基于遺傳小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模擬電路故障診斷方法

楊清志，謝斌

(亳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 亳州 236800)

基于遺傳小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模擬電路故障診斷方法

楊清志，謝斌

(亳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 亳州 236800)

針對(duì)模擬電路故障診斷常用方法各有利弊的現(xiàn)狀，提出了采用遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與小波分析相結(jié)合的診斷方法，通過(guò)在BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)模擬電路進(jìn)行故障診斷過(guò)程中使用小波分析和遺傳算法剔除電路信號(hào)中冗余信息，以提高故障診斷的準(zhǔn)確率及縮短故障診斷時(shí)間.仿真實(shí)例結(jié)果表明該方法在模擬電路故障診斷中不失為一種有效方法.

模擬電路；故障診斷；遺傳算法；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；小波分析

0 引 言

模擬電路故障診斷由于其重要性一直是一個(gè)非常熱門的研究方向，自1960年至今經(jīng)過(guò)50余年的研究與發(fā)展，已取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但仍未達(dá)到成熟階段.雖然在電子整機(jī)中模擬電路所占比例少，但實(shí)際工程應(yīng)用中的作用卻非常重要.隨著科技進(jìn)步，各種電子產(chǎn)品電路設(shè)計(jì)也越來(lái)越復(fù)雜.由于模擬電路自身的復(fù)雜性和多樣性，使得其故障診斷也越來(lái)越困難[1]，目前常用的模擬電路故障診斷方法主要有遺傳算法(Genetic Algorithm)、BP(back-propagation)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、小波變換等.遺傳算法是美國(guó)科學(xué)家J.Holland在1975年最先提出的一種借鑒生物進(jìn)化規(guī)律演化而來(lái)的算法，其優(yōu)點(diǎn)是擅長(zhǎng)于全局尋優(yōu)，適合于處理復(fù)雜的、非線性問(wèn)題[2].BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)采用分層結(jié)構(gòu)，誤差反傳，其分類和記憶能力較好.但BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷大規(guī)模系統(tǒng)芯片時(shí)會(huì)存在網(wǎng)絡(luò)收斂速度慢，容易導(dǎo)致局部極值等缺陷.倘若將遺傳算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，則既可實(shí)現(xiàn)全局尋優(yōu)，亦可局部尋優(yōu)，從而有助于解決模擬電路故障診斷問(wèn)題，此算法也是目前模擬電路故障診斷中比較好的學(xué)習(xí)訓(xùn)練方法.此外，在信號(hào)處理中小波變換分析方法也是國(guó)際公認(rèn)的權(quán)威方法.小波變換是時(shí)域-頻域的局部變換，局部特性較好，且具有多分辨分析特性，在模擬電路故障診斷中可有效實(shí)現(xiàn)樣本訓(xùn)練，完成故障特征采樣.

綜合考慮各種算法的優(yōu)缺點(diǎn)，本文采用基于遺傳算法、小波變換與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)模擬電路故障診斷的研究方法[3].

1 故障診斷理論與方法

1.1 小波變換神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

用小波變換來(lái)分析模擬電路故障是上世紀(jì)80年代提出的，本世紀(jì)開始廣泛使用的一種方法，其局部特性好，適用于在小規(guī)模范圍內(nèi)處理時(shí)頻局部特性.小波變化實(shí)質(zhì)是一個(gè)數(shù)學(xué)函數(shù)的逼近問(wèn)題，是通過(guò)一個(gè)基本函數(shù)的不同尺度平移和伸縮來(lái)實(shí)現(xiàn)的[4]：

(1)

經(jīng)傅里葉變換可得小波頻域表達(dá)式：

(2)

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)即誤差反傳網(wǎng)絡(luò)，用于模擬電路故障診斷相對(duì)較早，主要用在處理大規(guī)模問(wèn)題上，其指導(dǎo)思想是通過(guò)一個(gè)目標(biāo)函數(shù)的最小化來(lái)實(shí)現(xiàn).這個(gè)目標(biāo)函數(shù)是：

(3)

最小化則是通過(guò)梯度下降法來(lái)計(jì)算(詳細(xì)算法見參考文獻(xiàn)[5])：

(4)

而小波分析與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合即為小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[6]，分為三層，小波函數(shù)存在于隱含層，信號(hào)只向前傳遞，而誤差信號(hào)反向傳遞，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1 小波神經(jīng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

它繼承了兩者的優(yōu)點(diǎn)，具有時(shí)-頻局部特性、自主學(xué)習(xí)能力和較強(qiáng)的冗余能力，可用于部分模擬電路故障診斷.但具體應(yīng)用于模擬電路故障診斷問(wèn)題時(shí)還存在一些問(wèn)題，比如收斂速度慢，小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的訓(xùn)練需要技巧，易收斂于局部最小值以及診斷出錯(cuò)等.針對(duì)這些問(wèn)題，采用遺傳算法結(jié)合小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)分析，不失為一種有效的方法.

