電子信息系統(tǒng)模塊級故障診斷技術(shù)研究

　　0 引言

　　目前，電子信息系統(tǒng)的復(fù)雜化、自動化和信息化程度越來越高，對可靠性、可維修性和技術(shù)保障能力的要求日趨迫切。系統(tǒng)中每一個部件發(fā)生故障都可能會產(chǎn)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，影響系統(tǒng)效能發(fā)揮或造成重大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，電子信息系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)早已得到世界各個發(fā)達(dá)國家相關(guān)部門的重視。電子信息系統(tǒng)的功能電路大部分為模擬電路，許多元件參數(shù)具有很大的離散性，即具有容差。容差的普遍存在，導(dǎo)致實(shí)際故障的模糊性，加大了其故障定位的困難系數(shù)。因此，針對該型電子信息系統(tǒng)的電路原理，綜合運(yùn)用故障字典和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的故障診斷方法，研究某型電子信息系統(tǒng)模塊級故障診斷技術(shù)，具有一定的理論意義和和重要的實(shí)用價值。同時，本文研究的成果可以推廣到其他型號的電子信息系統(tǒng)故障診斷技術(shù)研究。

　　1 故障診斷流程圖和電路仿真

　　1.1 功能模塊級故障診斷流程圖

　　首先對某型電子信息系統(tǒng)需要診斷的電路進(jìn)行仿真，然后將得到的數(shù)據(jù)建成故障字典，最后，在故障字典中找出具有典型性的故障數(shù)據(jù)作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入，利用BP神經(jīng)網(wǎng)將故障定位在具體的元器件上。圖1為模塊級故障診斷流程圖。

　　1.2 電路仿真

　　某型電子信息系統(tǒng)中的典型電路圖如2所示。

　　（1）晶體管的故障模型

　　由于無源元器件如電阻、電容的可靠性較高，發(fā)生故障的概率較小，因此假設(shè)電路中電阻、電容均無故障，只有5個晶體管出現(xiàn)故障。通過對故障晶體管的分析，將其的故障表現(xiàn)歸結(jié)為三類：內(nèi)部短路、內(nèi)部開路、局部擊穿?？紤]到以下的事實(shí)：開路的引腳不能與其他引腳短路、擊穿；兩個引腳開路等效于三個引腳同時開路；兩個PN結(jié)短路，等效于三個引腳同時短路；將三類故障在晶體管的三個引腳、兩個PN結(jié)之間進(jìn)行故障組合后，可歸結(jié)為21種故障類型，見表1.

　　（2）故障近似模型

　　在電路仿真的過程中，對使用最多的雙極型晶體管的近似故障模型進(jìn)行研究，使用一種基于晶體管正常模型--GP 模型為故障近似模型。為使用軟件進(jìn)行故障模擬，下面給出晶體管的故障模型，見圖3.其中故障引腳電阻RC，RB，RE 為晶體管各引腳與電路相應(yīng)節(jié)點(diǎn)間的串聯(lián)電阻；故障結(jié)電阻RBC，RBE，RCE.分別為并聯(lián)于晶體管某兩引腳之間的電阻，用于模擬晶體管PN結(jié)的短路和擊穿。

　　正常情況下，故障引腳電阻RC，RB，RE 阻值近似為零；故障結(jié)電阻RBC，RBE，RCE 阻值為無窮大。仿真時，按如下方法設(shè)置電阻阻值：

　?。?）某引腳開路，對應(yīng)的故障引腳電阻阻值設(shè)置為無窮大，文中設(shè)置為10 000 Ω。

　?。?）某兩引腳短路，對應(yīng)的故障結(jié)電阻阻值設(shè)置為0 Ω（此處為理想值）。

　?。?）某兩引腳擊穿時，對應(yīng)的故障結(jié)電阻阻值設(shè)置為700 Ω（PN結(jié)擊穿后電阻阻值一般在500~1 500 Ω之間）。

　?。?）仿真軟件

　　仿真軟件選擇的是MulTIsim，該軟件操作簡單、快捷，最主要的是它可以直接調(diào)用所需元器件，而不必近似地畫出被測電路的等效電路圖，使得仿真結(jié)果更加接近于真實(shí)值。

　?。?）仿真過程

　　圖4為某型電子信息系統(tǒng)中的典型電路在軟件MulTIsim仿真時的界面圖。

　　2 故障字典的建立

　　（1）故障定義

　　現(xiàn)將圖2電路中與晶體管相關(guān)的106種故障（包括正常狀態(tài)F0）定義列于表2中。表中V代表晶體管，s代表短路，o代表開路，d代表擊穿，b代表基極，e 代表發(fā)射極，c 代表集電極。

　　例如V4ecsbed 就代表第4 個晶體管發(fā)射極和集電極短路，基極和發(fā)射極擊穿［6］。其他故障以此類推。

　　（2）測試量

　　本電路共有106 種情況，即1 個正常情況和105 種個故障情況。在9個測試點(diǎn)上共得到106 &TImes; 9 = 954 個電壓值。模擬圖2進(jìn)行仿真，所得的954個數(shù)據(jù)列于表3.

