中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所 王怡靜

空間電子儀器是針對(duì)于地球外層空間運(yùn)行的電子信息系統(tǒng)。隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，國(guó)內(nèi)外對(duì)電子儀器的研究越來(lái)越多，特別是空間電子儀器，投入了大量的人力和財(cái)力。對(duì)于空間電子儀器而言，工業(yè)技術(shù)的快速發(fā)展讓電子儀器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得越來(lái)越精細(xì)，集成度也越來(lái)越高。加上工作環(huán)境處于高輻射、高電磁干擾以及高溫的狀態(tài)，相對(duì)于地面電子儀器而言更容易發(fā)生電路故障。一旦發(fā)生故障，輕則影響設(shè)備正常運(yùn)行，重則造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。因此，對(duì)空間電子儀器的電路故障診斷研究勢(shì)在必行。

一、功能故障檢測(cè)方法

（一）基于模塊電路幅頻特性的故障

對(duì)控件電子儀器的模擬電路進(jìn)行了功能模塊設(shè)計(jì)，明確了各個(gè)模塊之間的信號(hào)轉(zhuǎn)換方式和特征，因此在進(jìn)行故障診斷過(guò)程中，可以通過(guò)對(duì)比字典信息的方式進(jìn)行故障診斷。

（1）數(shù)字基帶的發(fā)射濾波器的信號(hào)輸入主要是通過(guò)DA進(jìn)行，轉(zhuǎn)換后的信號(hào)表示為：S1=Asin(w1t+φ1)，頻率不變，幅度發(fā)生變化。

（2）在發(fā)射通道模塊的信號(hào)輸入主要通過(guò)數(shù)字基帶模塊進(jìn)行信號(hào)傳入，表示為：S2=Bsin(w1t+φ2)，輸出信號(hào)是通過(guò)發(fā)射通道轉(zhuǎn)換為射頻信號(hào)。

（3）接收通道模塊通過(guò)雙工器發(fā)射的射頻信號(hào)，表示為：S3=Dsin (w4(t-τ4)+φ4)+n(t)，其中n(t)表示接收信號(hào)的噪聲；τ4表示信號(hào)延時(shí)。

（4）數(shù)字基帶接收濾波器的信號(hào)輸入主要通過(guò)接收通道獲取，表示為：S5=Esin(w5t+φ5)。頻率不變，幅度會(huì)變。

在檢測(cè)電路故障過(guò)程中，首先判斷電路發(fā)生故障的原因是否是功能故障。通過(guò)檢測(cè)模塊進(jìn)行功能故障檢測(cè)，輸出信號(hào)，獲取測(cè)試節(jié)點(diǎn)，通過(guò)輸出信號(hào)的頻率判斷電路是否發(fā)生功能故障。

（二）基于模塊電路輸出波形距離的故障

先檢測(cè)出故障電路，然后在進(jìn)行故障診斷，確定故障元件。對(duì)于電子空間儀器中的模塊，可以根據(jù)輸出波形確定不同電路元件故障的差異化。在實(shí)際的電路應(yīng)用中，電路的激勵(lì)是不變的，在測(cè)試之前，通過(guò)激勵(lì)的方式構(gòu)建信號(hào)特征的方式不適用于空間電子儀器的故障診斷。如果采用輸出信號(hào)的波形確定故障元件定位，有一定效果。基于模塊電路，在正常狀態(tài)下，輸出信號(hào)波形將作為第二故障字典，引入距離函數(shù)計(jì)算故障模塊電路，從而確定故障位置。

測(cè)量信號(hào)模型：

公式（1）：

表示測(cè)量信號(hào)，屬于時(shí)間函數(shù)，g()表示函數(shù)的形式；t表示函數(shù)的自變量；v表示因變量；w(t)表示噪聲。

本研究是對(duì)功能模塊電路的故障診斷問(wèn)題進(jìn)行討論，并進(jìn)行問(wèn)題解決。時(shí)間集根據(jù)采樣信號(hào)獲得離散集，即：

