證球 5巧+1，(1 +如)剛好接觸到旅,,,,,），r為最小閉包球的半徑；令e=e/2,再次求解閉包球 問題，直到e<e,。。1，達(dá)到閉包球的近似求解精度目標(biāo)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于改進(jìn)球向量機(jī)閉包球求解的往復(fù)式壓縮機(jī) 故障診斷方法，其特征在于：尋找最遠(yuǎn)點(diǎn)時(shí)，第i個(gè)點(diǎn)奶S,.)與球屯、&的距離為：
其中，AT=擇(Z,.)T參切=如,.，毎），di，t為狐,.)與的點(diǎn)積，初始 化時(shí)求解所有中,。； 第t+1次尋找到最遠(yuǎn)點(diǎn)鳳Z,,,")后，為使球屯、移動(dòng)位置最小，構(gòu)造拉格朗日函數(shù)并求解， 使球屯、更新為+a-A)餅之，其中
尋找最遠(yuǎn)點(diǎn)時(shí)，第i個(gè)點(diǎn)例z,.)與球屯、6的點(diǎn)積為
其中，dw為已經(jīng)計(jì)算得到的斯,.）與球屯、馬的點(diǎn)積，系數(shù)Bt_k= 0 …0t_k， 廠t-k= (1-0t-i)0t-2...et-k，i<k《j，且Bt_i=e…r\_i= 1-0 …r〇=Bp+i-B^t-j《p《t-2,Zp，m對(duì)應(yīng)球屯、為fp時(shí)找到的最遠(yuǎn)點(diǎn)奶z,,,,)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于改進(jìn)球向量機(jī)閉包球求解的往復(fù)式壓縮機(jī)故障診斷 方法，其特征在于：所述在尋找最遠(yuǎn)點(diǎn)時(shí)跳過部分非最遠(yuǎn)點(diǎn)，具體包括W下步驟：取dtmp= Bt-j'diw-AjlVi，其中，0 …Pt-j'，
餅之中",）為球屯、為fgl 時(shí)找到的最遠(yuǎn)點(diǎn)，t-j《q《t-1，d…為務(wù)h)與球屯乂 的點(diǎn)積，〇<^<2 + 1，rvi= 1-0t_l，j為餅引兩次被采樣到時(shí)球屯、的更新間隔，設(shè)當(dāng)前離球屯、的最遠(yuǎn)點(diǎn)為飾5m)，如果 dtmpH，t，dm,為當(dāng)前最遠(yuǎn)點(diǎn)咖,,,）與球屯、5,的點(diǎn)稅則I片-獅Z,.)f<I片-例of，認(rèn)為第i個(gè) 點(diǎn)參括）不會(huì)成為最遠(yuǎn)點(diǎn)，直接跳過該點(diǎn)與球屯、距離的求解。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于改進(jìn)球向量機(jī)閉包球求解的往復(fù)式壓縮機(jī)故障診 斷方法，其特征在于：所述支持向量權(quán)重在球屯、每更新一定次數(shù)后再更新，具體包括W下 步驟；設(shè)丫為支持向量權(quán)重的更新間隔，球屯、更新為&_:41后所有支持向量權(quán)重更新為ai，t_Y，支持向量權(quán)重為〇i，t時(shí)更新所有的支持向量權(quán)重；ai，t=a 其中， Bt-Y+i=et-iPw'''Pt-Y+i，
鮮Z,,,,,,)為球屯、為&時(shí)找到的最遠(yuǎn)點(diǎn)， t-丫 +1《V《t-1，更新間隔中的最遠(yuǎn)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的丫個(gè)支持向量權(quán)重au，m需要更新為；au，m=曰u,m+rt-u，其中，rt-u= (1-et-1) 0t-2 …0t-u，U= 0,…，丫 -1，取r=LW?」，Ncore為支 持向量個(gè)數(shù)； 珍(Z,)兩次被采樣到時(shí)球屯、的更新間隔j〉Nt",+丫后，則通過支持向量權(quán)重求解點(diǎn)積：
其中，T表示支持向量權(quán)重有T次沒有更新， Bt_T= 0 …0t_T，r\= (1-0t_i) 0t_2…0。，t-T《q《t-1，NcorePre是支持向量 權(quán)重上次更新時(shí)支持向量的個(gè)數(shù)，對(duì)應(yīng)第P個(gè)支持向量奶*%,^)，Z。^對(duì)應(yīng)第q個(gè)最遠(yuǎn)點(diǎn) 挪X/,,，,），Op為第P個(gè)支持向量權(quán)重。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于改進(jìn)球向量機(jī)閉包球求解的往復(fù)式壓縮機(jī)故障診斷 方法，其特征在于：所述增大在支持向量集中尋找最遠(yuǎn)點(diǎn)的次數(shù)，具體包括W下步驟：當(dāng)支 持向量個(gè)數(shù)N。。re〉N。。re_the擁，其中N。。re_thres是斷定支持向量個(gè)數(shù)過多的闊值，在支持向量集 中尋找最遠(yuǎn)點(diǎn)，重復(fù)Nit。,次，使Nit。,的值隨N。"。增大而增大，同時(shí)限定NNit。,m"， max及Niter_min分別為Niter的取值上下限，?。?br>max?
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于改進(jìn)球向量機(jī)閉包球求解的往復(fù)式壓縮機(jī)故障診斷 方法，其特征在于：所述步驟5)具體包括W下步驟：利用所述改進(jìn)的球向量機(jī)訓(xùn)練模型中 所有二分類器，根據(jù)后續(xù)采集到的所述d維溫度和壓力數(shù)據(jù)對(duì)所述往復(fù)式壓縮機(jī)的對(duì)應(yīng)時(shí) 刻的工況類別進(jìn)行判斷，判斷時(shí)，將該溫度和壓力數(shù)據(jù)被分到各類別的次數(shù)作為投票，得票 最高的類別所對(duì)應(yīng)的工況就是診斷得到的所述往復(fù)式壓縮機(jī)的運(yùn)行工況。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于改進(jìn)球向量機(jī)閉包球求解的往復(fù)式壓縮機(jī)故障診斷方法，采集往復(fù)式壓縮機(jī)運(yùn)行不同工況數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練集，使用球向量機(jī)算法求解閉包球問題時(shí)，在訓(xùn)練集中尋找最遠(yuǎn)點(diǎn)時(shí)緩存點(diǎn)與球心的點(diǎn)積，用于球心更新一定次數(shù)后同一個(gè)點(diǎn)與球心的距離的計(jì)算；在尋找最遠(yuǎn)點(diǎn)時(shí)排除部分非最遠(yuǎn)點(diǎn)；點(diǎn)積求解方式的改變使點(diǎn)與球心距離的求解與支持向量不再相關(guān)，選擇每間隔一定次數(shù)更新一次支持向量權(quán)重；當(dāng)支持向量過多時(shí)，增大在支持向量集中尋找最遠(yuǎn)點(diǎn)的次數(shù)，通過這些策略，可以在較短的時(shí)間內(nèi)完成故障診斷分類模型的建立，通過采集的測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)診斷模型進(jìn)行檢驗(yàn)可知診斷模型具有較高精度，能夠高效完成往復(fù)式壓縮機(jī)的故障診斷。
【IPC分類】G06K9-62, F04B51-00, G06K9-66
【公開號(hào)】CN104791233
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510219582
【發(fā)明人】楊清宇, 張立華, 安豆
【申請(qǐng)人】西安交通大學(xué)
【公開日】2015年7月22日
【申請(qǐng)日】2015年4月30日