模擬非線性直流電路的改進(jìn)粒子群優(yōu)化診斷方法及系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及模擬電路故障診斷技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種模擬非線性直流電路的改 進(jìn)粒子群優(yōu)化診斷方法及系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 模擬電路故障診斷是指在已知電路網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、輸入激勵信號（也可自選激 勵信號）和故障下的響應(yīng)時，求解故障元件的物理位置和參數(shù)，在模擬電路中，故障可分為 軟故障和硬故障，其中軟故障是元件參量隨時間的影響緩慢變化而超出容差造成的，硬故 障是元件參量突然出現(xiàn)很大偏差（如開路、短路）造成的。
[0003] 現(xiàn)有的模擬電路軟故障診斷方法大多基于模式分類理論。此類診斷方法通常假設(shè) 電路發(fā)生單點故障（電路中僅有一個元件發(fā)生故障，不同的元件發(fā)生故障對應(yīng)著電路的不 同故障模式），并對電路所有可預(yù)知的故障狀態(tài)進(jìn)行分析和建模，提取出電路不同故障模式 的故障特征，從而采用模式分類方法實現(xiàn)對模擬電路故障的診斷。受到模式分類原理（對 已知模式的分類能力非常好，但對未知模式的分類能力較差）和模擬電路故障狀態(tài)復(fù)雜性 (由于模擬元件參數(shù)的連續(xù)性，模擬電路的非線性以及實際中電路常常有多個元件同時發(fā) 生故障，模擬電路的故障模式數(shù)常常是無窮大）的限制，基于模式分類的故障診斷方法對 模擬電路的未知故障狀態(tài)以及多故障狀態(tài)的診斷能力有所不足。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 【要解決的技術(shù)問題】
[0005] 本發(fā)明的目的是提供一種模擬非線性直流電路的改進(jìn)粒子群優(yōu)化診斷方法及系 統(tǒng)，以解決目前的基于模式分類的故障診斷方法對模擬電路的未知故障狀態(tài)以及多故障狀 態(tài)的診斷能力不足的問題。
[0006] 【技術(shù)方案】
[0007] 本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的。
[0008] 本發(fā)明首先涉及一種模擬非線性直流電路的改進(jìn)粒子群優(yōu)化診斷方法，包括如下 步驟：
[0009] A :在直流電壓激勵源的激勵下對待測電路的可及測試節(jié)點進(jìn)行電信號采樣，建立 故障診斷方程；
[0010] B :初始化粒子群的粒子數(shù)、各粒子的位置與速度，所述粒子的位置表示待測電路 元件參數(shù)相對變化值，將迭代次數(shù)設(shè)置為〇,設(shè)定迭代終止條件；
[0011] C :計算各粒子的適應(yīng)度值；
[0012] D :判斷本方法是否滿足迭代終止條件，若滿足則轉(zhuǎn)入執(zhí)行步驟I，反之則執(zhí)行步 驟E ;
[0013] E :采用標(biāo)準(zhǔn)PSO算法的慣性權(quán)重控制公式計算出當(dāng)前條件下全體粒子統(tǒng)一的慣 性權(quán)重，然后將迭代次數(shù)加1，若迭代次數(shù)小于2,則轉(zhuǎn)入執(zhí)行步驟G，反之則執(zhí)行步驟F ;
[0014] F :計算全體粒子上一輪迭代結(jié)束后適應(yīng)度值的變化，確定各粒子在當(dāng)前迭代中慣 性權(quán)重的最終取值：對于適應(yīng)度值變差的粒子，令其慣性權(quán)重為0,對于適應(yīng)度值變優(yōu)的粒 子，令其慣性權(quán)重保持不變；
