現(xiàn)代模擬電路智能故障診斷方法研究與發(fā)展

摘要：對系統(tǒng)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的基礎(chǔ)上，詳細分析了模擬電路故障診斷的特點。針對傳統(tǒng)診斷方法的不足之處，介紹了基于人工智能和現(xiàn)代信息信號處理的現(xiàn)代故障診斷方法，包括專家系統(tǒng)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，同時系統(tǒng)地分析了每種方法的基本原理、優(yōu)缺點、研究進展和典型應(yīng)用。最后探討了目前模擬電路故障診斷研究存在的問題和未來的發(fā)展方向。
關(guān)鍵詞：模擬電路；故障診斷；人工智能；機器學習；核方法

電子設(shè)備廣泛應(yīng)用于航天航空、通信、測量、自動控制、醫(yī)療器械等各個領(lǐng)域，其運行環(huán)境多種多樣，如高溫、高電磁干擾、高濕度、高輻射和振動等，有時甚至會經(jīng)歷兩個極端的變化過程(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(shè)備的控制系統(tǒng)、衛(wèi)星的姿態(tài)控制系統(tǒng)等對于可靠性有著近乎苛刻的要求。這就要求我們不斷研究新的方法和技術(shù)，進一步提高電子設(shè)備的可靠性，在發(fā)生故障后能夠及時地檢測、隔離、診斷故障。通過對電路進行監(jiān)測、診斷并預(yù)測其發(fā)展趨勢，可確保我們采取不同的應(yīng)對措施對其進行有效的保養(yǎng)或維修，使其始終處于安全、經(jīng)濟、穩(wěn)定的運行狀態(tài)。
電子設(shè)備中的電路系統(tǒng)分為模擬電路和數(shù)字電路兩個部分，客觀世界信號的本質(zhì)決定了模擬電路在電子設(shè)備中的不可替代性，因此即使在數(shù)字電路充分發(fā)展的今天，模擬電路仍然廣泛應(yīng)用于科研、生產(chǎn)、生活的各領(lǐng)域。理論分析和長期的實際使用經(jīng)驗均表明，模擬電路比數(shù)字電路更容易出現(xiàn)故障，因此模擬電路的可靠性決定了整個電子系統(tǒng)的可靠性。

1 模擬電路故障產(chǎn)生原因及分類
模擬電路故障可以定義為任何偏離元件標稱值，并且使得整個電路發(fā)生異常的現(xiàn)象。模擬電路產(chǎn)生故障的原因通常來自設(shè)計、制造和使用這3個階段。有些故障是由于元器件在設(shè)計過程中沒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間過長造成的，如元器件老化、磨損等。
電路故障有多種不同的分類形式，通常是按照元件參數(shù)值偏離其標稱值的程度劃分為軟故障(Soft Faults)和硬故障(Hard Faults)兩類。軟故障是指元件的參數(shù)隨著時間或者環(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(tǒng)性能的異?；驉夯?。元件軟故障通常不會導致電路網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的改變，大多不會對電路功能造成重要影響。硬故障又稱災(zāi)難性故障，是指元件的參數(shù)突然發(fā)生很大的變化(如元件的短路、開路等)，從而導致系統(tǒng)嚴重失效，甚至完全癱瘓。硬故障是一種結(jié)構(gòu)性的破壞，它破壞了電路的拓撲結(jié)構(gòu)，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(shù)變化的兩種極端情況：極大值(開路)和極小值(短路)。圖1為模擬電路故障所導致的系統(tǒng)性能參數(shù)的變化示意圖，不同應(yīng)用場合其性能參數(shù)變化是不同的。

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

如果按照電路中同時發(fā)生故障元件的個數(shù)來劃分，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間的表現(xiàn)形式來看，可分為持久故障(短路、開路等)和間歇故障(接觸不良等)。