張善興,何金凝,杜志敏,何軍,晉欣橋
(上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所,上海 200240)
空調(diào)系統(tǒng)的高效運(yùn)行,依賴于空調(diào)系統(tǒng)中各傳感器、控制器和執(zhí)行器的正常運(yùn)行,如果沒有精準(zhǔn)的測(cè)量,很難完成設(shè)備的開發(fā)[1],如果沒有高性能的控制,系統(tǒng)很難較快達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)[2]。當(dāng)這些測(cè)控部件發(fā)生故障時(shí),不僅造成空調(diào)系統(tǒng)能耗增加、室內(nèi)熱舒適性下降,還可能導(dǎo)致原有的優(yōu)化控制策略紊亂、設(shè)備使用壽命減少、甚至運(yùn)行事故等嚴(yán)重后果。因而針對(duì)空調(diào)系統(tǒng)傳感器的故障檢測(cè)和診斷已成為當(dāng)前暖通空調(diào)領(lǐng)域的重要研究熱點(diǎn)之一,不少學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了研究[3-5]。LEE等[6]提出了基于殘差和參數(shù)辨識(shí)的方法,對(duì)空調(diào)系統(tǒng)風(fēng)機(jī)和水閥故障進(jìn)行診斷。CHEN等[7]建立了小波分析模型,對(duì)空調(diào)冷媒水系統(tǒng)中的傳感器故障進(jìn)行了診斷。YU等[8]提出了虛擬校準(zhǔn)改進(jìn)方法,應(yīng)用于屋頂空調(diào)機(jī)組的容錯(cuò)和故障診斷。王世強(qiáng)等[9]提出了一種無中心算法,實(shí)現(xiàn)傳感器故障檢測(cè)。PADILLA等[10]基于主成分分析對(duì)空調(diào)箱內(nèi)傳感器故障進(jìn)行了檢測(cè)和隔離。誤差反傳神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)因其非線性數(shù)據(jù)建模的特性,常用來對(duì)系統(tǒng)輸入和輸出之間復(fù)雜的關(guān)系進(jìn)行建模,對(duì)于復(fù)雜HVAC系統(tǒng)故障檢測(cè)和診斷有天然的適配性。LI等[11]基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)正常運(yùn)行參數(shù),診斷復(fù)雜供熱系統(tǒng)的故障。CASTILLA等[12]基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和多項(xiàng)式回歸模型,提升了HVAC系統(tǒng)的熱舒適性。WANG等[13]基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)了一種針對(duì)變風(fēng)量系統(tǒng)的故障檢測(cè)方法,通過歷史數(shù)據(jù)訓(xùn)練其中的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)后,可用于檢測(cè)戶外空氣、進(jìn)風(fēng)、回風(fēng)速率傳感器的故障。
雖然BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有著較好的泛化能力,但其收斂精度一直是制約其發(fā)展的瓶頸之一[14]。通過梯度下降法作為學(xué)習(xí)法則,易使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)收斂于局部極值點(diǎn),造成其精度下降。本文針對(duì)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)收斂精度低等缺陷,提出了基于GA-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的變風(fēng)量(Variable Air Volume,VAV)空調(diào)系統(tǒng)空調(diào)箱故障診斷模型,通過遺傳算法優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的初始連接權(quán)值和閾值,避免神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)收斂于局部極值點(diǎn),提高了BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練精度,達(dá)到提高模型故障診斷準(zhǔn)確率的目的。
故障檢測(cè)策略的驗(yàn)證所需數(shù)據(jù)多數(shù)基于純仿真平臺(tái),但由于純仿真平臺(tái)是由系統(tǒng)抽象出的數(shù)學(xué)模型,參數(shù)設(shè)定與實(shí)際系統(tǒng)不相符?;旌戏抡嫫脚_(tái)通過引入一定的實(shí)物設(shè)備,提高了仿真的精度[15-18]。因而經(jīng)過混合仿真平臺(tái)驗(yàn)證的故障診斷策略更具有實(shí)用價(jià)值。本文利用VAV空調(diào)系統(tǒng)混合仿真平臺(tái)的運(yùn)行數(shù)據(jù)來驗(yàn)證故障檢測(cè)和診斷策略的有效性。
