現代模擬電路智能故障診斷方法研究與發(fā)展

摘要：對系統可靠性和經(jīng)濟性要求的提高使得模擬電路故障診斷的重要性日益凸顯。首先在介紹了模擬電路故障原因及分類(lèi)的基礎上，詳細分析了模擬電路故障診斷的特點(diǎn)。針對傳統診斷方法的不足之處，介紹了基于人工智能和現代信息信號處理的現代故障診斷方法，包括專(zhuān)家系統診斷方法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )診斷方法、模糊診斷方法和基于核的診斷方法，同時(shí)系統地分析了每種方法的基本原理、優(yōu)缺點(diǎn)、研究進(jìn)展和典型應用。最后探討了目前模擬電路故障診斷研究存在的問(wèn)題和未來(lái)的發(fā)展方向。
關(guān)鍵詞：模擬電路；故障診斷；人工智能；機器學(xué)習；核方法

電子設備廣泛應用于航天航空、通信、測量、自動(dòng)控制、醫療器械等各個(gè)領(lǐng)域，其運行環(huán)境多種多樣，如高溫、高電磁干擾、高濕度、高輻射和振動(dòng)等，有時(shí)甚至會(huì )經(jīng)歷兩個(gè)極端的變化過(guò)程(例如，從超高溫到超低溫)。越是惡劣的運行環(huán)境，就越是要求更高的可靠性，如核電設備的控制系統、衛星的姿態(tài)控制系統等對于可靠性有著(zhù)近乎苛刻的要求。這就要求我們不斷研究新的方法和技術(shù)，進(jìn)一步提高電子設備的可靠性，在發(fā)生故障后能夠及時(shí)地檢測、隔離、診斷故障。通過(guò)對電路進(jìn)行監測、診斷并預測其發(fā)展趨勢，可確保我們采取不同的應對措施對其進(jìn)行有效的保養或維修，使其始終處于安全、經(jīng)濟、穩定的運行狀態(tài)。
電子設備中的電路系統分為模擬電路和數字電路兩個(gè)部分，客觀(guān)世界信號的本質(zhì)決定了模擬電路在電子設備中的不可替代性，因此即使在數字電路充分發(fā)展的今天，模擬電路仍然廣泛應用于科研、生產(chǎn)、生活的各領(lǐng)域。理論分析和長(cháng)期的實(shí)際使用經(jīng)驗均表明，模擬電路比數字電路更容易出現故障，因此模擬電路的可靠性決定了整個(gè)電子系統的可靠性。

1 模擬電路故障產(chǎn)生原因及分類(lèi)
模擬電路故障可以定義為任何偏離元件標稱(chēng)值，并且使得整個(gè)電路發(fā)生異常的現象。模擬電路產(chǎn)生故障的原因通常來(lái)自設計、制造和使用這3個(gè)階段。有些故障是由于元器件在設計過(guò)程中沒(méi)有考慮到特殊的工作環(huán)境造成的，如高溫、高輻射環(huán)境；有些故障是由于制造工藝缺陷造成的，如氧化厚度不足、封裝缺陷；有些故障是由于元器件使用時(shí)間過(guò)長(cháng)造成的，如元器件老化、磨損等。
電路故障有多種不同的分類(lèi)形式，通常是按照元件參數值偏離其標稱(chēng)值的程度劃分為軟故障(Soft Faults)和硬故障(Hard Faults)兩類(lèi)。軟故障是指元件的參數隨著(zhù)時(shí)間或者環(huán)境條件的影響而偏離至不能允許的程度，從而導致了系統性能的異?；驉夯?。元件軟故障通常不會(huì )導致電路網(wǎng)絡(luò )拓撲結構的改變，大多不會(huì )對電路功能造成重要影響。硬故障又稱(chēng)災難性故障，是指元件的參數突然發(fā)生很大的變化(如元件的短路、開(kāi)路等)，從而導致系統嚴重失效，甚至完全癱瘓。硬故障是一種結構性的破壞，它破壞了電路的拓撲結構，使電路功能失效。硬故障從本質(zhì)上可以看作是軟故障的某種特例，即元件參數變化的兩種極端情況：極大值(開(kāi)路)和極小值(短路)。圖1為模擬電路故障所導致的系統性能參數的變化示意圖，不同應用場(chǎng)合其性能參數變化是不同的。

區分元件參數值偏離其容差范圍所引起的故障類(lèi)型原則是：實(shí)際元件參數值是否大于其標稱(chēng)值的10倍或者小于其標稱(chēng)值的0．1倍。電路元件值的變化引起故障類(lèi)型的變化示意圖如圖2所示。從圖中可以看到，當元件參數在之內時(shí)，認為是軟故障，在此之外則認為發(fā)生了硬故障，其中為元件的標稱(chēng)值，為元件的容差范圍。

如果按照電路中同時(shí)發(fā)生故障元件的個(gè)數來(lái)劃分，還可以分為單故障(Single Fault)和多故障(Multiple Fauhs)兩種情況。通常單故障發(fā)生的概率在80％左右，發(fā)生多故障的概率較低。從故障在電路中隨時(shí)間的表現形式來(lái)看，可分為持久故障(短路、開(kāi)路等)和間歇故障(接觸不良等)。