專利名稱：基于距離故障分類器的故障診斷和預(yù)測的制作方法
本申請要求享有于2004年8月27日提交的美國臨時(shí)申請No.60/605,080以及2004年12月13日提交的美國臨時(shí)申請No.60/635,523的優(yōu)先權(quán)。
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及采暖、通風(fēng)和空調(diào)(HVAC)系統(tǒng)，更具體地涉及與HVAC系統(tǒng)中的早期檢測和故障隔離有關(guān)的故障診斷。
由于日常運(yùn)行過程中所發(fā)生的故障，HVAC系統(tǒng)往往不能象預(yù)期的那樣工作。雖然這些故障表示出某種故障模式，但是，許多故障并不會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)立即停止運(yùn)轉(zhuǎn)或造成非常嚴(yán)重的損壞。然而，大多數(shù)故障如果長期不被注意的話，會(huì)對系統(tǒng)性能、使用壽命和生命周期成本造成不利影響。
診斷指的是故障的檢測和隔離，而預(yù)測一般來說指的是在故障發(fā)生之前的預(yù)報(bào)。然而，在許多應(yīng)用中，早期檢測和診斷可以起到與預(yù)測同樣的目的。當(dāng)以相當(dāng)?shù)偷乃俣劝l(fā)生故障擴(kuò)大時(shí)，就是這樣的情況。系統(tǒng)參數(shù)的微小變化一般來說在開始時(shí)不會(huì)造成十分不利的影響。因此，檢測到一個(gè)或多個(gè)系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生微小變化的故障的準(zhǔn)確預(yù)測時(shí)間，對于系統(tǒng)全面損壞或停止運(yùn)轉(zhuǎn)并不是關(guān)鍵的。舉例來說，對HVAC系統(tǒng)制冷劑充填泄漏和空氣過濾器堵塞的檢測是故障模式早期檢測的實(shí)例，它們可提供足夠的信息，以及時(shí)采取維護(hù)措施。
診斷方法可以分成兩大類。其中一類對所監(jiān)測的量進(jìn)行直接測量，而另一類將傳感技術(shù)與數(shù)學(xué)算法結(jié)合起來。這些方法中的技術(shù)重點(diǎn)是用于測量關(guān)鍵系統(tǒng)參數(shù)的專用傳感器的研制。盡管這樣的方法可能比較精確，但是它們一般來說成本很高，因?yàn)閷τ谒芯康拿恳环N故障模式，都需要增加專用硬件。在組合方法中，算法起到了主要作用，因?yàn)樗鼈兪沟媚軌驈膫鞲衅魈峁┑拈g接測量值推斷系統(tǒng)的健康情況。由于增加新的傳感器成本很高而且制造更加困難，因此，只是加入了算法，以利用為某種控制用途而設(shè)計(jì)的現(xiàn)有傳感器。
故障檢測和診斷算法的設(shè)計(jì)已經(jīng)成為很多研究領(lǐng)域的對象，這些研究領(lǐng)域的范圍從統(tǒng)計(jì)方法和評價(jià)到源自于人工智能和推論、圖論以及鍵合圖的技術(shù)。一些診斷技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用于處理冷凍裝置和HVAC的故障隔離。在已知的方法當(dāng)中，“黑盒”或數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)技術(shù)(比如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò))最為引人關(guān)注。這類方法非常適合于有大量數(shù)據(jù)但缺乏對現(xiàn)象物理認(rèn)識(shí)的領(lǐng)域。然而，這類方法的一個(gè)問題是，即使系統(tǒng)變化很小，重新校準(zhǔn)黑盒模型的參數(shù)一般來說需要重新作出大量的實(shí)驗(yàn)，因?yàn)樵谀Ｐ蛥?shù)和實(shí)際系統(tǒng)量之間沒有直接聯(lián)系。
因此，需要有這樣一種檢測故障的分析方法，它能夠使已知數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的結(jié)果與對HVAC系統(tǒng)的物理理解相一致，從而提供在模型參數(shù)和實(shí)際系統(tǒng)量之間的直接聯(lián)系，以得出易于解釋、校準(zhǔn)和執(zhí)行的分類規(guī)則。
發(fā)明概要本發(fā)明涉及一種用于檢測故障的分析方法，它能夠使已知的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)技術(shù)與對HVAC系統(tǒng)的物理理解相一致，從而提供模型參數(shù)和實(shí)際系統(tǒng)量之間的直接聯(lián)系，以得出易于解釋、校準(zhǔn)和執(zhí)行的分類規(guī)則。
本發(fā)明專注于多模塊拼合式(multi-modular split)HVAC系統(tǒng)所遇到的最為常見的兩個(gè)問題，即檢測較低制冷劑充填狀態(tài)和空氣過濾器堵塞的問題。在此公開了一種用于制冷劑充填泄漏檢測的方法，它依賴于系統(tǒng)化的技術(shù)如對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析、故障特征的提取、故障檢測準(zhǔn)則的制定、以及診斷算法的開發(fā)和實(shí)施。在這里還公開了一種檢測空氣過濾器堵塞的方法，它依賴于換熱器中減少了的基于物理的關(guān)系，以估計(jì)流經(jīng)換熱器的空氣質(zhì)量流量。
