【摘要】：復(fù)雜電氣與電子系統(tǒng)在航空、航天、航海、工業(yè)制造、核、新能源和高鐵等領(lǐng)域中發(fā)揮了越來越重要的作用。模擬電路是復(fù)雜電氣與電子系統(tǒng)的重要組成部分,其故障預(yù)測與健康管理(prognostics and health management,PHM)技術(shù)的研究,逐漸成為了熱點(diǎn)方向。模擬電路的PHM對于復(fù)雜電氣與電子系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)評估、異常發(fā)現(xiàn)、快速診斷、精準(zhǔn)維修、提升系統(tǒng)運(yùn)行可靠性和安全性等,均具有重要的價值和意義。本文使用深度學(xué)習(xí)中的深度置信網(wǎng)絡(luò)(deep belief network,DBN)技術(shù)提取模擬電路早期故障的特征,其中DBN中受限玻爾茲曼機(jī)(restricted Boltzmann machine,RBM)的學(xué)習(xí)率應(yīng)用量子粒子群(quantum-behaved particle swarm optimization,QPSO)算法優(yōu)化生成。應(yīng)用支持向量機(jī)(support vector machine,SVM)方法建立早期故障診斷模型對各類早期故障進(jìn)行識別。在模擬電路故障預(yù)測的研究中,針對模擬電路中已經(jīng)識別的早期故障元件,提取其輸出電壓作為特征,計(jì)算其皮爾遜相關(guān)系數(shù)(Pearson product-moment correlation coefficient,PPMCC)作為健康度,應(yīng)用多核相關(guān)向量機(jī)(multiple kernel relevance vector machine,MKRVM)方法預(yù)測其剩余有用性能(remaining useful performance,RUP)。本文主要工作如下:(1)針對當(dāng)前故障診斷中特征提取方法的不足,重點(diǎn)研究了應(yīng)用深度學(xué)習(xí)中DBN對模擬電路的早期故障特征進(jìn)行提取的方法,對于影響基于DBN的特征提取方法效果的關(guān)鍵參數(shù)-RBM的學(xué)習(xí)率,提出一種應(yīng)用QPSO算法進(jìn)行優(yōu)化取值的方法。應(yīng)用提出的DBN方法提取模擬電路早期故障的特征作為樣本數(shù)據(jù),通過SVM方法建立早期故障診斷模型對各類早期故障進(jìn)行識別,其中SVM的懲罰因子和寬度因子應(yīng)用QPSO算法優(yōu)化生成,可有效提高早期故障診斷的正確率。(2)針對當(dāng)前模擬電路故障預(yù)測研究較少的現(xiàn)狀,重點(diǎn)研究了一種模擬電路故障預(yù)測的體系結(jié)構(gòu)。在該體系結(jié)構(gòu)中,首先提出了一種提取輸出電壓為模擬電路故障預(yù)測特征的方法,簡單且效果好。提出了模擬電路元件健康度的概念,通過計(jì)算模擬電路元件退化時輸出電壓與元件位于標(biāo)稱值時輸出電壓的PPMCC,作為該元件的健康度。通過對該元件進(jìn)行一個較長時間內(nèi)輸出電壓的測量和健康度的計(jì)算,生成其樣本數(shù)據(jù)。利用MKRVM算法對樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí),建立其故障預(yù)測模型,從而預(yù)測該元件故障發(fā)生時間和計(jì)算其RUP,其中MKRVM核函數(shù)的稀疏系數(shù)由QPSO算法優(yōu)化生成。(3)以Sallen Key帶通濾波器電路、四運(yùn)放雙二階高通濾波器電路和非線性整流電路為被測電路,針對被測電路中的元件進(jìn)行模擬電路早期故障診斷實(shí)驗(yàn)和模擬電路故障預(yù)測實(shí)驗(yàn)。在早期故障診斷實(shí)驗(yàn)中,應(yīng)用基于DBN的特征提取方法提取的各個早期故障類別的特征,表現(xiàn)出同一早期故障類別之間聚集程度高和不同早期故障類別之間重疊程度低的特點(diǎn)。經(jīng)QPSO算法優(yōu)化后的建立的SVM早期故障診斷模型,對3個電路進(jìn)行早期故障診斷的正確率分別為100%、96.41%和100%。在故障預(yù)測實(shí)驗(yàn)中,本文提出的MKRVM方法對已于早期故障診斷中識別的8個元件進(jìn)行了故障預(yù)測實(shí)驗(yàn),預(yù)測的結(jié)果均在設(shè)定的置信區(qū)間中,表明了故障預(yù)測的精度較高,并通過對比實(shí)驗(yàn)證明了在故障預(yù)測方面MKRVM方法優(yōu)于基于單核學(xué)習(xí)方法的傳統(tǒng)RVM方法。
【圖文】：

Step 4：基于 SVM 方法，應(yīng)用提取的特征構(gòu)建早期故障診斷模型，其中罰因子和寬度因子應(yīng)用 QPSO 算法優(yōu)化；Step 5：應(yīng)用測試樣本數(shù)據(jù)對特征提取方法和早期故障診斷模型進(jìn)行測試Step 6：輸出測試樣本數(shù)據(jù)的診斷正確率，以此評價提出的特征提取方法障診斷模型性能。 模擬電路早期故障診斷實(shí)驗(yàn)的測試電路和元件Sallen Key 帶通濾波器電路作為第一個測試電路，其電路原理見圖 3.2。的標(biāo)稱值已經(jīng)在圖中標(biāo)出。在元件靈敏度測試中，由于 R2、R3、C1和 頻率的影響較大[41, 49, 118, 122]，故選擇這些元件作為測試元件。測量數(shù)據(jù)中 類故障類別，即 R2↑、R2↓、R3↑、R3↓、C1↑、C1↓、C2↑、C2↓和無故障（no ，其中↑和↓分別表示元件參數(shù)值高于和低于標(biāo)稱值。激勵源采用持續(xù)時s，幅值為 10v 的脈沖波，故障時域響應(yīng)信號在電路輸出端采樣獲得。應(yīng)用方法對每個故障類別采集 120 個數(shù)據(jù)樣本，采樣輸出的時域響應(yīng)信號為早期故障碼、早期故障類別、標(biāo)稱值和早期故障值記錄于表 3.1。

3F7 R4↑ 1.6k F8 R4↓ 1.6k 1F9 C1↑ 5nF 6F10 C1↓ 5nF 3F11 C2↑ 5nF 6F12 C2↓ 5nF 3階高通濾波器被選擇為第二個測試電路，比第一理見圖 3.3，，其中各個元件的標(biāo)稱值已經(jīng)在圖中標(biāo)us，幅值為 10v 的脈沖波，故障時域響應(yīng)信號在電測試，選擇 R1、R2、R3、R4、C1和 C2作為測試對、R2↓、R3↑、R3↓、R4↑、R4↓、C1↑、C1↓、C2↑和 C法對每個故障類別采集 120 個數(shù)據(jù)樣本，采樣輸期故障碼、早期故障類別、標(biāo)稱值和早期故障值
【學(xué)位授予單位】：合肥工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TN710

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本文編號：2689970