[0015] G :采用標(biāo)準(zhǔn)PSO算法中的速度更新公式和位置更新公式更新粒子群各粒子的速 度與位置；
[0016] H :計算各粒子的適應(yīng)度值，保存粒子群的各粒子迭代過程中的歷史最優(yōu)位置、粒 子群中全體粒子迭代過程中的最優(yōu)位置，轉(zhuǎn)入步驟D開始新一輪迭代；
[0017] I :輸出粒子群中全體粒子迭代過程中的最優(yōu)位置。
[0018] 作為一種優(yōu)選的實施方式，所述步驟B還包括設(shè)定最大迭代次數(shù)，所述迭代終止 條件為：迭代次數(shù)大于最大迭代次數(shù)和/或所述改進(jìn)粒子群優(yōu)化診斷方法收斂。
[0019] 作為另一種優(yōu)選的實施方式，所述故障診斷方程包括約束條件和目標(biāo)函數(shù)，所述 約束條件為可及測試節(jié)點的電壓增量方程:Ay = b，所述目標(biāo)函數(shù)為求取待測電路的元件 參數(shù)相對變化向量y的I1范數(shù)的最小量:min g(y) = I |y I I i，
[0020] 其中
為待測電路的相對節(jié)點電壓靈敏度，y = (x_x°)為待測電 路元件參數(shù)相對變化值，b = f (X) -f (x°)為可及測試節(jié)點電壓相對變化值，f (X)= [fjx)，f2(x), . . .，fm(x)]為待測電路各可及測試節(jié)點上的輸出電壓，X = (X1, X2, . . .，χη)τ 為待測電路元件參數(shù)值，# = (·<，·<，...，<f為待測電路元件參數(shù)標(biāo)稱值，η為待測電路元 件數(shù)，m為待測電路可及測試節(jié)點的數(shù)目，I I · I I1表示向量的I i范數(shù)。
[0021] 作為另一種優(yōu)選的實施方式，所述故障診斷方程為：
[0022] min F(y) = I |y| |，M| |Ay_b| I1,
[0023] 其中M為懲罰因子。
[0024] 作為另一種優(yōu)選的實施方式，當(dāng)待測電路中的故障元件數(shù)已知時，所述故障診斷 方程為：
[0025]
[0026] 其中為元件X j的容差范圍，為懲罰因子；
[0027] 當(dāng)待測電路中的故障元件數(shù)未知時，所述模擬故障診斷方程為：
[0028]
[0029] 其中M3為懲罰因子，λ η λ 2為權(quán)重系數(shù)并滿足λ JA2= 1。
[0030] 作為另一種優(yōu)選的實施方式，所述步驟F中計算全體粒子上一輪迭代結(jié)束后適應(yīng) 度值的變化的公式為：
[0031]
[0032] 其中iter為迭代次數(shù)且iter彡2, i表示粒子群中的粒子i，/?'")表示粒子i 在第iter次迭代后的適應(yīng)度值，表示粒子i在第iter次迭代后的適應(yīng)度值的變 化。
[0033] 作為另一種優(yōu)選的實施方式，所述步驟F中確定各粒子在當(dāng)前迭代中慣性權(quán)重的 最終取值的公式為：
[0034]
[0035] 其中為當(dāng)前迭代中的慣性權(quán)重。
[0036] 本發(fā)明還涉及一種模擬非線性直流電路的改進(jìn)粒子群優(yōu)化診斷系統(tǒng)，包括：
[0037] 故障診斷方程建立模塊，被配置成：在直流電壓激勵源的激勵下對待測電路的可 及測試節(jié)點進(jìn)行電信號采樣，建立故障診斷方程；
[0038] 初始化模塊，被配置成：初始化粒子群的粒子數(shù)、各粒子的位置與速度，所述粒子 的位置表示待測電路元件參數(shù)相對變化值，將迭代次數(shù)設(shè)置為〇,設(shè)定迭代終止條件；
[0039] 適應(yīng)度值計算模塊，被配置成計算各粒子的適應(yīng)度值；
[0040] 迭代終止判斷模塊，被配置成：判斷是否滿足迭代終止條件，若滿足則轉(zhuǎn)入結(jié)果 輸出模塊，反之則轉(zhuǎn)入慣性權(quán)重初步計算模塊；
