基于電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的電靜壓伺服機(jī)構(gòu)內(nèi)泄漏檢測(cè)方法

賀青川　劉慧　潘駿　陳文華

摘要：針對(duì)電靜壓伺服機(jī)構(gòu)存在的內(nèi)泄漏難以直接觀測(cè)且缺乏有效間接檢測(cè)方法的問題，利用電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)變化與閉式循環(huán)液壓系統(tǒng)內(nèi)泄漏之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，提出了一種基于電機(jī)電流、轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)的電靜壓伺服機(jī)構(gòu)內(nèi)泄漏檢測(cè)方法。為從運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)中精準(zhǔn)提取微弱故障特征，基于深度學(xué)習(xí)建立了一種能夠定向提取數(shù)據(jù)特征的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法。經(jīng)故障植入實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，所提方法的內(nèi)泄漏檢測(cè)的準(zhǔn)確率高達(dá)98.7%，從而為解決電靜壓伺服機(jī)構(gòu)內(nèi)泄漏檢測(cè)難題提供了有效方法。

關(guān)鍵詞：電靜壓伺服機(jī)構(gòu)；內(nèi)泄漏；故障檢測(cè)；液壓系統(tǒng)；卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號(hào)：TP137

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2023.12.003

Detecting Internal Leakage in Electro-Hydraulic Actuators Based on Operational States of Motor

HE Qingchuan LIU Hui PAN Jun CHEN Wenhua

Abstract： Internal leakage in an electro-hydraulic actuator（EHA） could not be identified by observation and also there were no effective methods for online detecting by using operational data. According to the relationship between state parameters of motor and leakage in closed hydraulic system， a detecting method of internal leakage by using motor current and speed signals was proposed. Based on deep learning algorithm， a convolution neural network was proposed which could be used to extract targeting weak features from monitoring data. A fault injection experiment was designed and the results show that the detection accuracy of internal leakage reaches 98.7% by using the proposed method， which provides an effective method for internal leakage detection in EHAs.

Key words： electro-hydraulic actuator（EHA）; internal leakage; fault detection; hydraulic system; convolutional neural networks

0 引言

電靜壓伺服機(jī)構(gòu)（electro-hydrostatic actuators，EHA）在飛機(jī)、艦艇等武器裝備的運(yùn)動(dòng)控制中得到較多應(yīng)用［1-2］。EHA采用的是閉式循環(huán)液壓系統(tǒng)，軸向柱塞泵吸油口與液壓缸排油口直通，無冷卻器，工作條件苛刻［2-3］。隨著運(yùn)行時(shí)間的推移，EHA會(huì)出現(xiàn)軸向柱塞泵零件磨損以及液壓缸密封件磨損、老化等問題，導(dǎo)致液壓系統(tǒng)高壓腔的油液向低壓腔泄漏（簡(jiǎn)稱內(nèi)泄漏），影響飛機(jī)、艦船等武器裝備的作戰(zhàn)性能［2-4］。但是針對(duì)尚不足以導(dǎo)致EHA無法工作的微弱內(nèi)泄漏，目前既無法直接觀測(cè)，也缺乏有效的間接檢測(cè)方法。

為降低甚至消除內(nèi)泄漏故障風(fēng)險(xiǎn)，保證裝備作戰(zhàn)性能，筆者針對(duì)EHA內(nèi)泄漏故障檢測(cè)開展了研究。筆者在研究中發(fā)現(xiàn)EHA的內(nèi)泄漏會(huì)影響電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，據(jù)此，提出一種通過分析電機(jī)電流、轉(zhuǎn)速變化進(jìn)行內(nèi)泄漏檢測(cè)的方法，并利用故障注入技術(shù)，對(duì)所提出的EHA內(nèi)泄漏檢測(cè)方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 基礎(chǔ)理論方法

