8模擬電路故障診斷

第八章模擬電路故障診斷8.1引言8.2故障診斷方法的分類8.3故障字典法8.5子網(wǎng)絡診斷法第八章模擬電路故障診斷8.1引言8.1引言現(xiàn)代網(wǎng)絡理論網(wǎng)絡分析網(wǎng)絡綜合故障診斷數(shù)字電路故障診斷模擬電路故障診斷故障診斷的任務：在已知網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)、輸入激勵信號（也可自選激勵信號）和故障下的響應時（有時可能還已知部分元器件的參數(shù)），求解故障元件的物理位置和參數(shù)。8.1引言網(wǎng)絡理論三大分支的特點激勵拓撲結(jié)構(gòu)元件參數(shù)響應解的唯一性網(wǎng)絡分析已知（給定）已知已知待求唯一網(wǎng)絡綜合已知（給定）待求待求已知（給定）不唯一網(wǎng)絡診斷已知（可選）已知待求（部分已知）已知（可測）要求唯一8.1引言模擬電路故障診斷的進展在電子電路的發(fā)展進程中，模擬電路比數(shù)字電路出現(xiàn)得早，但數(shù)字電路發(fā)展的速度卻比模擬電路發(fā)展的速度要高得多，最典型的例子，數(shù)字計算機基本以替代模擬計算機，而且仍在日新月異地飛速發(fā)展。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因主要有：（１）軍事和工業(yè)部門對數(shù)字系統(tǒng)有急迫的要求；（２）ＩＣ制造相對比較簡單，且應用廣泛；（３）數(shù)字系統(tǒng)的測試和診斷發(fā)展迅速，已近成熟。8.1引言模擬電路故障診斷的進展模擬系統(tǒng)的測試和診斷自６０年代開始研究以來，進展一直比較緩慢，原因有二：（１）模擬系統(tǒng)集成度較低，傳統(tǒng)的模擬電路規(guī)模較小，因此采用人工測試和檢修基本滿足實際需要，沒有象對規(guī)模較大的數(shù)字系統(tǒng)測試那樣的迫切要求，所以模擬系統(tǒng)的測試和診斷的研究缺少強有力的動力；（２）模擬系統(tǒng)的測試和診斷遠比數(shù)字系統(tǒng)困難，因此至今無論在理論上還是在方法上均未完全成熟。8.1引言故障診斷為靈敏度分析的逆過程。靈敏度分析——由元件參量的變化求響應特性的變化；故障診斷——由響應特性的變化求元件參量的變化。幾個名詞解釋自動測試——由計算機控制對電路進行測試。它是連續(xù)監(jiān)測、故障監(jiān)測、故障定位和故障辨識的總稱。