這兩種方法都采用數(shù)據(jù)過濾技術(shù)，以確定數(shù)據(jù)的哪些部分帶有與潛在故障最為有關(guān)的信息，根據(jù)現(xiàn)有的傳感器進(jìn)行變量次選擇(sub-selection)，計(jì)算故障數(shù)據(jù)組和正常數(shù)據(jù)組之間的距離，并根據(jù)過濾參數(shù)和變量次選擇使這一距離達(dá)到最大。接著用分類技術(shù)處理次選擇變量以生成易于解釋和易于執(zhí)行的分類規(guī)則。
通過下面的說明和附圖可以更透徹地理解本發(fā)明的這些和其它的特征，其中對附圖的簡要說明如下。
附圖簡介

圖1是根據(jù)本發(fā)明的示例性HVAC系統(tǒng)的示意圖；圖2是曲線圖，示出了數(shù)據(jù)過濾如何被用來根據(jù)基準(zhǔn)信號(hào)的瞬態(tài)響應(yīng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行放大；圖3是流程圖，詳細(xì)示出了充填泄漏計(jì)算的一個(gè)實(shí)例；圖4是流程圖，詳細(xì)示出了空氣過濾器堵塞計(jì)算的一個(gè)實(shí)例；圖5示出了對第一個(gè)示例性多模塊拼合式(MMS)系統(tǒng)中所引發(fā)的較低系統(tǒng)制冷劑充填狀態(tài)的算法響應(yīng)曲線；圖6示出了對第二個(gè)示例性多模塊拼合式系統(tǒng)中所引發(fā)的較低系統(tǒng)制冷劑充填狀態(tài)的算法響應(yīng)曲線；圖7是曲線圖，示出了對于低充填檢測算法的接收器工作特性(ROC)；圖8示出了對高壁式多模塊拼合式系統(tǒng)中所引發(fā)的空氣過濾器堵塞狀態(tài)的算法響應(yīng)曲線；圖9示出了對四通多模塊拼合式系統(tǒng)中所引發(fā)的空氣過濾器堵塞狀態(tài)的算法響應(yīng)曲線；和圖10是曲線圖，示出了對于空氣過濾器堵塞檢測算法的接收器工作特性。
具體實(shí)施例方式
圖1是根據(jù)本發(fā)明的示例性HVAC系統(tǒng)10的示意圖。在此實(shí)例中，HVAC系統(tǒng)10是被稱作多模塊拼合式系統(tǒng)(MMS)的無風(fēng)管式熱泵系統(tǒng)。多模塊拼合式系統(tǒng)10包括一個(gè)室外單元12和兩個(gè)室內(nèi)單元14A和14B，它們在炎熱季節(jié)時(shí)工作在制冷模式下，以提供冷空氣至內(nèi)部空間，而在寒冷季節(jié)時(shí)工作在供熱模式下，以提供熱空氣至內(nèi)部空間。
室外單元12包括一對并行的可變速的壓縮機(jī)16，用于在制冷模式時(shí)控制過冷，以及在供熱模式時(shí)控制過熱的室外膨脹閥18，在制冷模式中起冷凝器作用而在供熱模式中起蒸發(fā)器作用的室外熱交換器20，以及室外風(fēng)扇22。
兩個(gè)室內(nèi)單元14A和14B中的每一個(gè)都包括用于在制冷模式中控制過冷和在供熱模式中控制過熱的室內(nèi)膨脹閥24、在制冷模式中起蒸發(fā)器作用而在供熱模式中起冷凝器作用的室內(nèi)熱交換器26、以及室內(nèi)風(fēng)扇28。
四通閥門30控制工作模式從制冷模式到供熱模式，反之亦然。多模塊拼合式系統(tǒng)10還包括用于儲(chǔ)存制冷劑充填物的接受槽32，它可根據(jù)情況改變所循環(huán)的制冷劑充填量。
壓縮機(jī)16和室內(nèi)風(fēng)扇28的速度是根據(jù)室內(nèi)溫度與設(shè)定值之間的偏差來調(diào)整的。還可以調(diào)整壓縮機(jī)16的速度，以符合總的制冷或供熱要求。
在整個(gè)多模塊拼合式系統(tǒng)10中設(shè)有膨脹閥。在所示實(shí)例中，膨脹閥是通過脈沖調(diào)制進(jìn)行促動(dòng)的脈沖調(diào)制閥門34。脈沖調(diào)制閥門34是由促動(dòng)信號(hào)控制的，它調(diào)節(jié)脈沖調(diào)制閥門34的開啟，以控制制冷劑在多模塊拼合式系統(tǒng)10中的流動(dòng)。脈沖調(diào)制閥門34A和34B串聯(lián)布置在室內(nèi)熱交換器26附近。一對脈沖調(diào)制閥門35串聯(lián)地布置在盤管36和接受槽32之間。
在整個(gè)多模塊拼合式系統(tǒng)10中還設(shè)有多個(gè)傳感器。在所示實(shí)例中，傳感器包括若干個(gè)制冷劑側(cè)溫度傳感器38、空氣側(cè)溫度傳感器40和壓力傳感器42。
制冷劑側(cè)溫度傳感器38A-38D靠近每個(gè)室內(nèi)熱交換器26的每一端布置。制冷劑側(cè)溫度傳感器38E和38F靠近每個(gè)壓縮機(jī)16的其中一端布置。制冷劑側(cè)溫度傳感器38G布置在四通閥門30和蓄集器(accumulator)44之間。制冷劑側(cè)溫度傳感器38H布置在一對脈沖調(diào)制閥門35和接受槽32之間。制冷劑側(cè)傳感器38I布置在室外換熱器20和盤管36之間。
空氣側(cè)溫度傳感器40A和40B布置在室內(nèi)風(fēng)扇28和室內(nèi)換熱器26之間，而空氣側(cè)溫度傳感器40C靠近室外風(fēng)扇20布置。
