基于改進(jìn)ART神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的液壓系統(tǒng)故障診斷研究

熊 鈺，吳小川，錢 凱

Xiong Yu，Wu Xiaochuan，Qian Kai

（重慶交通大學(xué) 機(jī)電與汽車工程學(xué)院，重慶 400074）

0 引 言

液壓系統(tǒng)因其獨特的優(yōu)點在日常生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。因為液壓管路內(nèi)油液流動狀態(tài)、液壓件內(nèi)部的零件動作、以及密封件的損壞等情況一般看不見摸不著，所以給人們觀察分析帶來很多麻煩和困難[1]。目前的故障診斷專家系統(tǒng)大體分為兩類：一類是運用模糊故障樹理論[2-4]，該方法中人為因素對故障診斷結(jié)果影響太大；另一類是基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，主要有BP網(wǎng)絡(luò)[5]和RBF網(wǎng)絡(luò)[6]，但是大多數(shù)都存在“穩(wěn)定性”和“適應(yīng)性”兩難狀況，對于比較復(fù)雜、龐大的系統(tǒng)而言，事倍功半。Amesim能夠較好地實時仿真液壓系統(tǒng)工作情況，Amesim_HCD庫更能為使用者建立各種非標(biāo)準(zhǔn)元器件進(jìn)行仿真[7-9]?；谧赃m應(yīng)共振理論的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[10-12]（ART網(wǎng)絡(luò)）能克服該問題，且對于模式識別和分類具有良好的效果。

1）通過對各模式特征量的距離敏感因子，來調(diào)整輸入模式的特征矢量，提高診斷的效率和精度。

2）建立一種改進(jìn)的ART網(wǎng)絡(luò)權(quán)值學(xué)習(xí)算法，能夠使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練過程向輸入模式方向加速收斂，以墨西哥草帽函數(shù)建立的鄰域函數(shù)能夠使距敏感特征近的區(qū)域?qū)δＪ椒诸惖挠绊懠訌?qiáng)，較遠(yuǎn)的區(qū)域影響減弱。

3）運用Amesim_HCD庫建立完整的液壓泵、換向閥和液壓缸Amesim模型，以及完成起重機(jī)液壓系統(tǒng)Amesim仿真建模，并以此對起重機(jī)液壓系統(tǒng)故障仿真，為工程問題的解決提供一條新的思路和指導(dǎo)方法。

4）用改進(jìn) ART神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法開發(fā)起重機(jī)液壓系統(tǒng)故障診斷專家系統(tǒng)，驗證該方法故障診斷可靠性，試驗結(jié)果表明該專家系統(tǒng)故障診斷正確率達(dá)92%。

1 ART神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

ART-1結(jié)構(gòu)（見圖1）由2層神經(jīng)元分別稱為比較層和識別層組成。類別判決由在識別層中的1個單一神經(jīng)元來作出。該網(wǎng)絡(luò)包括3個附加模塊：增益1，增益2和復(fù)位模塊[13]。子系統(tǒng)包括兩層具有前饋和后饋的神經(jīng)元（比較層和識別層）。該系統(tǒng)決定輸入模式是否與已存儲的1個模型相匹配。如果匹配，就會產(chǎn)生共振。定位子系統(tǒng)負(fù)責(zé)檢測在識別層自下而上和自上而下模式之間的失配情況。

識別層作用是計算輸入矢量與聚類中心之間距離測度，當(dāng)?shù)陀陬A(yù)先設(shè)置的門限時，必須創(chuàng)建一個新的類別并且將輸入矢量存于該類別中。如果通過了警戒門限，獲勝神經(jīng)元就會被訓(xùn)練，使其在特征空間中相應(yīng)的聚類中心移向輸入矢量。

識別層神經(jīng)元i輸出可由下式表示：

其中，xj是比較層神經(jīng)元輸出；f為1階梯函數(shù)；m是比較層神經(jīng)元數(shù)目。

ART-2結(jié)構(gòu)（見圖2）是在ART思想（具有2層結(jié)構(gòu)和在 2個方向可修改權(quán)值，即前饋和反饋權(quán)值）的基礎(chǔ)上建立的。ART-2和ART-1均包含1個注意子系統(tǒng)和1個定向子系統(tǒng)[14]。