圖1所示為空調(diào)系統(tǒng)混合仿真平臺(tái)結(jié)構(gòu)原理。該平臺(tái)利用真實(shí)的PID控制器代替虛擬的控制器模型,不僅有助于提高系統(tǒng)仿真的精度,還有助于引進(jìn)實(shí)物控制器在信號(hào)傳輸中所受到的干擾,縮小了與實(shí)際的建筑空調(diào)系統(tǒng)之間的差距。本文在該“硬件在環(huán)”實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上,通過仿真模型中的故障發(fā)生器,獲取VAV空氣處理單元的正常工況數(shù)據(jù)和相應(yīng)的故障工況數(shù)據(jù)。
圖1 空調(diào)系統(tǒng)混合仿真平臺(tái)結(jié)構(gòu)原理
圖2所示為VAV空調(diào)系統(tǒng)中風(fēng)側(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)[19]。通過接收送風(fēng)溫度傳感器的溫度值來控制空調(diào)箱中冷凍水水閥開度的大小,使送風(fēng)溫度達(dá)到溫度設(shè)定值;VAV送風(fēng)機(jī)則由一個(gè)送風(fēng)靜壓控制器控制,通過改變送風(fēng)機(jī)葉片的角度來維持送風(fēng)靜壓穩(wěn)定在設(shè)定值;回風(fēng)風(fēng)機(jī)葉片角度的調(diào)節(jié)則通過室內(nèi)的正壓控制器來調(diào)節(jié);在VAV的末端通過流量控制器和溫度控制器來改變VAV風(fēng)閥的開度,使室內(nèi)溫度保持在設(shè)定值;以及利用新風(fēng)溫度控制器改變新風(fēng)閥門、循環(huán)風(fēng)風(fēng)門以及排風(fēng)風(fēng)門的開度,達(dá)到調(diào)節(jié)新風(fēng)風(fēng)量的目的。
圖2 VAV空調(diào)系統(tǒng)中風(fēng)側(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
本文研究的故障是空調(diào)箱內(nèi)的相關(guān)故障??紤]到軟故障是漸進(jìn)性的故障,往往不易發(fā)現(xiàn),為故障的檢測(cè)帶來一定的難度。因此根據(jù)故障特性將故障劃分為6種軟故障和2種硬故障[20],具體的故障類型和故障程度如表1所示。
表1 空調(diào)箱內(nèi)相關(guān)故障
BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是應(yīng)用最為廣泛的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),其本質(zhì)是一種對(duì)于線性或者非線性系統(tǒng)進(jìn)行黑箱建模的工具[21]。它是對(duì)人腦或者說是自然神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中相關(guān)特性的一種模擬,建立了多層感知器模型并以此感知外部的激勵(lì)信號(hào),在激勵(lì)信號(hào)的正向傳播出現(xiàn)誤差時(shí),通過反向調(diào)節(jié)的學(xué)習(xí)機(jī)制,不斷進(jìn)行迭代學(xué)習(xí),構(gòu)建出可以處理非線性關(guān)系的網(wǎng)絡(luò)模型。其理論體系十分完善,算法流程也極為清晰,且具有良好的數(shù)據(jù)識(shí)別功能,這些都為非線性系統(tǒng)相關(guān)問題的解決帶來了極大的幫助。
多隱層的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原理與單隱層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相似,結(jié)構(gòu)如圖3所示,包括了輸入層、隱含層和輸出層3部分。由于輸入和輸出向量具有確定的維度,因而輸入層和輸出層的神經(jīng)元的個(gè)數(shù)也是確定的,只需對(duì)激勵(lì)函數(shù)的類型進(jìn)行選擇。隱含層是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中連接輸入層和輸出層的橋梁,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的擬合精度受隱含層的層數(shù)、神經(jīng)元個(gè)數(shù)和激勵(lì)函數(shù)類型的影響。因此應(yīng)合理地確定BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu),才能對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的相關(guān)故障予以識(shí)別。
圖3 多層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)
訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)時(shí),首先賦予神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)初始連接權(quán)值和初始閾值;再將訓(xùn)練數(shù)據(jù)集的輸入向量帶入至輸入層,在隱含層的作用下求得網(wǎng)絡(luò)的輸出值,并與訓(xùn)練數(shù)據(jù)的實(shí)際輸出進(jìn)行對(duì)比,得到偏差E;利用梯度下降法的學(xué)習(xí)法則,對(duì)各個(gè)神經(jīng)元的連接權(quán)值和閾值進(jìn)行修正,直到偏差E收斂滿足條件。當(dāng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的收斂精度達(dá)到設(shè)定要求時(shí),再利用驗(yàn)證集來驗(yàn)證其可靠性,若偏差不大則可將訓(xùn)練好的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于空調(diào)系統(tǒng)的故障診斷。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的算法流程如圖4所示。