1.1 數(shù)據(jù)特征定向提取算法

近年來，深度學(xué)習(xí)以其超強(qiáng)的數(shù)據(jù)特征自適應(yīng)提取能力以及與分類器一體化的訓(xùn)練模式在故障檢測(cè)領(lǐng)域獲得廣泛關(guān)注［5］。研究者通過建立一個(gè)深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，從監(jiān)測(cè)的狀態(tài)數(shù)據(jù)中可自適應(yīng)地提取數(shù)據(jù)特征并建立與設(shè)備狀態(tài)之間的關(guān)聯(lián)，從而實(shí)現(xiàn)故障檢測(cè)。其中，一維卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)更適用于設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)特征提取及相關(guān)性表征，其典型結(jié)構(gòu)包括卷積層、池化層、全連接層和激活層。在進(jìn)行卷積運(yùn)算過程中，通過卷積核在輸入數(shù)據(jù)上滑動(dòng)提取數(shù)據(jù)特征，常規(guī)運(yùn)算過程如下［6-7］：

1.2 多尺度數(shù)據(jù)特征定向?qū)W習(xí)模型

針對(duì)n個(gè)原始數(shù)據(jù)特征（x1，x2，…，xn），可能需要建立多個(gè)式（2）所示的回歸模型，計(jì)算與xn、xn-1等對(duì)應(yīng)的x^n、x^n-1等狀態(tài)數(shù)據(jù)。為了能夠?qū)W習(xí)（x1，x2，…，xn，x^n）、（x1，x2，…，xn-1，x^n-1）等數(shù)據(jù)特征之間的映射關(guān)系，需要依據(jù)輸入數(shù)據(jù)特征數(shù)量采用相應(yīng)尺度的卷積核進(jìn)行特征提取。本文構(gòu)建了圖2所示的多尺度數(shù)據(jù)特征定向?qū)W習(xí)模型。將增廣后的數(shù)據(jù)集{x1，x2，…，xn，x^n｝輸入圖2所示的計(jì)算模型。模型包括多個(gè)通道，每個(gè)通道包括2個(gè)圖1所示的計(jì)算模型；通過采用C1、C2等不同大小的卷積核提取不同信號(hào)特征組之間的映射關(guān)系（卷積層數(shù)為K）。

在處理輸出特征時(shí)，采用全連接網(wǎng)絡(luò)對(duì)多特征提取結(jié)果進(jìn)行分類［5］；采用Softmax激活函數(shù)對(duì)特征向量進(jìn)行歸一化處理，對(duì)比分析預(yù)測(cè)結(jié)果和實(shí)際結(jié)果，求得每個(gè)類輸出的條件概率，實(shí)現(xiàn)多類數(shù)據(jù)特征的分類。

2 數(shù)據(jù)預(yù)處理方法

2.1 數(shù)據(jù)增廣方法

為了獲得與xn對(duì)應(yīng)的增廣數(shù)據(jù)x^n，需要利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)建立xn與其他數(shù)據(jù)之間的函數(shù)關(guān)系。前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（feedforward neural network，F(xiàn)FNN）與傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)回歸方法相比，在理論上可以逼近任意連續(xù)函數(shù)，具有較強(qiáng)的多維非線性數(shù)據(jù)回歸預(yù)測(cè)能力。FFNN模型結(jié)構(gòu)包括輸入層、隱藏層及輸出層三部分，如圖3所示。利用實(shí)測(cè)的正常狀態(tài)下的數(shù)據(jù)x1，x2，…，xn訓(xùn)練、建立FFNN模型，然后將不同狀態(tài)下的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)x1，x2，…，xn-1輸入FFNN模型，計(jì)算出與xn對(duì)應(yīng)的增廣數(shù)據(jù)x^n。

