黃磊,戴金躍,胡陽,彭俞根
(1.江蘇航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院航空工程學(xué)院,江蘇鎮(zhèn)江 212134;2.中國航發(fā)北京航空材料研究院,先進高溫結(jié)構(gòu)材料重點實驗室,北京 100095)
渦軸發(fā)動機作為直升機動力源,無論在通航運輸還是部隊作戰(zhàn),其運行狀態(tài)、工作環(huán)境都決定著飛行任務(wù)是否能夠如期完成。由于渦軸發(fā)動機機動性能多變,飛行任務(wù)包線不如民航渦扇發(fā)動機規(guī)律,經(jīng)常會在轉(zhuǎn)子過渡態(tài)—穩(wěn)態(tài)之間發(fā)生瞬間失衡現(xiàn)象,而這種現(xiàn)象會導(dǎo)致發(fā)動機出現(xiàn)短暫的碰摩現(xiàn)象。
目前,監(jiān)控發(fā)動機轉(zhuǎn)子狀況,常采用分析安裝在發(fā)動機機匣上各測點振動加速度傳感器采集的振動信號的方法。但機匣測點上采集的振動信號通常屬于耦合信號,需要對振動信號進行有效處理后,才能夠有效識別出轉(zhuǎn)子故障,而類似于短時傅里葉、小波變換等信號處理方法均存在一定的局限性。因此,部分振動信號的故障診斷采用振動信號分析與診斷算法相結(jié)合的方法。
針對渦軸發(fā)動機出現(xiàn)的碰摩故障,MUSZYNSKA、袁惠群、褚福磊、WILLIAMS等學(xué)者的研究,使得轉(zhuǎn)子碰摩實現(xiàn)從原理分析到數(shù)學(xué)求解、從有限元仿真到實物模擬,并到工程應(yīng)用。隨著碰摩理論的深入研究,針對不同情況而進行的碰摩研究較多。王四季等以對轉(zhuǎn)雙轉(zhuǎn)子局部碰摩為研究對象,對高壓、低壓、高低壓轉(zhuǎn)子碰摩進行實驗分析,并通過頻譜分析得出碰摩故障能夠通過和頻進行診斷。但對于基于振動信號分析的識別方法,如果事先未知故障頻譜特征成分表現(xiàn)形式,則難以進行故障識別。因此,本文作者針對某渦軸發(fā)動機渦輪機匣振動測點采集的數(shù)據(jù),對頻譜進行分析,提取振動特征參數(shù),結(jié)合優(yōu)化極限學(xué)習(xí)機,對渦軸發(fā)動機燃氣渦輪碰摩、動力渦輪碰摩等狀態(tài)進行識別。
極限學(xué)習(xí)機(Extreme Learning Machine, ELM)網(wǎng)絡(luò)通過隨機產(chǎn)生輸入層與隱含層的連接權(quán)值和閾值,并基于Moore-Penrose算法計算極限學(xué)習(xí)機網(wǎng)絡(luò)的輸出,實現(xiàn)了避免單隱層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的缺陷,因而廣泛用于數(shù)據(jù)壓縮、特征學(xué)習(xí)、聚類、診斷等領(lǐng)域。HUANG等對極限學(xué)習(xí)機理論進行嚴(yán)格的數(shù)學(xué)論證,表明它能夠逼近任意的非線性分段函數(shù)。
假設(shè)有個獨立樣本(,),=[1,2,…,]∈、=[1,2,…,]∈,具有個隱含層節(jié)點且隱含層與輸出層激活函數(shù)分別為()、()的單隱層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示,數(shù)學(xué)表示如式(1)所示。
圖1 極限學(xué)習(xí)機網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
(1)
式中:為輸入變量,=1,2,3,…,;為輸入變量與隱含層神經(jīng)元的連接權(quán)值;o為隱含層神經(jīng)元與輸出層的連接權(quán)值;為隱含層神經(jīng)元的閾值,=1,2,3,…,;為輸出層神經(jīng)元的閾值。
如果為0,且()為線性激活函數(shù)時,將個獨立樣本代入式(1)簡化可得式(2):