圖4 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法流程
構(gòu)建BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,需要大量的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)。在空調(diào)系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行中,某一參數(shù)的變化會(huì)引起其他相關(guān)參數(shù)的連鎖變化,因而利用基準(zhǔn)數(shù)據(jù)來訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò),需要確定網(wǎng)絡(luò)的特征輸入變量?;谀芰科胶獾哪P蚚3]可反映空調(diào)箱的運(yùn)行狀態(tài)和規(guī)律,選取新風(fēng)溫度Tfre、送風(fēng)溫度Tsup、回風(fēng)溫度Trtn、冷媒水供水溫度Tws、冷媒水回水溫度Twr、新風(fēng)量Mfre、送風(fēng)量Msup、回風(fēng)量Mrtn、冷媒水供回水流量Mw、新風(fēng)濕度dfre和回風(fēng)濕度drtn這11個(gè)參數(shù),作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的特征輸入變量。由于各特征變量的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)不同,采取離差標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)行歸一化處理,利用線性函數(shù)將原始數(shù)據(jù)線性化為[0,1]范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)。歸一化公式:
式中:
Xnorm——?dú)w一化后的數(shù)據(jù);
Xmax——樣本數(shù)據(jù)中最大值;
Xmin——樣本數(shù)據(jù)中最小值。
由基準(zhǔn)數(shù)據(jù)及 11個(gè)特征輸入變量,可以確定BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入矩陣和輸出矩陣。以故障類型X=[x0,x1,x2,x3,x4,x5,x6,x7,x8]’所構(gòu)成的矩陣作為網(wǎng)絡(luò)的輸入,其中x0、x1、x2、x3、x4、x5、x6、x7和x8分別表示在無故障和8種故障類型下包含 11個(gè)特征輸入變量的數(shù)據(jù)矩陣。以目標(biāo)輸出Y=[y0,y1,y2,y3,y4,y5,y6,y7,y8]’作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出,若輸出向量Y的第j行數(shù)值越接近1,則在8種故障中第j種故障類型的可能性越大,建立起故障類型與網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)輸出向量之間的映射關(guān)系,如表2所示。
表2 故障模式輸入輸出對(duì)應(yīng)表
對(duì)于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的隱含層結(jié)構(gòu),增加隱含層層數(shù)雖然可以減少隱含層神經(jīng)元個(gè)數(shù),但同時(shí)增加了網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜程度及訓(xùn)練時(shí)間,因此本文選取3層(1個(gè)隱含層)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[22]。如果選取的隱含層神經(jīng)元個(gè)數(shù)太少,網(wǎng)絡(luò)所能獲取的用以解決問題的信息量太少;而個(gè)數(shù)過多,訓(xùn)練時(shí)間增加,也會(huì)造成過度擬合使網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)能力下降。為了簡(jiǎn)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),建議適量減少隱含層神經(jīng)元的個(gè)數(shù),可正確反映輸入輸出關(guān)系即可。但在以往的研究中并沒有固定的選擇方法,一般由經(jīng)驗(yàn)公式來確定隱含層神經(jīng)元個(gè)數(shù)的范圍:
式中:
N——隱含層所需的神經(jīng)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù);
NI——輸入變量的維數(shù);
NO——輸出變量的維數(shù);
α——介于1~10之間的常數(shù)。
