模擬電路故障的診斷及檢測技術(shù)分析

一、簡(jiǎn)介

*，電子電路出現的故障中包括模擬電路故障與數字電路故障兩種。其中針模擬電路的故障診斷研究從20世紀60年代就已開(kāi)始，許多國內專(zhuān)家學(xué)者對其作了很多整體概括、分析與研究。因為模擬電路的故障模型的復雜性，信號在時(shí)域和值域上的連續性、數據容差特性導致的故障模糊性強、廣泛非線(xiàn)性問(wèn)題導致的故障定位難度大、輸出值與電路元器件參數和電路結構緊密有關(guān)等方面，所以每年有眾多專(zhuān)家學(xué)者應用各種研究方法，包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )、小波分解、支持向量機等，對其進(jìn)行研究，并取得了很多研究成果。本文主要結合在對其進(jìn)行故障診斷中出現的各種問(wèn)題進(jìn)行分析，為相關(guān)領(lǐng)域的研究人員提供參考。

二、模擬電路故障的概念

模擬電路即為處理模擬信號的電子電路。"模擬"主要是指電壓或者電流對于真實(shí)信號成比例的再現過(guò)程，它來(lái)自于希臘語(yǔ)詞匯，是"成比例"的意思。其主要特點(diǎn)是：一是函數的取值為無(wú)限多個(gè)；二是待傳播的信息包含在模擬信號的波形之中，隨著(zhù)傳播信息的變化，模擬信號的幅度、頻率和相位也隨之發(fā)生變化；三是模擬信號具有連續性；四是初級模擬電路主要解決放大與信號源。而針對此類(lèi)電路產(chǎn)生的故障是指其在正常運行過(guò)程中，由于某個(gè)器件的參數發(fā)生變化，進(jìn)而導致整個(gè)電路無(wú)法正常運行的現象，其大體可分為硬故障與軟故障兩類(lèi)。

三、模擬電路故障診斷存在的問(wèn)題

(一)模擬電路故障診斷的難點(diǎn)。目前模擬電路故障診斷的難點(diǎn)在于信號在時(shí)域和值域上的連續性、數據容差特性導致的故障模糊性強、廣泛非線(xiàn)性問(wèn)題導致的故障定位難度大、輸出值與電路元器件參數和電路結構緊密有關(guān)等方面。

模擬電路的建模與數字電路相比較更為復雜。目前雖然針對此類(lèi)電路的故障診斷與檢測技術(shù)已經(jīng)取得了很大進(jìn)步，但與實(shí)際的需求相比還遠遠不夠。

(二)模擬電路故障診斷存在的問(wèn)題。

1．分辨率。隨著(zhù)電路系統的日益復雜、檢測信號的限制以及非線(xiàn)性問(wèn)題加大的故障定位難度，模擬電路故障的可控性與可測性受到了很大影響。由于模擬元件值連續性的原因，響應輸出數據中會(huì )產(chǎn)生誤差；與此類(lèi)似，由于模擬元件容差的存在，系統的故障診斷與數字電路就會(huì )存在較大差異。

2．信息來(lái)源。當對模擬電路進(jìn)行故障診斷分析的時(shí)候，一般考慮的是對當前測點(diǎn)所采集的特征信進(jìn)行收集、分析，而不是對此時(shí)電路系統工作的磁場(chǎng)、濕度以及環(huán)境溫度等信息進(jìn)行收集、分析。另外，由于對于系統當前的工作狀態(tài)與輸出數據過(guò)于重視，從而對其過(guò)往的數據很少加以考慮，也使得進(jìn)行故障分析時(shí)的信息來(lái)源充滿(mǎn)了不確定性。

