235基于PCA方法的热泵空调系统传感器故障诊断2549.docx
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1、Evaluation Warning: The document was created with Spire.Doc for .NET.基于PCA方法的热泵空调系统传感器 故障诊断湖南大学 兰丽丽 陈友明 摘要本文介绍了了一种空空气源热热泵空调调系统传传感器故故障检测测与诊断断方法。用用主成分分分析法法(Prrinccipaal CCompponeent Anaalyssis,PPCA)来提取系统的相关性和降低分析数据的维数。在系统正常运行条件下,测得一组数据建立PCA模型。PCA模型建立后,在各传感器上分别载入偏差、漂移和完全失效故障,进行故障检测与诊断。在每次的测试实验中,只有一个传感器
2、发生故障。SPE统计量用于故障检测,SVI指数用来进行故障识别,最后在假定其他传感器数据无误的基础上根据它们之间的相互关系对故障传感器进行重构。现场实验得到了令人满意的效果,实验结果表明,基于PCA的传感器故障检测与诊断方法是正确、有效的。关键字:传传感器,故故障检测测与诊断,主主成分分分析法,空气源热泵空调系统1.前言在建筑的整整个生命命周期内内,包括括设计阶阶段到运运行阶段段,故障障层出不不穷,导导致大部部分建筑筑通常都都无法满满足设计计阶段的的预期要要求11。同同时,这这些故障障通常在在短时间间内难以以察觉。此外,在建筑能源管理与控制系统(Energy Management and Co
3、ntrol System,EMCS)中,安装有大量的传感器,包括温度传感器、流量传感器、流速传感器、压力传感器、功率传感器等。这些传感器有两种用途:一种是用作控制,控制设备的运行;另一种是用作监测,供设备管理者及时了解和掌握设备的运行状况。对于第一种用途的传感器,出现故障会直接影响设备的运行状态,增加设备能耗,影响室内人员的舒适性。第二种用途的传感器故障的危害,人们往往认识不足。用于监测的传感器出现故障虽然不直接造成能耗的明显增加,但它会带来潜在的损失。因为监测传感器出现故障时,设备故障不能被及时发现,设备长期在故障状态下运行,会大大减少设备的使用寿命,甚至造成设备事故。由于控制系统正变得越来
4、越复杂,对传感器故障的诊断难以通过人工检测的方法进行,因此,对传感器故障诊断的研究是十分必要的。根据系统误误差的不不同形式式,把传传感器故故障大致致分为四四类:偏偏差(bbiass)、漂漂移(ddrifftinng)、精精度等级级下降(precision degradation)和完全失效故障(complete failure)。其中,前三种属于软故障(soft failure),后一种属于硬故障(hard failure)。目前,对传感器故障的诊断方法主要有两类:基于模型的诊断方法和基于模式识别的方法。基于模型的诊断方法首先通过模型获得系统特征量的标准值,然后通过比较实际运行时的特征量与标准
5、特征量的大小,根据特征量偏差的特性来判断是否出现故障。该方法的前提是需要一个相对比较精确的数学模型。基于模式识别的诊断方法首先对系统的各种运行状况进行学习(不管是否有故障),然后针对某一实际的运行状况,应用各种启发式的推理对故障是否存在做一个判断。主成分分析析法2,3是最常常用的SSPC(Stattistticaal PProccesss Conttroll)方法之之一,它它是一种种极其有用用的多元元分析技技术,可可用于数数据压缩缩、降低低数据维维数、图图像压缩缩和特征征提取。在在许多领领域都大大有用处处,比如如数据传传输、模模式识别别和图像像处理方方面4。PCCA使用用单纯的的数学模模型,也
6、也就是黑黑箱模型型。使用用PCAA方法的的好处在在于它能能提取系系统的相相关性和和降低分分析数据据的维数数。利用用少数几几个相互互独立的的变量来来对系统统进行分分析,而而这几个个相互独独立变量量能在很很大程度度上反映映原变量量所包含含的信息息5。本文文提出基基于PCCA的空空气源热热泵空调调系统传传感器故故障诊断断方法,在在检测出出有故障发生生后,故故障诊断断与重构构用于确确定故障障传感器器,并在在假定其其他传感感器数据据无误的的基础上上根据它它们之间间的相互互关系对对故障传传感器进进行重构构。2.主成分分方法主成分分析析法主要要是通过过对系统统变量的的协方差差矩阵进进行特征征分解,构构造出由
