基于改进XGBoost的注塑机液压系统故障诊断研究.pdf

:./.基于改进 的注塑机液压系统故障诊断研究欧阳琦张倍培刘晋康袁 栋黄昌隆(河海大学机电工程学院江苏 常州)摘要:针对注塑机液压系统故障隐蔽且难以准确诊断的问题提出一种基于改进 的液压系统故障诊断方法 通过改进 混沌映射改善麻雀搜索算法()的全局寻优能力并采用改进 对 中的超参数进行协调优化弥补传统 凭经验设定超参数的不足实验表明改进 故障诊断模型具有更快的诊断速度和更高的诊断精度能够实现对注塑机液压系统故障的准确诊断关键词:注塑机麻雀搜索算法故障诊断 混沌映射中图分类号:.文献标识码:文章编号:()随着工业技术日益成熟液压和电子控制等技术结合更加紧密设备出现故障的原因越来越复杂发生的故障更难以诊断和排除而液压系统较机械、电气系统出现的故障更为隐蔽当采用传统技术诊断时会占用大量的维修时间造成巨大的经济损失 注塑机作为将高分子材料制成各类塑料制品的主要成型设备在塑料工业发展中占有重要地位 液压系统作为注塑机的核心部件其能否稳定运行直接关系到注塑机性能的优劣 调研某注塑机维修厂的维修数据发现其 条液压系统历史维修记录中阀门滞后故障为 次冷却效率降低故障为 次泵泄漏故障为 次液压储能器降压故障为 次其他故障共 次 分析以上数据可知液压系统阀门切换故障发生的频次较高其一旦发生故障将影响注塑机液压系统的稳定性导致达不到正常工作的注塑压力而且排查液压系统阀门故障需要花费大量的人工检修时间严重影响企业的生产效率因此实现对液压系统故障的快速诊断显得尤其重要针对液压系统故障隐蔽难以准确诊断等问题的研究王杰等提出了一种基于 控制的注塑机液压系统故障诊断方法通过快速调节伺服控制器的 参数完成了对注塑机液压系统振荡的消除张鑫提出了一种基于改进径向基函数()神经网络的故障诊断方法实现了对液压系统泵源故障和管道故障的准确分类与预测李明骏等提出的一种基于 模型的液压系统诊断方法有效增强了对故障信号特征的提取实现了故障类型的精准识别杨玲通过利用 诊断算法对注塑机液压系统进行故障诊断克服了传统诊断模型泛化能力弱的缺点 但许多学者在实际应用中发现 算法受超参数的约束导致其在故障诊断方面的性能不能得到最大化 因此本文以注塑机液压系统阀门故障诊断为例利用麻雀搜索算法()优化 的相关超参数将参数优化后的 应用于注塑机液压系统故障诊断以验证 优化 算法具有一定的可行性可以实现对液压系统故障的准确诊断 基于改进 优化的.算法是基于决策树模型的梯度提升算法它被广泛应用在滚动轴承故障诊断、发动机故障预测等领域 假设注塑机液压系统的故障数据集为 ():其中 为特征空间数据子集 对应的标签为 则 棵回归树最终的故障预测结果为:()()收稿日期:基金项目:江苏省高等学校大学生创新创业训练计划项目()作者简介:欧阳琦()男本科生主要研究方向为机械设备智能故障诊断.年 月 机械设计与制造工程 .第 卷 第 期 .式中:为第个样本最终的预测结果为独立的回归树函数 为树的集合()为第 棵回归树上 样本的预测值 对目标函数定义如下:()()()式中:为损失函数为第 个样本集的真实标签()为损失函数 为叶子节点的数量为第 个叶子节点的权重 和 为惩罚项控制模型的复杂度通过加入二阶泰勒展开式进行 次迭代训练可改写目标函数如式()所示:()()()()式中:为损失函数的一阶导函数表示属于第 个叶子节点的所有样本 划入到一个叶子节点中的样本集合为损失函数的二阶导函数对式()求偏导将等于 时的 值代入得到式()以该式判断树的结构好坏 ()()式中 的值越小代表树的拟合精度越好.麻雀搜索算法是一种受到麻雀种群捕食机制启发而提出的群智能优化算法 基本 可描述为具有预警机制的探索者和追随者模型 在整个麻雀种群中拥有较高能量储备(适应度)的个体被定义为发现者发现者所占比例通常取为 其位置更新公式如式()所示:()()式中:为当前最差位置 为麻雀个体的数量为当前最优位置 是元素值为 或 的 的随机矩阵()除加入者和发现者外在种群中随机选择 的麻雀作为预警者预警者位置更新描述如下:()()()式中:为步长控制参数服从()正态分布为一个介于 和之间的随机数为一个确保分母不是 的极小常数为第 只麻雀的适应度值、分别为当前最优适应度值、当前最差适应度值.改进 混沌初始化种群 混沌映射是一种分段线性的一维映射其产生的伪随机序列具有运算速度快、序列分布均匀的特点更适合大数据集的运算处理 混沌映射定义如式()所示:.().()式中:为第 次映射的函数值 为当前映射次数针对 混沌映射的范围较小、涉及参数少同时会有小周期和不稳定周期点等问题张娜等提出利用随机函数()改进 混沌映射改进后的 映射特性如图 所示 受此启发本文利用改进 混沌映射对 中的种群进行初始化以弥补 易陷入局部最优的缺点 改进后的麻雀初始种群计算式为:()().()()().()式中:为第()个 粒 子 的 初 始 位 置()为 中的随机数 为混沌序列中的粒子个数 和 分别为搜索空间的下限和上限.