　　（3）刪除不需要的測試點(diǎn)

　　由表3可見，節(jié)點(diǎn)1上的電壓不提供任何有用的信息，所以將其刪除。節(jié)點(diǎn)6和節(jié)點(diǎn)9上的電壓完全相同，所以刪除節(jié)點(diǎn)9.同一測試點(diǎn)，在兩種故障現(xiàn)象下，被測電壓之差超過0.1 V，則認(rèn)為這兩個故障可分離；若被測電壓之差不超過0.1 V，則認(rèn)為這兩個故障為不可惟一隔離的模糊故障組合。通過分析表中的數(shù)據(jù)，可以看到F2與F4等均為兩個不能唯一隔離的故障。

　　但由于它們皆與晶體管V1有關(guān)，任一故障可通過更換V1來排除，因此，無需進(jìn)一步隔離的必要。類似情況，經(jīng)過整理就得到了一個規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的故障字典列于表4.

　　3 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用

　　基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠出色地解決那些傳統(tǒng)故障診斷方法難以解決的問題，所以某型電子信息系統(tǒng)模塊級故障診斷系統(tǒng)采用故障字典和是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的方法，力求準(zhǔn)確、快速地進(jìn)行功能模塊級故障診斷。

　　3.1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的故障診斷步驟

　　應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)檢測模擬電路故障的基本步驟為：

　　（1）建立故障字典或故障狀態(tài)表。應(yīng)用軟件模擬出對應(yīng)電路的正常狀態(tài)所對應(yīng)得各測試點(diǎn)的理論值，并把它建成一個故障字典或故障狀態(tài)表。

　　（2）建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。把故障字典或狀態(tài)表中的數(shù)據(jù)作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入，按照電路故障特征點(diǎn)的數(shù)目以及所優(yōu)化處理得到的故障輸出類別的數(shù)目建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

　?。?）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練、學(xué)習(xí)。設(shè)定神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)速度、訓(xùn)練方法及相關(guān)參數(shù)，對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行學(xué)習(xí)、訓(xùn)練。

　　（4）利用訓(xùn)練好的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行故障隔離。將電路的故障字典建立在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)之中，網(wǎng)絡(luò)的輸入節(jié)點(diǎn)由電路的可測節(jié)點(diǎn)決定，輸出節(jié)點(diǎn)由故障狀態(tài)的數(shù)目決定。

　　輸出有多少個故障狀態(tài)，輸出層就選用多少個神經(jīng)元，每一種故障狀態(tài)對應(yīng)一個相應(yīng)的神經(jīng)元。診斷是某種狀態(tài)時對應(yīng)的那個神經(jīng)元被激活，輸出其對應(yīng)的編碼。

　　3.2 仿真試驗(yàn)及結(jié)果分析

　?。?）本系統(tǒng)采用故障字典和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合故障診斷技術(shù)研究，采用三層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。通過電路的分析，選擇7個關(guān)鍵點(diǎn)的電壓作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入。選擇6種故障現(xiàn)象作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出模式，因此實(shí)際的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入神經(jīng)元數(shù)為7，輸出神經(jīng)元數(shù)為6，隱含層的單元數(shù)按照前面介紹的公式計(jì)算為9.通過分析看到，在BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出端應(yīng)該有6個節(jié)點(diǎn)，分別對應(yīng)1個無故障和5個故障。網(wǎng)絡(luò)的期望輸出如表5所示。

　　將仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理后，以實(shí)際故障樣本為網(wǎng)絡(luò)的原始訓(xùn)練樣本，網(wǎng)絡(luò)輸入層、隱含層和輸出層節(jié)點(diǎn)數(shù)分別取7、9 和6，系統(tǒng)總誤差E 《 e-15 ，對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行Matlab編程仿真，網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練2 500次，得到如圖5所示的仿真波形。

　　最后，可用仿真得到的其余數(shù)據(jù)驗(yàn)證神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練情況。表6為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的驗(yàn)證數(shù)據(jù)。表7為驗(yàn)證數(shù)據(jù)對應(yīng)的輸出結(jié)果。

　　（2）由三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)組成的診斷系統(tǒng)在進(jìn)行故障診斷時，采取數(shù)據(jù)驅(qū)動的正向推理策略，從初始狀態(tài)出發(fā)，向前推理，到達(dá)目標(biāo)狀態(tài)為止。

　　故障診斷推理步驟如下：

　?、賹⒐收蠘颖据斎虢o輸入層各節(jié)點(diǎn)，并將其作為該層神經(jīng)元的輸出；

　　②求出隱含層神經(jīng)元的輸出并作為輸出層的輸入；

　?、矍蟪鲚敵鰧由窠?jīng)元的輸出；

　?、苡砷撝岛瘮?shù)判定輸出層神經(jīng)元的最終輸出結(jié)果。

　　假設(shè)用Yn 表示故障類型，則故障類型閾值判定函數(shù)為：

　　式中：Φk = 0.90 ，當(dāng)某模式下神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出大于0.90，而其他值均較小時，則可認(rèn)為發(fā)生了該故障。則表7變?yōu)橄鄳?yīng)的表8.

　　通過表8與表5的對比，可見仿真結(jié)果與事實(shí)相符。

　　4 結(jié)語

　　本文針對某型電子信息系統(tǒng)的電路原理，綜合運(yùn)用故障字典和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的故障診斷方法，研究該型電子信息系統(tǒng)模塊級故障診斷技術(shù)，具有一定的理論意義和和重要的實(shí)用價值。同時，本文研究的成果可以推廣到其他型號的電子信息系統(tǒng)故障診斷技術(shù)研究。