一種基于遺傳模糊C-均值聚類的冷凍除濕機狀態(tài)監(jiān)測方法與流程
本發(fā)明屬于暖通空調(diào)與制冷狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷領域,具體涉及一種基于遺傳模糊c-均值聚類的冷凍除濕機狀態(tài)監(jiān)測方法。
背景技術:
隨著社會發(fā)展和生產(chǎn)的需要,冷凍除濕機廣泛應用于對環(huán)境溫濕度有要求的各種場合,如大型倉庫、地下工程、商業(yè)建筑、電子與精密儀器、紡織等領域,其主要作用是降低空氣濕度并對溫度進行一定程度的調(diào)節(jié)。中大型的冷凍除濕機通常是機電一體化設備,主要由制冷、通風、調(diào)溫和電控等部分組成,其工作特性具有大慣性、強耦合、非線性和多干擾等特點。對除濕機展開狀態(tài)監(jiān)測不僅能夠幫助我們了解設備性能退化程度,及時發(fā)現(xiàn)設備故障隱患,保障設備安全可靠運行,而且還有助于設備的優(yōu)化運行、對之實施節(jié)能控制以及自動化管理。從設備的可靠運行與節(jié)能角度來說,對冷凍除濕機進行狀態(tài)監(jiān)測及其故障診斷有著重要的意義,但是到目前為止有關除濕機狀態(tài)監(jiān)測及其故障診斷的研究應用并不多見。
隨著生產(chǎn)技術和制造業(yè)的進步,電子元器件的制造成本不斷降低,其工作的可靠性也在穩(wěn)步提高。大量廉價可靠的傳感器和數(shù)據(jù)采集裝置在暖通空調(diào)與制冷系統(tǒng)中得到了應用,一是為了實現(xiàn)自身更好的控制,二是用于自身狀態(tài)的監(jiān)測。當前暖通空調(diào)與制冷領域的故障監(jiān)測與診斷方法主要分為兩種:一種為基于模型的方法,另一種為基于過程歷史數(shù)據(jù)的方法,前者的應用需要依賴先驗知識建立精確的數(shù)學或物理模型,后者則主要依賴過程歷史數(shù)據(jù)進行建模,因此從工程實用的角度來說后者更容易實現(xiàn)。但基于過程歷史數(shù)據(jù)的方法又有多類,比如arx黑箱模型方法、bp或rbf人工神經(jīng)網(wǎng)絡方法、聚類方法等。雖然這些方法在一定程度上取得了較為成功的應用,但在某些方面也存在著一些不足,比如arx模型辨識依賴于經(jīng)驗知識,辨識精度有時不夠高;bp神經(jīng)網(wǎng)絡存在局部極小值問題,算法有時并不一定收斂;rbf神經(jīng)網(wǎng)絡在訓練時其網(wǎng)絡結構和精度需要進行折衷。模糊c-均值聚類方法是聚類方法中的一種,由于融合了模糊邏輯,因此更適合應用于設備故障監(jiān)測與診斷,更主要的是計算量小,應用方便。
傳統(tǒng)的模糊c-均值聚類方法應用時存在兩個缺陷:一是初始聚類數(shù)通過λ-截矩陣分類方法進行確定,λ值依靠經(jīng)驗人為選取,而不同的λ值又決定不同的聚類數(shù),由此可能會導致分類出現(xiàn)偏差,進而影響其故障監(jiān)測與診斷應用;二是方法通過迭代爬山算法來尋找所研究問題的最優(yōu)解,是一種局部搜索算法,對初始化值比較敏感,容易陷入局部極小值。
技術實現(xiàn)要素:
為解決上述技術問題,本發(fā)明提供了一種基于遺傳模糊c-均值聚類的冷凍除濕機狀態(tài)監(jiān)測方法,該方法利用遺傳算法自動尋優(yōu)和全局搜索能力一方面可對模糊c-均值聚類方法中的聚類數(shù)進行自動選取,另一方面可對方法的解進行全局搜索,以此為基礎實現(xiàn)除濕機的狀態(tài)監(jiān)測。
本發(fā)明采用如下技術方案來實現(xiàn)的:
