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一种模拟电路的支持向量机故障诊断方法

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第32卷 第15期 Iio1.32 ・计算机工程 2006年8月 August 2006 №l5 Computer Engineering 博士论文・ 一文章■号l looo__3428(2006)l5—0o34._ 3 文献标识码l A 中圈分类号l TP391 种模拟电路的支持向量机故障诊断方法 罗志勇,史虐科 (西北工业大学自动化学院,西安710072) 摘要:系统地提出了模拟电路的最小二乘小波支持向量机故障诊断方法。从测试点得到各种故障状态下的输出电压信号,对输出电压信 号进行小波去噪,对信号进行小波分解获取多尺度的低频系数和高频系数,并对小波系数进行处理从而提取出故障特征量,以此作为学习 样本来训练最小二乘小波支持向量机,确定其模拟电路故障诊断的模型。雷达系统电路仿真结果表明了模拟电路的小波变换和最小二乘小 波支持向量机故障诊断方法取得了较好的效果。 关健词:最小二乘小波支持向量机;小波变换;故障诊断;模拟电路;雷达 A Fault Diagnosis Approach for Analog Circuits with Support Vector Machines LUO Zhiyong,SHI Zhongke (College ofAutomation,Northwestern Polytechnical University,Xi’an 710072) [Abstract]Based on least squares wavelet support vector machines,a systematic approach for fault diagnosis of analog circuits is presented. Firstly,output voltage signals under faulty conditions are obtained from analog circuit test points and noise is removed from signals with wavelet transformation.Then wavelet coeficifents of output voltage signals ale gained by wavelet decomposition,and faulty feature vectors are extracted from the coeficifents.After training the least squares wavelet support vector machines by faulty feature vectors,the least squares wavelet support vector machines model of the analog circuit fault diagnosis system is built.The simulation result shows the fault diagnosis method of the analog circuits with wavelet transformation and least squares wavelet support vector machines is effective. [Key words]Least squares wavelet support vector machines;Wavelet transformation;Fault diagnosis;Analog circuits;Radar 模拟电路是电子设备中最易发生故障的薄弱环节,一旦 发生故障将严重影响其正常工作。建立其相应的模拟电路故 障诊断系统来在线检测和定位故障,可提高电子设备的维修 性。模拟电路是较复杂的非线性系统,采用常规方法对其建 立模型和分析比较困难。文献【1,2】提出了采用神经网络对模 个样本的输入模式,Y ∈R是对应于第k个样本的期望输 出,f为训练样本数。LS-SVM取如下形式: _厂( )=W 中( )+b (1) 式中, ( ):R _÷R ,将输入数据映射到高维特征空间。 对于LS-SVM,优化问题描述为 m inJ(w,P) 1 w w+ ‘ ) 拟电路故障进行分类的诊断方法,但神经网络的稳定训练收 敛速度比较慢,而且容易收敛到局部极小点。 Vapnik[3I基-f-d,样本统计学习理论和结构风险最小化原 则提出了支持向量机(support vector machines,SVM)机器学 习方法,该方法较好地解决了小样本、非线性、高维数、局 约束条件:Y^(W ( )+b)=1一e ,k=1….