壓力傳感器42A靠近蓄集器44布置，而壓力傳感器42B布置在壓縮機(jī)16和油分離器46之間。
本發(fā)明致力于研制利用現(xiàn)有的系統(tǒng)傳感器和數(shù)據(jù)來檢測多模塊拼合式系統(tǒng)10內(nèi)故障的算法。在此公開了一種利用現(xiàn)有的系統(tǒng)傳感器來診斷至少一種系統(tǒng)故障的分析方法。這種分析方法包括識(shí)別給定系統(tǒng)內(nèi)可用的傳感器，對于每個(gè)可用的傳感器根據(jù)無故障數(shù)據(jù)和全故障數(shù)據(jù)之間的最大分離/最小重疊分析傳感器數(shù)據(jù)以確定這些可用傳感器中的哪一個(gè)產(chǎn)生表示系統(tǒng)故障的數(shù)據(jù)，根據(jù)分析確定故障關(guān)系，將至少一個(gè)測得的系統(tǒng)特性與故障關(guān)系進(jìn)行比較，并在識(shí)別出系統(tǒng)故障時(shí)產(chǎn)生至少一個(gè)表示故障模式的故障代碼。然而，所識(shí)別的系統(tǒng)故障不一定是由生成所分析數(shù)據(jù)的傳感器直接監(jiān)測的系統(tǒng)特性。舉例來說，傳感器可以生成與系統(tǒng)內(nèi)的壓力有關(guān)的數(shù)據(jù)，但是，所生成的故障代碼卻可以表示出較低系統(tǒng)制冷劑充填狀態(tài)或空氣過濾器堵塞狀態(tài)。
下面介紹了根據(jù)本發(fā)明的較低系統(tǒng)制冷劑充填指標(biāo)(indicator)和空氣過濾器堵塞指標(biāo)的推導(dǎo)。
較低系統(tǒng)制冷劑充填指標(biāo)的推導(dǎo)多模塊拼合式系統(tǒng)的總的制冷劑充填量大致上與任意給定時(shí)間點(diǎn)所充滿液態(tài)制冷劑的總體積成正比。較低系統(tǒng)制冷劑充填在總的系統(tǒng)液體體積下降時(shí)發(fā)生。當(dāng)多模塊拼合式系統(tǒng)10工作在制冷模式時(shí)，總的多模塊拼合式系統(tǒng)制冷劑質(zhì)量下降而總的多模塊拼合式系統(tǒng)體積增大，導(dǎo)致氣態(tài)制冷劑的體積總體上比液態(tài)制冷劑的體積增大更多。多模塊拼合式系統(tǒng)體積的總體增加使得當(dāng)制冷劑處于氣態(tài)時(shí)離開室內(nèi)和室外換熱器20和26的制冷劑的溫度升高到制冷劑沸點(diǎn)以上的溫度，或者當(dāng)制冷劑處于液態(tài)時(shí)離開室內(nèi)和室外換熱器20和26的制冷劑的溫度降低到制冷劑沸點(diǎn)以下的溫度。這些現(xiàn)象分別被稱作過熱和過冷。在這些情況下，多模塊拼合式系統(tǒng)10將傾向于增加飽和溫度下的蒸氣質(zhì)量，從而控制過熱。
在大多數(shù)系統(tǒng)中，過熱是通過促動(dòng)膨脹閥控制的。過熱的增加要求膨脹閥打開更大，以允許更多的制冷劑流經(jīng)室內(nèi)和室外換熱器20和26以維持所要求的過熱。在所示實(shí)例中，膨脹閥34是一種脈沖調(diào)制閥門(PMV)，脈沖調(diào)制閥門的促動(dòng)是通過脈沖調(diào)制控制的。因此，過熱的增加轉(zhuǎn)化為更高的脈沖促動(dòng)，而這又與較低系統(tǒng)制冷劑充填相關(guān)。而且，較低系統(tǒng)制冷劑充填還與更低的系統(tǒng)吸入壓力有關(guān)。
雖然本發(fā)明專注于制冷模式，但是所介紹的原理并不限于制冷模式而是還可以推廣到供熱模式。
本發(fā)明包括一種用于識(shí)別較低系統(tǒng)制冷劑充填的故障檢測準(zhǔn)則，它可以概述如下在壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速(每分鐘轉(zhuǎn)數(shù))超過某個(gè)閾值(比如為其最大每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)的40％-50％)之后，在最初的若干分鐘(例如10-20分鐘)內(nèi)，低制冷劑充填指標(biāo)在室內(nèi)單元中采用更大的脈沖調(diào)制閥門平均開啟程度或較小的吸入壓力值，這不包括最初0-2分鐘的瞬態(tài)數(shù)據(jù)。
這種故障檢測準(zhǔn)則是用于低制冷劑充填檢測的故障識(shí)別原理和決策規(guī)則的系統(tǒng)化方法的結(jié)果。如下所述，這種方法將一些統(tǒng)計(jì)分類技術(shù)應(yīng)用于預(yù)處理過的現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)。預(yù)處理涉及數(shù)據(jù)過濾處理的應(yīng)用，其目的是要放大帶有與所關(guān)注故障事件最為有關(guān)信息的數(shù)據(jù)部分。
數(shù)據(jù)過濾處理將時(shí)間軸分解為時(shí)間間隔，在這些間隔中發(fā)生“所關(guān)注”的瞬態(tài)或穩(wěn)態(tài)行為。在時(shí)刻t用v(t)表示的壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速(每分鐘轉(zhuǎn)數(shù))被用作過濾的基準(zhǔn)信號(hào)。基準(zhǔn)信號(hào)是其時(shí)間行為被用來分解時(shí)間軸的信號(hào)，如下面所要更詳細(xì)介紹。