7、由原变量量线性组组合而成成的新的的综合变变量,即即主成分分。然后后,在保保证系统统信息尽尽可能损损失少的的前提下下,选取取一定数数量的主主成分,来来对原系系统进行行近似,实实现既提提取原变变量之间间的基本本关系,又又降低系系统的维维数的作作用。设代表包包含个测测量变量量的向量量,代表由由的个测量量样本所所组成的的一个测测量矩阵阵。根据据PCAA方法,矩矩阵可以以分解为为: (1) (2) (3)式中,可可模变量量,即测测量向量量的主成成分子空空间(Priinciipall Coompoonennt SSubsspacce,PCSS),代表了了测量向向量的真真实值方方向。不可模模变量或或者残差差
8、,即测测量向量量的残差差子空间间或称故障障空间(Ressiduual Subbspaace,RS),代表表了测量量的故障障方向。在在无故障障时的正正常情况况下,主要是是测量噪噪声和不不确定干干扰。得分矩矩阵(Scoore Mattricces),。载荷矩矩阵(Loaadinng MMatrricees),。模型所所包含的的主成分分数。其中,的的列向量量分别是是测量变变量的协协方差阵阵的前个个最大特特征值所所对应的的特征向向量。的列向向量则分分别是剩剩下的个个特征向向量。因因此,矩矩阵 是一个个正交矩矩阵。同同样, 矩阵 也是一一个正交交矩阵。本文所用的PCA方法只用到载荷矩阵。2.1建立立PC
9、AA模型主成分分析析法的建建模过程程大致分分为以下下几步6:1) 原始数据进进行筛选选整理及及标准化化处理预预处理。2) 计算变量的的协方差差阵。进行主成分分分析时时,首先先要知道道测量变变量的协协方差阵阵。然而而,在实实际问题题中,并并不知道道,要根根据事先先收集到到的测量量样本数数据对其其进行估估计。假假设代表系系统在正正常运行行条件下下所采集集到的个个测量变变量的次测量量样本所所组成的的数据矩矩阵,即即: (4)根据统计学学的知识识,计算算的一个个无偏估估计: (55)为了便于计计算,我我们对进进行零平平均化处处理,即即的每一一列都减减去该列列的平均均值,这这样,零零平均化化后的的的均值
10、为为零,即即。则上上式可化化简为: (6)这样,只要要收集到到一定数数量的正正常运行行条件下下的测量量数据,就就可以利利用上式式估计出出测量变变量的协协方差矩矩阵。3) 对进行特征征分解,求求得个特特征值及及特征值值所对应应的单位位特征向向量矩阵阵。4) 确定最优的的主成分分数。5) 根据主成分分数,选选取载荷荷矩阵。6) 由载荷矩阵阵计算投投影矩阵阵和,则原原来m维数据据空间被被维的主主成分空空间和维维残差空空间代替替,变量量间的相相关性被被消除。可可分别通通过下式式计算出出投影矩矩阵和: (7) (8)PCA模型型建立之之后,当当新的监监测数据据被采集集到时,就就可利用用该模型型对其进进行
11、检测测与诊断断。2.2故障障检测根据主成分分分析法法,一个个新的测测量数据据样本向向量就可可以分解解成为两两个部分分: (9) (10) (11)是在主成分分子空间间PCSS内的投投影,而而是在残差差子空间间RS内内的投影影。在正正常情况况下,PPCS内内投影主主要包含含的是测测量数据据的正常常值,而而 RSS内投影影主要是是测量噪噪声。而而当故障障发生时时,由于于故障的的影响,RRS内投投影将会会显著增增加,依依据此原原理,我我们可以以进行故故障检测测。SPPE(Squuareed PPreddicttionn Errrorr,平方方预测误误差)统计量量表示的的是此时时刻测量量值对主主元模型
12、型的偏离离程度,是是衡量模模型外部部数据变变化的测测度。SSPE统统计量也也称Q统统计量。它它由下式式定义: (12)式中: | .|表表示向量量的欧氏氏范数,是是一种距距离的度度量。从从上式可可以看出出,SPPE 统统计量主主要检测测的是RRS。可可以直接接利用测测量变量量计算出出其SPPE值。SPPE(x)的置信信限的值值可由下下式确定定7: (13)式中:标标准正态态分布的的()置置信限。 (14) (15)其中:模模型的主主成分个个数,协方差差阵的特特征值。有了SPEE值和其其置信限限的值,就就可以按按照下面面的规则则来进行行故障检检测:SSPE(),系统统运行正正常; SPEE(),
13、系统统出现故故障。2.3故障障传感器器重构设样本的第第i个测量量分量有有故障,利利用式(110)计计算出,是正确确值的一一个估计计值,但但也包含含有一定定的故障障,相对对于来说说,的故故障要小小一些,因因此,比比更靠近近。若利利用代替替,用式式(100)继续续求的估估计,则则重新计计算的估估计值会会更靠近近,如此反反复经过过多次迭迭代后,求求得的估估计值就就趋近于于。迭代代过程可可写为: (16)式中:为矩矩阵的第第i列用00代替值值之后的的向量。可可以证明明该迭代代总是收收敛于8: (117)式中,若,说说明该变变量与其其它变量量之间不不具有相相关性,属属于孤立立变量,不不能被其其它变量量所
