電子信息系統(tǒng)模塊級故障診斷技術研究

　　0 引言

　　目前，電子信息系統(tǒng)的復雜化、自動化和信息化程度越來越高，對可靠性、可維修性和技術保障能力的要求日趨迫切。系統(tǒng)中每一個部件發(fā)生故障都可能會產生鏈式反應，影響系統(tǒng)效能發(fā)揮或造成重大的經濟損失。因此，電子信息系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術早已得到世界各個發(fā)達國家相關部門的重視。電子信息系統(tǒng)的功能電路大部分為模擬電路，許多元件參數(shù)具有很大的離散性，即具有容差。容差的普遍存在，導致實際故障的模糊性，加大了其故障定位的困難系數(shù)。因此，針對該型電子信息系統(tǒng)的電路原理，綜合運用故障字典和神經網絡相結合的故障診斷方法，研究某型電子信息系統(tǒng)模塊級故障診斷技術，具有一定的理論意義和和重要的實用價值。同時，本文研究的成果可以推廣到其他型號的電子信息系統(tǒng)故障診斷技術研究。

　　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(tǒng)需要診斷的電路進行仿真，然后將得到的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)作為神經網絡的輸入，利用BP神經網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(tǒng)中的典型電路圖如2所示。

　　（1）晶體管的故障模型

　　由于無源元器件如電阻、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、電容均無故障，只有5個晶體管出現(xiàn)故障。通過對故障晶體管的分析，將其的故障表現(xiàn)歸結為三類：內部短路、內部開路、局部擊穿?？紤]到以下的事實：開路的引腳不能與其他引腳短路、擊穿；兩個引腳開路等效于三個引腳同時開路；兩個PN結短路，等效于三個引腳同時短路；將三類故障在晶體管的三個引腳、兩個PN結之間進行故障組合后，可歸結為21種故障類型，見表1.

　　（2）故障近似模型

　　在電路仿真的過程中，對使用最多的雙極型晶體管的近似故障模型進行研究，使用一種基于晶體管正常模型--GP 模型為故障近似模型。為使用軟件進行故障模擬，下面給出晶體管的故障模型，見圖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(jié)點間的串聯(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 阻值為無窮大。仿真時，按如下方法設置電阻阻值：

　?。?）某引腳開路，對應的故障引腳電阻阻值設置為無窮大，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，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，而不必近似地畫出被測電路的等效電路圖，使得仿真結果更加接近于真實值。

　?。?）仿真過程

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

　　2 故障字典的建立

　　（1）故障定義

　　現(xiàn)將圖2電路中與晶體管相關的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代表開路，d代表擊穿，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］。其他故障以此類推。

　　（2）測試量

　　本電路共有106 種情況，即1 個正常情況和105 種個故障情況。在9個測試點上共得到106 &TImes; 9 = 954 個電壓值。模擬圖2進行仿真，所得的954個數(shù)據(jù)列于表3.

　　（3）刪除不需要的測試點

　　由表3可見，節(jié)點1上的電壓不提供任何有用的信息，所以將其刪除。節(jié)點6和節(jié)點9上的電壓完全相同，所以刪除節(jié)點9.同一測試點，在兩種故障現(xiàn)象下，被測電壓之差超過0.1 V，則認為這兩個故障可分離；若被測電壓之差不超過0.1 V，則認為這兩個故障為不可惟一隔離的模糊故障組合。通過分析表中的數(shù)據(jù)，可以看到F2與F4等均為兩個不能唯一隔離的故障。

　　但由于它們皆與晶體管V1有關，任一故障可通過更換V1來排除，因此，無需進一步隔離的必要。類似情況，經過整理就得到了一個規(guī)范標準的故障字典列于表4.

　　3 BP 神經網絡的應用

　　基于BP神經網絡能夠出色地解決那些傳統(tǒng)故障診斷方法難以解決的問題，所以某型電子信息系統(tǒng)模塊級故障診斷系統(tǒng)采用故障字典和是神經網絡相結合的方法，力求準確、快速地進行功能模塊級故障診斷。

　　3.1 BP神經網絡的故障診斷步驟

　　應用神經網絡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)所對應得各測試點的理論值，并把它建成一個故障字典或故障狀態(tài)表。

　?。?）建立神經網絡。把故障字典或狀態(tài)表中的數(shù)據(jù)作為神經網絡的輸入，按照電路故障特征點的數(shù)目以及所優(yōu)化處理得到的故障輸出類別的數(shù)目建立神經網絡。

　　（3）神經網絡的訓練、學習。設定神經網絡學習速度、訓練方法及相關參數(shù)，對網絡進行學習、訓練。

　?。?）利用訓練好的BP神經網絡進行故障隔離。將電路的故障字典建立在神經網絡之中，網絡的輸入節(jié)點由電路的可測節(jié)點決定，輸出節(jié)點由故障狀態(tài)的數(shù)目決定。

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

　　3.2 仿真試驗及結果分析

　?。?）本系統(tǒng)采用故障字典和神經網絡相結合故障診斷技術研究，采用三層神經網絡。通過電路的分析，選擇7個關鍵點的電壓作為神經網絡的輸入。選擇6種故障現(xiàn)象作為神經網絡的輸出模式，因此實際的神經網絡輸入神經元數(shù)為7，輸出神經元數(shù)為6，隱含層的單元數(shù)按照前面介紹的公式計算為9.通過分析看到，在BP神經網絡的輸出端應該有6個節(jié)點，分別對應1個無故障和5個故障。網絡的期望輸出如表5所示。

　　將仿真數(shù)據(jù)進行歸一化處理后，以實際故障樣本為網絡的原始訓練樣本，網絡輸入層、隱含層和輸出層節(jié)點數(shù)分別取7、9 和6，系統(tǒng)總誤差E 《 e-15 ，對網絡進行Matlab編程仿真，網絡訓練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(shù)據(jù)驗證神經網絡的訓練情況。表6為神經網絡的驗證數(shù)據(jù)。表7為驗證數(shù)據(jù)對應的輸出結果。

　?。?）由三層BP神經網絡組成的診斷系統(tǒng)在進行故障診斷時，采取數(shù)據(jù)驅動的正向推理策略，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(jié)點，并將其作為該層神經元的輸出；

　　②求出隱含層神經元的輸出并作為輸出層的輸入；

　　③求出輸出層神經元的輸出；

　?、苡砷撝岛瘮?shù)判定輸出層神經元的最終輸出結果。

　　假設用Yn 表示故障類型，則故障類型閾值判定函數(shù)為：

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

　　通過表8與表5的對比，可見仿真結果與事實相符。

　　4 結語

　　本文針對某型電子信息系統(tǒng)的電路原理，綜合運用故障字典和神經網絡相結合的故障診斷方法，研究該型電子信息系統(tǒng)模塊級故障診斷技術，具有一定的理論意義和和重要的實用價值。同時，本文研究的成果可以推廣到其他型號的電子信息系統(tǒng)故障診斷技術研究。