數(shù)據(jù)過濾處理中的主要步驟是將時(shí)間軸分解為一系列間隔F＝{Ik}，這種分解是三個(gè)過濾參數(shù)κ≥0，Δ≥0，ν≥0的函數(shù)，即F＝F(κ，Δ，ν)，其中ν是一個(gè)閾值，κ是預(yù)定的時(shí)間周期，在此周期內(nèi)由傳感器測得的實(shí)際值在故障可以發(fā)生之前必須保持在閾值ν以上，而Δ限定了起動(dòng)時(shí)間周期，在此期間所收集的數(shù)據(jù)不予考慮。F＝{Ik}是由另一個(gè)序列{I’k}構(gòu)成的。每個(gè)元素I’k是閉合的時(shí)間間隔，具有以下三個(gè)特性(1)長度I’k大于或等于κ，(2)對于I’k中的所有t，v(t)≥ν，(3)I’k是具有前兩個(gè)特性的所有其它重疊封閉間隔的超集。而且，對于k≠j，I’k∩I’j＝。序列{I’k}，k＝1，2，3，...是以這樣的方式排序的，使得所有屬于I’k的t的上限用e(I’k)表示，小于所有屬于I’k+1的t的下限，用b(I’k+1)表示。{Ik}是通過讓b(Ik)＝b(I’k)而e(Ik)＝最大值(e(I’k)，b(Ik)+Δ)構(gòu)成的。
如圖2中所示，下面的實(shí)例示出了數(shù)據(jù)過濾如何被用來根據(jù)基準(zhǔn)信號(hào)的瞬態(tài)響應(yīng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行放大1.HP(Δ，ν)＝F(0，Δ，ν)其中Δ小到中，構(gòu)成了高通濾波器。點(diǎn)A、B和D由HP(0，100％)分段。
2.BP(κ，Δ，ν)＝F(κ，Δ，ν)-F(κ，κ，ν)其中κ小到中而Δ中到大，構(gòu)成了帶通濾波器。間隔C和E由BP(1，2，100％)分段。
3.LP(κ，ν)＝BP(κ，∞，ν)＝F(κ，∞，ν)-F(κ，κ，ν)，其中κ是中，構(gòu)成了低通濾波器。間隔F由LP(4，100％)分段。
還注意到，如果圖2中的數(shù)據(jù)以取樣間隔1取樣，那么由互斥組HP(0，100％)、BP(1，2，100％)和LP(4，100％)分段的間隔之并集就覆蓋了基準(zhǔn)信號(hào)100％處于其全部工作范圍的所有數(shù)據(jù)點(diǎn)。舉例來說，假設(shè)數(shù)據(jù)是以取樣間隔ΔT取樣的?；コ饨MHP(i×ΔT，ν)、BP((i+1)×(ΔT+1)，j×ΔT，ν)和LP((i+j+2)×ΔT，ν)之并集就覆蓋了所有基準(zhǔn)信號(hào)大于或等于ν的數(shù)據(jù)點(diǎn)，其中，i，j是整數(shù)。Φ一般被用來指由過濾器拾取的所有時(shí)間間隔之并集。
為了推導(dǎo)故障檢測準(zhǔn)則，時(shí)間軸被重復(fù)地分解成三個(gè)不相交的間隔組，它們分別處于高通、帶通和低通狀態(tài)，并把基準(zhǔn)壓縮機(jī)的平均速度作為基準(zhǔn)信號(hào)和各種過濾參數(shù)。每次過濾導(dǎo)致與圖2中所示類似的時(shí)間分解。對于過濾處理的每一次重復(fù)來說，根據(jù)一組統(tǒng)計(jì)技術(shù)對三個(gè)不相交的數(shù)據(jù)組合進(jìn)行分析，所述統(tǒng)計(jì)技術(shù)包括傳感器(變量)選擇、無故障和全故障數(shù)據(jù)組之間距離的計(jì)算、以及故障模式(pattern)的發(fā)現(xiàn)。數(shù)據(jù)過濾處理使得能夠選擇脈沖調(diào)制閥門的開啟程度以及吸入壓力，因?yàn)檫@些變量帶有與系統(tǒng)制冷劑充填泄漏最為有關(guān)的信息。最佳的過濾器被發(fā)現(xiàn)是BP(κ，Δ，ν)，其中κ≤2，10≤Δ≤20，且ν≈最大壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的50％。將這些結(jié)果組合在一起，就得出上述較低系統(tǒng)制冷劑充填的故障檢測準(zhǔn)則。
用于較低系統(tǒng)制冷劑充填的故障檢測準(zhǔn)則被轉(zhuǎn)換成用于較低系統(tǒng)制冷劑充填檢測的算法，并通過在固定長度的數(shù)據(jù)批上計(jì)算較低系統(tǒng)制冷劑充填指標(biāo)來實(shí)施。數(shù)據(jù)批包括已經(jīng)通過過濾器的最新數(shù)據(jù)點(diǎn)一直到由其固定長度確定的點(diǎn)。當(dāng)有更多的數(shù)據(jù)點(diǎn)時(shí)，它們替換掉最舊的數(shù)據(jù)點(diǎn)，使數(shù)據(jù)批的長度保持固定。
為了說明，重新參見圖2。假設(shè)計(jì)算中所用的過濾器是BP(1，2，100％)，分割間隔C和E。還假設(shè)取樣時(shí)間為1且固定數(shù)據(jù)長度是3。對于這一實(shí)例來說，按日期順序排列的數(shù)據(jù)批將是{9，10，15}、{10，15，16}和{15，16，17}。作為這批成分點(diǎn)平均(或中間)時(shí)間計(jì)算出來的時(shí)間被分配給每個(gè)數(shù)據(jù)批。在此實(shí)例中，利用在數(shù)據(jù)批的時(shí)間點(diǎn)上求平均值，與{9，10，15}、{10，15，16}和{15，16，17}相關(guān)的時(shí)間將分別是11.3、13.7和16。每一批內(nèi)的低系統(tǒng)充填指標(biāo)是通過找出該批內(nèi)脈沖調(diào)制閥門開啟大于某一閾值或吸入壓力低于某一閾值的點(diǎn)的分?jǐn)?shù)來計(jì)算的。所計(jì)算的低系統(tǒng)充填指標(biāo)被分配給與該批有關(guān)的時(shí)間。
