基于神经网络的电子线路故障诊断.docx

1、基于神经网络的电子线路故障诊断基于神经网络的电子线路故障诊断 随着现代化大生产的进展，电子线路故障诊断技术的研究越来越重要。 按照电子线路的特点可将电子线路故障诊断分为模拟电路的故障诊断和数 字电路的故障诊断。在现代电子设备中，绝大部分电子设备故障是由于模 拟电路故障导致的，能够讲，模拟电路的可靠性几乎决定了电子设备的可 靠性。1.1模拟电路故障诊断的背景意义 目前，模拟电路在航天、通信、自动操纵、家用电器等许多方面得到 广泛地应用。随着电子技术的进展 ,模拟电路的集成程度越来越高 ,规模越来 越大。因此，对模拟电路的工作的有效性、可靠性、可修理性等提出了更 高的要求。在模拟电路故障发生后 ,

2、要求能及时将导致故障的缘故诊断出来 以便检修和替换。对模拟电路的生产部门来讲 ,同样也要求能及时诊断出故 障，以便改进工艺 ,提升产品的合格率。关于某些重要设备中的模拟电路， 还要求进行故障的推测，即对正常工作中的模拟电路进行持续的检测，在 元件发生故障前就进行替换，以幸免故障的发生。按照电子技术的进展状 况，由以下三点讲明模拟电路故障诊断技术的紧迫性 :第一，微电子学时代的到来 ,电子线路的复杂性和密集性明显增加 , 成 千上万个电路元器件集成在一个小芯片上 ,而对这些电路元器件的测试仅限 于为数有限的引出端子之上，如此 ,通常的测量，微调的手段将不再有用甚 至无济于事。第二，在无线电电子系

3、统中 , 数字电路不能完全取代模拟电路， 数字电 路的故障诊断方法也不能取代模拟电路的故障诊断方法。第三，现代电子系统复杂度的增加 ,系统的可靠性显得更为重要 ,因此 , 必须提升电子系统的可靠性。综上所述 ,工业生产对模拟电路提出了新的要求 ,微电子技术的快速进 展对模拟电路的测试和诊断也提出迫切的要求 ,这就使得科技人员不得不进 一步探究模拟电路的测试和诊断上的新理论和新方法 ,研发新的测试和诊断 设备以习惯时代的需求。因此，开展模拟电路故障诊断的研究是一项专门 有意义的课题。1.2模拟电路故障诊断的进展与现状 有关于数字电路故障诊断而言，模拟电路故障诊断的进展较为缓慢， 其中要紧缘故有以

4、下六点：1）故障状态的多样性。模拟电路的输入、输出信号和元件参数差不多 上连续的，电路中任何一个模拟元件都有可能具有无穷多种故障状态，因 此，专门难对模拟电路故障进行模拟和仿真。2）诊断的信息量有限。由于实际条件的限制，模拟电路中的电流通常 不容易测量，可测量的电压节点也往往是有限的，因此模拟电路供诊断的 特点信息是有限的，这就容易造成故障定位的模糊性。3）存在容差。实际应用中的模拟电路元件都会有容差，即电路元件参 数在其容差范畴内有随机的偏移。电路中普遍存在的容差通常可等效为一 个或者多个元件的“大故障” ，这就容易导致电路故障的可测性变差。4）非线性咨询题。模拟电路中通常含有非线性元件，因

5、此模拟电路庞 大的运算量是不可幸免的。此外，模拟电路通常还包含大量的反馈回路， 也增加了测试的复杂性。5）抗干扰能力差。模拟电路对环境变化专门敏锐，易受热效应和外界 噪声等环境因素的阻碍。其输出响应也容易受到因为工艺偏差而引起的电 路元件参数变化的阻碍。6）故障模型化困难。模拟电路的输入与输出之间的关系较为复杂同时 模型化困难。能够成功应用在数字电路故障诊断中的模型并不能适用于模 拟电路故障诊断，而模拟电路故障诊断至今仍旧缺乏有效的通用的故障模 型。以上六个方面的咨询题是模拟电路中普遍存在的咨询题，也是模拟电 路故障诊断的难点。尽管存在这些困难，但仍旧有许多研究者们致力于模 拟电路故障诊断的研