一種基于遺傳模糊c-均值聚類的冷凍除濕機狀態(tài)監(jiān)測方法,包括以下步驟:
1)選擇與設備運行狀態(tài)密切相關的測量參數(shù);
2)通過實驗與人工模擬設定除濕機不同的工作狀態(tài);
3)選取用于計算設備工作狀態(tài)類中心的典型數(shù)據(jù)樣本組;
4)利用遺傳算法計算模糊c-均值聚類的初始聚類數(shù),在得到初始聚類數(shù)的情況下,利用遺傳算法計算模糊c-均值聚類的聚類中心,作為標準的聚類中心,并以該聚類中心作為除濕機標準工作狀態(tài)類中心;
5)采集數(shù)據(jù)樣本并計算與標準聚類中心的貼近度,數(shù)據(jù)樣本由監(jiān)測設備運行狀態(tài)的傳感器獲得,樣本維數(shù)等于傳感器的個數(shù);
6)根據(jù)貼近度值判斷由數(shù)據(jù)樣本代表的設備運行狀態(tài),由此實現(xiàn)設備狀態(tài)監(jiān)測。
本發(fā)明進一步的改進在于,步驟1)中,利用傳感器采集與設備運行狀態(tài)密切相關的參數(shù)作為一個數(shù)據(jù)樣本,對于冷凍除濕機選擇如下參數(shù):除濕機進風溫度、除濕機出風溫度、制冷劑蒸發(fā)溫度、制冷劑冷凝溫度、壓縮機吸氣溫度、壓縮機排氣溫度、除濕機進風相對濕度、除濕機出風相對濕度、壓縮機吸氣壓力、壓縮機排氣壓力和壓縮機功率。
本發(fā)明進一步的改進在于,步驟2)中,通過實驗和人工模擬方法設定除濕機常見的10種工作狀態(tài),包括:正常狀態(tài)、蒸發(fā)器性能下降、風冷冷凝器性能下降、風機風量減少、進風口濾網(wǎng)堵塞、進風溫度偏低、冷卻水進水量過大、蒸發(fā)器供液量過大、蒸發(fā)器供液量過小和制冷劑充注量不足。
本發(fā)明進一步的改進在于,步驟3)中,對應除濕機的每種工作狀態(tài),各取q個數(shù)據(jù)樣本,形成維數(shù)為q×11的數(shù)據(jù)樣本組,q為樣本個數(shù),11為步驟1)中測量參數(shù)的個數(shù)。
本發(fā)明進一步的改進在于,步驟4)中,每個類中心對應除濕機的一種工作狀態(tài),遺傳算法改進的模糊c-均值聚類方法計算過程分為如下兩步:
步驟4.1:利用遺傳算法代替λ-截矩陣法實現(xiàn)模糊c-均值聚類方法初始聚類數(shù)的自動優(yōu)選,遺傳解算過程如下:
步驟4.1.1:編碼:對初始聚類數(shù)c進行整實數(shù)編碼,取值范圍為[2,n],其中n為樣本總數(shù);
步驟4.1.2:生成初始群體:初始群體采取隨機方式生成,種群規(guī)模為80;
步驟4.1.3:遺傳操作:遺傳操作包括選擇、交叉和變異及其概率選擇:
步驟4.1.3.1:選擇
選擇算子采用聯(lián)賽選擇,規(guī)模為2,同時采用最佳個體保留策略;
步驟4.1.3.2:交叉
交叉算子采用算術交叉,其計算公式為:
其中,a1′、a2′和a1、a2分別對應交叉前后的個體,α為一隨機數(shù),取值范圍0~1;
步驟4.1.3.3:變異
變異算子采用非均勻一致變異,其計算公式為:
其中,bk為變異位值,bk′為bk變異后的值,dk,max為個體位最大值,dk,min為個體位最小值,rd(·)為取整函數(shù),β為[0,1]上的隨機數(shù);將dk,max-bk和bk-dk,min用y代替,則δ(t,y)表示在[0,y]范圍內(nèi)符合非均勻分布的一個隨機數(shù),它隨著進化代數(shù)t的增加而以接近于0的概率逐漸增加,其計算公式為:
其中,t最大代數(shù),b為確定非均勻度的系統(tǒng)參數(shù);
步驟4.1.3.4:交叉和變異概率選擇