(2)
==?=
對于式(2),如果存在觀測樣本,同時∈×、≥且()=,則的Moore-Penrose廣義逆可表示為
=()
(3)
將式(3)代入式(2)可得出極限學(xué)習(xí)機輸出權(quán)值向量:
==()
(4)
極限學(xué)習(xí)機中常用的激活函數(shù)有幾種,文獻[9,12]對不同激活函數(shù)進行了研究。本文作者基于這些文獻研究結(jié)果,選擇Sigmoid()函數(shù)作為激活函數(shù)。
極限學(xué)習(xí)機能有效避免部分前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)存在的缺陷,但它相比其他網(wǎng)絡(luò)可能需要更多神經(jīng)元。同時,其隨機權(quán)值的賦予,可能會導(dǎo)致病態(tài)問題的產(chǎn)生,故采用遺傳算法進行優(yōu)化。
遺傳算法的誕生得益于生物基因間的變異、交叉、選擇,是一種被廣泛應(yīng)用于不同行業(yè)的智能尋優(yōu)算法。隨著遺傳算法的不斷應(yīng)用,也逐漸暴露出搜索能力受交叉變異概率影響等缺陷。因此,本文作者采用改進遺傳算法對極限學(xué)習(xí)機進行優(yōu)化,并運用到后續(xù)轉(zhuǎn)子故障診斷。
遺傳算法中基因個體的選擇沿用輪盤賭方式執(zhí)行,假設(shè)個體累積概率為、個體適應(yīng)度函數(shù)為()、輪盤旋轉(zhuǎn)次數(shù)為,則個體累積經(jīng)驗選擇概率可表示為
(5)
在遺傳算法中,變異操作能改變種群個體的結(jié)構(gòu),是影響遺傳算法搜索的關(guān)鍵。因此,應(yīng)在保證種群多樣性的同時提高算法搜索能力。本文作者借鑒文獻[14]中的方法引入高斯變異,采用如式(6)所示的變異操作方式:
(6)
=min{-,-}
交叉、變異操作均采用多點方式進行(每次變異點數(shù)為當(dāng)前基因數(shù)的50%,變異位置隨機選擇),其操作示意分別如圖2、圖3所示。
圖2 多點交叉
圖3 多點變異
優(yōu)化的極限學(xué)習(xí)機是采用遺傳算法優(yōu)化極限學(xué)習(xí)機中隱含層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值和閾值。優(yōu)化的極限學(xué)習(xí)機主要分為兩部分:一部分是遺傳算法根據(jù)個體適應(yīng)度,不斷進行個體基因交叉、變異、選擇,每次迭代更新過程中需要更新最優(yōu)個體,迭代結(jié)束后最優(yōu)個體基因序列值即為極限學(xué)習(xí)機中隱含層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值和閾值;另一部分是極限學(xué)習(xí)機部分,極限學(xué)習(xí)機在接收到每次迭代更新的最優(yōu)個體時,計算當(dāng)前個體下輸出權(quán)值和適應(yīng)度函數(shù),并將結(jié)果反饋給遺傳算法,用于遺傳算法迭代計算。優(yōu)化極限學(xué)習(xí)機流程如圖4所示。
圖4 優(yōu)化的極限學(xué)習(xí)機流程
優(yōu)化極限學(xué)習(xí)機診斷流程描述如下:
(1)基于待診斷數(shù)據(jù)樣本類型確定ELM網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu),并定義遺傳算法種群適應(yīng)度函數(shù);
(2)初始化遺傳算法基本參數(shù),并對種群中個體的基因序列值進行二進制編碼;
(3)對種群進行交叉、變異、選擇操作,產(chǎn)生新的個體,即可行解;
(4)將所得到的可行解代入極限學(xué)習(xí)機中,通過Moore-Penrose方法計算ELM網(wǎng)絡(luò)輸出權(quán)值矩陣,并計算當(dāng)前個體適應(yīng)度,遍歷整個種群找到局部最優(yōu)解,并更新全局最優(yōu)解;
