楊 健 馮 楠 劉劍超 李 靜

(海軍航空工程學(xué)院研究生管理大隊(duì)1) 煙臺(tái) 264001)(山東師范大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院2) 濟(jì)南 250014)

1 引言

末制導(dǎo)雷達(dá)是某型導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的重要設(shè)備之一,用于導(dǎo)彈在飛行末段對(duì)目標(biāo)艦艇進(jìn)行自動(dòng)搜索、捕捉、跟蹤和形成導(dǎo)引指令,以引導(dǎo)導(dǎo)彈精確地?fù)糁心繕?biāo)。導(dǎo)彈能否直接命中目標(biāo),末制導(dǎo)雷達(dá)起著十分關(guān)鍵的作用[1]。因此當(dāng)其不能正常工作或指標(biāo)超出正常范圍時(shí),要對(duì)其進(jìn)行測(cè)試,并根據(jù)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行故障隔離與故障定位。本文以接收組合中的和路視頻放大器電路為例進(jìn)行分析。

2 電路分析

和路視頻放大器電路如圖1所示。

圖1 和路視頻放大器電路圖

2.1 電路描述

該和路視頻放大器電路共有12個(gè)電阻、6個(gè)電容、5個(gè)晶體管、1種電源 +30V,1路視頻 ,3路輸出分別送至回波檢查、AGC電路和抗干擾電路,9個(gè)測(cè)試節(jié)點(diǎn)和1種電源。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(shè)和路視頻放大器電路中電阻、電容均無故障,只有5個(gè)晶體管出現(xiàn)故障。

2.2 輸入激勵(lì)及測(cè)試點(diǎn)設(shè)定

視頻輸入節(jié)點(diǎn)上允許施加兩種激勵(lì)信號(hào),分別為U1和U2。U1為+4V直流電壓,U2為幅值2.7V,周期 500μ s的正極性脈沖信號(hào)源。這里只就U1的情況進(jìn)行討論。

該放大器中的元器件種類較多,但無源元器件如電阻、電容的可靠性較高,發(fā)生故障的概率較小,而晶體管發(fā)生故障的概率較大,是關(guān)鍵器件。因此,將測(cè)試點(diǎn)主要設(shè)于圖中五個(gè)晶體管的引腳處,具體設(shè)置如圖1所示。

圖2 晶體管近似故障模型

2.3 故障模型

在電路仿真的過程中,對(duì)使用最多的雙極型晶體管的近似故障模型進(jìn)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[2]。為使用軟件進(jìn)行故障模擬,下面給出晶體管的故障模型,見表1。其中故障引腳電阻RC,RB,RE為晶體管各引腳與電路相應(yīng)節(jié)點(diǎn)間的串聯(lián)電阻;故障結(jié)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(jié)的短路和擊穿。

表1 晶體管故障表

正常情況下,故障引腳電阻RC,RB,RE阻值近似為零;故障結(jié)電阻RBC,RBE,RCE阻值為無窮大。仿真時(shí),按如下方法設(shè)置電阻阻值:

1)某引腳開路,對(duì)應(yīng)的故障引腳電阻阻值設(shè)置為無窮大,文中設(shè)置為10000Ω。

2)某兩引腳短路,對(duì)應(yīng)的故障結(jié)電阻阻值設(shè)置為0Ω(此處為理想值)。

3)某兩引腳擊穿時(shí),對(duì)應(yīng)的故障結(jié)電阻阻值設(shè)置為700Ω(PN結(jié)擊穿后電阻阻值一般在500～1500Ω之間)。

3 電路仿真[2]

3.1 故障定義

圖1電路中與晶體管相關(guān)的共有106種故障(包括正常狀態(tài)F0),由于篇幅有限,列舉部分故障于表2中。表中V代表晶體管,s代表短路,o代表開路,d代表?yè)舸?b代表基極,e代表發(fā)射極,c代表集電極。

表2 電路部分故障定義

3.2 電路仿真

某型末制導(dǎo)雷達(dá)接收組合中的和路視頻放大器在用軟件Multisim仿真時(shí)施加激勵(lì)U1的界面圖如圖3所示。

由表1可知本電路共有106種情況,即1個(gè)正常情況和105種個(gè)故障情況。在9個(gè)測(cè)試點(diǎn)上共得到106×9=954個(gè)電壓值。通過分析測(cè)得數(shù)據(jù)可知,節(jié)點(diǎn)1上的電壓對(duì)所列106種故障不提供任何有用的信息,始終保持4V電壓,所以將其刪除。節(jié)點(diǎn)6和節(jié)點(diǎn)9上的電壓完全相同,所以刪除節(jié)點(diǎn)9。同一測(cè)試點(diǎn),在兩種故障現(xiàn)象下,被測(cè)電壓之差超過0.1V,則認(rèn)為這兩個(gè)故障可分離;若被測(cè)電壓之差不超過0.1V,則認(rèn)為這兩個(gè)故障為不可唯一隔離的模糊故障組合。通過分析測(cè)得數(shù)據(jù),F1與F13,F2與F4,F5與F16,F6與F20,F7與F18,F11與F15均為兩個(gè)不能唯一隔離的故障。但由于它們皆與晶體管V1有關(guān),任一個(gè)故障可通過更換V1來排除,因此,無需進(jìn)一步隔離的必要[3]。與其余4個(gè)晶體管有關(guān)但不能彼此隔離的模糊故障與此類似。這樣,經(jīng)過整理就得到一個(gè)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的故障字典。