圖3是一流程圖，詳細(xì)示出了充填泄漏計(jì)算的一個(gè)實(shí)例。在此流程圖中Φ(t)是假設(shè)為1或0的二進(jìn)位指標(biāo)。Φ(t)只有在t屬于所關(guān)注的分析周期、由所設(shè)計(jì)過濾器拾取的全部間隔組、以及在制冷模式工作狀態(tài)(不包括壓縮機(jī)保護(hù)狀態(tài))下的時(shí)候才等于1。
數(shù)據(jù)批B，其總是使最近的時(shí)間點(diǎn)保持Φ(t)＝1。批中的固定點(diǎn)數(shù)NB由用戶設(shè)定。對于多模塊拼合式系統(tǒng)應(yīng)用來說，其典型值為24×60或12×60。
表示B元素的數(shù)目。
δ表示取樣時(shí)間。δ應(yīng)當(dāng)大于數(shù)據(jù)收集取樣時(shí)間(在多模塊拼合式系統(tǒng)中為1分鐘)，但是可以選得更大，以加快計(jì)算。
空氣過濾器堵塞指標(biāo)的推導(dǎo)空氣過濾器堵塞算法利用簡單的物理關(guān)系式來估計(jì)通過每個(gè)換熱器的空氣質(zhì)量流量。由于缺乏足夠的空氣側(cè)測量值，這些關(guān)系式基于如下面所要介紹的一些簡化假設(shè)對數(shù)平均溫度和能量平衡方程被用來估計(jì)換熱器中空氣的質(zhì)量流量。
空氣的質(zhì)量流量與空氣過濾阻力成反比。
換熱器中制冷劑過熱的那一部分具有大的UA。
制冷劑流量與脈沖調(diào)制閥門的開啟程度成正比。
空氣潛冷卻(latent cooling)可以忽略。
基于這些假設(shè)，每個(gè)換熱器中的空氣質(zhì)量流量的倒數(shù)由下面的公式估計(jì) 如圖1中所示，Ta是室內(nèi)空氣溫度，Tcj是室內(nèi)盤管溫度(測量換熱器中制冷劑的飽和溫度)的中間值，Tcl是流出室內(nèi)單元換熱器26的過熱制冷劑的溫度，而PMV是脈沖調(diào)制膨脹閥34A和34B的促動(dòng)信號(hào)。
在圖1中，對于室內(nèi)單元14A來說，測量點(diǎn)Ta、Tcl、Tcj分別被標(biāo)記/編號(hào)為TA-A、TC1-A和11，而對于室內(nèi)單元14B來說分別標(biāo)為TA-B、TC1-B和13。
由于這些假設(shè)忽略了某些可變源比如潛冷卻，所以分析是在較長的周期上進(jìn)行，以“求出”可能的未知影響的平均數(shù)。與上述較低系統(tǒng)制冷劑充填指標(biāo)的研究類似，可對數(shù)據(jù)批進(jìn)行處理，以用于空氣過濾器堵塞指標(biāo)的計(jì)算。從這個(gè)角度來說，對于某一尺寸的數(shù)據(jù)批，其算法與較低系統(tǒng)制冷劑充填指標(biāo)的計(jì)算是一樣的。
由于空氣過濾器堵塞算法在室內(nèi)風(fēng)扇28以各種速度運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)估計(jì)每個(gè)室內(nèi)換熱器26中空氣質(zhì)量流量的倒數(shù)，所以對于每個(gè)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，最好分別計(jì)算空氣過濾器堵塞指標(biāo)并與閾值進(jìn)行比較。盡管風(fēng)扇轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)不能直接得到，但是轉(zhuǎn)速設(shè)定值(FANTAP)是可以得到的，并可作為風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的代表。
用于計(jì)算空氣過濾器堵塞指標(biāo)的數(shù)據(jù)過濾處理比用于計(jì)算較低系統(tǒng)制冷劑充填指標(biāo)的數(shù)據(jù)過濾處理簡單很多?？諝膺^濾器堵塞指標(biāo)的計(jì)算包括，獲取能夠滿足制冷工作模式下應(yīng)用對數(shù)平均溫度和能量平衡所需的基本規(guī)律性原理的傳感器數(shù)據(jù)。如果Ta＞Tcj，Tcl＞Tcj，脈沖調(diào)制閥門大于某個(gè)閾值(大約為100的值是適當(dāng)?shù)?，且FANTAP等于其中進(jìn)行計(jì)算的模式，則過濾器Φ在每個(gè)時(shí)間點(diǎn)被設(shè)置為1。
圖4是一流程圖，詳細(xì)示出了空氣過濾器堵塞計(jì)算的一個(gè)實(shí)例。在此流程圖中Φ(t)是表現(xiàn)為1或0的二進(jìn)位指標(biāo)。Φ(t)只有在t屬于所關(guān)注的分析周期、由所設(shè)計(jì)過濾器拾取的全部間隔組、以及在制冷模式工作狀態(tài)(不包括壓縮機(jī)保護(hù)狀態(tài))下的時(shí)候才等于1。
數(shù)據(jù)批B，總是使最近的時(shí)間點(diǎn)保持Φ(t)＝1。批中的固定點(diǎn)數(shù)NB由用戶設(shè)定。對于多模塊拼合式系統(tǒng)應(yīng)用來說，其典型值為24×60或12×60。