2.2 異常數(shù)據(jù)剔除方法

在訓(xùn)練FFNN模型時(shí)，因訓(xùn)練樣本數(shù)量有限，難免出現(xiàn)局部過擬合，導(dǎo)致通過模型獲取的某些預(yù)測(cè)值x^n異常，與實(shí)際不符。本文采用如下方法剔除異常值：針對(duì)增廣后的數(shù)據(jù)，先按照式（3）方法計(jì)算實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值之間的相對(duì)偏差Δxn，i（i=1，2，…，N）；然后計(jì)算數(shù)據(jù)Δxn，i的均值Rxn和標(biāo)準(zhǔn)差σn；最后按照3σ準(zhǔn)則，將與異常Δxn，i所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)樣本（x1，i，x2，i，…，xn，i，x^n，i）剔除。

2.3 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化方法

常用的數(shù)據(jù)同趨化和量綱一化處理方法有最值歸一化、均值方差歸一化、小數(shù)定標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化等方法。當(dāng)各狀態(tài)數(shù)據(jù)的數(shù)量級(jí)差異較大時(shí)，若用單一標(biāo)準(zhǔn)化方法，會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)特征被弱化，深度學(xué)習(xí)模型過擬合現(xiàn)象嚴(yán)重、泛化能力不足，最終影響數(shù)據(jù)分類準(zhǔn)確率。為解決上述問題，本文提出如下數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化方法：在剔除異常數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，按照以下計(jì)算方法將數(shù)據(jù)特征約束在［-10，10］之間：

（6）

式中，xn，i為原始數(shù)據(jù)中第n個(gè)特征的第i個(gè)數(shù)值，i=1，2，…，N；x′n，i為處理后的數(shù)據(jù)；r表示滿足條件的最小正整數(shù)。

然后，再應(yīng)用均值方差歸一化方法處理。

3 內(nèi)泄漏檢測(cè)原理與試驗(yàn)

3.1 檢測(cè)原理

典型的EHA組成和工作原理如圖4所示［4，8-9］，采用集成化設(shè)計(jì)，主要由伺服電機(jī)（永磁同步電機(jī)）、定量軸向柱塞泵、對(duì)稱液壓缸、增壓油箱、溢流閥、油濾、單向閥、直線位移傳感器（LVDT）等組成。EHA的軸向柱塞泵吸油口、排油口分別與液壓缸排油口、進(jìn)油口直通，無冷卻器。EHA工作時(shí)，通過控制伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)亩鴮?shí)現(xiàn)液壓缸活塞桿的速度控制；通過控制伺服電機(jī)換向?qū)崿F(xiàn)液壓缸活塞桿的換向。

假設(shè)在正常情況下驅(qū)動(dòng)液壓缸活塞桿運(yùn)動(dòng)一段距離時(shí)所需油液流量為qV，柱塞泵吸入和排出流量分別為qV1和qV2（qV1>qV2），出口和入口壓力分別為p1和p2，泄漏量為qVL1；液壓缸入口和出口流量可分別表示為qV2和qV1，高壓腔油液向低壓腔的泄漏量為qVL1。當(dāng)EHA無外泄漏時(shí)qV=qV1，此時(shí)對(duì)柱塞泵而言，出口流量

（7）

對(duì)液壓缸而言，入口流量

（8）

當(dāng)柱塞泵出口壓力大于入口時(shí)（p1>p2），若因柱塞泵零件磨損而導(dǎo)致qVL1增大，則由式（7）可知，必須通過調(diào)控轉(zhuǎn)速增大來提高排出流量qV2，從而保持qV不變，即維持活塞桿速度不變。

當(dāng)因油缸密封圈磨損、老化而導(dǎo)致qVL2增大時(shí)，由式（8）可知，也必須通過調(diào)控轉(zhuǎn)速增大來維持活塞桿運(yùn)行速度不變。同理，當(dāng)柱塞泵出口壓力小于入口時(shí)（p1

通過分析轉(zhuǎn)速相對(duì)正常值（正常狀態(tài)下測(cè)得的數(shù)值）的偏離程度就能夠?qū)崿F(xiàn)EHA內(nèi)泄漏的檢測(cè)。