14、重构构。2.4故障障识别当故障出现现时,样样本向量量可以表表示成为为: (188)式中: 表示测测量值的的正常部部分, 故障大大小, 故障方方向,故故障方向向用一个个单位向向量表示示。通过重构后后SPEE()的的变化来来识别故故障9。对于于测量值值,当故故障发生生时,SSPE()也会会显著增增加。故故障重构构就是沿沿着故障障方向逐逐步逼近近主成分分子空间间的过程程。因此此,若故故障重构构的方向向正好是是故障发发生的方方向,其其重构后后的SPPE()必定会会显著地地减少;若重构构的方向向不是故故障发生生的方向向,则SSPE()不会会发生显显著地变变化。本本文假设设只有一一个故障障发生,可可以用识
15、识别指数数SVII(Senssor Valiiditty IIndeex)进行识识别。显然,由由于SPPE()SPEE()0,所所以,SSVI。Obvviouuslyy, bbecaausee off SPPE()SPEE()0, soo SVII.一般来来说,如如果SVVIj小于00.5,则为故障发生的方向;否则,如果SVIj大于0.5,则不是故障发生的方向。 (199)式中:是是测量向向量沿第第j个方向重重构后的的数据向向量。2.5主成成分数的的确定主成分个数数的选取取是PCCA 模模型中最最重要的的步骤之之一,主主元个数数选取的的好坏直直接影响响到PCCA 在在过程监监测中的的性能101
16、2,影响响到故障障检测与与诊断效效果。如如果主成成分数选选得过小小,则残残差子空空间所包包含的方方差太多多,使得得故障检检测限偏偏大,从从而导致致小故障障难于被被检测出出。而若若主成分分数选得得太大,又又会使残残差子空空间包含含的信息息太少,使使得故障障对残差差影响不不大,故故障难于于被检测测出。本本文采用用最小化化不可重重构方差差(unnrecconsstruucteed vvariiancce,UURV)13确定主主成分数数。 (200)式中:故故障方向向向量,测量量向量,沿着故故障方向向的重构构值,故障障方向上上的不可可重构方方差。是对故故障重构构的可靠靠性的一一种度量量,越小小,说明明
17、重构越越好。为为了寻找找最好的的重构,就就必须最最小化。 (211)为测量变量量个数。通通过选择择不同的的主成分分数,分分别计算算出,最最后选取取最小的的所对应应的主成成分数为为最优的的主成分分数。3.系统描描述及试试验设计计图1 空气气源热泵泵水系统示示意图本研究在湖湖南大学学环境研研究中心心的空气源源热泵空空调系统统上进行行。该系系统有一一台制冷冷量为6630000W的的空气源源热泵冷热热水机组组,一台台单级离离心水泵泵,同时时为了保保证冬季季供热的的要求还还配备了了一台电电辅助加热热器,都都安装在在室外。全全部采用用空气水系统统,夏季季制冷,冬冬季供热热。室内内采用风风机盘管管,不单单独
18、设计计新风系系统,新新风由室室外渗透透。冷水水系统采采用闭式式机械循循环。该该系统既既作研究究中心的的实验研研究用,又又作中心心的空调调用。该该空调系系统安装装了EMCCS对空空调系统统进行计计费与监监控。在在建筑供供、回水水总管,一一层供水水干管、一一层大空空间实验验室、大大厅、二二层走廊廊处供水水干管、三三层走廊廊处供水水干管和和三层的的三间实实验室供供水支管管上分别别安装了了能量表表;在建建筑供、回回水总管管上安装装一个压压差传感感器;在在空气源源热泵机组组左侧约约4米处安安装有一一个室外外温度传传感器;同时各各房间风风机盘管管回风口口处均安安装有室室内温度度传感器器;电脑脑主机设设置在
19、二二层监控控室。EEMCSS根据热热泵机组组的供水水温度来来控制热热泵与水水泵的自自动启停停。本次次实验使使用的传传感器有有3个流流量传感感器:建建筑回水水流量传传感器、二二层供水水流量传传感器、三三层供水水流量传传感器,44个温度度传感器器:建筑筑供水温温度传感感器、建建筑回水水温度传传感器、室室外温度度传感器器、2006室室内温温度传感感器,以以及1个个建筑供供回水管管压差传传感器。空气源热泵系统实验台如图1所示。4 基于PPCA的的传感器器故障诊诊断方法法本研究采用用PCAA方法对对空气源源热泵系系统的传感器器故障进进行检测测与诊断断。在传感感器上分别被载入偏差差、漂移移和完全全失效故故
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- 235 基于 PCA 方法 空调 系统 传感器 故障诊断 2549
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