故障診斷自動測試技術的發(fā)展主要取決于：１、被測系統(tǒng)的可測試設計（先決條件）；２、廉價的計算機（物質(zhì)基礎）；３、故障診斷方法和算法（理論基礎）。故障診斷比靈敏度分析要困難得多，其原因如下：8.1引言（1）元件參量與系統(tǒng)特性之間的非線性關系。即使系統(tǒng)本身是線性的，要求解的診斷方程也往往是非線性的。（2）方程數(shù)不足。實際網(wǎng)絡可提供的測試點數(shù)往往遠小于元件數(shù)，使方程數(shù)少于未知數(shù)。（3）容差影響。任何故障診斷算法都依賴于元件設計的標稱值，但實際元件值為容差范圍內(nèi)的任意值，這就影響診斷算法的準確性。（4）故障狀態(tài)的連續(xù)性和多樣性。模擬電路故障現(xiàn)象復雜多樣，且元件參數(shù)超出容差范圍即為故障。因此，故障狀態(tài)是連續(xù)無限的，從而使模擬電路的故障診斷要比數(shù)字電路困難得多。8.2故障診斷方法的分類8.2故障診斷方法的分類故障軟故障（漸變故障）——元件參量隨時間和環(huán)境條件的影響緩慢變化而超出容差造成的；硬故障（突變故障）——元件參量突然出現(xiàn)很大偏差（如開路、短路）造成的。故障——電路喪失規(guī)定功能。在模擬電路中，故障可分為故障的分類8.2故障診斷方法的分類8.2故障診斷方法的分類故障單故障——指在某一時刻故障僅涉及一個參量或一個元件，常見于運行設備中；多故障——指與若干個參量或元件有關的故障，常見于剛出廠的設備。按電路中存在的故障數(shù)區(qū)分，故障的分類8.2故障診斷方法的分類１、故障監(jiān)測（FaultDetection）：根據(jù)所采集到的數(shù)據(jù)以及已知電路結(jié)構(gòu)與標稱參數(shù)，判斷電路是否存在故障。但故障檢測不能確定故障元件的位置和參數(shù)。相對而言，故障檢測比較容易，它主要用于產(chǎn)品的檢驗。2、故障辨識（FaultIdentification）:在已知電路存在故障前提下,確定個故障元件的位置(即故障定位faultlocation)，如果需要的話，還要進一步確定或估計元件的有關參數(shù)。對故障辨識的要求是準確而唯一的。這是故障診斷的主要任務。3、故障預報（FaultForecast）:對被測系統(tǒng)連續(xù)監(jiān)測，從中分析和預報可能發(fā)生故障的元件。模擬電路測試的主要任務8.2故障診斷方法的分類根據(jù)不同的分類依據(jù)，故障診斷方法有多種不同的分類方式：故障診斷方法的分類1、按故障診斷的環(huán)境區(qū)分可分為在線診斷（On-lineDiagnosis）和離線診斷(Off-lineDiagnosis)；

一般在線診斷要求快速，但定位的區(qū)域較大，離線診斷要求定位區(qū)域較?。ㄈ缭壔蚰K級），并且故障位置應該具有唯一性。2、依據(jù)電路的仿真是在實際測試前還是實際測試后可分測前仿真法(SBT—simulationbeforetest)和測后仿真法(SAT—simulationaftertest)；

測前仿真診斷的典型方法是故障字典法；測后仿真診斷的典型方法是元件參數(shù)辨識法和故障驗證法。8.3故障字典法8.3故障字典法（faultdictionary）故障字典法是目前模擬電路故障診斷中最具有實用價值的方法。該方法的理論基礎是模式識別原理。在電路測試之前，用計算機模擬電路在各種故障條件下的狀態(tài)，然后得到響應（通常是端口電壓向量）作必要的處理（如響應壓縮、編碼等），作為對應故障的特征，將它們編成一個故障與特征對應的字典。在實際診斷時，對被測電路施加與測前仿真時完全一致的激勵和工作條件，取得相應特征，最后在故障字典中查得與此特征對應的故障。一般適用于硬故障和單故障的診斷。8.3故障字典法8.3故障字典法（faultdictionary）故障字典法分直流故障字典和交流故障字典。直流故障字典的故障特征是直流工作點的偏移；交流故障字典的特征是電路幅頻特性的移動。直流故障字典法步驟一、建立字典二、測后分析三、故障仿真計算四、測試節(jié)點的優(yōu)選和故障測試碼的生成8.3故障字典法通過例題來說明直流故障字典法步驟例：電路如圖所示，各電阻正常值分別為Rk=1Ω(k=1,…,7)，R8=0.5Ω。電路有3個測試點，2個端口，激勵電流I1=I2=1A，測量值為V1，V2。8.3故障字典法一、建立字典建立字典的過程實際上是測試前的分析過程，它主要完成故障集的選擇，激勵信號的選擇，故障特征模糊域的分割與隔離，故障特征碼的生成等工作。

1、故障集的選擇

實際上是確定可診斷的故障集。一般只考慮電路中的元件硬故障（即元件開路或短路）。由于電路中元件多，多故障的組合數(shù)很大，因此羅列所有的多故障作為故障集是不現(xiàn)實的。比較實際的方法是根據(jù)被測電路的特點和以往的經(jīng)驗及元件故障概率來選擇若干單故障和多個故障作為故障集。8.3故障字典法一、建立字典將測量值與字典中的計算值比較，即可確定電路發(fā)生何種故障。8.3故障字典法一、建立字典