6、究。 1960年， R.S.Berkowitz 提出了关于模拟电路故障 诊断的可解性分析 1 ，研究出了无源线性集总电路元件可解性的必要条件， 从此模拟电路故障诊断的理论研究开始了。 20世纪 70年代显现了一些新的 故障诊断原理和方法，其中最突出的成果是参数辨识法与故障字典法， 197 9 年国际电气与电子工程师协会（ IEEE ）为这两项重要成果出版了模拟电 路故障诊断的专辑 2 ，使得模拟电路故障诊断领域得到进一步的进展。然 而这些方法不足之处在于要求电路具有较多的测试点，同时运算量大，难 以在实际中得到应用。 20 世纪 80 年代提出了一种新的故障诊断方法，即 故障验证法，该方法的显

7、现给故障诊断领域增加了新的活力，故障诊断的 研究者们从故障诊断的实际动身，将研究的重点从求解全部元件值转变到 求解一部分的元件值，以此来确定故障元件或者故障区域，并将之分成故 障元件求值与故障定位两部分，大大减小了运算量，削弱了诊断条件。 198 5年，J.W.Bandler与A.E.Salama对模拟电路故障诊断的理论做了系统的论 述3，模拟电路故障诊断理论从此形成了。 20世纪 90 年代初期，相伴人 工智能技术的进展，专门是人工神经网络在不同领域里的广泛运用，故障 诊断技术也向着智能化的方向进展。利用神经网络来完成故障状态的分类 和故障字典的查询，既提升了故障诊断效率，同时利用神经网络所

8、具有的 泛化能力，使得实现对电路软故障的诊断成为可能。在国内，对模拟电路的测试与故障诊断的研究一直差不多上被关注的 研究方向。自 80 年代末以来，国内相继出版了杨士元 4等人的专著。近年 来发表了一系列关于应用神经网络的模拟故障诊断的学术论文。提出了基 于神经网络的五种模拟电路故障诊断的方法：一是提出了采纳模糊神经网 络对模拟电路进行故障诊断的方法，但隶属度函数的选取咨询题仍旧是一 个难点；二是采纳遗传算法对 BP(Back-Proparga-tion) 网络进行辅助设计和 优化之后，再进行模拟电路故障诊断的方法；三是构造了一种新型神经网 络电路故障诊断专家系统，但仅给出理论框架，离实验还有

9、一定的距离； 四是分别使用小波变换和小波包变换对输出电压响应的故障特点进行提 取，提出了基于小波变换和神经网络的模拟电路故障诊断方法；五是构造 模糊 BP 网络故障分类器融合被诊断元件的 2个物理量 (温度和电压 )，以确 定故障元件。 本文采纳两种方法进行模拟电路故障诊断研究： 一种是基于 B P神经网络的模拟电路故障诊断方法；另一种是先利用遗传算法优化 BP神 经网络，然后再利用优化后的网络进行模拟电路故障诊的方法。1.3研究内容与论文组织本文要紧是利用神经网络进行模拟电路故障诊断的研究， 采纳 BP 和 G A-BP 两种网络对模拟电路故障进行了诊断， 仿真成效表明基于神经网络的 模拟电

10、路故障诊断系统不但诊断速度快而且准确度高，具有宽敞的应用前 景。本文的各章节组织安排如下：2 人工神经网络简介人工神经网络（Artificial Neural Network,简称ANN）是仿照生物大脑的 结构和功能，由大量类似于生物神经细胞的非线性处理单元（人工神经元） 相互联接而成的网络，简称神经网络。2.1神经网络进展及其特点2.1.1神经网络进展过程神经网络的研究至今已有七十多年的历史 ,下面分三点进行阐述。（ 1 ）进展初期心理学家 W.Mcculloch和数学家 W.Pitts在1943年合作提出了形式神经 元的数学模型（ MP 模型）5，从此开创了神经网络的研究。心理学家 D.H

11、ebb在1949年指出神经元之间突触联系强度可变的假设，即改变神经 元连接强度的Hebb规则，为神经网络的学习算法奠定了基础。 运算机学家Rosenblatt7在1957年提出感知器（Perceptron）模型，第一次把神经网络 研究从纯理论的探讨付诸于工程实践。 Widrow 在 1960年提出了自习惯线 性元件（ Adaline） 8，它是连续取值的线性网络，要紧应用在自习惯系统 中，这与当时占主导地位的以符号推理为特点的传统人工智能途径完全不 同，因而形成了神经网络研究的高潮。（ 2）低潮时期Minsky和Papert在1969年出版了一本关于感知器的书籍9，发觉了 感知器存在一些不足，

