基于FOA－SVM的汽輪機振動故障診斷

石志標(biāo)，苗 瑩

（東北電力大學(xué)機械工程學(xué)院，吉林 132012）

基于FOA－SVM的汽輪機振動故障診斷

石志標(biāo)，苗 瑩

（東北電力大學(xué)機械工程學(xué)院，吉林 132012）

為解決支持向量機算法（Support Vector Machine，SVM）的核函數(shù)參數(shù)及懲罰因子參數(shù)選取的盲目性，利用果蠅優(yōu)化算法（Fruit Fly Optimization Algorithm，F(xiàn)OA）對SVM中參數(shù)進行優(yōu)化。提出基于FOA的SVM故障診斷算法，并對汽輪機故障實驗數(shù)據(jù)進行模式識別。該算法能對SVM相關(guān)參數(shù)自動尋優(yōu)，且能達到較理想的全局最優(yōu)解。通過與常用的粒子群算法（Particle Swarm Optimization，PSO）與遺傳算法（Genetic Algorithm，GA）優(yōu)化后支持向量機進行對比。結(jié)果表明，F(xiàn)OA－SVM算法穩(wěn)定、識別速度快、識別率高。

支持向量機；汽輪機；振動診斷；果蠅算法

現(xiàn)代化生產(chǎn)的高速發(fā)展，使汽輪機向大型化、高容量化發(fā)展［1］。為提高生產(chǎn)效率、保證汽輪機設(shè)備的安全運行，對其運行狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷尤其重要。汽輪機機組故障類型較多，常見故障有轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡、轉(zhuǎn)子不對中、轉(zhuǎn)子碰磨、油膜振蕩等，且均能以振動信號形式顯現(xiàn)，因此對汽輪機振動信號快速有效識別極為重要［2］。用于汽輪機故障診斷的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為常用智能算法之一［3］，但其存在過擬合、收斂速度慢、易發(fā)散、易陷入局部極小值等問題，嚴重影響實用性。Vapnik等［4］提出的支持向量機算法（Support Vector Machine，SVM）為基于結(jié)構(gòu)風(fēng)險最小化方法的統(tǒng)計學(xué)習(xí)理論，為專門的小樣本統(tǒng)計理論［5］，具有較強泛化能力，并能克服神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中存在的過擬合、收斂速度慢、易陷入局部極小值、樣本需求量大等缺點，在汽輪機故障診斷中應(yīng)用前景廣闊。而支持向量機（SVM）參數(shù)選取困難影響其實用性。Pan［6］提出的果蠅算法（Fruit Fly Optimization Algorithm，F(xiàn)OA）為基于果蠅覓食行為推演出尋求全局優(yōu)化的新方法。具有較強的全局搜索能力，且易于實現(xiàn)。用FOA算法對SVM參數(shù)進行優(yōu)化，提出FOA＿SVM汽輪機故障診斷算法。

1 FOA＿SVM算法

1.1 FOA算法基本原理

FOA為由果蠅覓食行為推演的尋求全局優(yōu)化方法［7］。果蠅本身在感官知覺上優(yōu)于其他物種，尤其嗅覺與視覺，其嗅覺能搜集飄浮空氣中的各種氣味，甚至能嗅到40 km外的食物源，飛近食物后亦可發(fā)現(xiàn)食物與同伴聚集位置，見圖1。按果蠅搜尋食物特性，將其歸納為：

圖1 果蠅群體迭代搜索食物示意圖Fig．1 Diagram of fruit flies iterative searching for food

（7）進入果蠅迭代尋優(yōu)。重復(fù)執(zhí)行（2）～（5），并判斷味道濃度是否優(yōu)于前一迭代味道濃度，若是則執(zhí)行（6）。

1.2 基于FOA的SVM參數(shù)優(yōu)化

SVM對非線性問題分類性能取決于結(jié)合因素，應(yīng)該選合適的徑向基參數(shù)σ2將數(shù)據(jù)映射到高維特征空間；對該特征空間尋找合適的懲罰因子C，使學(xué)習(xí)機的置信范圍及經(jīng)驗風(fēng)險具有最佳比例。因此對σ2，C的聯(lián)合優(yōu)化極其重要。為便于編程，對SVM中核函數(shù)參數(shù)σ2做簡單變換1／σ2＝g，將g作為徑向基核函數(shù)參數(shù)進行研究。用FOA算法對其優(yōu)化，即

（1）對初始果蠅群體位置、參數(shù)初始化，其群體位置區(qū)間為［1，2］，種群規(guī)模30，迭代次數(shù)100，設(shè)定SVM初始參數(shù)。