交叉和變異概率采用自適應方法確定,其計算公式如下:
其中,fm為群體中最大的適應度值;fa為每代群體的平均適應度值;f′為要交叉的兩個個體中較大的適應度值;f為變異個體的適應度值;pc1取0.85,pc2取0.55,pm1取0.15,pm2取0.05;
步驟4.1.4:適應度計算
適應度函數(shù)設計為:
其中,vi和vk分別表示第i和k個聚類中心,uij表示第j個樣本xj隸屬于第i個類的隸屬度;
該式的計算過程如下:
(1)生成初始模糊隸屬矩陣u
uij的計算公式為:
uij=[xij-min(xij)]/[max(xij)-min(xij)](7)
其中,i=1,2,…c,j=1,2,…n;
(2)計算聚類中心
vi或vk的計算公式為:
其中,l為迭代次數(shù),l=0,1,2,…;m為給定參數(shù),取值為2;
(3)對模糊隸屬度矩陣u進行迭代計算
將模糊隸屬矩陣更新為計算公式為:
(4)迭代終止判定
給定一個非常小的正數(shù)ε=10-7,檢驗是否滿足||u(l+1)-u(l)||<ε,若滿足,迭代結束;否則,令l=l+1,回步驟(2)繼續(xù)迭代,最終得到分類矩陣u和聚類中心v,ε取值為10-7;
步驟4.1.5:遺傳算法終止
算法在遺傳解算到300代時終止;
步驟4.2:根據(jù)已得到的初始聚類數(shù)c,利用遺傳算法代替?zhèn)鹘y(tǒng)的迭代爬山法對模糊c-均值聚類的聚類中心v進行優(yōu)化計算,遺傳解算過程如下:
步驟4.2.1:編碼
用實數(shù)方式對每個初始聚類中心vi進行編碼,范圍為[minxij,maxxij],其中xij為樣本矩陣元素,如果聚類數(shù)為c,樣本維數(shù)為p,則染色體編碼長度為c×p;
步驟4.2.2:生成初始群體
初始群體采取隨機方式生成,種群規(guī)模為80;
步驟4.2.3:遺傳操作
選擇算子采用聯(lián)賽選擇,規(guī)模為2,同時采用最佳保留策略;交叉算子采用算術交叉,變異算子采用非均勻一致變異,為能更好地得到全局最優(yōu)解,交叉和變異概率同樣采用前面的自適應方法確定;
步驟4.2.4:適應度計算
適應度函數(shù)設計為:
該式的計算過程如下:
(1)生成初始模糊隸屬矩陣u
uij的計算公式為:
其中,i=1,2,…c,j=1,2,…n,o=1,2,…p;
(2)聚類中心更新
vi的初始值由遺傳算法本身生成,迭代計算時的更新公式為:
(3)對模糊隸屬度矩陣u進行迭代計算
將模糊隸屬矩陣更新為計算公式為:
(4)迭代終止判定
給定一個正數(shù)ε=10-7,檢驗是否滿足||u(l+1)-u(l)||<ε,若滿足,迭代結束;否則,令l=l+1,回步驟(2)繼續(xù)迭代;
步驟4.2.5:遺傳算法終止
算法在遺傳解算到300代時終止;至此,就得到一個優(yōu)化的初始聚類中心v,并以此作為設備標準的工作狀態(tài)類中心,根據(jù)該中心與實測樣本的貼近度來實現(xiàn)設備工作狀態(tài)的判別。
本發(fā)明進一步的改進在于,步驟5)的具體實現(xiàn)方法如下:
如有c個已知模式v1,v2,…vc和一個待檢模式x,它們都是論域u上的模糊向量,若有i∈(1,2,…,c),使得
則稱x與vi最貼近,式中的σ稱為兩個模糊向量的貼近度,它是對兩個向量或集合接近程度的一種度量,這里采用最小最大貼近度法,其計算公式為:
本發(fā)明進一步的改進在于,步驟6)的具體實現(xiàn)方法如下:
根據(jù)式(15)的計算結果,判斷當前實測樣本的故障狀態(tài),判斷的依據(jù)為:
ifsi=max(σ(v,x)),thenx∈i類(16)