12、如关于求解异或咨询题，因而研究工作趋向低潮。 只是仍有许多学者连续研究神经网络。 Grossberg10提出了自习惯共振理论；Kohonen提出了自组织映射网络模型111213 ； Fukushima提出了神 经认知机网络理论等。这些差不多上在 20世纪 70年代和 20世纪 80年代 初进行的工作。（3）第二次高潮时期进入世纪 80 年代，神经网络研究再次高潮。美国物理学家 Hopfield 在 1982年提出了 Hopfield 神经网络模型 14，有力地推动了神经网络的研究。 他引入了“运算能量函数”的概念，给出了网络稳固性判据。在 1984 年他 用此模型成功地解决了复杂度为 NP的旅

13、行商咨询题（TSP）。Felemann和 Balllard 的连接网络模型指出了传统的人工智能运算与生物运算的区别，给 出了并行分布的运算规则。 1986年， Rum e lhart 等人提出并行分布处理（ P DP）的理论，同时提出了多层网络的误差反向传播学习算法，简称 BP算法15。这种算法按照学习的误差大仙， 把学习的结果反馈到中间层次的隐 单元，改变他们的权系数矩阵，从而达到预期的检测目的，解决了多层网 络的学习咨询题。 BP 算法从实践上证明了神经网络的运算能力专门强，能 够完成许多学习任务，解决许多具体咨询题。 BP 网络时迄今为止最常用、 最一般的网络。（ 4）新的进展时期上世纪

14、90年代，Narendra和Parthasarthy提出了推广动态神经网络系 统及其连接权的学习算法 16 ，其具有非线性特性， 增强了神经网络的鲁棒 性。另外，在1995年，Jenkins提出了光学神经网络17，能够发挥光学的 互连能力和并行处理能力，加大了神经网络的自习惯能力与学习能力，光 学神经网络的神经元之间的连接权不但数量大而且动态操纵结合强度，能 够实现高速运算，极大地促进神经网络的进展。在国内，对神经网络的研究开始于 20世纪 80年代末，中科院的汪云 九先生起到了先导作用 18。 1 997年，申金媛提出了多目标旋转不变分类 识别的新方法，也确实是基于联想储备级联 WTA 模型

15、的旋转不变识别 19。 在识别多模式时能够联想到一个模式，采纳全单极的形式，对互连权值实 行二值化截取，同时把联想储备模型和 WTA 模型级联起来，如此，提升了 储备容量和容错性。 1994年，廖晓昕对细胞神经网络提出了新的数学理论 2 0，推动了该领域的进展。 吴佑寿提出了传递函数可调的神经网络， 这对神 经网络理论的进展具有十分重要的意义。以上研究开拓了神经网络的应用 领域。2.1.2神经网络的特点 神经网络模拟了生物神经系统的一些特点，从而具有一些与传统数字 运算机不同的特点，具体有下面几点：（1）非线性映射 从本质上而言，神经网络确实是一个非线性系统，能够实现从输入空 间到输出空间的非

16、线性映射，具有较强的非线性信息处理能力。工程界普 遍面临的咨询题确实是寻求输入空间到输出空间之间的非线性关系模型， 神经网络能够专门好地模拟大部分无模型的非线性系统。（2）固有的并行结构 神经网络在结构上是并行的，在信息处理顺序上也是并行的，神经网 络同一层内的神经元差不多上同时工作的。因此，利用超大规模的集成硬 件实现的神经网络能够大大提升信息处理速度。（3）泛化能力 神经网络的泛化是指对不在训练样本集中的数据，网络也能够产生合 理的输出。神经网络信息分布储备的特点，使之对外界输入信息和输入模 式具有联想经历的能力。（4）容错性神经网络具有天生容错的能力（也称鲁棒性） ，即其性能在不利于运行 的条件下是逐步下降的，如果一个神经元或者神经元的连接被损坏了，则 储备模式的经历能力将会降低。由于神经网络信息分布式储备的特性，在 网络的严峻恶化之前这种