基于LVQ神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)動(dòng)機(jī)常見故障診斷方法分析

任藝

(杭州科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車工程學(xué)院，浙江 杭州 311402)

0 前言

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的電子技術(shù)迅速發(fā)展，使得發(fā)動(dòng)機(jī)在動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、控制廢氣排放等方面取得了較大的提高，但其控制系統(tǒng)的復(fù)雜性又增加了故障發(fā)生的可能性。目前，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)常見的故障有怠速不穩(wěn)、冷車啟動(dòng)困難、油耗過高等，需要采取高效準(zhǔn)確的故障診斷方法，幫助維修人員發(fā)現(xiàn)和確定故障原因。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)常見故障

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的常見故障是由點(diǎn)火系統(tǒng)、供油系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)或啟動(dòng)系統(tǒng)引起的。對(duì)于傳統(tǒng)汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)，常見故障如下：① 發(fā)動(dòng)機(jī)怠速不穩(wěn)，故障原因可能是火花塞點(diǎn)火時(shí)間過早或過晚、燃油供給系統(tǒng)中的燃油壓力調(diào)節(jié)器故障、進(jìn)氣系統(tǒng)故障等；② 汽車啟動(dòng)困難，故障原因可能是火花塞、點(diǎn)火系統(tǒng)、燃油供給系統(tǒng)及進(jìn)氣系統(tǒng)故障；③ 汽車抖動(dòng)，故障原因可能是點(diǎn)火時(shí)間過早、火花塞故障、燃油供給系統(tǒng)故障；④ 汽車加速無力，故障原因可能是火花塞故障、點(diǎn)火時(shí)間過早或過晚、燃油供給系統(tǒng)中燃油泵或燃油壓力調(diào)節(jié)器故障；⑤ 汽車油耗增大，故障原因可能是火花塞上積碳、點(diǎn)火時(shí)間過早、點(diǎn)火提前角過小；⑥ 發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降，故障原因可能是點(diǎn)火提前角過大或過??；⑦ 尾氣排放冒黑煙，故障原因可能是噴油器故障；⑧ 尾氣排放冒白煙，故障原因可能是機(jī)油冷卻器故障。

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)常見的故障及可能導(dǎo)致故障發(fā)生的原因，可以將發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的參數(shù)作為判斷故障點(diǎn)的特征值，由參數(shù)值情況判斷輸出發(fā)動(dòng)機(jī)故障類別。

2 學(xué)習(xí)向量化(LVQ)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

學(xué)習(xí)向量化(LVQ)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)主要用于對(duì)競爭層開展訓(xùn)練，并監(jiān)督學(xué)習(xí)的向前神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。與傳統(tǒng)反向傳播(BP)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相比，LVQ神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有計(jì)算速度快、容錯(cuò)性高等特點(diǎn)，目前主要應(yīng)用于故障診斷等方面。

與傳統(tǒng)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相同，LVQ神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由3層神經(jīng)元構(gòu)成，分別是輸入層、競爭層和線性層。在第1層輸入層中，輸入的特征值需為維向量，為維輸入模式；在第2層競爭層中，需確定神經(jīng)元數(shù)量，輸入向量，輸出向量；在第3層線性層中，需確定神經(jīng)元數(shù)量，輸入向量，輸出向量。其中，為第1層(輸入層)和第2層(競爭層)之間的連接權(quán)系數(shù)矩陣，為第2層(競爭層)與第3層(線性層)之間的連接權(quán)系數(shù)矩陣。

LVQ神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算思路為：計(jì)算輸入矢量的神經(jīng)元數(shù)量，查找與競爭層之間有關(guān)聯(lián)的神經(jīng)元，并通過線性層輸出；假設(shè)，如分類不符合競爭層的神經(jīng)元數(shù)量，會(huì)被反向再次輸入到輸入向量中。其基本的LVQ算法步驟為：