1.2 遺傳算法

1.2.1 遺傳算法概述

自1975年Michigan教授提出遺傳算法以來(lái)，經(jīng)過(guò)40年的發(fā)展，技術(shù)已經(jīng)比較成熟，目前廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域故障診斷的難題.該算法是從選擇、交叉和變異三個(gè)算子中對(duì)參數(shù)編碼字符串進(jìn)行不斷的尋優(yōu)，選用的目標(biāo)函數(shù)不需連續(xù)、可導(dǎo)，其問(wèn)題的解決總是不斷的進(jìn)行復(fù)制、交叉和變異，直至得到全局最優(yōu)解[7].但遺傳算法的最大缺點(diǎn)是未成熟便收斂.而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)點(diǎn)在于信息的自組織、自學(xué)習(xí)能力強(qiáng)，可以通過(guò)結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)改進(jìn)算法使其具有很好自學(xué)習(xí)能力和魯棒性，既能實(shí)現(xiàn)遺傳算法的全局尋優(yōu)能力，又具有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn):魯棒性和學(xué)習(xí)能力強(qiáng).基于上述原因，本文采用了遺傳算法優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)模擬電路故障的診斷.

1.2.2 遺傳算法優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由于其數(shù)學(xué)描述精確、處理過(guò)程清晰、自主學(xué)習(xí)能力強(qiáng)、方法易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛用于故障診斷[8].但隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展，電路故障診斷越來(lái)越復(fù)雜，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逐漸暴露出收斂速度慢，極其容易陷入局部最優(yōu)值等缺陷.而遺傳算法是基于全局優(yōu)化算法，采用遺傳算法優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合兩者各自優(yōu)點(diǎn)：利用自然選擇和自然遺傳設(shè)計(jì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以尋找網(wǎng)絡(luò)最優(yōu)連接權(quán).同時(shí)也能夠獲得最好的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，處理問(wèn)題時(shí)避免冗余信息的干擾從而大大提高問(wèn)題解決能力，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)不需依靠成熟的經(jīng)驗(yàn).因此，優(yōu)化的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)絕大多數(shù)模擬電路故障的診斷.利用遺傳算法優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)流程圖如圖2所示：

圖2 遺傳算法優(yōu)化BP網(wǎng)絡(luò)算法流程

1.2.3 基于遺傳小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模擬電路故障診斷算法

用遺傳算法來(lái)優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，就是模擬生物的遺傳和進(jìn)化理論，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值和閾值進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，作為遺傳基因組合成染色體(每條染色體都與一個(gè)權(quán)值-閾值組合體對(duì)應(yīng)).然后對(duì)染色體多次交叉、變異，“優(yōu)勝劣汰”，直至尋得小于預(yù)定網(wǎng)絡(luò)誤差的染色體.遺傳算法擅長(zhǎng)全局搜索，但此進(jìn)化方法在速度上要遜于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法或其它的訓(xùn)練算法.而BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法擅長(zhǎng)局部搜索，故將遺傳算法與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法結(jié)合，進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的混合訓(xùn)練是一可行的途徑，充分利用遺傳算法全局性特點(diǎn)去搜尋最佳的網(wǎng)絡(luò)連接權(quán)和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu).例如網(wǎng)絡(luò)的隱節(jié)點(diǎn)數(shù)、隱層數(shù)等.最后再利用小波變化的方法，來(lái)進(jìn)行模擬電路故障診斷的數(shù)學(xué)描述.

這種利用小波變換，遺傳算法及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的模擬電路故障診斷流程如圖3所示.