2、激勵信號的選擇

通常采用與實際工作相似的輸入信號作為激勵信號。為了充分隔離故障集中所有（或極大部分）故障，經(jīng)常需要多種輸入信號的組合信號，甚至還需要另選一些實際工作過程中沒有的組合信號作為激勵。目前還沒有一種通用方法，通常根據(jù)經(jīng)驗或靈敏度分析，逐步試探得到能隔離故障集中所有故障的激勵信號。故障隔離或故障區(qū)分可用下式判據(jù)來檢驗：8.3故障字典法一、建立字典其中Vk(Fi)是故障Fi時測試點k的電壓，Vk(NOR)是正常狀態(tài)下測試結(jié)點k的電壓，n是測試結(jié)點數(shù)。

該例為純電阻電路，所以相對比較簡單。8.3故障字典法一、建立字典

3、測試結(jié)點的選擇

選擇的基本準則：必須是可及結(jié)點（即由電路引出的可以測量的結(jié)點）；在滿足故障隔離要求的前提下，盡量減少測試結(jié)點數(shù)。

測試點的選擇：可通過靈敏度來確定。一般選擇那些對元件參量變化靈敏的結(jié)點，也可根據(jù)以往的經(jīng)驗選擇。8.3故障字典法一、建立字典

4、模糊集的分割

在確定故障集、激勵信號和測試結(jié)點后，可以通過計算機電路輔助分析程序計算出電路在每一故障狀態(tài)下的測試向量（無故障元素選用標稱參數(shù)），如果每一個故障都滿足則故障集中的故障都是可隔離的。8.3故障字典法一、建立字典考慮到實際網(wǎng)絡中元件參數(shù)具有容差，因此可能會出現(xiàn)以下兩種情況：

（1）電路在無故障狀態(tài)下，測試向量中的各元素（即個測試點的電壓）不是一個確定的值，而是一個連續(xù)的小區(qū)域，甚至某些元素值落在某種故障狀態(tài)下的對應區(qū)間內(nèi)。換句話說，如果僅分析一個測試點的測試值，有可能將一個具有容差的無故障電路判為故障電路。反之，也有可能將一個存在故障的電路判為正常電路。

（2）對于每個故障狀態(tài)，其測試向量中的每個元素值也是一個連續(xù)的區(qū)間，因為在計算時除故障元件外的所有元件的參數(shù)也都是有容差的。如果在兩種不同的故障狀態(tài)下，測試向量中的元素值有交叉重疊的區(qū)間，則可能這兩個故障不可區(qū)分（隔離）。8.3故障字典法一、建立字典故Vk(NOR)

和Vk(Fi)都不是一個點，而是一個小區(qū)域，因此無法用計算，為解決這個問題，將每個測試向量中的每個元素的值劃分成若干區(qū)域，每個區(qū)域的中心值為若干相鄰元素值的平均值，然后從中心值向左右各擴展0.7V，構(gòu)成一個區(qū)間，此區(qū)間為一模糊域。凡落在這個模糊域的元素構(gòu)成一個模糊集。8.3故障字典法一、建立字典設上例電路中有2個測試點和6個故障狀態(tài)，經(jīng)仿真計算可得下表所示的測試向量：表中NOR表示正常狀態(tài)，F(xiàn)i表示第i號故障狀態(tài)。8.3故障字典法一、建立字典為直觀起見，將上表中的測試向量畫成下圖所示的數(shù)軸圖：8.3故障字典法通過上圖，可將V1劃分為4個模糊域，將V2劃分為3個模糊域，各模糊域的中心值及范圍見下表：8.3故障字典法劃分模糊域的基本準則：相鄰模糊域不產(chǎn)生交叉重疊。如果兩個模糊域產(chǎn)生輕微的交叉，則這兩個模糊域的邊界均應各自向里收縮一些，并保證兩個模糊域的邊界值至少應有0.1～０.2Ｖ的間隙。在某些場合也可適當放寬若干模糊域的范圍。上表中，V1的第2和第3個模糊域分別為4.6～6.0Ｖ，5.9～7.3Ｖ，這樣劃分是很不合理的。此時應作調(diào)整，改為4.6～