、l 其中:权向量W∈RM(原始空间);误差变量e ∈R; b是 偏差量; 是可调超参数。根据式(1)可定义其拉格朗日函数 部极小点等实际问题,已在模式识别、信号处理、函数逼近 等 域得到了应用[4.51。最小二乘支持向量机(1east squares support vector machines,LS-SVM)是标准支持向量机一种扩 展,采用二次损失函数,只求解线性方程,其求解速度较 快 。LS.SVM采用小波核函数构成最小二乘小波支持向量 机(1east squares wavelet support vector machines,LS-WSVM), L(w、b、e;O0=J(w,b,P)一∑ ^(w 中( )+6)一1+ j ^ 1 (3) 其中:拉格朗日乘子 ∈R,(七=1,…,f)。对式(3)进行优化, 即求L对W,b,e , 可得以下矩阵方程 的偏导数等于0,消除变量W,e , 在小波核函数张成的空间可搜索优化分类 J。本文提出 『l 0 ]一『0] n+.Djl j一… D=diag(y,- …, ),Z= (4) 了一种模拟电路的最小二乘小波支持向量机故障诊断方法, 首先通过小波变换对故障信号进行去噪和提取故障特征矢 量,再由故障特征矢量来训练LS-WSVM,并通过雷达系统 模拟电路的故障诊断仿真,验证了模拟电路的最小二乘小波 支持向量机故障诊断方法的可行性和有效性。 其中: Y=【y .Y2…..Yt] , 1=【1….1 , a:[oq…, 】 , ( ),…y,中(-)】 ,Q=ZZ 。根据 mercer条件 ,存在映射函数 和核函数 (・,・)使得 基金项目:国家自然科学基金资助项目(60134010) l最小二乘小波支持向量机 设训练样本集D:{( ,v )I =1,2,…,fj,X ∈R 是第l 一作者筒介:罗志勇(1969一),男,博士生,主研方向:故障诊断,信 号处理,机器学习理论,系统工程等;史忠科,教授、博导 收稿日期:2006 02-1 2 E-mail:luozhyong@1 63.com 34一 维普资讯 http://www.cqvip.com

K( ,X )=O(x ) O(x ), ,m=1…,f L。J 最小二乘支持向量机的分类决策函数为 ,( )=sgn  ̄kYkK(x,五)+6) (6) 其中:oe ,b由式(4)求解出。不为零的 对应的样本为支 持向量。 应用核函数 (・,・)的目的是从原始空间中抽取特征,将 原始空间中的样本映射为高维特征空间中的一个向量,以解 决原始空间中线性不可分的问题。基于连续小波变换的可允 许的支持向量核函数可按以下引理构造: 引理1 】一个平移不变核K(x,XS)=K(x—XS)为可允 许核,当且仅当其傅立叶变换满足下式 F( 】(w)=(2 )i exp(一jwx)K(x)dx>_0 (7) 引理2 co(x)∈ (R)为一母小波函数,a和c分别为 小波函数的伸缩和平移因子,a,c∈R,口≠0, 对于 X,X ∈R ,小波核函数定义如下: ( ’):n 生量)f=1 a  a ) (8) 由引理1和引理2,小波核函数可表示为 K(x, )=K(x— )=兀 L )-_ a  (9) 墨西哥帽小波函数满足mercer条件和小波框架,在本文 中被选为母小波,其表达式如下: )=(1一 )expC一 ) (10) 由其构成的小波核函数可表示为 f1(1. )exp(_ ) …) 由式(6)一式(11)可得到优化的最小二乘小波支持向量机 分类决策函数: _,( )=sgn( 儿n )+6) (12) 式中X 表示第k训练样本的第i个向量,a 为小波核函数的 伸缩系数。 2模拟电路的最小二乘小波支持向量机故障诊断 2.1故障信号的小渡去嗓和特征量提取 故障状态下的测试点输出电压信号 (f)包含真实的信号 ,(f)和噪声n(f)。为了实现信号去噪,对输出信号 (f)进行 |v层小波分解,并使用软阈值处理各层小波系数,然后对信 号进行重构即可以达到去噪的效果。软阈值处理在于确定每 层的阈值,其中阈值选取规则采用基于史坦(stein)无偏似然 估计(-次方程)原理进行自适应阈值选择。对于一个给定的 阈值T,求出其对应的风险值,即得到它的似然估计,再进 行非似然T最小化,由此得到了所选的阈值。 在模拟电路故障情况下,测试点选取应满足输出信号对 故障敏感,输出信号经小波去噪和小波分解可得相应的小波 系数。每层小波系数的能量用下式表示: :l,£ = (13) 式中,ca,是第 层低频小波系数( =Ⅳ), ,是第 层高频 小波系数( :1,,Ⅳ)。将不同层的信号能量进行归一化处理, 并组合故障信号不同层能量作为故障特征矢量,来训练多类 最小二乘小波支持向量机。 