電子信息系統模塊級故障診斷技術(shù)研究

　　0 引言

　　目前，電子信息系統的復雜化、自動(dòng)化和信息化程度越來(lái)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。系統中每一個(gè)部件發(fā)生故障都可能會(huì )產(chǎn)生鏈式反應，影響系統效能發(fā)揮或造成重大的經(jīng)濟損失。因此，電子信息系統的狀態(tài)監測與故障診斷技術(shù)早已得到世界各個(gè)發(fā)達國家相關(guān)部門(mén)的重視。電子信息系統的功能電路大部分為模擬電路，許多元件參數具有很大的離散性，即具有容差。容差的普遍存在，導致實(shí)際故障的模糊性，加大了其故障定位的困難系數。因此，針對該型電子信息系統的電路原理，綜合運用故障字典和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )相結合的故障診斷方法，研究某型電子信息系統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(jià)值。同時(shí)，本文研究的成果可以推廣到其他型號的電子信息系統故障診斷技術(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需要診斷的電路進(jìn)行仿真，然后將得到的數據建成故障字典，最后，在故障字典中找出具有典型性的故障數據作為神經(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

　　某型電子信息系統中的典型電路圖如2所示。

　　（1）晶體管的故障模型

　　由于無(wú)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，因此假設電路中電阻、電容均無(wú)故障，只有5個(gè)晶體管出現故障。通過(guò)對故障晶體管的分析，將其的故障表現歸結為三類(lèi)：內部短路、內部開(kāi)路、局部擊穿?？紤]到以下的事實(shí)：開(kāi)路的引腳不能與其他引腳短路、擊穿；兩個(gè)引腳開(kāi)路等效于三個(gè)引腳同時(shí)開(kāi)路；兩個(gè)PN結短路，等效于三個(gè)引腳同時(shí)短路；將三類(lèi)故障在晶體管的三個(gè)引腳、兩個(gè)PN結之間進(jìn)行故障組合后，可歸結為21種故障類(lèi)型，見(jiàn)表1.

　　（2）故障近似模型

　　在電路仿真的過(guò)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(jiàn)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節點(diǎn)間的串聯(lián)電阻；故障結電阻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；故障結電阻RBC，RBE，RCE 阻值為無(wú)窮大。仿真時(shí)，按如下方法設置電阻阻值：

　?。?）某引腳開(kāi)路，對應的故障引腳電阻阻值設置為無(wú)窮大，文中設置為10 000 Ω。

　?。?）某兩引腳短路，對應的故障結電阻阻值設置為0 Ω（此處為理想值）。

　?。?）某兩引腳擊穿時(shí)，對應的故障結電阻阻值設置為700 Ω（PN結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(jiǎn)單、快捷，最主要的是它可以直接調用所需元器件，而不必近似地畫(huà)出被測電路的等效電路圖，使得仿真結果更加接近于真實(shí)值。

　?。?）仿真過(guò)程

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

　　2 故障字典的建立

　　（1）故障定義

　　現將圖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(kāi)路，d代表?yè)舸?，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(gè)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(lèi)推。

　　（2）測試量

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

　　（3）刪除不需要的測試點(diǎn)

　　由表3可見(jiàn)，節點(diǎn)1上的電壓不提供任何有用的信息，所以將其刪除。節點(diǎn)6和節點(diǎn)9上的電壓完全相同，所以刪除節點(diǎn)9.同一測試點(diǎn)，在兩種故障現象下，被測電壓之差超過(guò)0.1 V，則認為這兩個(gè)故障可分離；若被測電壓之差不超過(guò)0.1 V，則認為這兩個(gè)故障為不可惟一隔離的模糊故障組合。通過(guò)分析表中的數據，可以看到F2與F4等均為兩個(gè)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(guò)更換V1來(lái)排除，因此，無(wú)需進(jìn)一步隔離的必要。類(lèi)似情況，經(jīng)過(guò)整理就得到了一個(gè)規范標準的故障字典列于表4.

　　3 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的應用

　　基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )能夠出色地解決那些傳統故障診斷方法難以解決的問(wèn)題，所以某型電子信息系統模塊級故障診斷系統采用故障字典和是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )相結合的方法，力求準確、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

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

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

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

　?。?）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的訓練、學(xué)習。設定神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )學(xué)習速度、訓練方法及相關(guān)參數，對網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行學(xué)習、訓練。

　?。?）利用訓練好的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 )的輸入節點(diǎn)由電路的可測節點(diǎn)決定，輸出節點(diǎn)由故障狀態(tài)的數目決定。

　　輸出有多少個(gè)故障狀態(tài)，輸出層就選用多少個(gè)神經(jīng)元，每一種故障狀態(tài)對應一個(gè)相應的神經(jīng)元。診斷是某種狀態(tài)時(shí)對應的那個(gè)神經(jīng)元被激活，輸出其對應的編碼。

　　3.2 仿真試驗及結果分析

　?。?）本系統采用故障字典和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )相結合故障診斷技術(shù)研究，采用三層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )。通過(guò)電路的分析，選擇7個(gè)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)元數為7，輸出神經(jīng)元數為6，隱含層的單元數按照前面介紹的公式計算為9.通過(guò)分析看到，在BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的輸出端應該有6個(gè)節點(diǎn)，分別對應1個(gè)無(wú)故障和5個(gè)故障。網(wǎng)絡(luò )的期望輸出如表5所示。

　　將仿真數據進(jìn)行歸一化處理后，以實(shí)際故障樣本為網(wǎng)絡(luò )的原始訓練樣本，網(wǎng)絡(luò )輸入層、隱含層和輸出層節點(diǎn)數分別取7、9 和6，系統總誤差E 《 e-15 ，對網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行Matlab編程仿真，網(wǎng)絡(luò )訓練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據驗證神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的訓練情況。表6為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的驗證數據。表7為驗證數據對應的輸出結果。

　?。?）由三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )組成的診斷系統在進(jìn)行故障診斷時(shí)，采取數據驅動(dòng)的正向推理策略，從初始狀態(tài)出發(fā)，向前推理，到達目標狀態(tài)為止。

　　故障診斷推理步驟如下：

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

　?、谇蟪鲭[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；

　?、苡砷撝岛瘮蹬卸ㄝ敵鰧由窠?jīng)元的最終輸出結果。

　　假設用Yn 表示故障類(lèi)型，則故障類(lèi)型閾值判定函數為：

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

　　通過(guò)表8與表5的對比，可見(jiàn)仿真結果與事實(shí)相符。

　　4 結語(yǔ)

　　本文針對某型電子信息系統的電路原理，綜合運用故障字典和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )相結合的故障診斷方法，研究該型電子信息系統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(jià)值。同時(shí)，本文研究的成果可以推廣到其他型號的電子信息系統故障診斷技術(shù)研究。