根據(jù)液壓系統(tǒng)的控制原理，可以建立EHA的數(shù)學(xué)模型［8］：

式中，I、na分別為電機(jī)電流和轉(zhuǎn)速；qVL為總泄漏量，qVL=qVL1+qVL2；p為極對(duì)數(shù)（常數(shù)）;Ψ為磁鏈（常數(shù)）；J為電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；B為柱塞泵阻尼系數(shù)；Δp=|p1-p2|；D為柱塞泵理論排量，D=f（na，Δp）；x、x·和x¨分別為活塞桿位移、速度和加速度；F為載荷；m為負(fù)載等效質(zhì)量；S為活塞有效面積；BC為黏滯阻尼系數(shù)；k為負(fù)載剛度系數(shù)。

依據(jù)式（9），可以推導(dǎo)出電機(jī)電流與轉(zhuǎn)速和內(nèi)泄漏量qVL之間的函數(shù)關(guān)系（J較小，忽略不計(jì)）：

分析式（10）和式（11）可知，當(dāng)內(nèi)泄漏量增大時(shí)，需要調(diào)控轉(zhuǎn)速保持活塞桿運(yùn)動(dòng)規(guī)律不變；相同負(fù)載下電流隨轉(zhuǎn)速升高而增大。因此，通過分析計(jì)算實(shí)測(cè)電流相對(duì)正常值的偏離程度就能夠?qū)崿F(xiàn)內(nèi)泄漏的檢測(cè)。

依據(jù)上述分析結(jié)果可知，通過對(duì)電流和轉(zhuǎn)速相對(duì)正常值的偏離程度進(jìn)行計(jì)算和分析，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)EHA內(nèi)泄漏的檢測(cè)。但在實(shí)際中，EHA的每次工作條件不同，無法將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與之前測(cè)得的正常值進(jìn)行一一對(duì)比，進(jìn)而導(dǎo)致無法直接計(jì)算實(shí)測(cè)值相對(duì)正常值的偏離程度。

通過對(duì)式（9）～式（11）的進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，活塞桿速度和液壓缸壓力是自變量，電流和轉(zhuǎn)速為因變量，它們之間存在的函數(shù)關(guān)系可表示為：I=fI（x·，p1，p2）和na=fω（x·，p1，p2）。依此關(guān)系，本文提出如下方法解決實(shí)測(cè)電流和轉(zhuǎn)速相對(duì)正常值偏離程度的計(jì)算難題：先利用正常狀態(tài)下的電流、轉(zhuǎn)速、活塞桿速度和液壓缸壓力數(shù)據(jù)，建立電流和轉(zhuǎn)速的FFNN預(yù)測(cè)模型；然后將每次監(jiān)測(cè)的活塞桿速度、壓力數(shù)據(jù)輸入已經(jīng)建立的FFNN模型，計(jì)算出正常狀態(tài)下的電流I^和轉(zhuǎn)速n^a；最后，利用實(shí)測(cè)和預(yù)測(cè)的電流、轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，計(jì)算偏離程度。

3.2 內(nèi)泄漏故障注入實(shí)驗(yàn)

依據(jù)圖4工作原理，設(shè)計(jì)了內(nèi)泄漏試驗(yàn)臺(tái)，如圖5所示。采用的柱塞泵排量為1 mL/r，電機(jī)額定扭矩和額定功率分別為1.27 N·m和400 W。本研究通過在液壓缸進(jìn)出管路之間（即圖4中管路A、B點(diǎn)之間）安裝一個(gè)微量針型調(diào)節(jié)閥的方式實(shí)現(xiàn)內(nèi)泄漏故障注入；通過調(diào)節(jié)針型調(diào)節(jié)閥的開度進(jìn)行內(nèi)泄漏量調(diào)節(jié)。

