模擬電路故障診斷中的特征信息提取

摘要 在運(yùn)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行模擬電路故障診斷過程中，代表故障特征的網(wǎng)絡(luò)輸入至關(guān)重要。分析了常見特征信息提取和故障診斷方法，提出一種基于多測試點(diǎn)、多特征信息原始樣本集的新方法。運(yùn)用這種方法構(gòu)造原始故障特征集，然后作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，仿真結(jié)果表明，通過該方法構(gòu)造的樣本集訓(xùn)練出來的網(wǎng)絡(luò)對模擬電路故障診斷的正確率優(yōu)于傳統(tǒng)方法，證明了該方法在模擬電路故障診斷中的可行性，為模擬電路的故障診斷提供了一種新方法。
關(guān)鍵詞 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；模擬電路；故障診斷；故障特征

近年來，模擬電路的故障診斷中神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)用越來越廣泛，電路故障特征信息是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入，直接影響著網(wǎng)絡(luò)的性能和診斷的正確率。模擬電路故障診斷中，可以在電路中選取多個測試點(diǎn)，通過提取每個測試點(diǎn)在各種故障狀態(tài)下的單一特征信息，以此作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入；也可從電路的輸出響應(yīng)曲線中提取若干參數(shù)對應(yīng)的信息作為故障特征，當(dāng)電路出現(xiàn)故障時，輸出響應(yīng)曲線與正常狀態(tài)有所差異，對應(yīng)信息的變化即可反映該故障特征，將這些信息作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入。在這兩種方法的基礎(chǔ)之上，提出基于多測試點(diǎn)多特征信息的方法，重點(diǎn)在于構(gòu)造故障樣本集。通過仿真并將3種方法進(jìn)行比較表明，多測試點(diǎn)多特征信息方法構(gòu)造出來的樣本集能更好地反映故障模式，訓(xùn)練出來的網(wǎng)絡(luò)對樣本集的識別正確率更高。

1 單一特征信息構(gòu)造樣本集
電路中測試點(diǎn)的選取依據(jù)電路靈敏度的分析。顯然測試點(diǎn)越多，數(shù)據(jù)量越大，需要根據(jù)電路的復(fù)雜程度和計算量、時間綜合考慮，仿真實(shí)驗(yàn)表明，取3～4個測試點(diǎn)較好。
仿真電路選取Sallen-Key二階帶通濾波器，各元件的標(biāo)稱值為：R1=1 kΩ，R2=3 kΩ，R3=2 kΩ，R4=R5=4 kΩ，C1=C2=5 nF。電路如圖1所示，在電路中選取3個測試點(diǎn)，分別為out、out1、out2，分別測出這3個點(diǎn)在正常狀態(tài)及各種故障狀態(tài)下的電壓作為BP網(wǎng)絡(luò)的輸入。經(jīng)靈敏度測試，當(dāng)R2、R3、C1、C2發(fā)生變化時，對輸出點(diǎn)的波形影響最為明顯。因此設(shè)定軟故障：R2+50％(F1)、R2-50％(F2)、R3+50％(F3)、R3-50％(F4)、C1+50％(F5)、C1-50％(F6)、C2+50％(F7)、C2-50％(F8)、正常(F0)一共9種故障，故障模式采用n-1表示法，即0為無故障，1為有故障。因?yàn)楦鳒y試點(diǎn)的輸出都是頻響曲線，所以將3個測試點(diǎn)在各種故障狀態(tài)下10 kHz所對應(yīng)的電壓作為輸入向量，故障類型的編碼作為輸出向量，原始樣本集如表1所示，又稱為故障狀態(tài)表。

由于原始樣本中各分量的尺度相差較大，所以需要進(jìn)行數(shù)據(jù)歸一化處理，以恰當(dāng)?shù)姆绞綄?shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理可以加快神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的收斂，提高神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練效果。
此處對原始樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行模糊隸屬處理，采用正態(tài)分布函數(shù)對樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化，其中a為電路正常狀態(tài)下各測試點(diǎn)的特征值，將歸一化后的數(shù)據(jù)作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入。構(gòu)建一個輸入神經(jīng)元數(shù)目為3，輸出神經(jīng)元數(shù)目為8的網(wǎng)絡(luò)，隱層神經(jīng)元的數(shù)目參照美國科學(xué)家Hebb提出的經(jīng)驗(yàn)公式選取，經(jīng)過多次嘗試，最終確定隱層神經(jīng)元數(shù)目為13，即網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為3—13—8。設(shè)定學(xué)習(xí)速度為0．01，訓(xùn)練目標(biāo)為0．01，訓(xùn)練算法采用自適應(yīng)速率的附加動量法，當(dāng)隱層神經(jīng)元數(shù)目為13時，所用的訓(xùn)練次數(shù)為1 011次，訓(xùn)練誤差曲線如圖2所示。

將經(jīng)過歸一化的故障樣本輸入到訓(xùn)練過的BP網(wǎng)絡(luò)中以檢測此網(wǎng)絡(luò)，故障的測試情況如表4所示。根據(jù)電路的特點(diǎn)，取判定閾值為ψ=0．85若>0．85，都視為1，若0．25，都視為0，0．25～0．85之間的視為不能區(qū)分。從表4可以看出，除F7、f8以外，其余的故障模式都能準(zhǔn)確地識別，故障診斷的正確率為78％，實(shí)際診斷時，只需要測出每個測試點(diǎn)在10 kHz對應(yīng)的電壓值即可用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行診斷。