基于RBF人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的風(fēng)機(jī)故障診斷

1、基于RBF人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的風(fēng)機(jī)故障診斷 李鐵軍 朱成實(shí) 葉 龍 王 丹 王學(xué)平/沈陽化工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院 趙新君/沈陽鼓風(fēng)機(jī)（集團(tuán)）有限公司摘要：針對(duì)風(fēng)機(jī)常見故障征兆與故障類型之間的非線性映射關(guān)系，結(jié)合專家知識(shí)建立了風(fēng)機(jī)系統(tǒng)故障知識(shí)庫，提出了基于徑向基函數(shù)(RBF)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的風(fēng)機(jī)故障診斷方法。結(jié)果表明：該方法能克服診斷過程中容易陷入局部極小的缺點(diǎn)，并能滿足故障診斷的快速性和準(zhǔn)確性要求。關(guān)鍵詞：RBF 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；故障診斷；風(fēng)機(jī)中圖分類號(hào)：TP11 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B文章編號(hào)：1006-8155（2007）05-0071-03Fault Diagnosis of Fan Based on RBF

2、 Neural NetworkAbstract: According to the nonlinear mapping relationship between fault symptom and type of fan, the repository of fan faults system is established combined with experts knowledge. The fault diagnosis method of fan based on RBF neural network is presented. The result shows that the me

3、thod can overcome the limitation of local infinitesimal, and can meet the requirements for speediness and accurateness during fault diagnosis process. Key words: RBF neural network; fault diagnosis; fan 0 引言由于風(fēng)機(jī)廣泛應(yīng)用于各種生產(chǎn)設(shè)備中，其運(yùn)行可靠性直接影響整個(gè)生產(chǎn)設(shè)備的安全性和穩(wěn)定性，而故障診斷則是提高系統(tǒng)可靠性的主要途徑。但由于風(fēng)機(jī)的各種故障征兆與故障類型之間的關(guān)系是高度非線性關(guān)系，

4、很難用具有線性關(guān)系的數(shù)學(xué)模型來進(jìn)行故障診斷定位。而人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)因具有任意精度逼近任何連續(xù)非線性函數(shù)，以及自組織、自學(xué)習(xí)和并行處理能力，在故障診斷中得到了廣泛應(yīng)用。因此，本文提出采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來建立故障診斷模型，解決風(fēng)機(jī)的各種故障征兆與故障類型之間的非線性映射關(guān)系，實(shí)現(xiàn)故障診斷和定位。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的BP(Back Propagation)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是目前故障診斷領(lǐng)域應(yīng)用較多的一種網(wǎng)絡(luò)。但是因?yàn)锽P網(wǎng)絡(luò)采用的是沿梯度下降的搜索求解算法，這就不可避免地出現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)收斂速度慢的問題，甚至不收斂，而且更容易陷入局部極小。為了解決這個(gè)問題，本文將RBF(Radial Basis Function)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

5、應(yīng)用于故障診斷。RBF可以避免像BP學(xué)習(xí)算法那樣冗長(zhǎng)的迭代計(jì)算和陷入局部極值的可能，使學(xué)習(xí)速度比通常的BP算法快幾十倍甚至上百倍1。1 RBF人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原理RBF網(wǎng)絡(luò)即Radial Basis Function Neural Network，是以函數(shù)逼近理論為基礎(chǔ)而構(gòu)造的一種前向網(wǎng)絡(luò)，它是由輸入層、隱藏層和輸出層組成的三層網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示。輸入層由信號(hào)源節(jié)點(diǎn)組成，第二層是隱藏層，該層的變換函數(shù)采用RBF。近年來的研究2-3表明：無論在逼近能力、分類能力(模式識(shí)別)和學(xué)習(xí)速度等方面RBF均優(yōu)于BP網(wǎng)絡(luò)。RBF網(wǎng)絡(luò)的輸出為 (1)采用Gaussian函數(shù)作為徑向基函數(shù)。 (2)從Gaussian

6、核函數(shù)可見，其中矢量參數(shù)是函數(shù)的自變量矢量，是輸入；是常數(shù)矢量，徑向基函數(shù)的中心；()就是徑向基函數(shù)。輸出層輸入層隱藏層圖1 RBF網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錂C(jī)構(gòu)Gaussian函數(shù)網(wǎng)絡(luò)有3個(gè)學(xué)習(xí)參數(shù)：各RBF的中心、方差和輸出單元的權(quán)值。徑向基函數(shù)網(wǎng)絡(luò)算法步驟如下：（1）從輸入向量中選一組初始中心值；（2）計(jì)算方差值 (3)式中 為最大的距離，K為的數(shù)量；（3）由輸入計(jì)算 (4)（4）更新網(wǎng)絡(luò)參數(shù) (5) (6) (7)式中 (8) (9)為網(wǎng)絡(luò)期望輸出；為3個(gè)參數(shù)的學(xué)習(xí)步長(zhǎng)。（5）如網(wǎng)絡(luò)收斂，則計(jì)算停止，否則轉(zhuǎn)到步驟（4）。2 RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練學(xué)習(xí)2.1 RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練樣本綜合歷年數(shù)據(jù)分析可見，風(fēng)