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入層有11個(gè)輸入神經(jīng)元,代表11個(gè)特征變量的輸入數(shù)據(jù);輸出層有9個(gè)神經(jīng)元,對(duì)應(yīng)于無故障和8種故障的判別輸出結(jié)果??梢郧蟮秒[含層神經(jīng)元個(gè)數(shù)取值為6~15??紤]到隱含層神經(jīng)元個(gè)數(shù)對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的精度影響較大,所以在此范圍內(nèi)設(shè)置其初始值為6,逐漸增加神經(jīng)元個(gè)數(shù)進(jìn)行訓(xùn)練,直到預(yù)測(cè)值與實(shí)際值輸出間的誤差不再大幅降低,通過不斷的試驗(yàn)以獲取最佳的隱含層神經(jīng)元個(gè)數(shù)。隱含層神經(jīng)元的激勵(lì)函數(shù)選擇tansig函數(shù),則隱含層的第j個(gè)神經(jīng)元的輸入為:
式中,θi為神經(jīng)元的閾值;vi為經(jīng)閾值調(diào)整后的值。
最終的輸出為:
式中,y(j)為最終的輸出值。
確定神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入、輸出以及結(jié)構(gòu)后,可進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練和診斷。以前文所述的8種故障類型的數(shù)據(jù)作為網(wǎng)絡(luò)的輸入來訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò),獲得當(dāng)前時(shí)刻的權(quán)值和閾值,判斷實(shí)際值和目標(biāo)值之間誤差E是否滿足設(shè)定條件。如果不滿足,根據(jù)梯度下降法調(diào)節(jié)權(quán)值和閾值,直到訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)能滿足收斂條件。同樣需要將待診斷的數(shù)據(jù)歸一化處理,再進(jìn)行診斷獲取結(jié)果。誤差E取神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的均方誤差:
式中,N為神經(jīng)節(jié)點(diǎn)數(shù)目;P為訓(xùn)練樣本的階數(shù);yj為網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)值;為網(wǎng)絡(luò)實(shí)際輸入值。
綜上,BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式識(shí)別模型的故障診斷流程如圖5所示。
圖5 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的故障診斷流程
遺傳算法是一種新的全局優(yōu)化搜索算法,可很好地對(duì)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的缺陷加以彌補(bǔ),尋找全局最優(yōu)解。遺傳算法的流程如圖6所示,包括編碼、初始化種群、適應(yīng)度計(jì)算、選擇、交叉和變異等過程。
利用GA方法對(duì)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的初始連接權(quán)值和閾值進(jìn)行優(yōu)化,解碼獲得最優(yōu)的初始連接權(quán)值和閾值,再通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)利用梯度下降法進(jìn)行搜索,獲得全局最優(yōu)解?;谶z傳算法優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的故障診斷流程如圖7所示。
圖6 遺傳算法的流程
圖7 GA-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型的故障診斷流程
通過“硬件在環(huán)”仿真平臺(tái)獲取了包含上述 8種故障工況和無故障工況的800組數(shù)據(jù)樣本,對(duì)其進(jìn)行歸一化處理,并將相應(yīng)的故障類型編號(hào)為0~8。將數(shù)據(jù)樣本劃分為650組訓(xùn)練樣本和150組測(cè)試樣本。利用訓(xùn)練樣本分別訓(xùn)練GA-BP優(yōu)化模型和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,再將測(cè)試樣本帶入到訓(xùn)練好的模型中,進(jìn)行故障診斷。
圖8所示為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的故障診斷結(jié)果。由圖8可知,在8種故障類型中,除了送風(fēng)溫度漂移故障的診斷效果較差,其余7種故障基本可以診斷出來,整體的故障診斷準(zhǔn)確率為87.33%。
圖8 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的故障診斷結(jié)果
由于故障診斷結(jié)果的精度受到初始連接權(quán)值和初始閾值的影響,因而每次訓(xùn)練BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型得到的診斷結(jié)果均不相同。當(dāng)隱含層神經(jīng)元個(gè)數(shù)為8~11時(shí),取不同的初始連接權(quán)值和閾值,多次訓(xùn)練得到不同的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,故障診斷的準(zhǔn)確率如表3所示。由表3可知,在節(jié)點(diǎn)數(shù)相同的情況下,受初始連接權(quán)值和閾值的影響,BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)每次訓(xùn)練得到的模型準(zhǔn)確率存在較大差異。如神經(jīng)元個(gè)數(shù)為8的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的診斷準(zhǔn)確率為66%~90.67%。