圖3 遺傳小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)故障診斷流程圖

2 故障診斷實(shí)例

為了驗(yàn)證該方法的有效性,對(duì)圖4所示的的L-F濾波器進(jìn)行電路故障診斷與測(cè)試.電路圖中各元件參數(shù)標(biāo)稱值:R1=R2=…R13=10kΩ,C1=C4=0.01μF,C2=C3=0.02μF，電路故障診斷過(guò)程如下：

圖4 L-F濾波器電路

步驟1，建立故障狀態(tài)表：采用PSPISE對(duì)待測(cè)電路進(jìn)行瞬態(tài)分析，選取該電路Vin為測(cè)試信號(hào)輸入點(diǎn),Vout為電路響應(yīng)測(cè)試節(jié)點(diǎn),選幅值為10伏的激勵(lì)源作為測(cè)試信號(hào)對(duì)正常狀態(tài)的L-F濾波器電路進(jìn)行交流分析, 得到正常狀態(tài)下及各種故障狀態(tài)下各測(cè)試節(jié)點(diǎn)的電壓值；

步驟2，樣本集的訓(xùn)練：通過(guò)PSPISE軟件仿真可知，元器件R1、R2、R4、R5和C2數(shù)值發(fā)生變化時(shí),對(duì)電路輸出的波形造成明顯影響，考慮軟故障:R1+50%(F1)、R1-50%(F2)、R2+50%(F3)、R2-50%(F4)、R4+50%(F5)、R4-50%(F6)、R5+50%(F7)、R5-50%(F8)和C2+50%(F9)、C2-50%(F10)，共10種故障模式，0(正常)、1(故障).如輸出為:1000000000表示故障R1+50%，其它元器件正常；0000000000表示電路狀態(tài)正常.通過(guò)故障模式頻率響應(yīng)曲線仿真出相應(yīng)電壓值(原始故障特征值)作為樣本輸入向量，故障類型對(duì)應(yīng)編碼作為樣本輸出向量，輸入向量與輸出向量對(duì)應(yīng)的即為原始樣本集,見表1.

表1 原始樣本集

故障模式輸入向量V0．1KV1KV1．5KV2KV3K輸出向量故障類型正常5．00004．96263．37271．20370．20730000000000F0R1+50%3．33333．31172．20180．73200．13141000000000F1R1-50%10．0009．91906．51692．24060．43240100000000F2R2+50%6．00005．98704．55151．26120．21390010000000F3R2-50%3．33123．25311．25640．70740．15300001000000F4R4+50%3．99813．93712．23460．74460．14100000100000F5R4-50%6．66956．39795．36032．83530．47320000010000F6R5+50%4．99894．85824．55391．94490．34920000001000F7R5-50%4．98983．47651．27640．43740．09320000000100F8C2+50%4．99814．35631．96520．62750．12250000000010F9C2-50%4．99754．65084．50323．05570．52910000000001F10

步驟3，利用遺傳算法對(duì)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化：BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)采用原始樣本集訓(xùn)練會(huì)影響到準(zhǔn)確率和樣本訓(xùn)練速度，電路故障診斷中通常采用歸一化處理，得到如表2所示的特征向量.此輸入向量作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入序列，故障模式對(duì)應(yīng)的編碼作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出序列，構(gòu)造電路故障診斷所需的網(wǎng)絡(luò)樣本集，亦即建立故障字典.

表2 歸一化的樣本集

故障模式輸入向量輸出向量故障類型正常0．49530．49150．33100．11210．01150000000000F0R1+50%0．32710．32490．21280．06450．00391000000000F1R1-50%1．00000．99180．64840．21680．03420100000000F2R2+50%0．59620．59490．45000．11790．01220010000000F3R2-50%0．32680．31900．11740．06200．00600001000000F4R4+50%0．39420．38800．21620．06580．00480000100000F5R4-50%0．66380．63640．53170．27680．03840000010000F6R5+50%0．49520．48100．45030．18690．02580000001000F7R5-50%0．49430．34150．11940．034700000000100F8C2+50%0．49510．43030．18900．05390．00300000000010F9C2-50%0．49500．46000．44510．29900．04400000000001F10

步驟4，用訓(xùn)練好的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)測(cè)試樣本分類，完成在故障字典中的自動(dòng)查詢.