相比ART-1，ART-2的比較層已經(jīng)分成幾層，增加了節(jié)點，所以ART-2的預(yù)處理比ART-1網(wǎng)絡(luò)中預(yù)處理復(fù)雜得多。但是，取向子系統(tǒng)的修改可以處理實數(shù)值數(shù)據(jù)。ART-2還可以通過適當(dāng)?shù)馗骂悇e原理，自適應(yīng)地反映環(huán)境中最常見的模式類型，且允許噪音抑制。

2 特征樣本的提取

現(xiàn)有N個樣本組成的含I個類的特征集，每個樣本有m個特征量，第j個樣本的第m特征量用表示[15]。

計算所有N個樣本第m特征量的標(biāo)準(zhǔn)方差和樣本均值

由屬于第i類的Ni個樣本計算第m個特征量標(biāo)準(zhǔn)方差和樣本均值

計算第m特征量的類中心加權(quán)標(biāo)準(zhǔn)方差

式中，μ1為平方類中心；μ2為類中心；gim為屬于第i類樣本的第m特征量中心；gm為所有樣本的第m特征量中心；ρi為第i類先驗概率，且。

計算第m個特征的距離敏感因子[16]，并正則化處理

這樣經(jīng)過處理后，就得到了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入樣本X。

3 ART神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)算法改進(jìn)

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)率和鄰域采取何種遞減方式，對學(xué)習(xí)的收斂速度和聚類精度都很關(guān)鍵。冪函數(shù)遞減，聚類結(jié)果最好，收斂也快[18]。所采用的遞減方式為

式中，a1為常數(shù)，一般取0.05。

根據(jù)神經(jīng)生物學(xué)觀點，側(cè)反饋的強(qiáng)度應(yīng)與鄰域內(nèi)神經(jīng)元i同獲勝神經(jīng)元的距離有關(guān)。墨西哥草帽函數(shù)適合作為鄰域函數(shù)

式中，(t)為鄰域的有效寬度；rij為競爭層神經(jīng)元間的距離。

其中，wi,wj分別為競爭性神經(jīng)元間的權(quán)值。并且采用冪函數(shù)遞減：

式中，參數(shù)a2為常數(shù)，一般取0.5。由此得出用鄰域函數(shù)調(diào)整神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)值的學(xué)習(xí)算法：

在不斷的迭代過程中，該學(xué)習(xí)算法使得屬于敏感區(qū)域近鄰域范圍內(nèi)的特征對該類區(qū)分的影響逐漸加強(qiáng)，而鄰域范圍之外的區(qū)域?qū)^(qū)分該類故障的影響減弱。同時采用非線性函數(shù)的形式，使得其收斂速度更快。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識別層輸出

式中，為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的門限值，∈[0,1]，在訓(xùn)練初期數(shù)值設(shè)定為0.6，在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練后期和應(yīng)用階段設(shè)置為0.8，提高診斷精度。也可使在0到1范圍內(nèi)以0.05增量變化，觀察分類情況，以確定各個時期取值。最后，得出神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出矢量Out。

4 改進(jìn)ART神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的建立

4.1 學(xué)習(xí)階段一

1）計算屬于各訓(xùn)練類別的原始輸入矢量的m個特征量，并歸一化后得矢量X。取=0.5，計算距離敏感因子，簡化得到輸入矢量X。

2）初始化ART網(wǎng)絡(luò)權(quán)值wij，輸入新樣本矢量。其中，Xm(t)為t時刻對應(yīng)的第m個特征量。總的學(xué)習(xí)次數(shù)為。

3）當(dāng)輸入某一類樣本時，競爭層對應(yīng)的神經(jīng)元i被激活，此時yi最大，并計算神經(jīng)元i與其他競爭神經(jīng)元之間的歐氏距離rij。

總酸含量是反映醬油品質(zhì)的主要指標(biāo)之一，各有機(jī)酸與相應(yīng)醇類經(jīng)酯化反應(yīng)可生成具有芳香氣味的各種酯，從而賦予醬油特殊的風(fēng)味[27]，但過高的總酸能使醬油酸味突出，降低醬油的品質(zhì)?！禛B2717-2003醬油衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》[28]中嚴(yán)格規(guī)定總酸含量不得超過 2.5 g/100 mL，本試驗所檢出的總酸含量均在標(biāo)準(zhǔn)限值之下，如圖2。