表3 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型故障診斷結(jié)果的準(zhǔn)確率
圖9所示為GA-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型的故障診斷結(jié)果。由圖9可知,除送風(fēng)溫度傳感器故障外,其余幾種故障類型基本都可以判別出來,整體的故障診斷結(jié)果準(zhǔn)確率為90.67%,優(yōu)于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的故障診斷結(jié)果。
考慮到故障診斷結(jié)果的精度受到初始連接權(quán)值和閾值的影響,對(duì) GA-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型進(jìn)行多次訓(xùn)練,結(jié)果如表4所示。由表4可知,以8個(gè)神經(jīng)節(jié)點(diǎn)為例,各次訓(xùn)練得到的 GA-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型的診斷準(zhǔn)確率為81.33%~86.00%,其模型精度受初始連接權(quán)值和閾值的影響較小,說明GA-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型的精度比BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型更加穩(wěn)定。
圖9 GA-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型的故障診斷結(jié)果
表4 GA-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型故障診斷結(jié)果的準(zhǔn)確率
圖10所示為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型與GA-BP優(yōu)化模型的診斷率隨神經(jīng)元個(gè)數(shù)的變化。由圖10可知,GA-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型的故障診斷準(zhǔn)確率整體高于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型;且GA-BP優(yōu)化模型的故障診斷準(zhǔn)確率隨神經(jīng)元個(gè)數(shù)的變化不大,而BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的故障診斷的準(zhǔn)確率隨著神經(jīng)元個(gè)數(shù)n的變化波動(dòng)較大。
圖10 BP模型與GA-BP模型的診斷率隨神經(jīng)元個(gè)數(shù)的變化
本文針對(duì)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)存在易陷入局部最優(yōu)解、訓(xùn)練精度低等問題,提出了基于GA-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的故障診斷優(yōu)化模型,對(duì)VAV空調(diào)箱的8種軟、硬故障開展了故障診斷研究。并通過“硬件在環(huán)”空調(diào)系統(tǒng)仿真控制平臺(tái)獲取了正常工況和故障工況的數(shù)據(jù),對(duì)比了上述兩種模型,得到如下結(jié)論:
1)兩種故障診斷模型對(duì)故障有很好的辨識(shí)功能,均可以用于VAV空調(diào)箱的軟、硬故障診斷;
2)BP網(wǎng)絡(luò)的初始連接權(quán)值和閾值的取值對(duì)模型影響較大,可以采用遺傳算法對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。GA-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型的故障診斷準(zhǔn)確率要高于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的故障診斷的準(zhǔn)確率;
3)當(dāng)隱含層神經(jīng)元個(gè)數(shù)在一定的范圍內(nèi)變化時(shí),GA-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型的故障診斷準(zhǔn)確率相對(duì)穩(wěn)定且較高,而BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型有較大波動(dòng);
4)當(dāng)隱含層神經(jīng)元個(gè)數(shù)相同時(shí),在多次訓(xùn)練中,GA-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型的精度比BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型更加穩(wěn)定。