其中,si為貼近度矢量s的第i個元素,i=1,2,…c,也就是說如果樣本x與聚類中心v貼近度s中的第i個值最大,則該樣本屬于第i類,由此完成對應于該樣本的除濕機狀態(tài)判斷。
本發(fā)明具有如下有益的技術效果:
本發(fā)明首先選取與設備運行狀態(tài)密切相關的測量參數(shù)和模擬設備不同工況下的工作狀態(tài),并利用傳感器對這些參數(shù)進行采集,以形成不同狀態(tài)下的典型數(shù)據(jù)樣本組;其次利用遺傳算法改進的模糊c-均值聚類方法計算得到數(shù)據(jù)樣本組的聚類中心v;最后通過傳感器在線實測設備運行數(shù)據(jù)與標準聚類中心貼近度的大小來監(jiān)測和判斷除濕機運行狀態(tài)。遺傳算法改進的模糊c-均值聚類方法分為兩步:首先應用遺傳算法對模糊c-均值聚類的初始聚類數(shù)c進行自動優(yōu)選,以減少傳統(tǒng)選取方法中對專家知識的依賴;其次利用遺傳算法對數(shù)據(jù)樣本組的聚類中心v進行優(yōu)化計算,以減少傳統(tǒng)求解方法中存在的局部極小值問題。
與現(xiàn)有技術相比,本發(fā)明可以自動實現(xiàn)設備狀態(tài)監(jiān)測;應用遺傳算法對模糊c-均值聚類方法改進后,既可以自動優(yōu)選初始聚類數(shù),又可以優(yōu)化標準聚類中心;通過實測設備運行樣本與標準聚類中心貼近度來對設備運行狀態(tài)進行判斷,從而減少了人為主觀因素,提高了判斷設備運行狀態(tài)的科學性。本發(fā)明從提高模糊c-均值聚類方法的可操作性、準確性、科學性和魯棒性入手,來獲取在除濕機狀態(tài)監(jiān)測中更好的應用效果,具有明顯的推廣和工程應用價值。
附圖說明
圖1為本發(fā)明的流程圖。
具體實施方式
以下結合附圖和實施例對本發(fā)明做出進一步的說明。
如圖1所示,本發(fā)明提供的一種基于遺傳模糊c-均值聚類的冷凍除濕機狀態(tài)監(jiān)測方法,包括以下步驟:
步驟1:利用傳感器采集與設備運行狀態(tài)密切相關的參數(shù)作為一個數(shù)據(jù)樣本,對于冷凍除濕機選擇如下參數(shù):除濕機進風溫度、除濕機出風溫度、制冷劑蒸發(fā)溫度、制冷劑冷凝溫度、壓縮機吸氣溫度、壓縮機排氣溫度、除濕機進風相對濕度(rh)、除濕機出風相對濕度(rh)、壓縮機吸氣壓力、壓縮機排氣壓力和壓縮機功率,共11個參數(shù);
步驟2:通過實驗和人工模擬方法設定除濕機常見的10種工作狀態(tài),包括:正常狀態(tài)、蒸發(fā)器性能下降、風冷冷凝器性能下降、風機風量減少、進風口濾網(wǎng)堵塞、進風溫度偏低、冷卻水進水量過大、蒸發(fā)器供液量過大、蒸發(fā)器供液量過小和制冷劑充注量不足;
步驟3:對應除濕機的每種工作狀態(tài),各取q個數(shù)據(jù)樣本,形成維數(shù)為q×11的數(shù)據(jù)樣本組,q為樣本個數(shù)(這里取值為20),11為步驟1中測量參數(shù)的個數(shù);
步驟4:以選取的數(shù)據(jù)樣本組為基礎,應用基于遺傳算法改進的模糊c-均值聚類方法計算數(shù)據(jù)樣本組的聚類中心,并以該聚類中心作為除濕機標準工作狀態(tài)類中心,每個類中心對應除濕機的一種工作狀態(tài);遺傳算法改進的模糊c-均值聚類方法計算過程分為如下兩步:
步驟4.1:利用遺傳算法代替λ-截矩陣法實現(xiàn)模糊c-均值聚類方法初始聚類數(shù)的自動優(yōu)選,以提高初始聚類數(shù)選擇的科學性,減少對專家經(jīng)驗知識的依賴,遺傳解算過程如下:
步驟4.1.1:編碼:對初始聚類數(shù)c進行整實數(shù)編碼,取值范圍為[2,n],其中n為樣本總數(shù);
