基于小波分形和一类辨识的航空发动机故障诊断

2007年2月推进技术第28卷第1期JOURNAL OF PROPULSION TECHNOLOGYVol 28 No. I基于小波分形和一类辨识的航空发动机故障诊断罗俊,何立明,陈超西安空军工程大学工程学院,陕西西安710038)摘要∶在支持向量杋理论的基础上,针对支持向量机的二类辨识传统,引入了基于支持向量机的一类辨识理论。设计了航空发动机几种典型故障的一类分类器,使得发动机的故障诊断更加简单可行。同时,将小波分形方法引入到航空发动机振动信号的特征提取中。通过对航空发动机典型故障的成功诊断,证明了该方法的有效性。关键词∶航空发动机;一类辨识;支持向量机ˉ;小波分形;故障诊断中图分类号:V233.7文献标识码:A文章编号:10014055(2007)01-0082404Aeroengine fault diagnoisis based on one-classclassification and wavlet-fractalLUO Jun, he Li-ming, chen ChaoEngineering Inst., Air Force Engineering Univ. Xi an 710038, ChinaAbstract: Based on SVM( support vector machines theory one-class identification theory was introduced. Severalclassification models which make the aeroengine fault diagnosis become more simple and viable were designed based on one-c lass identification theory In addition wavlet -fractal was used to extract featurereengine vibration data. Successful application has been achieved to detect several typical fault of aeroengine. The results show that the one class identification can pro-vide a new effective technology to reveal fault of aeroengine.Key worderoengine One-class identification"; SVM Wavlet-fractal Fault diagnosis也随之岀现非平稳性。此时基于线性动力学模型的平稳信号分析方法不再完全适用。小波分形是一种先进的非线性分析方法其原理是通过比较小波分解传统的支持向量机通常只能做二值分类而分类后不同频带內信号盒维数的大小及其变化来反映信器的训练必须要有多种故障样本。但是由于实际工号的不规则度和复杂度刻画信号的非平稳性程中各类故障样本通常是难以获得所以要想训练各种故障的分类器比较困难。一类辨识就是在此背景2基于支持向量机的一类辨识上提岀来的,类辨识的原理是将同类数据在超空间里用一个超球体将其包在其中处于超球体之内的数类辨识的核心内容是基于支持向量的数据描据认为是一类在超球体之外的数据认为是它类。基述在超空间内建立一个超球体在超空间内超球能于一类辨识的分类器只需要一类样本而不需要其它将目标数据全部包含在内。超球靠球心a和半径R故障和正常状态的样本所以在实际工程中只要测来确定翌求该超球包含所有的训练数据X。当超得某一种故障的样本就可以建立相应的分类器从而球包含所有的训练数据时则经验误差为零。定义结对机器的状态进行识别。航空发动机的振动问题是构误差为一个非常复杂的问题而且航空发动机出现故障时,(R a)=R(1)其动力学行为往往出现复杂性和非线性其振动信号该结构误差的最小化限制条件为第28卷第1期基于小波分形和一类辨识的航空发动机故障诊断x1-a‖2≤R2(2)经过优化后会出现两种情况大部分的目标x会满为了使该方法更加完善允许训练数据中有一定足条件‖x1-a‖20这一小部分的目标就叫支持目标。超球球心a的距离不必严格地小于R2但是过大的距离体就是由这些支持目标确定的而对于a=0的目标必须加以惩罚。这就意味着经验误差不必严格地等在进行数据描述时可以被忽略。于零。因此总误差应该包括结构误差和经验误差两对于一个新的目标κ,当下式成立时该目标z被认为是属于被描述的类即引入松弛变量ξξ≥0,该最小化问题转变为z)=‖z-a‖2=(2z)-2∑aRa6)=R2+C∑6(3)(2x,)+∑aa(xx)≤R2(9)式中C为超球体体积与误差的折衷参数。