(5)算法終止判斷:若滿足算法終止條件,則輸出遺傳算法全局最優(yōu)解,并代入極限學(xué)習(xí)機中;若否,則重復(fù)步驟(3)—步驟(5);
(6)用Moore-Penrose方法計算極限學(xué)習(xí)機輸出權(quán)值矩陣,并對故障樣本進行診斷。
渦軸發(fā)動機轉(zhuǎn)子振動碰摩數(shù)據(jù)源自某型號軍用發(fā)動機,由于信息保密的原因,以發(fā)動機渦輪機匣測點為碰摩振動監(jiān)測點,從渦軸發(fā)動機試車數(shù)據(jù)中提取并稍加處理動力渦輪、燃氣渦輪轉(zhuǎn)子的0.5、1、2、3、4倍頻,進而構(gòu)建渦軸發(fā)動機的振動包絡(luò)曲線,經(jīng)過處理后的發(fā)動機正常狀態(tài)包絡(luò)線幅值如圖5所示。以圖6所示的試車轉(zhuǎn)速曲線(燃氣渦輪最大轉(zhuǎn)速為36 700 r/min、動力渦輪為25 400 r/min)還原振動信號,渦輪機匣測點的采樣頻率為10 kHz,模擬時間為3 min。模擬振動信號包括渦軸發(fā)動機正常狀態(tài)、燃氣渦輪轉(zhuǎn)子碰摩、動力渦輪轉(zhuǎn)子碰摩、燃氣與動力渦輪碰摩4種,碰摩故障發(fā)生點都在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速達到最大轉(zhuǎn)速后0.02 s處。
圖5 振動包絡(luò)曲線
圖6 轉(zhuǎn)速曲線
渦軸發(fā)動機發(fā)生碰摩段的燃氣渦輪轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為36 700 r/min、動力渦輪轉(zhuǎn)速為25 400 r/min,各基頻幅值分別為611.7、423.3 Hz,分別記為、。渦軸發(fā)動機正常狀態(tài)、燃氣渦輪轉(zhuǎn)子碰摩、動力渦輪轉(zhuǎn)子碰摩、燃氣與動力渦輪碰摩4種狀況的振動信號和快速傅里葉變換(Fast Fourier Transform,F(xiàn)FT)頻譜如圖7所示??芍赫顟B(tài)與碰摩故障狀態(tài)下的振動信號、頻譜信號存在較明顯差異,碰摩狀態(tài)更加凸顯次諧波的存在;但對于另外3種碰摩狀態(tài),從振動信號上而言,不存在明顯的區(qū)別,但頻譜圖卻存在較為明顯差異,頻譜中均存在主頻、次頻、和頻成分;基于文獻[8]中的結(jié)論,根據(jù)和頻的出現(xiàn)可判斷碰摩故障的發(fā)生。
圖7 轉(zhuǎn)子碰摩振動信號分析
由圖7可知,如不具備對碰摩故障信號的分析經(jīng)驗,難以從振動信號或頻譜信號中直接分析出碰摩故障或碰摩故障類型,但碰摩故障特征會表征在振動信號的特征指標(biāo)中。因此,本文作者提取振動信號的偏度指標(biāo)、均方根指標(biāo)、波形指標(biāo)、脈沖指標(biāo)、峰值指標(biāo)、裕度指標(biāo),并基于第2節(jié)提到的優(yōu)化極限學(xué)習(xí)機對碰摩故障進行診斷。
每類工作狀態(tài)下數(shù)據(jù)集均為120組,共計480組數(shù)據(jù),部分數(shù)據(jù)如表1所示。可以發(fā)現(xiàn):不同狀態(tài)下的碰摩故障所引起的特征指標(biāo)變化趨勢存在差異,且各指標(biāo)之間數(shù)量級差異明顯,容易增加數(shù)據(jù)級所導(dǎo)致的診斷誤差,因此按式(7)進行歸一化處理:
表1 特征指標(biāo)數(shù)據(jù)集
(7)
其中:、和分別表示特征指標(biāo)的最大值、最小值和平均值;表示特征指標(biāo)的第個值;表示歸一化后的值。