考慮到內(nèi)泄漏量受轉(zhuǎn)速、壓力、油溫等多種因素影響，本研究使用量杯測(cè)量法測(cè)得通過調(diào)節(jié)閥的實(shí)際流量（內(nèi)泄漏量），具體操作過程如下。如圖4所示，首先斷開調(diào)節(jié)閥與A點(diǎn)之間的連接，控制電機(jī)以3000 r/min運(yùn)行50轉(zhuǎn)，改變調(diào)節(jié)閥開度，使其排出油液達(dá)到3 mL、5 mL和8 mL，分別標(biāo)定為輕微、中等和嚴(yán)重內(nèi)泄漏。然后，恢復(fù)調(diào)節(jié)閥與A點(diǎn)連接，在不同內(nèi)泄漏狀態(tài)下，控制EHA按照正弦位移指令運(yùn)行，確?；钊麠U位移運(yùn)動(dòng)規(guī)律滿足控制要求；同時(shí)監(jiān)測(cè)電流和轉(zhuǎn)速，以及活塞桿位移和速度、液壓缸兩腔壓力等數(shù)據(jù)。由于電流為正弦波，因此每隔四分之一轉(zhuǎn)，利用監(jiān)測(cè)的電流信號(hào)進(jìn)行一次有效值計(jì)算，其他狀態(tài)數(shù)據(jù)則按照相同間隔進(jìn)行一次均值計(jì)算。

圖6給出了4種狀態(tài)下的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)示例。圖中，數(shù)據(jù)標(biāo)簽0、1、2和3分別代表正常、輕微、中等和嚴(yán)重4種內(nèi)泄漏狀態(tài)。由圖6a和圖6d可以看出，若液壓缸壓力p1>p2，則電機(jī)轉(zhuǎn)速基本呈現(xiàn)隨內(nèi)泄漏量增大而增大的關(guān)系；若液壓缸壓力p1

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

4.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

本文基于MATLAB軟件平臺(tái)，首先利用正常狀態(tài)下的數(shù)據(jù)訓(xùn)練電流和轉(zhuǎn)速的FFNN預(yù)測(cè)模型，模型參數(shù)優(yōu)化采用BR算法；然后，將不同內(nèi)泄漏狀態(tài)下的速度和壓力數(shù)據(jù)集｛x·i，p1，i，p2，i｝分別輸入電流和轉(zhuǎn)速的預(yù)測(cè)模型，計(jì)算出理想狀態(tài)下的電流和轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)集｛I^i，n^ai｝；最終將數(shù)據(jù)集增廣為{xi，x·i，p1，i，p2，i，Ii，nai，I^i，n^ai}。

圖7和圖8分別給出了對(duì)正常狀態(tài)和輕微內(nèi)泄漏狀態(tài)下轉(zhuǎn)速和電流的預(yù)測(cè)結(jié)果。與圖7a相比，圖7b～圖7d中的實(shí)測(cè)與預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)速間的偏差呈現(xiàn)隨內(nèi)泄漏程度增大而增大的趨勢(shì)?？傮w而言，當(dāng)p1>p2時(shí)，實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速增大；當(dāng)p1

當(dāng)電機(jī)啟動(dòng)、停止時(shí)，因監(jiān)測(cè)的轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)為零，導(dǎo)致FFNN模型過擬合。為剔除異常數(shù)據(jù)，首先按照式（3）分別計(jì)算4種狀態(tài)下電流和轉(zhuǎn)速實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值之間的相對(duì)偏差ΔIi和Δnai；然后計(jì)算均值RI和Rω與標(biāo)準(zhǔn)差σI和σna;最后按照3σ準(zhǔn)則，將異常數(shù)據(jù)樣本剔除。為了對(duì)比數(shù)據(jù)處理的效果，按下式分別計(jì)算剔除異常值前后的綜合偏差RIna，i：