[0041] 慣性權(quán)重初步計算模塊，被配置成：采用標(biāo)準(zhǔn)PSO算法的慣性權(quán)重控制公式計算 出當(dāng)前條件下全體粒子統(tǒng)一的慣性權(quán)重，然后將迭代次數(shù)加1，若迭代次數(shù)小于2,若迭代 次數(shù)小于2,則轉(zhuǎn)入位置速度更新模塊，反之則轉(zhuǎn)入慣性權(quán)重的最終取值計算模塊；
[0042] 慣性權(quán)重最終計算模塊，被配置成：計算全體粒子上一輪迭代結(jié)束后適應(yīng)度值的 變化，確定各粒子在當(dāng)前迭代中慣性權(quán)重的最終取值，對于適應(yīng)度值變差的粒子，令其慣性 權(quán)重為0,對于適應(yīng)度值變優(yōu)的粒子，令其慣性權(quán)重保持不變；
[0043] 位置速度更新模塊，被配置成采用標(biāo)準(zhǔn)PSO算法中的速度更新公式和位置更新公 式更新粒子群各粒子的速度與位置；
[0044] 最優(yōu)位置保存模塊，被配置成：計算各粒子的適應(yīng)度值，保存粒子群的各粒子迭代 過程中的歷史最優(yōu)位置、粒子群中全體粒子迭代過程中的最優(yōu)位置，轉(zhuǎn)入迭代終止判斷模 塊開始新一輪迭代；
[0045] 結(jié)果輸出模塊，被配置成輸出粒子群中全體粒子迭代過程中的最優(yōu)位置。
[0046] 下面對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0047] 本發(fā)明首先涉及模擬故障診斷方程的建立。
[0048] 本發(fā)明采用多維泰勒級數(shù)展開方法，將模擬非線性電路在其正常工作點（電路元 件參數(shù)均為其標(biāo)稱值）進(jìn)行線性化處理，設(shè)計了電路的故障診斷方程，從而解決將模擬非 線性電路的故障診斷問題轉(zhuǎn)化為對模擬故障診斷方程（線性方程組）的求解問題。
[0049] 以模擬非線性直流電路為待測電路（Circuits Under Test，CUT)。將直流電壓 激勵源施加于CUT，在CUT的可及測試節(jié)點上測量得到一組電壓信號u = (Ul，u2,. . .，ι〇 T(m為可及測試節(jié)點的數(shù)目，T表示轉(zhuǎn)置）。CUT的輸出電壓向量與電路元件參數(shù)向量x = (Xl，x2, ...，χη)τ (η為待測電路元件數(shù)）之間的關(guān)系可通過下式表示：
[0050] f (x) =u 式（I)
[0051] 其中f(x)=[匕00，&00，...，^00]為非線性函數(shù)向量。通常情況下，很難得 到f (X)精確的數(shù)學(xué)表達(dá)式，但是，對于給定的電路元件參數(shù)X，電路各可及測試節(jié)點上的輸 出仁00可通過數(shù)值方法獲取。
[0052] 當(dāng)CUT發(fā)生軟故障，電路元件參數(shù)值將偏離其標(biāo)稱值。假設(shè)電路元件參數(shù)的變化 不會造成非線性電路工作點的改變，則可將式（1)中的f( x)在電路的工作點進(jìn)行泰勒級數(shù) 展開，并忽略高階項后得到：
[0053]
[0054] 其中，P 為電路元件參數(shù)標(biāo)稱值向量，化簡上式可得：
[0055] Ay = b 式（2)
[0056] 式（2)即為模擬非線性直流電路在其工作點處的節(jié)點電壓增量方程。其中，
丨為⑶T的節(jié)點電壓靈敏度矩陣（mXn階），y = (x-x°)為⑶T元件參數(shù)變化 值向量，b = f (x)-f (x°)為CUT的可及測試節(jié)點輸出電壓變化值向量。
[0057] 當(dāng)采用式（2)進(jìn)行故障診斷時，模擬電路元件參數(shù)值的量綱往往有很大的不同 (比如電阻元件的單位常常為Ω或者k〇)，若僅僅考慮故障元件參數(shù)變化的絕對大小，則 y = (yi，y2,...，yn)中的分量值往