（2）果蠅尋優(yōu)開始，利用FOA調(diào)整參數(shù)C，g。

（3）利用味道濃度判定函數(shù)求出味道濃度。

（4）據(jù)味道濃度值尋找極值，保留最佳位置。

（5）檢查結(jié)束條件。若滿足，則結(jié)束尋優(yōu)；否則轉(zhuǎn)（2）。結(jié)束條件為尋優(yōu)達到最大進化代數(shù)或味道濃度是否優(yōu)于前一迭代味道濃度。

FOA算法優(yōu)化SVM參數(shù)流程見圖2。

圖2 FOA算法優(yōu)化SVM參數(shù)流程圖Fig．2 Flow chart for FOA algorithm to optimize SVMparameter

2 故障模擬試驗及故障數(shù)據(jù)

研究汽輪機軸系典型故障需大量故障試驗數(shù)據(jù)。為此，設(shè)計故障試驗方案，利用轉(zhuǎn)子故障模擬試驗臺進行軸系典型故障試驗，獲得故障數(shù)據(jù)。

汽輪機轉(zhuǎn)子常見故障有：①質(zhì)量不平衡，能間接反映轉(zhuǎn)子的零件松動、葉片掉塊、變形等；②轉(zhuǎn)子與靜止結(jié)構(gòu)碰摩及轉(zhuǎn)子不對中。轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)在某種工作狀態(tài)下亦會發(fā)生高速滑動軸承特有故障，即③油膜渦動、④油膜振蕩。轉(zhuǎn)子軸頸在油膜中的劇烈振動會直接導(dǎo)致機器零部件損壞。本文對常見的4種故障進行模擬試驗。所用ZT－3轉(zhuǎn)子振動模擬試驗臺見圖3。

試驗臺用直流并勵電動機驅(qū)動，電動機軸經(jīng)聯(lián)軸器直接驅(qū)動轉(zhuǎn)子，電動機額定電流為2．5 A，輸出功率250 W。調(diào)速器可對電動機在0～10 000 r／min范圍內(nèi)無級調(diào)速。試驗臺長1 200 mm，寬108 mm，高145 mm，質(zhì)量約45 kg，轉(zhuǎn)軸直徑9．5 mm，油膜振蕩試驗用軸長500 mm，其它試驗用長320 mm轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)子規(guī)格Φ76 mm×19 mm。質(zhì)量不平衡試驗中采取在每個轉(zhuǎn)子兩側(cè)面周向平衡槽內(nèi)增加不平衡螺釘方法在左側(cè)轉(zhuǎn)子上加重0．6 g；轉(zhuǎn)子不對中采取在軸承座一側(cè)加墊片方法致軸承座左右位置偏差模擬轉(zhuǎn)子不對中故障；轉(zhuǎn)子動靜碰摩用摩擦螺釘模擬，摩擦試驗按所需位置固定摩擦螺釘架，啟動電機使在所需的轉(zhuǎn)速內(nèi)運轉(zhuǎn)，調(diào)整摩擦螺釘，觀察到?jīng)_擊信號后鎖緊翼型螺母；油膜振蕩采用專用軸及油膜軸承，該軸承軸瓦長于普通軸承，可增大軸承長徑比以獲得較小比壓，便于油膜渦動與油膜振蕩激發(fā)。傳感器采用電渦流傳感器，頻率范圍0～10 kHz，每個轉(zhuǎn)子在x，y方向各設(shè)一個測點。傳感器獲取振動信號后進行初步濾波、放大，經(jīng)A／D將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸入計算機進行后期處理。試驗所用南京東大測振儀器廠的ZXP－1600B汽機振動測試分析系統(tǒng)可存儲各通道原始波形動態(tài)信號及振動特征數(shù)據(jù)。存儲方式為按轉(zhuǎn)速變化及按時間間隔變化，具有16通道同步正周期采集及同屏顯示功能。采樣頻率為32倍基頻，在每個采樣周期內(nèi)的采樣點512，測試數(shù)據(jù)存儲于二進制文件庫中。

時域波形為原始振動信號的信息來源。時域分析提供的信息較有限。而頻域分析能通過測試對象的動態(tài)特征對設(shè)備狀態(tài)進行評價。為在試驗臺的安全操作規(guī)范內(nèi)充分顯示轉(zhuǎn)速對故障影響，每50 r／min取一組數(shù)據(jù)，每類故障取50組數(shù)據(jù)，將其進行傅里葉變換后的各頻率段能量占比作為判斷故障類型的特征向量。將頻率段分為：m1＝（0．01～0．39）f，m2＝（0．40～0．49）f，m3＝0．5f，m4＝（0．51～0．99）f，m5＝1f，m6＝2f，m7＝（3～5）f，m8＝（＞5）f，m9＝奇數(shù)倍頻，其中f為轉(zhuǎn)頻。