步驟4.1.2:生成初始群體:初始群體采取隨機方式生成,種群規(guī)模為80;
步驟4.1.3:遺傳操作:遺傳操作包括選擇、交叉和變異及其概率選擇:
步驟4.1.3.1:選擇
選擇算子采用聯(lián)賽選擇,規(guī)模為2,同時采用最佳個體保留策略;聯(lián)賽選擇方法的基本思想是從群體中隨機選擇一定數(shù)目(聯(lián)賽規(guī)模)的個體,其中適應度最高的個體保存到下一代,這一過程多次執(zhí)行,直到保存到下一代的個體數(shù)目達到種群規(guī)模為止;最佳保留策略就是把群體中適應度最高的個體直接復制到下一代,不參加交叉和變異遺傳操作,由此可延長部分染色體的生存壽命,避免最佳個體被遺傳運算所破壞,既可保證方法的收斂性,又能使優(yōu)良基因不至于過早丟失;
步驟4.1.3.2:交叉
交叉算子采用算術交叉,其計算公式為:
其中,a1′、a2′和a1、a2分別對應交叉前后的個體,α為一隨機數(shù),取值范圍0~1;
步驟4.1.3.3:變異
變異算子采用非均勻一致變異,其計算公式為:
其中,bk為變異位值,bk′為bk變異后的值,dk,max為個體位最大值,dk,min為個體位最小值,rd(·)為取整函數(shù),β為[0,1]上的隨機數(shù);將dk,max-bk和bk-dk,min用y代替,則δ(t,y)表示在[0,y]范圍內(nèi)符合非均勻分布的一個隨機數(shù),它隨著進化代數(shù)t的增加而以接近于0的概率逐漸增加,其計算公式為:
其中,t最大代數(shù),b為確定非均勻度的系統(tǒng)參數(shù);
步驟4.1.3.4:交叉和變異概率選擇
為能更好地得到全局最優(yōu)解,交叉和變異概率采用自適應方法確定,其計算公式如下:
其中,fm為群體中最大的適應度值;fa為每代群體的平均適應度值;f′為要交叉的兩個個體中較大的適應度值;f為變異個體的適應度值;pc1取0.85,pc2取0.55,pm1取0.15,pm2取0.05。
步驟4.1.4:適應度計算
適應度函數(shù)設計為:
其中,vi和vk分別表示第i和k個聚類中心,uij表示第j個樣本xj隸屬于第i個類的隸屬度。
該式的計算過程如下:
(1)生成初始模糊隸屬矩陣u
uij的計算公式為:
uij=[xij-min(xij)]/[max(xij)-min(xij)](7)
其中,i=1,2,…c,j=1,2,…n。
(2)計算聚類中心
vi或vk的計算公式為:
其中,l為迭代次數(shù),l=0,1,2,…;m為給定參數(shù),這里取值為2。
(3)對模糊隸屬度矩陣u進行迭代計算
將模糊隸屬矩陣更新為計算公式為:
(4)迭代終止判定
給定一個非常小的正數(shù)ε=10-7,檢驗是否滿足||u(l+1)-u(l)||<ε,若滿足,迭代結束;否則,令l=l+1,回步驟(2)繼續(xù)迭代,最終得到分類矩陣u和聚類中心v,這里ε取值為10-7。
步驟4.1.5:遺傳算法終止
算法在遺傳解算到300代時終止;
步驟4.2:根據(jù)已得到的初始聚類數(shù)c,利用遺傳算法代替?zhèn)鹘y(tǒng)的迭代爬山法對模糊c-均值聚類的聚類中心v進行優(yōu)化計算,以克服原求解方法容易出現(xiàn)的局部極小值問題,遺傳解算過程如下:
步驟4.2.1:編碼
用實數(shù)方式對每個初始聚類中心vi進行編碼,范圍為[minxij,maxxij],其中xij為樣本矩陣元素。如果聚類數(shù)為c,樣本維數(shù)為p,則染色體編碼長度為c×p;
步驟4.2.2:生成初始群體
初始群體采取隨機方式生成,種群規(guī)模為80;
步驟4.2.3:遺傳操作