最小化的限制条件为半径R由计算球中心a到边界上的任何一个支持向量x,的距离得到以式4)为限制条件对参数aR和进行优化为此引入拉格朗日乘数a(a≥0)和yy≥0)将式3发动机振动信号的小波分形描述(4)与式3)合并得到拉格朗日函数为小波分析方法可以有效地应用于非平稳信号的I(Raya)=R2+C∑s分析弥补了传统的傅立叶分析方法的不足。分形是aR2-(x2-2a·x,+a2)}-∑y(5)-门以不规则事物为研究对象、探索复杂性的科学,令L对Ra的偏微分等于零可得所以它很自然地被用来描述设备振动信号的不规则性和复杂性。有关研究表明分形理论和小波分析在a(6)自相似的本质上和认识事物由粗到细的过程上是0:=C-ax-y=0(7)致的。小波分形技术就是在这种思想的启发下提出来的其原理是通过比较小波包分解后不同频带内信由式7)可得a=C-y但是由于a≥0m≥号盒维数的大小及其变化来反映信号的不规则度和0所以当0≤a1≤C时可将 Lagrange乘数y略去。复杂度刻画信号的非平稳性于是将式5)重新写为关于α的最大化函数为测得的某航空发动机正常情况以及两种典型故∑α(xx)-∑αa(x:x(8)障—转子不同心和转静件碰摩时的振动信号如图1所示采样率为2kHz0≤a:≤C式8是一个标准的凸二次规化问题。参数a100200300400500-15004003501620406086100(a) Normal state dab)Eccentric rotor state data(c) Rotor friction state dataFig 1 Vibration data of aeroengine对振动数据进行特征提取程序如图2所示。根据特征提取示意图对以上三组数据进行3层小波包4分解则每一频段为250Hz并对每一频段rainning wavlet] Eight different Calculate]Featurefrequency data box-dimension vector的振动信号计算其盒维数2结果如表1所示从表1可转子不同心和正常状态在250推进技术2007年Table 1 Wavlet-fractal dimension of different aeroengine state50~500500~750750~10001000~12501250-15001500~17501750~20001.03951.08941.81421.71681.4475Eccentric rotor1.03921,45181.71371.4445Rotor friction1.04651.23871.3908L.2502776270671.44471.5828和正常状态在250~500750~1250和1750~2kH的盒维数相差较大洏而转子不同心和转静件碰摩在No. 1 faul250~10001750~2kHz时的盒维数相差较大。究Test data petre FeatureNot No其原因是因为当发动机发生故障时发动机振动信Non fa号除了原有的转速所对应的频率外还会产生相应的倍频以及分频所以计算各个频段的盒维数时会有所Not No不同。而各种不同的故障产生的倍频和分频等故障信息也各有不同。因此在航空发动机故障中通过Fig 4 Fault classifier classify sketch map比较信号在各频带内的盒维数的变化可以敏感地捕捉到转子不同心、转静件碰摩等故障。验结果如表2所示Table 2 Recognition result航空发动机振动数据分析Mistake rateFault IFault 2Fault 3测得的某航空发动机三种典型故障——转子支承Classifier 210%结构间隙松动、转子不同心和转静件碰摩时的振动数据利用小波分形方法提取振动信号特征并对转子支表2中 Fault l为转子支承结构间隙松动故障承结构间隙松动故障和转子不同心故障建立一类分类 Fault2为转子不同心故障 Fault3为转静件碰摩故器。分类器的训练和建立过程如图3图4所示。障, Classifier 1为转子支承结构间隙松动故障模型分别建立转子支承结构间隙松动故障、转子不同 Classifier2为转子不同心故障模型 Mistake rate为误心故障两个分类器。针对一种分类器将另两种典型判率。辨认结果如图5所示故障的振动数据输入到分类器中对其效果进行检在图5中横坐标代表样本纵坐标代表样本到TraininFault model超球体中心的距离其中平行于x轴的粗实线代表超data otextractionof certain球半径当样本处于实线上方时表明该样本不属于certain fault该类而当样本处于实线下方时表明该样本属于该Fig 3 Fault classifier training sketch map类。由表2图5可以看出对于转子支承结构间隙松动故障模型来说转子支承结构间隙、松动故障被124÷∴形k:∵∵∵第28卷第1期基于小波分形和一类辨识的航空发动机故障诊断很好的识别岀来而转子支承不同心故障有5组被误证明了该方法的有效性。