优化 模型鉴于 的超参数繁多全部优化既会对 年第 期 欧阳琦:基于改进 的注塑机液压系统故障诊断研究图 混沌序列分布计算机造成较大的运算负荷又会导致过长的参数寻优时间本文最终选取 个对 模型性能影响较大的超参数进行优化 各超参数拟定的参数寻优空间见表 表 超参数寻优空间超参数参数解释寻优范围树的数量 最大树深 学习率.节点分裂折减系数.优化 的故障诊断模型流程图如图 所示 具体步骤如下:)利用改进 混沌初始化麻雀种群数量设置搜索空间维度、最大迭代次数 等)对 的 个超参数进行初始化并给定寻优范围)对分别代表 超参数的 只麻雀的适应度进行计算并记录此刻的位置)在迭代过程中更新发现者、加入者以及侦察者的位置)对麻雀新位置的适应度值进行计算若为最优则更新到此位置)更新整个麻雀种群的适应度值及其位置)判断是否完成迭代若不满足返回步骤)继续迭代)迭代完成最终得到 最优超参数组合更新超参数建立最佳 故障诊断模型图 优化 的故障诊断模型 年第 卷 机械设计与制造工程 实验验证及分析.模型实验数据本文所用数据集来源于 机器学习平台该数据集是由专业的企业工程师在注塑机液压系统真实生产场景下通过搭建实验平台所获得总计 组数据 每组数据包含 个属性列 个标签列 属性列包含 个压力传感器()个温度传感器()个体积流量传感器(、)和电机功率传感器()、振动传感器()、效率系数传感器()、冷却效率传感器()以及虚拟冷却功率传感器()各 个 个标签列为 号三位四通电磁换向阀门故障类型 各传感器在实验平台中的布局如图 所示 为了获得更好的基分类器在这里将 组图 传感器实验平台示意图故障数据随机划分成训练集(组故障数据)和测试集(组故障数据)注塑机液压系统液压阀门故障类型标签分别为阀门正常、阀芯磨损、阀芯泄漏和阀芯卡死 种情况依次编号为、训练集和测试集样本分布见表 表 样本数据的分布故障类型阀门正常阀芯磨损阀芯泄漏阀芯卡死训练样本测试样本.特征选择对于模式识别系统 一个好的学习样本能让分类器得到更好的训练效果 由于样本中是否存在不相关或冗余信息直接关系到分类器的性能因此进行特征选择尤其重要 在 集成算法中如果一个特征被评选为分割点的次数越多则可以认为这个特征越重要 将预处理之后的 个传感器数据作为 模型的特征输入对每个传感器的重要性进行评分并筛选结果如图 所示图 故障特征重要性排序 年第 期 欧阳琦:基于改进 的注塑机液压系统故障诊断研究 根据信息价值相关性理论可知 值低于 的特征影响力可以忽略不计所以将样本中的、为 个特征剔除以便提高模型训练速度与诊断精度.故障模型优化前后对比与分析通过 对 编程将 组测试样本分别输入到优化前后的 模型中得到图 所示的注塑机液压系统阀门故障诊断准确率对比图 从图 可知改进 故障诊断模型在 种故障类型上的诊断准确率均优于 故障诊断模型其中“阀芯磨损”故障诊断准确率改善最为明显提高了.图 优化前后诊断准确率对比 从图 可以看出改进 模型经过 次迭代后其训练误差趋向收敛未经过优化的 模型经过 次迭代误差才趋向收敛即经过参数优化之后的 故障诊断模型具有更快的收敛速度 由于只凭借准确率的高低与收敛速度的快慢无法判定出算法的性能因此需要绘制算法的受试者工作特征曲线()通过对比曲线并计算显现区域面积()从而综合判定出算法的性能优劣 数值越大诊断模型性能越好 通过比对图 中 改进前后的 可 以 看 出 改 进 的 值 高 达图 优化前后损失函数对比.相比于 有所提高说明改进 模型在对注塑机液压系统进行诊断分析方面具有更好的性能图 改进前后的 对比 结束语本文给出的机器学习参数优化方案普适性较强为提高 的寻优性能、优化 的超参数提供了一种新的解决方法 经实验论证得出以下结论:)改进 混沌映射可以有效提高麻雀个体和算法整体的搜索能力)经过参数优化之后的 故障诊断模型具有更好的诊断性能但是目前的研究工作仅通过较为简单的实例来验证方案的可行性要真正地体现实践应用价值还需要尽可能和相关企业联合做些试验进行验证参考文献:杨成刚赵静一姚成玉等.液压有源测试在锻造机液压故障诊断中的应用.哈尔滨工程大学学报():.徐勇.基于数据驱动的注塑机液压故障智能诊断系统研究与设计.广州:华南理工大学.王杰朱彩波李国坚等.基于 控制的注塑机液压系统故障诊断方法.设备管理与维修():.张鑫.基于改进 的液压系统故障诊断.自动化与仪器仪表():.李明骏张国银王海瑞.基于 模型的液压系统故障诊断.电视技术():.杨玲.液压注塑机故障智能诊断系统设计及其应用效果.机电信息():.:/.:.马东何毅斌李铭等.基于 的滚动轴承故障诊断方法.机电工程():.年第 卷 机械设计与制造工程 梅潇池华山岳聪等.基于 模型的航空发动机振动特性预测.振动与冲击():.薛建凯.一种新型的群智能优化技术的研究与应用 麻雀搜索算法.上海:东华大学.温泉石小平张利分等.基于改进 映射的 天然气需求量预测模型.油气储运():.吕鑫慕晓冬张钧等.混沌麻雀搜索优化算法.北京航空航天大学学报():.张娜赵泽丹包晓安等.基于改进的 混沌万有引力搜索算法.控制与决策():.姚旭王晓丹张玉玺等.特征选择方法综述.控制与决策():.():.():.().:年第 期 欧阳琦:基于改进 的注塑机液压系统故障诊断研究