圖3 激勵(lì)為U1的仿真圖

3.3 故障隔離

故障字典中的結(jié)果只能檢測(cè)出有無故障,并沒有隔離各故障,這是因?yàn)榇嬖谥：M合的緣故。由于通過電路仿真進(jìn)行故障模擬時(shí),非線性器件的表達(dá)式難免與被診斷器件的特性不完全一致,上述測(cè)試點(diǎn)電壓都是假定某個(gè)元器件值是精確的,而且PN結(jié)的正向壓降實(shí)際上小于0.7V,因此故障字典中的節(jié)點(diǎn)電壓總不免有些偏差;另外,由于待測(cè)電路中無故障元器件的容差等因素,所測(cè)得的節(jié)點(diǎn)電壓也不免有偏差。為了最大程度的仿真電路的真實(shí)狀態(tài),通過設(shè)定在允許范圍內(nèi)的電阻、電容及晶體管PN結(jié)正向壓降的不同值,又可得到每種故障的十組數(shù)據(jù),篇幅所限,這里不再列舉。

簡(jiǎn)單地說,被測(cè)電路可視為只有六種故障,即正常狀態(tài)、第一個(gè)晶體管故障、第二個(gè)晶體管故障、第三個(gè)晶體管故障、第四個(gè)晶體管故障和第五個(gè)晶體管故障。由于對(duì)所有的故障統(tǒng)統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)的分析過于繁瑣,同時(shí)現(xiàn)實(shí)意義也不大。因此,本文通過對(duì)所得大量數(shù)據(jù)的分析得出結(jié)論:即基極斷開是所有故障中最具代表性的一種故障,可以將晶體管基極斷開故障看成是所在晶體管最主要的故障。這樣做既符合事實(shí)規(guī)律,又可大大減小故障定位的難度,具有一定現(xiàn)實(shí)意義[3]。

4 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用

4.1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的故障診斷步驟[4]

1)建立故障字典或故障狀態(tài)表。測(cè)前完成故障狀態(tài)點(diǎn)的選擇和測(cè)試點(diǎn)的選擇。應(yīng)用軟件模擬出電路對(duì)應(yīng)各狀態(tài)對(duì)應(yīng)各測(cè)試點(diǎn)的理論值,并把它建成一個(gè)故障字典或故障狀態(tài)表。

2)建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。把故障字典或狀態(tài)表中的數(shù)據(jù)作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入,按照電路故障特征點(diǎn)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

3)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練、學(xué)習(xí)。設(shè)定神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)速度、訓(xùn)練方法及相關(guān)參數(shù),對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行學(xué)習(xí)、訓(xùn)練。

4)利用訓(xùn)練好的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行故障隔離。將電路的故障字典建立在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)之中,網(wǎng)絡(luò)的輸入節(jié)點(diǎn)由電路的可測(cè)節(jié)點(diǎn)決定,輸出節(jié)點(diǎn)由故障狀態(tài)的數(shù)目決定。輸出有多少個(gè)故障狀態(tài),輸出層就選用多少個(gè)神經(jīng)元,每一種故障狀態(tài)對(duì)應(yīng)一個(gè)相應(yīng)的神經(jīng)元。診斷是某種狀態(tài)時(shí)對(duì)應(yīng)的那個(gè)神經(jīng)元被激活,輸出其對(duì)應(yīng)的編碼。

4.2 仿真實(shí)驗(yàn)

和路視頻放大器電路中設(shè)置了9個(gè)測(cè)試節(jié)點(diǎn),但是節(jié)點(diǎn)1和9不能提供有用的信息,將這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)刪去,則為7個(gè)關(guān)鍵測(cè)試點(diǎn)。選擇6種故障現(xiàn)象作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出模式,如表3所示,因此實(shí)際的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入神經(jīng)元個(gè)數(shù)為7,輸出神經(jīng)元個(gè)數(shù)為6,隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)p的選擇目前沒有統(tǒng)一的規(guī)則,一般可以選為:

其中,α取1～10,m、q分別為輸入和輸出層節(jié)點(diǎn)數(shù)。經(jīng)過實(shí)驗(yàn),確定隱含層神經(jīng)元個(gè)數(shù)為9。

表3 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出

這種集成的電路仿真所得故障樣本數(shù)據(jù)經(jīng)過歸一化處理后作為網(wǎng)絡(luò)的原始訓(xùn)練樣本,系統(tǒng)總誤差E＜15,采用Matlab編程實(shí)現(xiàn),網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練 2500次,得到如圖4所示的仿真波形。

4.3 結(jié)果驗(yàn)證

可利用電路仿真得到的其余數(shù)據(jù)驗(yàn)證神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練情況,如表4所示。

通過表3與表4的對(duì)比,可見仿真結(jié)果與事實(shí)相符。

圖4 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)仿真波形

表4 驗(yàn)證數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的輸出結(jié)果

5 結(jié)語

本文提出一種基于電路仿真獲取故障樣本數(shù)據(jù),以之訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用來進(jìn)行故障診斷的方法,實(shí)驗(yàn)證明了此種方法的有效性,值得進(jìn)一步研究。

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