為了驗(yàn)證本文所提出遺傳算法優(yōu)化的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模擬電路故障診斷能力，用遺傳算法優(yōu)化的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)圖2中的L-F濾波器電路進(jìn)行樣本集訓(xùn)練，然后用訓(xùn)練好的故障特征樣本集來(lái)診斷其測(cè)試樣本集，遺傳算法中選擇種群規(guī)模為100，進(jìn)化代數(shù)為80，BP算法采用中動(dòng)量系數(shù)為0.95，學(xué)習(xí)速度為0.01.用該方法進(jìn)行樣本診斷的部分結(jié)果如表3所示.由表3可見，本方法繼承了BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)故障分類能力的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)樣本訓(xùn)練時(shí)間大大縮短，收斂速度明顯快于傳統(tǒng)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò).

表3 故障診斷結(jié)果

樣本輸入0．49510．99980．32670．49410．49490．49180．99210．31870．34170．43040．33090．64820．11720．11910．18870．11180．21710．06180．03500．05420．01190．03430．00570．00100．0029樣本輸出-0．01330．98220．0148-0．01590．0298-0．02600．00860．00820．0064-0．00190．25950．02780．87220．0495-0．09770．0529-0．00110．00070．02390．00770．23760．0164-0．1110-0．00310．0033-0．1291-0．02740．05700．00360．1432-0．12910．0007-0．05210．9308-0．04090．0895-0．0075-0．00890．0165-0．02250．19730．0142-0．07930．0779-0．05190．02460．0123-0．02960．02080．8990診斷結(jié)果F0F2F4F8F9

3 結(jié) 論

本文針對(duì)傳統(tǒng)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)模擬電路故障診斷的不足，提出遺傳算法優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)故障診斷.該方法保留BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)故障診斷的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)全局尋優(yōu)，同時(shí)簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，縮短了樣本訓(xùn)練的時(shí)間，避免了依賴于經(jīng)驗(yàn)選擇網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的不足，從而提高故障識(shí)別能力和速度，改善了電路故障診斷的精度.診斷實(shí)例表明遺傳算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合實(shí)現(xiàn)模擬電路故障的診斷，具有較高的故障診斷率和較快的收斂速度，在實(shí)際工程中具有一定的應(yīng)用價(jià)值.

[1]崔金魁，胡國(guó)兵，于新剛.模擬電路故障診斷的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方法綜述[J].電子科技，2014(02)：134.

[2]李敏強(qiáng),寇紀(jì)淞,李丹,等.遺傳算法的基本理論與應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社,2002.

[3]彭良玉，王恒華.基于小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模擬電路故障診斷方法及LabVIEW實(shí)現(xiàn)[J].微電子學(xué)與計(jì)算機(jī)，2013(05)：72-75.

[4]李權(quán),趙晉芳.幾種圖像去噪算法研究[J].商丘師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2015(03)：30.

[5]譚檢平.基于遺傳算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模擬電路故障診斷方法研究[D].長(zhǎng)沙：湖南師范大學(xué)，2014：15-16.

[6]邢廣成,強(qiáng)天偉.人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展與應(yīng)用[J].科技風(fēng) ,2012(15)：65-66.

[7李倩,方木云, 吳元.基于改進(jìn)遺傳算法的多項(xiàng)目網(wǎng)絡(luò)資源優(yōu)化[J].商丘師范學(xué)院學(xué)報(bào),2011(12):68.

[8]馬成才，顧曉東.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)組與故障分級(jí)的故障診斷[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù),2009(01):225.

[責(zé)任編輯：王軍]

A fault diagnosis method for analog circuits based on genetic wavelet neural network

YANG Qingzhi, XIE Bin

(Bozhou Vocational and Technical College,Bozhou 236800,China)

In view of the current situation of the common method in fault diagnosis for analog circuits, each has advantages and disadvantages, the fault diagnosis method based on genetic algorithm, neural network and wavelet analysis is proposed, and the redundancy information is used to improve the accuracy of fault diagnosis and to shorten the time of fault diagnosis by using wavelet analysis and genetic algorithm in BP neural network.The simulation results show that the method is an effective method in fault diagnosis of analog circuits.

analoguc circuits； fault diagnosis；genetic algorithm； neural networks；Wavelet analysis

2015-09-23;

2015-10-14

安徽省2013高等教育振興計(jì)劃(No.2013cgtg040)

楊清志(1974—)，男，安徽肥東人，亳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，工程師，碩士，主要從事電路與系統(tǒng)的研究.

TM13

A

1672-3600(2015)12-0051-05