基于電路仿真的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)故障診斷技術(shù)研究*

楊 健 馮 楠 劉劍超 李 靜

(海軍航空工程學院研究生管理大隊1) 煙臺 264001)(山東師范大學信息科學與工程學院2) 濟南 250014)

1 引言

末制導雷達是某型導彈武器系統(tǒng)的重要設(shè)備之一,用于導彈在飛行末段對目標艦艇進行自動搜索、捕捉、跟蹤和形成導引指令,以引導導彈精確地擊中目標。導彈能否直接命中目標,末制導雷達起著十分關(guān)鍵的作用[1]。因此當其不能正常工作或指標超出正常范圍時,要對其進行測試,并根據(jù)測試結(jié)果進行故障隔離與故障定位。本文以接收組合中的和路視頻放大器電路為例進行分析。

2 電路分析

和路視頻放大器電路如圖1所示。

圖1 和路視頻放大器電路圖

2.1 電路描述

該和路視頻放大器電路共有12個電阻、6個電容、5個晶體管、1種電源 +30V,1路視頻 ,3路輸出分別送至回波檢查、AGC電路和抗干擾電路,9個測試節(jié)點和1種電源。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)和路視頻放大器電路中電阻、電容均無故障,只有5個晶體管出現(xiàn)故障。

2.2 輸入激勵及測試點設(shè)定

視頻輸入節(jié)點上允許施加兩種激勵信號,分別為U1和U2。U1為+4V直流電壓,U2為幅值2.7V,周期 500μ s的正極性脈沖信號源。這里只就U1的情況進行討論。

該放大器中的元器件種類較多,但無源元器件如電阻、電容的可靠性較高,發(fā)生故障的概率較小,而晶體管發(fā)生故障的概率較大,是關(guān)鍵器件。因此,將測試點主要設(shè)于圖中五個晶體管的引腳處,具體設(shè)置如圖1所示。

圖2 晶體管近似故障模型

2.3 故障模型

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[2]。為使用軟件進行故障模擬,下面給出晶體管的故障模型,見表1。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。

表1 晶體管故障表

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:

1)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10000Ω。

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

3)某兩引腳擊穿時,對應(yīng)的故障結(jié)電阻阻值設(shè)置為700Ω(PN結(jié)擊穿后電阻阻值一般在500～1500Ω之間)。

3 電路仿真[2]

3.1 故障定義

圖1電路中與晶體管相關(guān)的共有106種故障(包括正常狀態(tài)F0),由于篇幅有限,列舉部分故障于表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。

表2 電路部分故障定義

3.2 電路仿真

某型末制導雷達接收組合中的和路視頻放大器在用軟件Multisim仿真時施加激勵U1的界面圖如圖3所示。

由表1可知本電路共有106種情況,即1個正常情況和105種個故障情況。在9個測試點上共得到106×9=954個電壓值。通過分析測得數(shù)據(jù)可知,節(jié)點1上的電壓對所列106種故障不提供任何有用的信息,始終保持4V電壓,所以將其刪除。節(jié)點6和節(jié)點9上的電壓完全相同,所以刪除節(jié)點9。同一測試點,在兩種故障現(xiàn)象下,被測電壓之差超過0.1V,則認為這兩個故障可分離;若被測電壓之差不超過0.1V,則認為這兩個故障為不可唯一隔離的模糊故障組合。通過分析測得數(shù)據(jù),F1與F13,F2與F4,F5與F16,F6與F20,F7與F18,F11與F15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),任一個故障可通過更換V1來排除,因此,無需進一步隔離的必要[3]。與其余4個晶體管有關(guān)但不能彼此隔離的模糊故障與此類似。這樣,經(jīng)過整理就得到一個規(guī)范標準的故障字典。

圖3 激勵為U1的仿真圖

3.3 故障隔離

故障字典中的結(jié)果只能檢測出有無故障,并沒有隔離各故障,這是因為存在著模糊組合的緣故。由于通過電路仿真進行故障模擬時,非線性器件的表達式難免與被診斷器件的特性不完全一致,上述測試點電壓都是假定某個元器件值是精確的,而且PN結(jié)的正向壓降實際上小于0.7V,因此故障字典中的節(jié)點電壓總不免有些偏差;另外,由于待測電路中無故障元器件的容差等因素,所測得的節(jié)點電壓也不免有偏差。為了最大程度的仿真電路的真實狀態(tài),通過設(shè)定在允許范圍內(nèi)的電阻、電容及晶體管PN結(jié)正向壓降的不同值,又可得到每種故障的十組數(shù)據(jù),篇幅所限,這里不再列舉。

簡單地說,被測電路可視為只有六種故障,即正常狀態(tài)、第一個晶體管故障、第二個晶體管故障、第三個晶體管故障、第四個晶體管故障和第五個晶體管故障。由于對所有的故障統(tǒng)統(tǒng)進行詳細的分析過于繁瑣,同時現(xiàn)實意義也不大。因此,本文通過對所得大量數(shù)據(jù)的分析得出結(jié)論:即基極斷開是所有故障中最具代表性的一種故障,可以將晶體管基極斷開故障看成是所在晶體管最主要的故障。這樣做既符合事實規(guī)律,又可大大減小故障定位的難度,具有一定現(xiàn)實意義[3]。

4 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用

4.1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的故障診斷步驟[4]

1)建立故障字典或故障狀態(tài)表。測前完成故障狀態(tài)點的選擇和測試點的選擇。應(yīng)用軟件模擬出電路對應(yīng)各狀態(tài)對應(yīng)各測試點的理論值,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)。

3)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓練、學習。設(shè)定神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學習速度、訓練方法及相關(guān)參數(shù),對網(wǎng)絡(luò)進行學習、訓練。

4)利用訓練好的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行故障隔離。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)點由電路的可測節(jié)點決定,輸出節(jié)點由故障狀態(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。

4.2 仿真實驗

和路視頻放大器電路中設(shè)置了9個測試節(jié)點,但是節(jié)點1和9不能提供有用的信息,將這兩個節(jié)點刪去,則為7個關(guān)鍵測試點。選擇6種故障現(xiàn)象作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出模式,如表3所示,因此實際的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入神經(jīng)元個數(shù)為7,輸出神經(jīng)元個數(shù)為6,隱含層節(jié)點數(shù)p的選擇目前沒有統(tǒng)一的規(guī)則,一般可以選為:

其中,α取1～10,m、q分別為輸入和輸出層節(jié)點數(shù)。經(jīng)過實驗,確定隱含層神經(jīng)元個數(shù)為9。

表3 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出

這種集成的電路仿真所得故障樣本數(shù)據(jù)經(jīng)過歸一化處理后作為網(wǎng)絡(luò)的原始訓練樣本,系統(tǒng)總誤差E＜15,采用Matlab編程實現(xiàn),網(wǎng)絡(luò)訓練 2500次,得到如圖4所示的仿真波形。

4.3 結(jié)果驗證

可利用電路仿真得到的其余數(shù)據(jù)驗證神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓練情況,如表4所示。

通過表3與表4的對比,可見仿真結(jié)果與事實相符。

圖4 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)仿真波形

表4 驗證數(shù)據(jù)對應(yīng)的輸出結(jié)果

5 結(jié)語

本文提出一種基于電路仿真獲取故障樣本數(shù)據(jù),以之訓練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用來進行故障診斷的方法,實驗證明了此種方法的有效性,值得進一步研究。

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