7、機(jī)故障主要集中在轉(zhuǎn)子的不平衡、不對(duì)中、油膜振蕩、油膜渦動(dòng)、氣動(dòng)力偶和喘振上。設(shè)備故障診斷的實(shí)質(zhì)就是模式分類和模式識(shí)別，即由特征空間映射到故障空間。使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行故障分類的關(guān)鍵是找出網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)所需要的特征向量。由于在機(jī)器工作過程中，振動(dòng)信號(hào)載有豐富的信息，而且在技術(shù)上監(jiān)測(cè)相對(duì)容易。所以振動(dòng)分析法在目前故障診斷中是最有效的方法。已有研究表明：旋轉(zhuǎn)機(jī)械的振動(dòng)信號(hào)的頻譜，較為敏感地反映旋轉(zhuǎn)機(jī)械的常見故障4-6。因此合理地統(tǒng)計(jì)選擇各種故障的頻譜特征就可以構(gòu)成有效的故障特征向量，并將其作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練樣本來訓(xùn)練故障診斷網(wǎng)絡(luò)。通過對(duì)故障機(jī)理的研究和現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，風(fēng)機(jī)常見故障模式樣本見表1。采用幅值譜中7個(gè)頻段

8、上的幅值作為網(wǎng)絡(luò)的輸入樣本，對(duì)上述風(fēng)機(jī)的6種主要故障進(jìn)行診斷分析。表1 風(fēng)機(jī)常見故障模式樣本故障樣本理想輸出不平衡0.00000.00000.00001.00000.00560.00550.00000 0 1不對(duì)中0.00000.00000.00000.80001.00000.00200.00000 1 0喘振0.85460.00000.00001.00000.12620.10400.11050 1 1氣動(dòng)力偶0.50000.16661.00000.00000.00000.00000.00001 0 0油膜振蕩0.00000.95400.00001.00000.01000.00800.0000

9、1 0 1油膜渦動(dòng)0.00000.65300.00001.00000.01000.00840.00001 1 02.2 RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)根據(jù)訓(xùn)練算法和提取出的故障樣本集，RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)即可開始學(xué)習(xí)訓(xùn)練。當(dāng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練好以后，各個(gè)隱節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)中心相應(yīng)的輸出權(quán)值將不再改變，此時(shí)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以進(jìn)入工作狀態(tài)。測(cè)試數(shù)據(jù)在進(jìn)入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)之前必須經(jīng)過歸一化處理，形成故障征兆后再傳遞給神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。已訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)中心和連接權(quán)值記錄了各種故障的特征；當(dāng)傳遞進(jìn)來的征兆與記憶中的某個(gè)對(duì)應(yīng)故障特征比較接近時(shí)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)將對(duì)應(yīng)的故障輸出，這就是整個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行故障診斷的工作過程。3 RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)故障診斷實(shí)

10、例分析采用風(fēng)機(jī)常見的故障模式樣本對(duì)BP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，由于故障征兆有7個(gè)，所以BP網(wǎng)絡(luò)的輸入層節(jié)點(diǎn)數(shù)為7；故障形式有6種，所以輸出層節(jié)點(diǎn)數(shù)為6，設(shè)置個(gè)體訓(xùn)練誤差為0.001，訓(xùn)練總誤差為0.01。網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行迭代運(yùn)算21次之后達(dá)到誤差精度要求?？梢娺\(yùn)算速度較快，從而節(jié)省了訓(xùn)練時(shí)間。采用測(cè)試樣本表2中的數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試，用以檢測(cè)其故障診斷準(zhǔn)確率。診斷結(jié)果見表3。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)實(shí)際輸出表3可見，待識(shí)別故障1為不平衡；待識(shí)別故障2為油膜渦動(dòng)；待識(shí)別故障3為喘振；待識(shí)別故障4為不對(duì)中；待識(shí)別故障5為油膜振蕩，與實(shí)際工作情況相符。表2 風(fēng)機(jī)故障待識(shí)別樣本故障樣本故障樣本10.00000.00000.00001.0000

11、0.00500.00500.0000不平衡樣本20.00000.67500.00001.00000.01400.00850.0000油膜渦動(dòng)樣本30.80010.00000.00001.00000.11000.12040.1145喘振樣本40.00000.00000.00000.85201.00000.02300.0000不對(duì)中樣本50.00000.95400.00001.00000.00150.00750.0000油膜振蕩表3 網(wǎng)絡(luò)實(shí)際輸出故障樣本 實(shí)際輸出樣本10.0001 0.000 0.9999樣本2 0.9875 0.9980 0.0010樣本3 0.0000 0.9995 0.99

12、65樣本4 0.0000 1.0000 0.0015樣本5 0.9985 0.0006 0.99984 結(jié)論針對(duì)風(fēng)機(jī)故障征兆與故障類型之間復(fù)雜的非線性關(guān)系，提出了基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的風(fēng)機(jī)故障診斷方法，給出了診斷原理，學(xué)習(xí)算法，仿真結(jié)果表明：該RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠有效識(shí)別出系統(tǒng)各種典型故障，對(duì)于非線性的系統(tǒng)故障識(shí)別能力達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，克服了計(jì)算速度慢的缺點(diǎn)，又提高了診斷精度，且不易陷入局部極小。參 考 文 獻(xiàn)1 Gori M, Tesi A. On the Problem of Local Minima in Back PropagationJ. IEEE Transaction on Pattern Analysis and Machine Intelligence, 1992, 14(1):76-86. 2 Simon Haykin. Neural Networks: A Comprehensive Foundation (Second Edition) M. Prentice Hall, 1999.3 Ham F M, K