2.2模拟电路的多类|II小二秉小渡支持向量机的故障诊断 一对一(one.versus—one,1一V一1)是多类SVM实际应用 中最合适的策略 …,因此本文针对多类最小二乘小波支持向 量机分类器采用一对一策略。 LS—SVM主要针对两类分类问题,但实际应用中需要处 理多类问题。因而需把多类问题分解为多个两类问题,训练 各个两类分类器来解决多分类问题。在一对一策略中,每个 分类器只将一类和另一类分离,而不考虑其它类,针对 种 分类情况共需K(K—1)/2个分类器,通过输出耦合来解决多分 类问题。 针对类i和类J之间的最大分割间距的超平面表达式为 ( )=W T +bij=0 (14) 式中, 为m维矢量,b 为一标量。 最佳超平面的方向按下式定义: (X)=一 ’, (X) (】5} 一对一策略是采用“最大赢”算法,每一分类器对故障 特征矢量进行相应的决策,最终的分类结果是值最大的类, 如下式…l: t X=arg max ∑sign(L(x)) (16) ,≠fj=l 式中,sign(L)是符号函数,当 .为正时,其值为1,其它 情况为0。 当决策值出现几个类有相同结果时,就出现不呵 分割区,可将其中的故障特征矢量按真实函数值进行决策, 表达式如下: t X=arg max ∑ ( ) (i 7) J Ij=l 多类分类器的输出可针对不同的故障进行编码,通过输 出确认相应的故障。针对可能出现多种故障的模拟电路进行 诊断时,可采用多类LS—WSVM分类器。故障特征矢量用来 训练多类LS—WSVM分类器,以建立基于多类LS—WSVM分 类器的模拟电路故障诊断系统。 3仿真和验证 图1为一跟踪雷达的扫描电路,由单稳态电路1和锯齿 波生成电路2组成。信号 是脉冲信号源,产生3种频率信 号。电路1和电路2分别存在Q2、Q3、D1和Q4、Q5、D3、 D4、D5、D6等易出现故障的模拟元器件,其中电阻和电容 的容差范围分别为5%和30%。电路的故障种类详见表1。 —— LD~一—+ ~一一 ; 。。 ’ j …~…。。 r ,二,  ‘ }∞  舞 3_lI 一∞二 I。。  ..#一 R’m -, 薯 。4一#R7  、 一’ 。 、 。 。  。D4:lD5 ≥ ‘一R1 卜一一~.-—c2 — ————‘~。・一一--- D——卿L~睡l跟腙冒达的扫描电路 电路1和电路2的输出电压信号分别从测试点OUT2、 OUT3、OUT4和OUT5、OUT6、OUT7、OUT8获取。输出 电压信号采用Daubechies离散二进制进行小波去噪(情况见 图2),再使用小波变换分解为3层,得到低频系数ca 和高 一35— 维普资讯 http://www.cqvip.com

频系数cd.、 :、 ,。两个电路的故障特征矢量分别从12 一g 洛仿真,并从输出电压信号的小波系数提出特征矢量来作为 蛩uN 和16个小波系数中提取。 表1故障种类 故障情况 晶体管Q2开路 晶体管Q2击穿 晶体管Q3开路 晶体管Q3击穿 类别 1 2 3 4 训练和验证的样本。对电路1的300和195个蒙特卡洛仿真 一窖 ∞p3 0 一 路2的315和210个仿真结果进行处理得到相应的样本。 O 姗 结果分别进行处理提取相应的训练和测试样本,同时也对电 Ⅻ 姗 蜘 瑚 考虑到简化问题,使小波核函数中的参数at:a(k:1,…,f), 且相应的核函数的参数选取了合适值,电路的故障诊断情况 见表2。结果显示基于多类最小二乘小波支持向量机的模拟 电路故障诊断效果比基于径向基核函数的最小二乘支持向量 2 机要好。其中在一对多策略中出现了不可分割区,但在一对 二极管D1击穿 5 晶体管Q4开路 6 晶体管Q4击穿 7 晶体管Q5开路 8 晶体管Q5击穿 9 二极管D3击穿 10 二极管D4或D5击穿 11 二极管D6击穿 12 4 5 6 ×10 O 4 5 6 ×lO 圈2 OUT4 试点 出的相应含噪声和去 的信号 表2 LS・SVM的分类情况 核参数 误诊率(%) 策略 核函数 ( , ) 或(a, ) 训练 测试 RBF (4,100) 0 0 wavelet (2.5,100) 0 0 1一v一1 RBF (4,1O) 0 0 电路1 wavelet (2.5,10) 0 0 RBF (4,100) 0 0 、vavelet (2.5,100) 0 0 1一v—r RBF (4,10) 0.28 0 43 、vavelet (2.5,10) 0 0.43 RBF (4,100) 1.94 4 58 、vavelet (2.5,100) 1.94 4.58 卜v一1 RBF (4,10) 2.5 4 58 电路2 、vavelet (2 5,10) 1.94 4 58 RBF (4,100) 2.5 5 83 、vavelet (2.5,100) 2.5 4.58 1一v—r RBF (4,10) 5_83 5.83 、vavelet (2.5,10) 5.28 5.42 本文采用多类LS—WSVM与基于径向基核函数的 LS—SVM进行电路故障诊断对比,并分别使用了一对一和一 对多(one—versus—rest,l—v—r) 的策略。 