表示B元素的數(shù)目。
δ表示取樣時(shí)間，δ應(yīng)當(dāng)大于數(shù)據(jù)收集取樣時(shí)間(在多模塊拼合式系統(tǒng)中為1分鐘)，但是可以選得更大，以加快計(jì)算。
圖5和圖6分別示出了對第一個(gè)示例性多模塊拼合式系統(tǒng)和第二個(gè)示例性多模塊拼合式系統(tǒng)中所引發(fā)的較低系統(tǒng)制冷劑充填狀態(tài)的算法響應(yīng)曲線。這兩個(gè)實(shí)例中的多模塊拼合式系統(tǒng)都包括一個(gè)室外單元和五個(gè)室內(nèi)單元，它被設(shè)計(jì)成能夠滿足兩個(gè)辦公室和兩個(gè)會(huì)議室的制冷和供熱需求。在計(jì)算結(jié)果時(shí)，按第一系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化的閾值被直接應(yīng)用于第二系統(tǒng)的數(shù)據(jù)組，而不需要進(jìn)行任何更進(jìn)一步的調(diào)整。換句話說，第一系統(tǒng)數(shù)據(jù)組用于“算法訓(xùn)練”，而第二系統(tǒng)數(shù)據(jù)用于驗(yàn)證。
就較低系統(tǒng)制冷劑充填而言，圖5和圖6中的曲線示出了作為用算法處理的數(shù)據(jù)批號(hào)之函數(shù)的較低系統(tǒng)制冷劑充填指標(biāo)的值。數(shù)據(jù)批按順序排列。每個(gè)數(shù)據(jù)批的較低系統(tǒng)制冷劑充填指標(biāo)是通過找出該數(shù)據(jù)批內(nèi)的其中脈沖調(diào)制閥門的開啟大于預(yù)定閾值或吸入壓力小于預(yù)定閾值時(shí)的數(shù)據(jù)點(diǎn)的百分比來計(jì)算的。曲線強(qiáng)度的變化表示在數(shù)據(jù)批中所有點(diǎn)上求平均值的實(shí)測充填。舉例來說，如果數(shù)據(jù)批內(nèi)有40％的點(diǎn)具有30％的充填損失而其余點(diǎn)是滿充填(0％的充填損失)的，那么該數(shù)據(jù)批的平均實(shí)測充填損失將是12％，它被稱作平均實(shí)測故障(AAF)。從這一曲線可以推出，大于10-15％的指標(biāo)值將標(biāo)志著低充填狀態(tài)(＞25％的AAF)。
圖7畫出了較低系統(tǒng)制冷劑充填檢測算法的接收器工作特性(ROC)。ROC是廣泛使用的與檢測閾無關(guān)的用于評價(jià)檢測算法性能的工具。ROC畫出了作為算法所產(chǎn)生誤報(bào)警(假肯定率)函數(shù)的算法檢出率(命中率)。檢出率或命中率用來測量如果故障事件實(shí)際發(fā)生的話較低系統(tǒng)制冷劑充填指標(biāo)發(fā)出警報(bào)的概率。誤報(bào)警或假肯定率用來測量當(dāng)沒有故障實(shí)際存在時(shí)指示有故障的概率。理想的ROC曲線對于任何正誤報(bào)警將具有100％的檢出率。
從概念上講，可以通過將檢測閾從它的最小可能值變?yōu)樽畲罂赡苤?，對每個(gè)選擇的檢測閾計(jì)算誤報(bào)警-檢出率對，然后畫出所計(jì)算的對，來計(jì)算ROC。換句話說，ROC曲線上的每一個(gè)點(diǎn)與一個(gè)閾值有關(guān)。當(dāng)生成圖7中的ROC時(shí)，數(shù)據(jù)批故障狀態(tài)的存在被定義為用于該數(shù)據(jù)批的AAF＞15％。該數(shù)據(jù)批故障的不存在被定義為AAF＜5％。
圖8和圖9分別示出了對高壁單元和四通單元中所引發(fā)的空氣過濾器堵塞的算法響應(yīng)曲線。所給出的結(jié)果基于在風(fēng)扇高轉(zhuǎn)速下從第一系統(tǒng)中收集的數(shù)據(jù)。附圖示出了作為用算法處理的數(shù)據(jù)批號(hào)(順序排列)之函數(shù)的空氣過濾器堵塞指標(biāo)值。曲線強(qiáng)度的變化表示平均實(shí)測故障(AAF)，其定義與上面的類似。舉例來說，如果數(shù)據(jù)批內(nèi)有40％的點(diǎn)具有50％的堵塞而其余點(diǎn)沒有堵塞(0％的堵塞)，那么該數(shù)據(jù)批的平均實(shí)測故障將是20％。從這一曲線可以推出，大于15的空氣過濾器堵塞指標(biāo)值將標(biāo)志著堵塞狀態(tài)。
圖10畫出了用于空氣過濾器堵塞檢測算法的接收器工作特性(ROC)。當(dāng)生成圖10中的ROC時(shí)，數(shù)據(jù)批故障狀態(tài)的存在被定義為AAF＞25％。數(shù)據(jù)批故障的不存在被定義為AAF＜5％。
雖然已經(jīng)公開了本發(fā)明的一些優(yōu)選實(shí)施例，但是本領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，在本發(fā)明范圍之內(nèi)可以進(jìn)行某些修改。因此，所附權(quán)利要求用于限定本發(fā)明的真實(shí)范圍和內(nèi)容。
權(quán)利要求