研究表明该方法只需要判为转子支承结构间隙、松动故障转静件碰摩故障种故障欻据就可以建立相应旳故障模型为一些实际被很好地区分开了对于转子不同心故障模型来说,问题的解决提供了有效的解决途径具有很大的工程转子不同心故障被很好的识别出来而转子支承结构应用价值。间隙松动故障有10组被误判为转子支承结构间隙、松动故障转静件碰摩故障被很好地区分开了。对于参考文献转子支承结构间隙、松动和转子支承不同心这两种故[1] David M J Tax robert P W duim. Outliers and data de障来说因为转子支承结构间隙、松动故障会出现ptions pattern recognition group J ] Delft University of倍、2倍、3倍甚至4倍频的振动其特征是阶数越高Technology 200振幅越小而转子不对中有时也有2倍频振幅比1倍[2Recr, Wakker K F. One-class classification[ J ]. Te频小的现象所以会加大分类的难度,导致误判的情niche Universiteit Delft 2001 19[3] Scholkopf B, Bartlett P Smola A J, Shrinking the tube A况出现Neural 9995结论[4]徐玉秀原培新杨文平.复杂机械故障诊断的分形与小波方汯M]机械工业出版社20033支持向量机是一种先进的辨识算法但是由于它[5]訾艳阳胥永刚何正嘉.离散振动信号分形盒维数的改必须要有两类数据进行训练所以大大限制了它在工进算法和应厩J]机械科学与技术2001程上的应用。本文引入的基于支持向量机的一类辨识方法结合小波分形方法将它运用在航空发动机(编辑朱立影)振动故障诊断中通过对振动数据进行了识别分析,+“长““长“““长上接第3页)hydrogen peroxide in a dump-combustor configuration[ J]燃料蒸汽重新打开氧化剂阀门后,可以在很短时间Journal of Propulsion and Potter 2005, 21(3)内迅速重新启动燃烧反应和完成建压过程与冷机再[4]杨威张海涛毛励文落.混合火箭发动机多次点火启动相比点火延迟时间更短。启动试验[J]推进技术200425(4).( YANG Wei,ZHANG Hai-tao ,MAO Li-wen et al. Experimental investi-结论gation on multiple-start in hybrid moto[ J] Journal of pro-pulsion Technology 2004 25(4).)[5] Yaws C L. Matheson gas data book M ] 7th Edition. Neue(1)成功实现了催化剂作用下N2O混合发动机York: McGrau-Hill, 2001的催化点火进行了冷机和热机再启动试验,从原理[6]霍雪亮韦迪李路明.N2O单组元发动机预热过程上证明了在N2O混合发动机上实现无引火材料催化的建模J]推进技术200526(1).( HUO Xue-liang,点火和多次再启动的可行性WEI Di, LI Lu-ming. Modeling of N,O monopropellant(2)后续工作将在提高催化点火器的加热效率thruster pre-heating[ J ] Journal of Propulsion Technology方面进行以缩短加热时间满足工程使用要求。200526(1).)致谢渗加本文工作的还有:刘方军、胡龙、潘焕、唐[7] Atkins P W, Jones LL. Chemistry Molecules, Matter铖、尹黎、崔锁柱等。and Change[ m]. 3rd Edition New york: W. H. Freeman1997,685,691,A10参考文献[8] Zakioman V, Lawrence T J, et al. Surrey re-search on nitrous oxide catalytic decomposition for space[1]王永寿.日美共同研究先进混合推进技术J]飞航导applicatior[ C ] Proceedings of the 14th Annual AlAA/USU弹2001(9)Conference on Small Satellites, the United States 2000[2] Jerry Sellers. Investigation into hybrid rockets and othercost-effective propulsion system options for small satellitesD]. UK: University of Surrey, 1996编辑张雅凤)