在电路的3种频率下,针对其不同故障情况采用蒙特卡 一36一 一策略中未出现,因而未展开一对多策略中不可分割区的 分析。 3 4结论 本文提出了基于多类最小二乘小波支持向量机的模拟电 路故障诊断方法。采用小波变换对故障状态下的输出电压信 号进行小波去噪和小波分解得到小波系数,并将每层小波系 数的能量信息进行处理得到故障特征矢量,采用高分辨的故 障特征矢量训练多类最小二乘小波支持向量机分类器。通过 雷达系统模拟电路的仿真验证,结果表明最小二乘小波支持 向量机的故障诊断准确率比基于径向基核函数的最小二乘支 持向量机高,特别是一对一策略更有效,该诊断方法对模拟 电路故障诊断取得了较好的效果。 参考文献 1 Luo Z,Shi Z.Wavelet Neural Network Method for Fault Diagnosis of Push—pull Circuits[C].Proceedings of International Conference on Machine Learning and Cybernetics,Guangzhou,China,2005: 3327—3332. 2 Aminian F Aminian M.Collins H.Analog Fault Diagnosis of Actual Circuits Using Neural Networks[J].IEEE Transaction on Instrumentation and Measurement,2002,5 1(3):544—550 3 Vapnik V The Nature of Statistical Learning hTeory(2 edn)[M].New York:Springer-Verlag,1998. 4 Carozza M,Rampone S.Towards An Incremental SVM for Regression[C].Proceedings of International Joint Conference on Neural Networks,Como,Italy,2000:405—410. 5 Burges C.A Tutorial on Support Vector Machines for Pattern Recognition[J].Data Mining Knowledge Discovery,1998,8(2): 121—167. 6 Suykens J,Vandewalle J.Least Squares Support Vector Machine Classiifers[J].Neural Processing eLtters,1999,l0(9):293—300. 7 Suykens J,Van G De B J,et a1.Least Squares Support Vector Machines[M].Singapore:World Scientiifc Press,2002. 8 Zhang L.Zhou Jiao L.Wavelet Support Vector Machine[J].IEEE Trans.On Systems,Man,and Cybemetics——Pfdn B:Cybemetics, 2004,34(1):34—39. 9 Smola A,Scholkopf B,Mfiller K The Connection Between Regularization Operators and Support Vector Kernels[J].Neural Networks,1 998,1 2(I1):637—弭9. 10 Hsu C,Lin C.A Comparison of Methods for Multiclass Support Vector Machines[J].IEEE Trans Neural Networks,2002,l 3(2): 415—425. I 1 Debnath R.Takahide N.Takahashi H.A Decision Based One—against—one Method for Multi—class Support Vector Machine[J]. Pattern Anal Applic.,2004,17(7):164—175. 

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