圖3 ZT－3轉(zhuǎn)子振動模擬試驗臺Fig．3 ZT－3 rotor vibration simulation test rig

3 基于FOA-SVM的故障診斷

3.1 SVM參數(shù)優(yōu)化過程及分析

為評價算法性能，用GA-SVM［8］、PSO－SVM［9－10］、及FOA-SVM三種算法對樣本進行識別。由于三種算法均為全局尋優(yōu)的概率搜索算法，因此參數(shù)均設(shè)為：種群最大數(shù)量30，最大進化代數(shù)100，SVM參數(shù)C變化范圍［10－1，102］，g變化范圍［10－2，103］。雖三種算法初始參數(shù)相同，但由于種群尋優(yōu)過程不同，所達最優(yōu)解的進化代數(shù)各不相同。為便于觀察，對三種算法適應(yīng)度變化進行比較，見圖4。由圖4看出，相同種群數(shù)量、進化代數(shù)及故障樣本下，PSO算法曲線在進化代數(shù)第15代時達最大值，即出現(xiàn)最優(yōu)解；GA算法曲線在進化代數(shù)第21代時出現(xiàn)最優(yōu)解；FOA算法曲線在進化代數(shù)第12代時出現(xiàn)最優(yōu)解。通過比較，PSO算法與FOA算法進化較快，但PSO算法不穩(wěn)定，在第9代陷入局部最小，在第15代達最優(yōu)解；GA算法與FOA算均較穩(wěn)定，但GA算法迭代次數(shù)多，優(yōu)化速度較慢。因此，F(xiàn)OA算法無論算法穩(wěn)定程度，或進化速度均能達到較理想效果。

圖4 三種算法適應(yīng)度變化Fig．4 Three algorithmswith the change of fitness

3.2 識別結(jié)果及討論

用三種算法對每類故障的30組訓(xùn)練集數(shù)據(jù)進行訓(xùn)練，用其余20組測試。FOA-SVM測試結(jié)果見圖5，PSO-SVM測試結(jié)果見圖6，GA-SVM測試結(jié)果見圖7。各圖中accuracy為測試集的識別正確率。1為不平衡故障，2為不對中故障，3為油膜震蕩，4為轉(zhuǎn)子碰摩故障。

各算法識別結(jié)果見表1。由表1看出，F(xiàn)OA＿SVM與PSO＿SVM的運行時間相當(dāng)，但識別率前者較后者高出6．25%；FOA＿SVM與GA＿SVM的識別率分別達100%及98．75%，均較高，但運行時間前者較后者快36．12%。故經(jīng)FOA算法優(yōu)化的SVM或識別率或運行時間均優(yōu)于其余兩種，對汽輪機振動故障識別應(yīng)用前景廣闊。

表1 各算法識別結(jié)果Tab.1 Recognition results under different algorithms

圖5 測試集下FOA-SVM測試結(jié)果Fig．5 The test results of FOA-SVMin the test set

圖6 測試集下PSO-SVM測試結(jié)果Fig．6 The test results of PSO-SVMin the test set

圖7 測試集下GA-SVM測試結(jié)果Fig．7 The test results of GA-SVMin the test set

4 結(jié) 論

本文利用果蠅優(yōu)化算法（FOA）對SVM中參數(shù)優(yōu)化，提出基于FOA的SVM故障診斷算法，并對汽輪機故障進行模式識別，結(jié)論如下：

（1）對SVM參數(shù)優(yōu)化，F(xiàn)OA算法較PSO算法更穩(wěn)定，較GA算法進化更快。

（2）對故障識別率，F(xiàn)OA算法達100%，而PSO與GA分別為93．75%及98．75%。

（3）對運行時間，F(xiàn)OA算法僅用2．102 s，PSO與GA分別用2．474 s及3．873 s。

總之，F(xiàn)OA－SVM算法對參數(shù)優(yōu)化快速穩(wěn)定，識別率最高、識別速度最快。

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Vibration fault diagnosis for steam turbine by using support vector machine based on fruit fly optim ization algorithm

SHIZhi-biao，MIAO Ying
（School of Mechanical Engineering，Northeast Dianli University，Jilin 132012，China）

In order to solve the problem that the selection of the kernel function parameters and penalty factor parameters in the support vector machine（SVM）algorithm is blindfold，the fruit fly optimization algorithm（FOA）was applied to optimize the parameters in SVM．A fault diagnosis algorithm of SVMbased on FOA was put forward，and then the pattern recognition of experimental turbine failure data was performed．The algorithm can optimize the SVMparameters automatically，and achieve ideal global optimal solution．Comparingwith the SVMwhich is optimized by the commonly used methods of the particle swarm optimization（PSO）and the Genetic Algorithm（GA），the results demonstrate that FOASVMhas the fastest recognition speed and the highest recognition rate．

support vectormachine；turbine；vibration diagnosis；fruit fly optimization algorithm

TK267

：A

10．13465／j．cnki．jvs．2014．22．020

吉林省科技發(fā)展計劃項目（20100506）

2013－09－23 修改稿收到日期：2013－11－15

石志標(biāo)男，博士，教授，1960年生