基于第3節(jié)得到的轉(zhuǎn)子碰摩數(shù)據(jù),采用文中提到的優(yōu)化極限學(xué)習(xí)機模型對碰摩故障類型進行診斷。算法參數(shù)設(shè)置:遺傳算法種群大小為30、迭代步數(shù)200、種群范圍為[-0.5 0.5];極限學(xué)習(xí)隱含層神經(jīng)元個數(shù)由后續(xù)實驗結(jié)論予以確定。為避免診斷結(jié)果不受初始數(shù)據(jù)隨機性的影響,診斷實驗重復(fù)50次,取平均值為結(jié)果。
診斷過程中,隨機將480組樣本打亂,用于訓(xùn)練、校驗、測試的樣本比例為5∶3∶2,且樣本數(shù)據(jù)間彼此不重復(fù)。由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出神經(jīng)元判斷類型均采用概率表示,為避免分類出現(xiàn)小數(shù)等特殊情況,對網(wǎng)絡(luò)輸出結(jié)果采取四舍五入法,直接轉(zhuǎn)換為故障類型標(biāo)簽,予以識別。
由于極限學(xué)習(xí)機的隱含層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)量對診斷結(jié)果存在影響,需要基于數(shù)據(jù)樣本進行實驗,選擇合適的神經(jīng)元數(shù)量。訓(xùn)練集、測試集診斷準(zhǔn)確率與校驗集誤差收斂值隨極限學(xué)習(xí)機隱含層神經(jīng)元數(shù)量的變化如圖8所示。
圖8 診斷準(zhǔn)確率、校驗集收斂誤差與ELM隱含層神經(jīng)元數(shù)量的關(guān)系
由圖8可知:隨著神經(jīng)元數(shù)量逐漸增加,訓(xùn)練集、測試集診斷準(zhǔn)確率逐漸增加,神經(jīng)元數(shù)量較少時診斷效果差,收斂誤差波動范圍較大。通過綜合分析,診斷算法中隱含層神經(jīng)元數(shù)量設(shè)定為114,因為此時訓(xùn)練集、測試集診斷準(zhǔn)確率相對較高,誤差收斂值較穩(wěn)定,不會出現(xiàn)訓(xùn)練集準(zhǔn)確率增加而測試集診斷結(jié)果降低的過擬合現(xiàn)象。
優(yōu)化極限學(xué)習(xí)機對轉(zhuǎn)子碰摩故障的診斷結(jié)果如圖9所示。可知:在50次診斷過程中,訓(xùn)練集樣本準(zhǔn)確率為95%~98%,平均準(zhǔn)確率高達96.8%,診斷準(zhǔn)確率最大波動幅值為2.82%(如圖10所示);測試集診斷準(zhǔn)確率處于95%~95.93%,平均準(zhǔn)確率高達95.43%,診斷準(zhǔn)確率最大波動幅值為0.93%(如圖11所示)。在診斷過程中,算法的平均收斂誤差如圖12所示,其誤差收斂趨勢平滑下降,且能夠達到0.22的收斂精度。
圖9 優(yōu)化極限學(xué)習(xí)機50次診斷結(jié)果
圖10 訓(xùn)練集診斷結(jié)果波動情況 圖11 測試集診斷結(jié)果波動情況 圖12 校驗集平均誤差收斂情況
由上述分析可知,基于優(yōu)化極限學(xué)習(xí)機的轉(zhuǎn)子碰摩故障診斷在多次診斷下,其診斷效果明顯、結(jié)果波動幅值較小,收斂誤差相對較低。因此,優(yōu)化極限學(xué)習(xí)機適用于轉(zhuǎn)子碰摩故障診斷。
針對渦軸發(fā)動機轉(zhuǎn)子出現(xiàn)碰摩的情況,本文作者提出了優(yōu)化極限學(xué)習(xí)機的碰摩故障診斷方法。首先,基于某實際渦軸發(fā)動機振動包絡(luò)曲線,還原渦軸發(fā)動機正常狀態(tài)、燃氣渦輪碰摩、動力渦輪碰摩以及燃氣動力渦輪碰摩4種狀況下的振動信號,并對振動信號進行頻譜分析,得出不易從振動信號頻譜中識別出故障的結(jié)論;其次,提出基于振動信號特征的數(shù)據(jù)集,可使用優(yōu)化的極限學(xué)習(xí)機對它進行診斷;最后,進行了仿真實驗。結(jié)果表明:優(yōu)化極限學(xué)習(xí)機診斷準(zhǔn)確高達95.43%,診斷結(jié)果波動幅值為0.93%,收斂誤差相對較低,驗證了優(yōu)化極限學(xué)習(xí)機適用于轉(zhuǎn)子碰摩故障診斷。