選擇算子采用聯(lián)賽選擇,規(guī)模為2,同時采用最佳保留策略;交叉算子采用算術交叉,變異算子采用非均勻一致變異,為能更好地得到全局最優(yōu)解,交叉和變異概率同樣采用前面的自適應方法確定;
步驟4.2.4:適應度計算
適應度函數(shù)設計為:
該式的計算過程如下:
(1)生成初始模糊隸屬矩陣u
uij的計算公式為:
其中,i=1,2,…c,j=1,2,…n,o=1,2,…p。
(2)聚類中心更新
vi的初始值由遺傳算法本身生成,迭代計算時的更新公式為:
(3)對模糊隸屬度矩陣u進行迭代計算
將模糊隸屬矩陣更新為計算公式為:
(4)迭代終止判定
給定一個非常小的正數(shù)ε=10-7,檢驗是否滿足||u(l+1)-u(l)||<ε,若滿足,迭代結束;否則,令l=l+1,回步驟(2)繼續(xù)迭代。
步驟4.2.5:遺傳算法終止
算法在遺傳解算到300代時終止;至此,就可以得到一個優(yōu)化的初始聚類中心v,并以此作為設備標準的工作狀態(tài)類中心,根據(jù)該中心與實測樣本的貼近度來實現(xiàn)設備工作狀態(tài)的判別;
步驟5:計算貼近度
如有c個已知模式v1,v2,…vc和一個待檢模式x,它們都是論域u上的模糊向量,若有i∈(1,2,…,c),使得
則稱x與vi最貼近,式中的σ稱為兩個模糊向量的貼近度,它是對兩個向量或集合接近程度的一種度量,這里采用最小最大貼近度法,其計算公式為:
步驟6:判別設備運行狀態(tài)
根據(jù)式(15)的計算結果,判斷當前實測樣本的故障狀態(tài)。判斷的依據(jù)為:
ifsi=max(σ(v,x)),thenx∈i類(16)
其中,si為貼近度矢量s的第i個元素,i=1,2,…c,也就是說如果樣本x與聚類中心v貼近度s中的第i個值最大,則該樣本屬于第i類,由此完成對應于該樣本的除濕機狀態(tài)判斷。
實施例:
現(xiàn)以cftz-21型冷凍式調(diào)溫型除濕機為例進行說明,通過實驗和數(shù)據(jù)采集裝置可得到除濕機10種工作狀態(tài)下的數(shù)據(jù),其中1種為正常工作狀態(tài);其余9種為性能下降狀態(tài),分別對應蒸發(fā)器性能下降20%、風冷冷凝器性能下降20%、風機風量減少10%、進風口濾網(wǎng)堵塞30%、進風溫度為16℃、進水量比正常值多30%、蒸發(fā)器供液量比正常值多10%、蒸發(fā)器供液量比正常值少10%和制冷劑充注量比正常值少20%。通過本發(fā)明的遺傳模糊c-均值聚類方法步驟可先后得到初始聚類數(shù)和聚類中心,并將該聚類中心作為標準的聚類中心,如表1所示。
表1標準聚類中心
得到聚類中心后,任取兩個除濕機當前運行狀態(tài)下的樣本:
x1=(19.34,24.00,5.43,22.33,11.18,59.95,49.71%,34.49%,10.24,5.71,5.61),
x2=(17.22,21.05,2.79,19.87,8.45,56.95,49.49%,36.58%,9.23,5.38,5.28)
與表1中的聚類中心進行最大最小進行貼近度計算,得:
σ(v,x1)=[0.9983,0.9043,0.9443,0.7728,0.9750,0.8942,0.9493,0.9586,0.6647,0.9254],
σ(v,x2)=[0.8936,0.8751,0.8543,0.7337,0.8947,0.9982,0.8886,0.8716,0.6035,0.9635].
根據(jù)式(16)的判斷規(guī)則,可判定樣本x1屬于第1類,樣本x2屬于第6類,分別對應于除濕機的正常工作和進風溫度過低狀態(tài),即完成了除濕機當前運行狀態(tài)的判斷。