RIna，i=R2I，i+R2na，i（12）

式中，RI，i為利用FFNN模型預(yù)測(cè)的電流相對(duì)實(shí)測(cè)電流值之間的相對(duì)偏差；Rna，i為利用FFNN模型預(yù)測(cè)的轉(zhuǎn)速相對(duì)實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速之間的相對(duì)偏差。

圖9給出了剔除異常值前后的數(shù)據(jù)分布特征。其中，數(shù)據(jù)標(biāo)簽0～3分別表示正常、輕微、中等和嚴(yán)重內(nèi)泄漏狀態(tài)下原始綜合偏差分布特征，對(duì)應(yīng)的中位數(shù)為4.94、6.58、7.57、8.65，對(duì)應(yīng)的四分位距為5.90、8.05、6.39、6.67。數(shù)據(jù)標(biāo)簽0*～3*分別表示剔除異常值后的數(shù)據(jù)分布特征，對(duì)應(yīng)的中位數(shù)為3.82、5.14、6.02、8.18，對(duì)應(yīng)的四分位距為3.22、5.87、7.04、4.18。中位數(shù)均隨內(nèi)泄漏程度的增大而增大，表明通過分析電流和轉(zhuǎn)速的實(shí)測(cè)與預(yù)測(cè)值之間偏離程度實(shí)現(xiàn)內(nèi)泄漏檢測(cè)的方法可行。分析結(jié)果還表明，中位數(shù)和四分位距受到異常數(shù)據(jù)影響較大；在實(shí)際工程中，若僅依據(jù)相對(duì)偏差數(shù)據(jù)的簡(jiǎn)單統(tǒng)計(jì)分析（如箱線圖）結(jié)果鑒別內(nèi)泄漏程度，依然存在較大誤判風(fēng)險(xiǎn)。

4.2 多尺度定向數(shù)據(jù)特征學(xué)習(xí)模型驗(yàn)證

為了獲得較高的內(nèi)泄漏檢測(cè)準(zhǔn)確率，本文基于第1節(jié)提出的特征提取算法，構(gòu)建了圖10所示的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)用于內(nèi)泄漏檢測(cè)。圖中包含兩個(gè)多尺度定向特征學(xué)習(xí)模塊，分別進(jìn)行電流和轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)特征的運(yùn)算。由于輸入每個(gè)定向?qū)W習(xí)模塊的數(shù)據(jù)特征數(shù)量均為5，因此兩個(gè)通道的卷積核尺度也均為5，卷積層數(shù)K設(shè)置為16。在標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)時(shí)，將速度、壓力、電流和轉(zhuǎn)速單位設(shè)定為mm/s、MPa、A、kr/min，從而將數(shù)值約束在［-10，10］之間。最后，應(yīng)用均值方差歸一化方法進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。經(jīng)預(yù)處理后的數(shù)據(jù)樣本量分別為297、313、300、303。

網(wǎng)絡(luò)模型參數(shù)可分為基本參數(shù)與超參數(shù)。其中，卷積核權(quán)值、偏置等基本參數(shù)在模型訓(xùn)練過程中自動(dòng)尋優(yōu)。批處理量、學(xué)習(xí)率以及卷積核數(shù)目等超參數(shù)與卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的性能優(yōu)劣密切相關(guān)，本文采用先進(jìn)的麻雀搜索算法進(jìn)行超參數(shù)的優(yōu)化?；诼槿杆阉魉惴▽?duì)超參數(shù)尋優(yōu)時(shí)［10］，設(shè)置種群數(shù)為5，迭代次數(shù)M為10，發(fā)現(xiàn)者與警戒者占比分別為20%和10%，安全閾值取0.8。模型的超參數(shù)尋優(yōu)區(qū)間及其優(yōu)化結(jié)果如表1所示。

