模擬電路故障診斷中的特征信息提取

摘要 在運(yùn)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行模擬電路故障診斷過程中，代表故障特征的網(wǎng)絡(luò)輸入至關(guān)重要。分析了常見特征信息提取和故障診斷方法，提出一種基于多測(cè)試點(diǎn)、多特征信息原始樣本集的新方法。運(yùn)用這種方法構(gòu)造原始故障特征集，然后作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，仿真結(jié)果表明，通過該方法構(gòu)造的樣本集訓(xùn)練出來的網(wǎng)絡(luò)對(duì)模擬電路故障診斷的正確率優(yōu)于傳統(tǒng)方法，證明了該方法在模擬電路故障診斷中的可行性，為模擬電路的故障診斷提供了一種新方法。
關(guān)鍵詞 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；模擬電路；故障診斷；故障特征

    近年來，模擬電路的故障診斷中神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)用越來越廣泛，電路故障特征信息是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入，直接影響著網(wǎng)絡(luò)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(gè)測(cè)試點(diǎn)，通過提取每個(gè)測(cè)試點(diǎn)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(luò)的輸入；也可從電路的輸出響應(yīng)曲線中提取若干參數(shù)對(duì)應(yīng)的信息作為故障特征，當(dāng)電路出現(xiàn)故障時(shí)，輸出響應(yīng)曲線與正常狀態(tài)有所差異，對(duì)應(yīng)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(luò)的輸入。在這兩種方法的基礎(chǔ)之上，提出基于多測(cè)試點(diǎn)多特征信息的方法，重點(diǎn)在于構(gòu)造故障樣本集。通過仿真并將3種方法進(jìn)行比較表明，多測(cè)試點(diǎn)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(xùn)練出來的網(wǎng)絡(luò)對(duì)樣本集的識(shí)別正確率更高。

1 單一特征信息構(gòu)造樣本集
    電路中測(cè)試點(diǎn)的選取依據(jù)電路靈敏度的分析。顯然測(cè)試點(diǎn)越多，數(shù)據(jù)量越大，需要根據(jù)電路的復(fù)雜程度和計(jì)算量、時(shí)間綜合考慮，仿真實(shí)驗(yàn)表明，取3～4個(gè)測(cè)試點(diǎn)較好。
    仿真電路選取Sallen-Key二階帶通濾波器，各元件的標(biāo)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(gè)測(cè)試點(diǎn)，分別為out、out1、out2，分別測(cè)出這3個(gè)點(diǎn)在正常狀態(tài)及各種故障狀態(tài)下的電壓作為BP網(wǎng)絡(luò)的輸入。經(jīng)靈敏度測(cè)試，當(dāng)R2、R3、C1、C2發(fā)生變化時(shí)，對(duì)輸出點(diǎn)的波形影響最為明顯。因此設(shè)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?yàn)楦鳒y(cè)試點(diǎn)的輸出都是頻響曲線，所以將3個(gè)測(cè)試點(diǎn)在各種故障狀態(tài)下10 kHz所對(duì)應(yīng)的電壓作為輸入向量，故障類型的編碼作為輸出向量，原始樣本集如表1所示，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(jìn)行數(shù)據(jù)歸一化處理，以恰當(dāng)?shù)姆绞綄?duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理可以加快神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的收斂，提高神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練效果。
    此處對(duì)原始樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行模糊隸屬處理，采用正態(tài)分布函數(shù)對(duì)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化，其中a為電路正常狀態(tài)下各測(cè)試點(diǎn)的特征值，將歸一化后的數(shù)據(jù)作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入。構(gòu)建一個(gè)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(luò)，隱層神經(jīng)元的數(shù)目參照美國科學(xué)家Hebb提出的經(jīng)驗(yàn)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(luò)結(jié)構(gòu)為3—13—8。設(shè)定學(xué)習(xí)速度為0．01，訓(xùn)練目標(biāo)為0．01，訓(xùn)練算法采用自適應(yīng)速率的附加動(dòng)量法，當(dāng)隱層神經(jīng)元數(shù)目為13時(shí)，所用的訓(xùn)練次數(shù)為1 011次，訓(xùn)練誤差曲線如圖2所示。

    將經(jīng)過歸一化的故障樣本輸入到訓(xùn)練過的BP網(wǎng)絡(luò)中以檢測(cè)此網(wǎng)絡(luò)，故障的測(cè)試情況如表4所示。根據(jù)電路的特點(diǎn)，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(zhǔn)確地識(shí)別，故障診斷的正確率為78％，實(shí)際診斷時(shí)，只需要測(cè)出每個(gè)測(cè)試點(diǎn)在10 kHz對(duì)應(yīng)的電壓值即可用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行診斷。

2 多特征信息構(gòu)造樣本集
    同樣對(duì)于Sallen—Key二階帶通濾波器，從輸出頻響曲線上提取4個(gè)頻率(5 kHz，10 kHz，15 kHz，30 kHz)對(duì)應(yīng)的電壓值作為該電路正常時(shí)的原始特征值，當(dāng)電路出現(xiàn)故障時(shí)，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，如表2所示。

    將數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化，然后按照與方法一相同的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，經(jīng)過307次達(dá)到訓(xùn)練目標(biāo)，故障測(cè)試情況如表所示5。故障模式F0與F1無法區(qū)分，說明R2+50％這個(gè)故障模式與正常模式的故障特征相互重疊，同時(shí)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(dá)到診斷的閾值，其余故障模式都能準(zhǔn)確識(shí)別，識(shí)別正確率為67％。

3 多測(cè)試點(diǎn)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(cè)試點(diǎn)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(jìn)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(gè)測(cè)試點(diǎn)，每個(gè)測(cè)試點(diǎn)在每種故障狀態(tài)下分別提取V5k，V10k，V15k，所對(duì)應(yīng)的電壓作為故障特征值，如表3所示，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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化，歸一化時(shí)，每種頻率對(duì)應(yīng)的正常狀態(tài)下的特征值為a，其余故障模式按照對(duì)應(yīng)的頻率分別進(jìn)行歸一化，將上述數(shù)據(jù)經(jīng)過同樣的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行訓(xùn)練，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)采用L—M算法，網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過101次訓(xùn)練達(dá)到目標(biāo)。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(xùn)練過的網(wǎng)絡(luò)中，檢查網(wǎng)絡(luò)的故障識(shí)別率，判定閾值不變。輸出結(jié)果如表6所示。

    從表6可以看出，在所有的訓(xùn)練樣本集中，只有4個(gè)樣本在經(jīng)過訓(xùn)練后無法識(shí)別，此時(shí)訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)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(duì)比，在網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練目標(biāo)相同的前提下，對(duì)比故障識(shí)別正確率如表7所示。

4 結(jié)束語
    通過比較可以發(fā)現(xiàn)，在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練目標(biāo)相同的前提下，通過多測(cè)試點(diǎn)多特征信息構(gòu)造出來的樣本集所訓(xùn)練的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)故障識(shí)別正確率高于前兩種方法，這種多測(cè)試點(diǎn)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(xùn)練出來的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的診斷能力更強(qiáng)，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(duì)模擬電路的故障診斷有著一定的意義。