5.9Ｖ，6.0～7.3Ｖ。8.3故障字典法如此即可將電路的7種狀態(tài)分割成7個模糊集。

5、故障的隔離

在對電路各種狀態(tài)下的測試向量作模糊域劃分后，將這些狀態(tài)分割成若干模糊集F，因此，電路的各種狀態(tài)可用模糊集號（1，4）和（1，1）表示，而正常狀態(tài)NOR用模糊集（1，2）和（2，1）之交來表示。8.3故障字典法利用模糊集作為特征來隔離故障的基本規(guī)則：

規(guī)則一任何只包含一個故障的模糊集可以惟一確定（隔離）這個故障；

規(guī)則二任意只含有一個故障的若干模糊集之交集，可以惟一確定這個故障；規(guī)則三任意只含有一個故障的若干模糊集之對稱差可以惟一確定這個故障。所謂兩個集合的對稱差是指這兩個集合中不同元素的集合。規(guī)則二、三不限于兩個集合的交或?qū)ΨQ差，也可以用兩個以上集合之交或?qū)ΨQ差來確定。8.3故障字典法利用模糊集作為特征來隔離故障的基本規(guī)則：

規(guī)則一任何只包含一個故障的模糊集可以惟一確定（隔離）這個故障；

規(guī)則二任意只含有一個故障的若干模糊集之交集，可以惟一確定這個故障；規(guī)則三任意只含有一個故障的若干模糊集之對稱差可以惟一確定這個故障。所謂兩個集合的對稱差是指這兩個集合中不同元素的集合。利用規(guī)則一、二、三可以逐一隔離出故障集中的各種故障。如果不能隔離出故障集中的所有故障，則需要增加測試點數(shù)或增加（或改變）激勵信號，即增加測試向量的維數(shù)或模糊集的個數(shù)。8.3故障字典法6.故障字典的建立

如果已經(jīng)找到若干測試點和激勵信號，它們生成的模糊集已經(jīng)足以隔離出故障集中的所有故障，則可以將每個模糊域的中心值儲存起來，構(gòu)成字典。一般來說，其中某些模糊集（域）在隔離故障時是多余的，在建立字典時可以將它們舍去。8.3故障字典法二、故障測試碼的生成和測后故障分析1、故障測試碼的生成

設n個測試點的測試數(shù)據(jù)組成的測試向量構(gòu)成一個n維故障空間，而故障集中的k個故障是這個n維空間的k個子空間，這些子空間的中心就是各測試點的測試數(shù)據(jù)的模糊域中心值。現(xiàn)在對被測電路作一次測試，取得一個測試向量（相當于這個n維空間的一個點），診斷電路現(xiàn)在的狀態(tài)就是判別這個點落在哪個子空間中。8.3故障字典法二、故障測試碼的生成和測后故障分析

根據(jù)線形代數(shù)的廣義距離的概念，可以用到各子空間的中心點的距離來確定。為了計算方便，一般用距離的平方即電壓偏差平方和SSD(sumsquareddeviations)表示。

其中是中在第i個測試點上的測量值，是相對于故障在第i個測試點上的模糊域中心值。

如果找到是這k個中最小的一個，則表明點落在子空間Ft中（至少是距離子空間Ft最近），可認為電路發(fā)生故障Ft。如果故障字典中沒有Ft

，即認為電路處于字典中距離最近的狀態(tài)。8.3故障字典法二、故障測試碼的生成和測后故障分析設故障字典用矩陣T給出，即：其中p為測試點數(shù)，f為故障數(shù)，tij為一個正整數(shù)，其值等于第（i-1）個故障Fi-1（F0為電路正常狀態(tài)）在第j個測試點的模糊集號。T中第i行所排列的整數(shù)碼就稱為第（i-1）個故障的故障碼。8.3故障字典法二、故障測試碼的生成和測后故障分析2、測后故障分析測后分析的過程就是根據(jù)實測向量來診斷實際故障的過程。