為了直觀地評(píng)估網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練效果，圖11給出了160次迭代過程中網(wǎng)絡(luò)在訓(xùn)練集的分類準(zhǔn)確率以及損失值變化情況。當(dāng)?shù)螖?shù)達(dá)到140之后，網(wǎng)絡(luò)逐漸收斂，損失值和準(zhǔn)確率趨于穩(wěn)定。網(wǎng)絡(luò)模型在訓(xùn)練中不斷優(yōu)化，穩(wěn)定性也不斷增加，最終在訓(xùn)練集上的準(zhǔn)確率為98.7%，損失值為0.021。這表明，通過對(duì)模型參數(shù)的優(yōu)化可使得模型性能達(dá)到最佳。

4.3 檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確率分析

通過混淆矩陣直觀展示利用所提出方法對(duì)4種內(nèi)泄漏狀態(tài)下的數(shù)據(jù)分類準(zhǔn)確率，如圖12a所示，模型準(zhǔn)確率達(dá)到了98.7%。同時(shí)，利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)、一維卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)［4］和傳統(tǒng)多尺度深度殘差網(wǎng)絡(luò)［5］等方法對(duì)4種內(nèi)泄漏狀態(tài)下的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，獲得的準(zhǔn)確率分別為93.7、94.5、96.2和96.7，均低于98.7%。其中，利用傳統(tǒng)多尺度深度殘差網(wǎng)絡(luò)獲得的混淆矩陣如圖12b所示。分析結(jié)果表明，先利用本文檢測(cè)方法進(jìn)行數(shù)據(jù)特征增廣和標(biāo)準(zhǔn)化處理，再利用前述卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進(jìn)行數(shù)據(jù)分類，能夠獲得更高的檢測(cè)準(zhǔn)確率。

為了更直觀地看出不同模型的檢測(cè)效果以及差異，采用T-SNE技術(shù)將分別利用本文方法和多尺度深度殘差網(wǎng)絡(luò)［4］計(jì)算的輸出特征進(jìn)行可視化對(duì)比，結(jié)果如圖13所示。通過對(duì)比可知，利用本文提出的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)獲得的分類效果更好，

4類特征之間幾乎不存在重疊，從而也驗(yàn)證了本文方法的有效性和先進(jìn)性。

5 結(jié)論

（1）通過分析內(nèi)泄漏對(duì)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的影響，發(fā)現(xiàn)可以利用電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)變化與內(nèi)泄漏之間的關(guān)聯(lián)檢測(cè)內(nèi)泄漏，進(jìn)而提出一種通過分析電機(jī)電流、轉(zhuǎn)速變化進(jìn)行內(nèi)泄漏檢測(cè)的方法。

（2）利用不同數(shù)據(jù)特征之間的映射關(guān)系，通過施加特征提取約束條件，建立了一種能夠定向提取數(shù)據(jù)特征的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，實(shí)現(xiàn)了狀態(tài)數(shù)據(jù)中微弱故障特征的精準(zhǔn)提取。

（3）故障注入實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果表明，本文所提出內(nèi)泄漏檢測(cè)方法的準(zhǔn)確率達(dá)到了98.7%，有效解決了電靜壓伺服機(jī)構(gòu)內(nèi)泄漏檢測(cè)難題。

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（編輯 盧湘帆）

作者簡(jiǎn)介：

賀青川，男，1984年生，講師、博士。研究方向?yàn)闄C(jī)電產(chǎn)品可靠性試驗(yàn)評(píng)估、故障預(yù)測(cè)與健康管理等。發(fā)表論文20余篇。E-mail：heqingchuan@zstu.edu.cn。

陳文華（通信作者），男，1963年生，教授、博士研究生導(dǎo)師。研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)、可靠性試驗(yàn)分析、評(píng)估等。發(fā)表論文220余篇。E-mail：chenwh@zstu.edu.cn。

收稿日期：2023-04-04

基金項(xiàng)目：裝備預(yù)先研究領(lǐng)域基金（80902010302）；國(guó)家自然科學(xué)基金（51875529）；浙江省科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才項(xiàng)目（2021R52036）