公式（2）：

TN={t1,t2,…,tn}距離函數(shù)是用來(lái)定義測(cè)量信號(hào)的參數(shù)值，對(duì)于任意測(cè)量信號(hào)，都會(huì)存在偏差，即：公式（3）：

在功能模塊的電路故障元件中，ρ(v0,v)是用來(lái)計(jì)算電路故障的，也用來(lái)計(jì)算與電路測(cè)前仿真的狀態(tài)相似度。功能模塊電路的故障定位問(wèn)題轉(zhuǎn)化為距離計(jì)算問(wèn)題，根據(jù)測(cè)前仿真的模塊電路，設(shè)定輸出信號(hào)字典，并對(duì)字典中存儲(chǔ)的輸出信號(hào)采樣進(jìn)行測(cè)試，測(cè)后通過(guò)對(duì)輸出信號(hào)的采樣，計(jì)算兩個(gè)測(cè)量信號(hào)之間的距離。即：

公式（4）：

根據(jù)公式（4）得到最小距離ρ(Si,X)，從而判斷電路的故障狀態(tài)，獲取故障元件位置。

二、軟故障診斷方法

（一）基于故障字典的模擬電路故障診斷

1.功能模塊電路的故障快速檢測(cè)法

對(duì)模擬電路進(jìn)行故障診斷的最終目的就是判斷電路是否能夠正常運(yùn)行并實(shí)現(xiàn)各自功能，如果發(fā)生故障后能夠及時(shí)處理電路故障，可以最大化的保證電路的正常工作?；诖?，對(duì)空間電子儀器模擬電路進(jìn)行功能模塊劃分后，建立基于故障字典的模擬電路快速故障檢測(cè)。該方法檢測(cè)的核心是在檢測(cè)之前，先對(duì)不同模塊的電路建立功能故障字典，檢測(cè)電路的功能特性后確定模塊電路是否會(huì)發(fā)生故障。故障診斷過(guò)程中，通過(guò)測(cè)量的方式得到功能模塊電路的功能特性，并查找對(duì)應(yīng)的故障字典，就能夠快速地判斷出電路功能模塊是否存在故障。

2.故障類(lèi)型診斷

（1）斜率故障

對(duì)于電阻、電導(dǎo)、電感等線性無(wú)容差模擬電路，當(dāng)發(fā)生故障后，不管參數(shù)偏離多少，任取兩節(jié)點(diǎn)，測(cè)量電壓的斜率。根據(jù)電路理論得到：公式（5）：

在線性模擬電路中，當(dāng)單個(gè)元件的參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，電路中的節(jié)點(diǎn)電壓值不便，則斜率即可作為故障字典中的故障特征

（2）折線故障

雖然在非線性元件中，不同的狀態(tài)所體現(xiàn)的電特性不同，但是工作狀態(tài)的數(shù)量不會(huì)發(fā)生較大變化。在不同的狀態(tài)下，利用線性元件進(jìn)行代替，不會(huì)影響其電特性。對(duì)于非線性電路，如果電路中的非線性元件處于單一的工作狀態(tài)，則電路中的每一個(gè)非線性元件都會(huì)與對(duì)應(yīng)的線性元件交替，從而保證電路的整體性能保持不變。針對(duì)此，對(duì)非線性電路故障元件的折線故障模型有了新的研究方向。

假設(shè)在一個(gè)直線非線性電路中包含了多個(gè)非線性元件，用n表示，則每一個(gè)非線性元件就會(huì)有多個(gè)線性工作區(qū)間。當(dāng)電路發(fā)生軟故障后，故障元件的參數(shù)發(fā)生變化。在元件鄰域中，故障元件始終處于工作區(qū)間，并且電路中的其他非線性元件工作狀態(tài)保持不變。在小的鄰域范圍內(nèi)，電路中所有的非線性元件都會(huì)有對(duì)應(yīng)的線性元件進(jìn)行替代，且不會(huì)改變電路的特性。這時(shí)電路是線性的，可以采用任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)電壓隨著參數(shù)的變化滿足線性故障元件的斜率故障模型。當(dāng)電路中某一個(gè)元件參數(shù)發(fā)生變化，在元件的不同參數(shù)范圍內(nèi)，將電路使用不同的線性電路進(jìn)行替代，從而滿足不同的斜率故障。將元件中所有的斜率故障連接起來(lái)后，得到折線故障類(lèi)型