4）計算鄰域函數(shù)值。

6）學(xué)習(xí)率和鄰域?qū)挾冗f減。

7）步驟3），直至所有學(xué)習(xí)樣本全部學(xué)習(xí)一遍。

8）t=t+1，直到t＞T1時結(jié)束。

4.2 學(xué)習(xí)階段二

T2=200，η0=0.04，δ0=1，ξ=0.8，并重復(fù)2）～6），鄰域?qū)挾群蛯W(xué)習(xí)率按照下式遞減

選取另一組樣本矢量提供網(wǎng)絡(luò)輸入，返回，直到樣本輸入結(jié)束或增益項的值減小至0，即興奮神經(jīng)元與輸入樣本穩(wěn)定對應(yīng)為止。

t=t+1；當(dāng)t＞T2時，學(xué)習(xí)階段結(jié)束。存儲并輸出所有輸出神經(jīng)元的連接權(quán)系數(shù)，ART神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練完畢。建立改進(jìn)ART神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)液壓系統(tǒng)故障診斷系統(tǒng)流程如圖3。

5 基于改進(jìn)ART神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的故障診斷專家系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)故障多種多樣，改進(jìn)ART神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對于故障的多樣性診斷具有很大的優(yōu)勢，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理數(shù)據(jù)的效率高，且信息量的分析比較全面，極大地提高了診斷的可靠性。運用VB6.0開發(fā)起重機(jī)液壓系統(tǒng)故障診斷專家系統(tǒng)，以Access為工具建立專家系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫。如圖4所示，啟動專家系統(tǒng)。

根據(jù)起重機(jī)液壓系統(tǒng)的各部件特征，運用Amesim_HCD庫建立液壓泵、換向閥、液壓缸模型，并建立如圖5所示的Amesim起重機(jī)液壓系統(tǒng)模型。

分別對液壓系統(tǒng)的三位四通換向閥參數(shù)、泵參數(shù)、缸參數(shù)設(shè)定，并根據(jù)工程實際選擇所拖動的負(fù)載質(zhì)量為8 000 kg，液壓缸行程1 m。進(jìn)入仿真模塊，設(shè)置仿真的步長為0.1 s，仿真時長為60 s。各部件主要參數(shù)見表1。

表1 起重機(jī)液壓系統(tǒng)仿真模型參數(shù)表

根據(jù)所建立的起重機(jī)液壓系統(tǒng)仿真模型，仿真得到系統(tǒng)各參數(shù)正常使用的負(fù)載運動速度、負(fù)載位移變化、蓄能器壓力變化和液壓缸壓力變化，如圖6所示。

根據(jù)已經(jīng)建立的液壓系統(tǒng)故障診斷模型，設(shè)置各液壓系統(tǒng)故障所對應(yīng)的參數(shù)，對液壓系統(tǒng)故障仿真。具體的故障和參數(shù)見表2。

表2 液壓系統(tǒng)故障仿真參數(shù)表

續(xù)表2

通過對起重機(jī)液壓系統(tǒng)某些參數(shù)設(shè)定，得到某一類故障發(fā)生時所對應(yīng)的系統(tǒng)參量變化情況，并多次仿真，保存得到的故障樣本，用于檢驗所建立的改進(jìn)ART神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)故障診斷專家系統(tǒng)對故障診斷的可靠性。調(diào)節(jié)液壓缸泄漏系數(shù)為 0.02，仿真結(jié)果如圖7所示。

將仿真獲得的起重機(jī)液壓系統(tǒng)故障參數(shù)導(dǎo)出，運用復(fù)雜樣本方差估計樣本提取方法，計算各類故障的參量的距離敏感因子，得到處理后的樣本，再對樣本進(jìn)行補編碼工作，得到表征某類故障的輸入樣本X。向改進(jìn)ART神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入樣本X后，與之相對應(yīng)的競爭層神經(jīng)元被激活，輸出層輸出對應(yīng)結(jié)果。重復(fù)上述工作，改進(jìn) ART神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專家系統(tǒng)訓(xùn)練。故障仿真結(jié)果對比分析如圖8所示。