3．軟故障診斷。軟故障一般是軟件引起的故障，是由于非正常關(guān)機、操作、病毒等原因造成文件損壞而產(chǎn)生，在大多數情況下它不會(huì )讓電路系統*失效，但會(huì )導致系統的性能產(chǎn)生惡化現象，是模擬電路故障診斷中的一個(gè)難點(diǎn)。其產(chǎn)生的原因主要有軟件不兼容。有些軟件在運行時(shí)與其它軟件發(fā)生沖突，相互不能兼容。如果這兩個(gè)軟件同時(shí)運行，可能會(huì )中止系統的運行，嚴重的將會(huì )使系統崩潰。一是非法操作，是由用戶(hù)操作不當造成，如卸載軟件時(shí)不使用卸載程序，而直接將程序所在的文件夾刪除，這樣不僅不能*卸載該程序，反而會(huì )給系統留下大量的垃圾文件，成為系統故障隱患。二是誤操作，誤操作是指用戶(hù)在使用電腦時(shí)，無(wú)意中刪除了系統文件或執行了格式化命令。這樣會(huì )導致硬盤(pán)中重要的數據丟失，甚至不能啟動(dòng)電腦。三是病毒的破壞，有的電腦病毒會(huì )感染硬盤(pán)中的文件，使某程序不能正常運行；有的病毒會(huì )破壞系統文件，造成系統不能正常啟動(dòng)；還有的病毒會(huì )破壞電腦的硬件，使用戶(hù)蒙受更大的損失。故障字典法對于硬故障的診斷有較好的效果，但是對于軟故障的診斷效果卻不令人滿(mǎn)意。

4．缺少通用的推理機制?，F有的針對模擬電路的故障診斷方法對已知故障樣本的識別能力較強，但其對未知的或者新類(lèi)型的故障識別能力有待提高，其大多缺乏自我學(xué)習機制，擴展性與適應性較差。一旦工作條件改變或者出現未知類(lèi)型故障時(shí)，故障診斷的準確性就會(huì )大幅下降。

四、模擬電路故障診斷與檢測方法

(一)基于遺傳BP網(wǎng)絡(luò )的故障診斷與檢測方法。BP網(wǎng)絡(luò )的主要特點(diǎn)是具有很強的非線(xiàn)性映射能力，適用于解決所收集數據的分類(lèi)問(wèn)題，它屬于模式識別方法中的一種，即依靠故障展現出的特征來(lái)識別故障源。這種方法無(wú)需數學(xué)模型，實(shí)施比較方便，具有較好的應用前景。其首先要對模擬電路故障進(jìn)行檢測，也就是對其故障特征的提取。其中應用小波變化方法是比較常用且具有很多優(yōu)點(diǎn)的方法。主要步驟：一是選擇*小波分解樹(shù)來(lái)對模擬電路的采樣取得的信號進(jìn)行初步分析；二是用正交小波分解來(lái)提取各層的低頻與高頻系數；三是對其中的高頻系數進(jìn)行消噪處理后，將各層系數能量值，按大小排列取得相應特征；四是對取得的故障特征進(jìn)行PCA與歸一化處理，得出傳播信號的故障特征。接下來(lái)就是應用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )在對待測模擬電路測前，訓練好神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )；待診斷時(shí)，將測量所得到的輸入向量輸入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )中，其能自動(dòng)對故障模式進(jìn)行分類(lèi)。

(二)基于遺傳小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的故障診斷與檢測方法?；谶z傳小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )方法的基本原理是在保留神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )、小波分析在故障檢測與診斷中的優(yōu)點(diǎn)的基礎上，結合遺傳算法的特點(diǎn)來(lái)完成對模擬電路故障的檢測與診斷任務(wù)。遺傳算法的主要優(yōu)點(diǎn)是其為一種基于天然選擇與對應遺傳的全局性?xún)?yōu)化算法，它采用的是選擇、交叉和變異三種從自然選擇機理中抽象出來(lái)的遺傳算子進(jìn)行操作的方法。采用遺傳算法首先要組成一組候選解，然后測算它們的適應度，根據適應度保留某些候選解并對其進(jìn)行操作，形成新的候選解。

(三)基于自適應小波分解和SVM理論的方法。另外一種典型的針對模擬電路產(chǎn)生的故障的診斷與檢測方法是將小波分析與支持向量機原理結合，對模擬電路進(jìn)行相應診斷。其首先需要對所研究電路產(chǎn)生的故障信號應用自適應小波分解來(lái)提取故障的典型特征，然后采用SVM方法對提取的典型故障特征進(jìn)行區分識別。需要注意的是采用小波分解手段來(lái)提取電路出現故障的典型特征時(shí)，母小波的選擇是依據正常響應和故障響應之間的小波系數之差的zui人均方根原則。而采用支持向量機的主要優(yōu)點(diǎn)是由于此種 法避免了"維數災難"，其對提取的特征空間的分袂的*超平是支持向量機方法的目標，也是此方法的核心，而且具有一定魯棒性，可剔除大量冗余數據樣本。