3.分級(jí)故障診斷

利用字典法，對(duì)模擬電路進(jìn)行故障診斷，該方法的優(yōu)勢(shì)就是可以節(jié)約成本，在進(jìn)行故障診斷時(shí)，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，查找電路分級(jí)故障，完成對(duì)電路的分級(jí)故障診斷。如果只檢測(cè)電路故障，只需建立一級(jí)故障字典中的輸出電壓值即可判斷電路是否正常運(yùn)行。在確定電路發(fā)生故障之前，要先確定電路故障元件的位置，建立二級(jí)字典。考慮到元件容差的問(wèn)題，對(duì)于線性電路，可以通過(guò)公式（6）進(jìn)行斜率計(jì)算。對(duì)于非線性電路，計(jì)算出點(diǎn)到各折線的距離，算出最小距離即可找到對(duì)應(yīng)的元件。采用二級(jí)故障字典診斷出故障元件后，還需要找到故障元件的所在區(qū)間，采用三級(jí)字典便可實(shí)現(xiàn)元件參數(shù)區(qū)間的查找。

公式（6）：

（二）基于改進(jìn)型松散小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)故障診斷

1.BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)采用BP學(xué)習(xí)算法，是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的一種重要類(lèi)型，可以對(duì)各種復(fù)雜的映射關(guān)系進(jìn)行表達(dá)。多層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以解決非線性映射問(wèn)題，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在模擬電路的故障診斷中應(yīng)用較多。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的工作過(guò)程中輸入信號(hào)，是采用輸入到輸出的方向進(jìn)行正向傳播，誤差信號(hào)則相反，利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在處理函數(shù)逼近以及數(shù)據(jù)壓縮問(wèn)題時(shí)具有較好效果。利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行模擬電路的軟故障診斷，可以降低排障人員的工作壓力，完成軟故障數(shù)據(jù)特征提取、軟故障診斷的功能。利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)軟故障進(jìn)行診斷，識(shí)別電路的故障元件，通過(guò)測(cè)量得到的電路故障原始輸出信號(hào)，按照特定的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)特征的提取，然后再導(dǎo)入到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，即可自動(dòng)識(shí)別發(fā)生故障的元件位置。

2.故障診斷

利用改進(jìn)型松散小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行電路軟故障診斷，需要進(jìn)行測(cè)前軟故障特征提取以及測(cè)后的故障診斷兩個(gè)階段。

測(cè)前軟故障主要是對(duì)空間電子儀器中的待測(cè)電路進(jìn)行分析，確定可測(cè)節(jié)點(diǎn)，再利用仿真工具進(jìn)行仿真測(cè)試，獲取電路的軟故障采樣信號(hào)，根據(jù)故障特征確定網(wǎng)絡(luò)輸入層和神經(jīng)元個(gè)數(shù)，再通過(guò)實(shí)驗(yàn)試湊方法設(shè)定隱層神經(jīng)元個(gè)數(shù)。最后進(jìn)行測(cè)后故障診斷，利用仿真得到目標(biāo)電路的原始數(shù)據(jù)，按照與測(cè)前軟故障一樣的方法獲取原始故障特征，從而確定故障元件位置。

三、結(jié)束語(yǔ)

在“大數(shù)字、小模擬”的發(fā)展趨勢(shì)下，模擬電路的故障診斷極為重要。電子儀器中的模擬電路一旦發(fā)生故障，將會(huì)造成巨大的損失?？臻g電子儀器相對(duì)于地面電子儀器而言，故障發(fā)生后所造成的損失更大，因此以空間電子儀器為研究對(duì)象，介紹了電子儀器模擬電路發(fā)生故障的類(lèi)型以及方法，為后續(xù)研究工作奠定基礎(chǔ)。