從圖 8可以看出，起重機(jī)液壓系統(tǒng)壓力、負(fù)載運動速度均發(fā)生明顯變化，液壓缸的泄漏增大會使系統(tǒng)的壓力明顯下降。8 t汽車起重機(jī)液壓系統(tǒng)正常工作時的壓力為 6.5 Mpa，而泄漏增大以后，壓力降到5.7 Mpa。液壓系統(tǒng)負(fù)載運動速度從0.023 m/s降至0.021 m/s，說明液壓缸的泄漏導(dǎo)致爬行故障。此外還導(dǎo)致液壓缸工作時間延長，液壓系統(tǒng)工作處于故障狀態(tài)。

將訓(xùn)練結(jié)束后的改進(jìn)ART神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專家系統(tǒng)應(yīng)用于已知故障工作狀態(tài)的起重機(jī)液壓系統(tǒng)故障診斷中，通過實時檢測系統(tǒng)壓力、流量、溫度參數(shù)變化，將所測得的結(jié)果后處理，然后輸入液壓系統(tǒng)故障診斷專家系統(tǒng)，對液壓系統(tǒng)故障診斷的正確率進(jìn)行分析。將50組故障測量結(jié)果輸入起重機(jī)液壓系統(tǒng)故障診斷專家系統(tǒng)以后，有46組診斷正確，4組錯誤，正確率達(dá)92%。取系統(tǒng)采樣頻率為2 000 Hz，得到起重機(jī)液壓系統(tǒng)壓力變化結(jié)果，如圖9所示。

對比仿真結(jié)果，不難發(fā)現(xiàn)起重機(jī)液壓系統(tǒng)壓力發(fā)生明顯變化，液壓缸的泄漏增大使得系統(tǒng)壓力明顯下降。8 t汽車起重機(jī)液壓系統(tǒng)正常工作時的壓力為6.5 Mpa，而泄漏增大以后，壓力平均值降到5.47 Mpa，與仿真結(jié)果對比，仿真誤差率為4.12%。說明仿真結(jié)果可信，將其運用到改進(jìn)ART神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練可以較好地模擬實際故障狀態(tài)。將所得結(jié)果處理以后輸入起重機(jī)液壓系統(tǒng)故障診斷專家系統(tǒng)，得出故障診斷結(jié)果，如圖10所示。

綜上所述，基于改進(jìn)ART神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的起重機(jī)液壓系統(tǒng)故障診斷結(jié)果與事實相符，實現(xiàn)對液壓系統(tǒng)故障的準(zhǔn)確診斷，故障診斷正確率達(dá) 92%，同時還給出了排除故障的建議與方法，可以將起重機(jī)液壓系統(tǒng)故障診斷專家系統(tǒng)應(yīng)用在工程實際中。該改進(jìn)ART神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專家系統(tǒng)在使用過程中得到不斷完善，為工廠節(jié)省維修費用，帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

6 結(jié) 論

文中提出的改進(jìn)ART神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)起重機(jī)液壓系統(tǒng)故障診斷方法，對于起重機(jī)各種故障診斷準(zhǔn)確、迅速、可靠。并以Windows、Visual Basic 6.0語言作為軟件開發(fā)環(huán)境，開發(fā)了基于改進(jìn)ART神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的起重機(jī)液壓系統(tǒng)故障診斷專家系統(tǒng)。該改進(jìn)ART神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和以往的故障診斷方法相比，具有以下幾個明顯的優(yōu)點：

1）通過計算各故障模式特征量的距離敏感因子，來調(diào)整輸入模式的特征矢量，提高診斷的效率和精度。

2）提出一種改進(jìn)的ART網(wǎng)絡(luò)權(quán)值學(xué)習(xí)算法，將墨西哥草帽函數(shù)作為鄰域函數(shù)，使得距敏感特征近的區(qū)域?qū)δＪ椒诸惖挠绊懠訌?qiáng)，較遠(yuǎn)的區(qū)域影響減弱，加速了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練時的收斂過程。

3）運用 Amesim_HCD庫建立液壓泵、換向閥和液壓缸結(jié)構(gòu)模型，完成起重機(jī)液壓系統(tǒng)Amesim仿真建模，并以此對起重機(jī)液壓系統(tǒng)故障仿真，為工程問題的解決提供了一條新的思路和指導(dǎo)方法。

4）用改進(jìn) ART神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法開發(fā)起重機(jī)液壓系統(tǒng)故障診斷專家系統(tǒng)，并驗證其可靠性，故障診斷準(zhǔn)確率達(dá)92%。

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