1.一種用于診斷至少一種系統(tǒng)故障的方法，包括以下步驟(a)識(shí)別系統(tǒng)內(nèi)可用的傳感器，其中，所識(shí)別的傳感器產(chǎn)生與系統(tǒng)工作特性有關(guān)的傳感器數(shù)據(jù)；(b)分析所述傳感器數(shù)據(jù)以識(shí)別表示至少一種故障模式的模式；(c)根據(jù)所識(shí)別的模式確定故障關(guān)系；(d)將至少一種系統(tǒng)工作特性與所述故障關(guān)系進(jìn)行比較，以識(shí)別系統(tǒng)故障；和(e)當(dāng)在步驟(d)中識(shí)別出系統(tǒng)故障時(shí)，產(chǎn)生至少一個(gè)表示所述至少一種故障模式的故障代碼。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的診斷至少一種系統(tǒng)故障的方法，其特征在于，步驟(b)還包括以下步驟(f)從每個(gè)所述被識(shí)別的傳感器中，生成全故障數(shù)據(jù)組和無故障數(shù)據(jù)組；(g)將來自每個(gè)所述被識(shí)別的傳感器的所述全故障數(shù)據(jù)組與來自同一個(gè)被識(shí)別的傳感器的所述無故障數(shù)據(jù)組進(jìn)行比較；(h)對于每個(gè)被識(shí)別的傳感器，識(shí)別所述全故障數(shù)據(jù)組和所述無故障數(shù)據(jù)組之間的最大分離；(i)選擇與所述全故障數(shù)據(jù)組和所述無故障數(shù)據(jù)組之間的最大分離中的最大者相關(guān)的所述被識(shí)別的傳感器；和(j)根據(jù)步驟(i)中所述選擇的被識(shí)別的傳感器，來識(shí)別步驟d)中的所述至少一種系統(tǒng)特性。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的診斷至少一種系統(tǒng)故障的方法，其特征在于，步驟(c)還包括以下步驟(k)確定與所述至少一種系統(tǒng)特性有關(guān)的閾值；(l)監(jiān)測與所述至少一種系統(tǒng)特性有關(guān)的實(shí)際值；以及其中，步驟(e)還包括，基于所述實(shí)際值與所述閾值的比較，來產(chǎn)生所述至少一個(gè)故障代碼。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的診斷至少一種系統(tǒng)故障的方法，其特征在于，步驟(k)還包括以下步驟(m)針對與所述最大分離相關(guān)的所述選擇的被識(shí)別的傳感器，來計(jì)算所述全故障數(shù)據(jù)組和所述無故障數(shù)據(jù)組之間的距離；以及(n)根據(jù)過濾參數(shù)和變量次選擇，使所述距離最大化。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的診斷至少一種系統(tǒng)故障的方法，其特征在于，步驟(e)還包括以下步驟(o)識(shí)別未由任何一個(gè)所述被識(shí)別的傳感器監(jiān)測的至少一個(gè)其它系統(tǒng)特性，其中，所述至少一個(gè)其它系統(tǒng)特性表示與所述至少一個(gè)故障代碼有關(guān)的所述至少一種系統(tǒng)故障模式。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的診斷至少一種系統(tǒng)故障的方法，其特征在于，步驟(e)還包括以下步驟(p)對于給定的取樣時(shí)間，計(jì)算與所述至少一個(gè)其它系統(tǒng)特性有關(guān)的平均值；以及(q)監(jiān)測與所述至少一個(gè)其它系統(tǒng)特性有關(guān)的實(shí)際值。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的診斷至少一種系統(tǒng)故障的方法，其特征在于，步驟(e)還包括，當(dāng)與所述至少一種系統(tǒng)特性有關(guān)的所述實(shí)際值超過所述閾值、并且與所述至少一個(gè)其它系統(tǒng)特性有關(guān)的所述實(shí)際值超過所述平均值時(shí)，生成所述至少一個(gè)故障代碼。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的診斷至少一種系統(tǒng)故障的方法，其特征在于，所述至少一種系統(tǒng)特性與所述系統(tǒng)內(nèi)至少一個(gè)控制閥的促動(dòng)程度有關(guān)。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的診斷至少一種系統(tǒng)故障的方法，其特征在于，步驟(e)還包括，當(dāng)與所述至少一種系統(tǒng)特性有關(guān)的所述實(shí)際值低于所述閾值、并且與所述至少一個(gè)其它系統(tǒng)特性有關(guān)的所述實(shí)際值超過所述平均值時(shí)，生成所述至少一個(gè)故障代碼。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的診斷至少一種系統(tǒng)故障的方法，其特征在于，所述至少一種系統(tǒng)特性是與壓縮機(jī)有關(guān)的吸入壓力。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的診斷至少一種系統(tǒng)故障的方法，其特征在于，步驟(c)還包括以下步驟(r)分析所述被識(shí)別的模式；和(s)將所述被識(shí)別的模式與可得到的物理系統(tǒng)信息結(jié)合起來，以確定所述故障關(guān)系。