[发明专利]一种基于低偏差随机配置网络的气动调节阀故障诊断方法

权利要求书

1.一种基于低偏差随机配置网络的气动调节阀故障诊断方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一、数据采集：

通过信号采集装置采集阀杆位移X、阀前压力P1、阀后压力P2、介质流速F、执行器输入CV数据，然后传输至上位机；

步骤二、数据预处理与特征提取：

气动调节阀状态共N种，包括1种正常状态和N-1种故障状态；在训练诊断模型过程中，每次CV从0％变化到100％再变回0％为一次分档测试；每次测试采集的数据是一个包含5种变量的5*k的矩阵，将其按行拼接转换为1*5k的向量作为一个原始样本；每种状态都有Num个样本，样本总数T＝Num*N；对样本数据x_i归一化处理；给转换后数据加上对应于状态的标签从1到N，分别表示N种不同的调节阀状态；将样本集分成m个训练样本集和n个测试样本集，其中m+n＝T；对训练样本标签、测试样本标签分别进行独热编码生成输出矩阵T_m、T_n；训练样本和测试样本标准化处理，使样本均值为0，方差为1；用X表示训练样本，X₂表示测试样本，使用动态内部主成分分析法与主成分分析法分别提取X动态特征与静态特征组成训练集特征矩阵，并获取负载向量组成负载矩阵，再以获取的负载矩阵完成X₂的特征提取，得到测试集特征矩阵；

步骤三、建立低偏差随机配置网络故障诊断模型：

以由低偏差序列随机分配输入权重w和偏置b，根据监督机制建立隐藏节点候选节点池，每次选取最优节点接入随机配置网络直至达到终止条件；具体包括以下步骤：

3.1、初始化参数：最大隐藏层节点数L_max，临界容忍误差ε，γ∈(0,1)，最大配置次数T_max，随机参数范围[-λ，λ]，变化步长△λ；

3.2、低偏差sobol序列随机配置输入权重w和偏置b；建立sobol候选点池，大小为T_max，根据公式w＝sobol1×2λ-λ，b＝sobol2×2λ-λ，以低偏差序列随机配置T_max次隐藏层输入权重w和偏置b形成候选节点池，将成功构成候选节点的低偏差点从sobol候选点池移除，同时向其中插入新的未使用过的低偏差点，使sobol候选点池的大小保持不变；低偏差sobol序列的生成方法如下：设sobol序列由构成，v_i即为sobol序列的第i个数，m_i2ⁱ且为正奇数；v_i，m_i的生成依赖于系数为a、阶数为p的简单多项式f(x)，多项式系数只为0或1，形式为f(x)＝x^p+a₁x^p-1+…+a_p-1x+a_p；对于ip,v_i、m_i递推公式为：

m_i＝2a₁m_i-1⊕2²a₂m_i-2⊕…⊕2^pa_pm_i-p⊕m_i-p

其中表示向下取整，⊕表示二进制按位异或，得到序列后即为sobol序列；

3.3、计算输出矩阵h_L，激活函数选取Sigmoid，输入为步骤二中训练集特征矩阵，根据监督机制计算ξ_L，记录T_max次内ξ_L最大时的w，b，h_L；若T_max次都不满足监督机制，则更新参数γ＝γ+τ，其中τ∈(0,1-γ)，λ_new＝λ+△λ，随机参数区间变化为[-λ_new，λ_new]，返回上一步；ξ_L计算公式为：

其中μ_L＝(1-γ)/(L+1)

计算隐层输出权重其中H_L＝[h₁,h₂,…,h_L]，表示广义逆；残差为e_L＝H_L·β_L-T_m，当残差满足容忍误差ε或隐层节点数达到L_max时不再新增节点，建模完成，得到低偏差随机配置网络模型f＝Hβ_L；否则返回上一步继续构造模型。

2.根据权利要求1所述的基于低偏差随机配置网络的气动调节阀故障诊断方法，其特征在于：在步骤一中，在气动调节阀预留处安装位移传感器获取阀杆位移X，在传输管道前后安装压力传感器获取阀前压力P1、阀后压力P2，在管道内安装流速传感器获取介质流速F；阀门执行器电流信号输入范围为4-20mA电流信号，以25％阶跃给定执行器输入CV，通过串口通信将采集的数据通过微机单元传输至上位机。