為便于搜索，將故障測試碼看作一個整數(shù)，然后從小到大依次排列起來構(gòu)成一個由故障碼組成的字典。8.3故障字典法二、故障測試碼的生成和測后故障分析測后故障分析步驟：（1）在對一個被測電路取得測試向量之后，對向量中的每個元素（即在每個測試點的測試數(shù)據(jù)）根據(jù)模糊域的范圍，確定它們的模糊集號，從而得到測試代碼。（2）根據(jù)故障的測試代碼在故障測試碼字典中搜索與之對應的故障號或故障狀態(tài)，從而確定被測電路當前的狀態(tài)。如果在字典中找不到相同的碼，則可能有以下兩種可能：（1）該字典收錄的硬故障不全，應考慮進一步擴大字典故障容量；（2）實際故障是軟故障，即元件參數(shù)變化引起的故障，而不是元件的開路或短路故障，這是應該用診斷軟故障的方法來進一步確定實際的故障。

8.3故障字典法例對一個電路在9種狀態(tài)下作故障仿真計算，得下表所示測試向量。對上表，分別劃分測試點V1～V4每個結(jié)點的模糊域，并得相應的模糊集，它們的編號如下表所示：由于有4個測試點，因此測試碼由4位整數(shù)組成，通過上表數(shù)據(jù)容易構(gòu)造出用測試碼表示的故障字典，如下表所示：為便于搜索，可按測試碼的大小重新排列故障碼字典，如下表所示：8.5子網(wǎng)絡診斷法8.5子網(wǎng)絡診斷法當網(wǎng)絡規(guī)模較大時，故障診斷速度比較低，子網(wǎng)絡診斷法的基本思想是將網(wǎng)絡撕裂成若干子網(wǎng)絡，然后根據(jù)一定的測試條件（判據(jù)）將故障定位在若干子網(wǎng)絡中，然后利用內(nèi)自測條件將故障隔離到更小的區(qū)域。對規(guī)模較大的網(wǎng)絡，確定各子網(wǎng)絡是否有故障，不僅容易做到，而且測后計算量小。設大網(wǎng)絡以結(jié)點撕裂成若干個相互之間無受控耦合的連通子網(wǎng)絡。第k個連通子網(wǎng)絡Sk的輸入輸出特性為：式中Φk是Sk中元件參數(shù)值向量，由于容差，它是未知的；和是子網(wǎng)絡的外結(jié)點電流、電壓向量。8.5子網(wǎng)絡診斷法式中：Mk——子網(wǎng)絡外結(jié)點集合；

Mkα——電流、電壓均已知的結(jié)點集合；

Mkβ——僅電壓已知的結(jié)點集合；

Mkγ——僅電流已知的結(jié)點集合；

Mkδ——電流、電壓均未知的結(jié)點集合。設mk，

mkα，mkβ，

mkγ，

mkδ分別為Mk，

Mkα，

Mkβ，

Mkγ，

Mkδ對應的結(jié)點數(shù)。則輸入輸出特性可改寫為：8.5子網(wǎng)絡診斷法式中：Mk——子網(wǎng)絡外結(jié)點集合；

Mkα——電流、電壓均已知的結(jié)點集合；

Mkβ——僅電壓已知的結(jié)點集合；

Mkγ——僅電流已知的結(jié)點集合；

Mkδ——電流、電壓均未知的結(jié)點集合。設mk，

mkα，mkβ，

mkγ，

mkδ分別為Mk，

Mkα，

Mkβ，

Mkγ，

Mkδ對應的結(jié)點數(shù)。則輸入輸出特性可改寫為：

確定一個子網(wǎng)絡或一組子網(wǎng)絡為非故障子網(wǎng)絡的幾個測試條件（1）內(nèi)自測條件ISTC(internal-self-testingcondition)如果mkα>mkδ，則子網(wǎng)絡Sk無故障的必要條件是：為相容的超定方程。式中為子網(wǎng)絡Sk的元件標稱參數(shù)值向量。8.5子網(wǎng)絡診斷法

確定一個子網(wǎng)絡或一組子網(wǎng)絡為非故障子網(wǎng)絡的幾個測試條件（2）自測試條件STC(self-testingcondition)8.5子網(wǎng)絡診斷法如果連通子網(wǎng)絡Sk外結(jié)點均電壓可測，即mkα=mkδ=0，并且mkα≥1。則Sk無故障