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的診斷至少一種系統(tǒng)故障的方法，還包括以下步驟(t)確定與步驟(d)中的所述至少一種系統(tǒng)工作特性有關(guān)的閾值；(u)估計(jì)第二種系統(tǒng)工作特性；和(v)測量第三種系統(tǒng)工作特性，其中，所述閾值和所述第二種系統(tǒng)工作特性是分別根據(jù)所述第三種系統(tǒng)工作特性來計(jì)算和估計(jì)的。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的診斷至少一種系統(tǒng)故障的方法，其特征在于，所述第二種系統(tǒng)工作特性表示與所述至少一個(gè)故障代碼有關(guān)的所述至少一種系統(tǒng)故障模式。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的診斷至少一種系統(tǒng)故障的方法，其特征在于，步驟(e)還包括以下步驟(v)對于給定的取樣時(shí)間，計(jì)算與所述第二種系統(tǒng)工作特性有關(guān)的平均值；以及(w)監(jiān)測所述第二種系統(tǒng)工作特性的實(shí)際值。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的診斷至少一種系統(tǒng)故障的方法，其特征在于，步驟(e)還包括，當(dāng)與所述至少一種系統(tǒng)工作特性有關(guān)的所述實(shí)際值超過所述閾值、并且所述第二種系統(tǒng)工作特性的所述實(shí)際值超過所述平均值時(shí)，生成所述至少一個(gè)故障代碼。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的診斷至少一種系統(tǒng)故障的方法，其特征在于，所述系統(tǒng)是蒸汽壓縮系統(tǒng)。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的診斷至少一種系統(tǒng)故障的方法，其特征在于，所述蒸汽壓縮系統(tǒng)中被識(shí)別的傳感器包括至少一個(gè)壓力傳感器、至少一個(gè)溫度傳感器和至少一個(gè)閥門傳感器。
18.一種蒸汽壓縮系統(tǒng)，包括至少一個(gè)室內(nèi)單元，其包括至少一個(gè)室內(nèi)傳感器和至少一個(gè)室內(nèi)閥門；至少一個(gè)室外單元，其與所述至少一個(gè)室內(nèi)單元連通，并包括至少一個(gè)室外傳感器和至少一個(gè)室外閥門；用于控制所述至少一個(gè)室內(nèi)單元和所述至少一個(gè)室外單元的控制裝置，其中，所述控制裝置還包括控制器，其用于收集和解釋來自所述至少一個(gè)室內(nèi)傳感器和所述至少一個(gè)室外傳感器的數(shù)據(jù)，并基于所述數(shù)據(jù)生成至少一個(gè)故障代碼。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述控制器將所述數(shù)據(jù)與來自所述至少一個(gè)室內(nèi)單元和所述至少一個(gè)室外單元的可得到的系統(tǒng)信息結(jié)合起來，以生成所述至少一個(gè)故障代碼。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述控制器接收與多個(gè)系統(tǒng)工作特性有關(guān)的多個(gè)數(shù)據(jù)輸入，根據(jù)所述多個(gè)系統(tǒng)工作特性來計(jì)算指標(biāo)，并基于所述指標(biāo)與閾值的比較來生成所述至少一個(gè)故障代碼。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于檢測故障的數(shù)學(xué)方法，它能夠使已知的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)技術(shù)與對采暖、通風(fēng)和空調(diào)(HVAC)系統(tǒng)的物理理解相一致，從而提供模型參數(shù)和實(shí)際系統(tǒng)量之間的直接聯(lián)系，以得出易于解釋、校準(zhǔn)和執(zhí)行的分類規(guī)則。所關(guān)注的故障模式是較低系統(tǒng)制冷劑充填和空氣過濾器堵塞。在無故障和全故障的狀態(tài)下分析來自標(biāo)準(zhǔn)傳感器的系統(tǒng)數(shù)據(jù)。對數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，以揭示所研究故障在傳感器數(shù)據(jù)中顯露的模式，分析這些模式并使它們與現(xiàn)有的物理系統(tǒng)信息相結(jié)合，以研究出將故障與所測得的傳感器響應(yīng)聯(lián)系起來的基本原理。這些原理接著被轉(zhuǎn)換成聯(lián)機(jī)算法，以進(jìn)行故障檢測。
文檔編號(hào)F25B49/02GK101048626SQ200580036357
公開日2007年10月3日 申請日期2005年8月19日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月27日
發(fā)明者M·法扎, P·薩德 申請人:開利公司