模擬電路故障診斷中的特征信息提取

孫興(安徽新華學院,安徽 合肥 230088)

近年來，模擬電路的故障診斷中神經(jīng)網(wǎng)絡的運用越來越廣泛，電路故障特征信息是神經(jīng)網(wǎng)絡輸入，直接影響著網(wǎng)絡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，通過提取每個測試點在各種故障狀態(tài)下的單一特征信息，以此作為神經(jīng)網(wǎng)絡的輸入；也可從電路的輸出響應曲線中提取若干參數(shù)對應的信息作為故障特征，當電路出現(xiàn)故障時，輸出響應曲線與正常狀態(tài)有所差異，對應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)絡的輸入。在這兩種方法的基礎之上，提出基于多測試點多特征信息的方法，重點在于構(gòu)造故障樣本集。通過仿真并將3種方法進行比較表明，多測試點多特征信息方法構(gòu)造出來的樣本集能更好地反映故障模式，訓練出來的網(wǎng)絡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

電路中測試點的選取依據(jù)電路靈敏度的分析。顯然測試點越多，數(shù)據(jù)量越大，需要根據(jù)電路的復雜程度和計算量、時間綜合考慮，仿真實驗表明，取3～4個測試點較好。

仿真電路選取Sallen-Key二階帶通濾波器，各元件的標稱值為：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，分別為out、out1、out2，分別測出這3個點在正常狀態(tài)及各種故障狀態(tài)下的電壓作為BP網(wǎng)絡的輸入。經(jīng)靈敏度測試，當R2、R3、C1、C2發(fā)生變化時，對輸出點的波形影響最為明顯。因此設定軟故障：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。因為各測試點的輸出都是頻響曲線，所以將3個測試點在各種故障狀態(tài)下10 kHz所對應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，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，所以需要進行數(shù)據(jù)歸一化處理，以恰當?shù)姆绞綄?shù)據(jù)進行歸一化處理可以加快神經(jīng)網(wǎng)絡的收斂，提高神經(jīng)網(wǎng)絡的訓練效果。

此處對原始樣本數(shù)據(jù)進行模糊隸屬處理，采用正態(tài)分布函數(shù)對樣本數(shù)據(jù)進行歸一化，其中a為電路正常狀態(tài)下各測試點的特征值，將歸一化后的數(shù)據(jù)作為神經(jīng)網(wǎng)絡的輸入。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，隱層神經(jīng)元的數(shù)目參照美國科學家Hebb提出的經(jīng)驗公式選取，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)絡結(jié)構(gòu)為3—13—8。設定學習速度為0.01，訓練目標為0.01，訓練算法采用自適應速率的附加動量法，當隱層神經(jīng)元數(shù)目為13時，所用的訓練次數(shù)為1 011次，訓練誤差曲線。

將經(jīng)過歸一化的故障樣本輸入到訓練過的BP網(wǎng)絡中以檢測此網(wǎng)絡，故障的測試情況如表4所示。根據(jù)電路的特點，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確地識別，故障診斷的正確率為78%，實際診斷時，只需要測出每個測試點在10 kHz對應的電壓值即可用神經(jīng)網(wǎng)絡進行診斷。

2 多特征信息構(gòu)造樣本集

同樣對于Sallen—Key二階帶通濾波器，從輸出頻響曲線上提取4個頻率(5 kHz，10 kHz，15 kHz，30 kHz)對應的電壓值作為該電路正常時的原始特征值，當電路出現(xiàn)故障時，就可以通過提取頻響曲線原始故障特征值來反映該元器件是否發(fā)生故障，構(gòu)造原始樣本集。

將數(shù)據(jù)進行歸一化，然后按照與方法一相同的網(wǎng)絡進行訓練，經(jīng)過307次達到訓練目標，故障測試情況。故障模式F0與F1無法區(qū)分，說明R2+50%這個故障模式與正常模式的故障特征相互重疊，同時也看到故障模式F2的故障特征表示的不夠明顯，以至于沒能達到診斷的閾值，其余故障模式都能準確識別，識別正確率為67%。

3 多測試點多特征信息構(gòu)造樣本集

結(jié)合上面兩種方法，提出一種多測試點多故障特征量的模擬電路故障診斷方法。

為了與上面兩種方法進行比較，依然選取相同的電路和相同的故障集，選取方法一中的3個測試點，每個測試點在每種故障狀態(tài)下分別提取V5k，V10k，V15k，所對應的電壓作為故障特征值，由于篇幅有限，只列出部分故障模式的原始樣本集。

依然采用正態(tài)分布函數(shù)對數(shù)據(jù)進行歸一化，歸一化時，每種頻率對應的正常狀態(tài)下的特征值為a，其余故障模式按照對應的頻率分別進行歸一化，將上述數(shù)據(jù)經(jīng)過同樣的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)進行訓練，神經(jīng)網(wǎng)絡采用L—M算法，網(wǎng)絡經(jīng)過101次訓練達到目標。為與方法一和方法二比較，將歸一化后的原始樣本數(shù)據(jù)輸入訓練過的網(wǎng)絡中，檢查網(wǎng)絡的故障識別率，判定閾值不變。輸出結(jié)果。

在所有的訓練樣本集中，只有4個樣本在經(jīng)過訓練后無法識別，此時訓練好的神經(jīng)網(wǎng)絡識別正確率為85%。說明此方法構(gòu)造的樣本集能更好的反映故障特征。將此方法與前面兩種方法對比，在網(wǎng)絡訓練目標相同的前提下，對比故障識別正確率。

4 結(jié)束語

通過比較可以發(fā)現(xiàn)，在神經(jīng)網(wǎng)絡訓練目標相同的前提下，通過多測試點多特征信息構(gòu)造出來的樣本集所訓練的神經(jīng)網(wǎng)絡對故障識別正確率高于前兩種方法，這種多測試點多特征信息的診斷方法，在構(gòu)造原始故障樣本集上盡可能地覆蓋更多的故障信息，使得故障特征能更好地反映故障模式，因此訓練出來的神經(jīng)網(wǎng)絡的診斷能力更強，仿真結(jié)果表明，此方法在模擬電路的故障診斷中是可行的，提供了一種樣本集的構(gòu)造方法，對模擬電路的故障診斷有著一定的意義。