(1) 初始化輸入層神經(jīng)元與競爭層神經(jīng)元之間的權(quán)值及學(xué)習(xí)率(>0)。

(3) 確定與=(，，…，)距離最小的競爭層神經(jīng)元，如最小，把分類標(biāo)簽輸入到線性層中。

(4) 記輸入向量對(duì)應(yīng)的類標(biāo)簽為。如=，調(diào)整新權(quán)值-new=-old+(--old)；如≠，更新-new=-old-(--old)。其中：-old為舊權(quán)值。

LVQ神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 LVQ神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)原理圖

3 構(gòu)建LVQ神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

基于LVQ算法的故障診斷方法流程如圖2所示。通過分析發(fā)動(dòng)機(jī)正常數(shù)據(jù)流和故障數(shù)據(jù)流，選取發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的9個(gè)參數(shù)作為LVQ神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入的特征值。這9個(gè)參數(shù)分別為：① 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，單位r/min；② 進(jìn)氣質(zhì)量流量，單位g/s；③ 噴油脈寬，單位ms；④ 點(diǎn)火提前角,單位(°)；⑤ 節(jié)氣門開度；⑥ 氧傳感器信號(hào)端的電壓，單位V；⑦ 發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷瞬變時(shí)間，單位ms；⑧ 冷卻液溫度，單位℃；⑨ 混合氣質(zhì)量濃度，單位mg/m。對(duì)收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，構(gòu)建LVQ神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)故障診斷系統(tǒng)。根據(jù)仿真數(shù)據(jù)對(duì)構(gòu)建的LVQ神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)開展訓(xùn)練，不斷調(diào)節(jié)參數(shù)，提升運(yùn)算速度及準(zhǔn)確率。其中，LVQ神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出為故障類型編碼0～5，依次為無故障(編碼0)、空氣流量計(jì)故障(編碼1)、氧傳感器故障(編碼2)、水溫傳感器故障(編碼3)、節(jié)氣門體故障(編碼4)、噴油器故障(編碼5)。最后，對(duì)已經(jīng)訓(xùn)練完成的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測試，確保準(zhǔn)確率，并分析測試結(jié)果。

圖2 LVQ算法的故障診斷方法流程圖

3.1 LVQ神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練

本文共仿真了200組學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)和50組測試數(shù)據(jù)，部分?jǐn)?shù)據(jù)見表1(數(shù)據(jù)已完成歸一化處理)。構(gòu)建LVQ神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，設(shè)置并修正相關(guān)參數(shù)，將訓(xùn)練集的200組數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，然后將其輸入網(wǎng)絡(luò)，實(shí)施訓(xùn)練和測試。

表1 LVQ神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)部分訓(xùn)練數(shù)據(jù)樣本

LVQ網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練結(jié)果如圖3所示。如果實(shí)際測試集分類與預(yù)測測試集分類重合，代表LVQ所建立的故障診斷系統(tǒng)判斷故障類型正確；如果不重合，代表故障診斷系統(tǒng)判斷錯(cuò)誤。由圖3可知，經(jīng)過訓(xùn)練的LVQ神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)故障分類準(zhǔn)確率為96%。

圖3 LVQ網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練結(jié)果

3.2 LVQ神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的測試

所建立的故障診斷LVQ神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過訓(xùn)練后，將50組測試數(shù)據(jù)輸入網(wǎng)絡(luò)，可得到對(duì)應(yīng)的輸出(即故障分類)，測試結(jié)果如圖4所示。如果實(shí)際測試集分類與預(yù)測測試集分類重合，代表測試結(jié)果與實(shí)際結(jié)果一致；如果不重合，代表測試結(jié)果出現(xiàn)了錯(cuò)誤。由圖4可知，LVQ神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)故障分類平均診斷正確率為98%。

圖4 LVQ網(wǎng)絡(luò)測試結(jié)果

4 結(jié)語

為診斷發(fā)動(dòng)機(jī)常見故障，本文收集了大量的故障數(shù)據(jù)并分析了故障特點(diǎn)，應(yīng)用LVQ神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類方法進(jìn)行故障診斷。由訓(xùn)練和測試的準(zhǔn)確率可知，LVQ神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以容忍個(gè)別錯(cuò)誤樣本，采用該方法診斷發(fā)動(dòng)機(jī)常見的故障是可行的。