一種容差模擬電路故障診斷的新方法

1、第23卷第7期電子測量與儀器學(xué)報Vol.23No.76JOURNALOFELECTRONICMEASUREMENTINSTRUMENT2009年7月本文于2008年12月收到。更多電子資料請登錄賽微電子網(wǎng)一種容差模擬電路故障診斷的新方法葉笠王厚軍田書林(電子科技大學(xué)自動化工程學(xué)院成都610054)摘要:以故障字典法和模糊理論為基礎(chǔ)針對經(jīng)典故障字典不能對元件參數(shù)故障(軟故障)實施診斷以及由于元件容差的影響而難以實現(xiàn)故障精確診斷的問題以節(jié)點

2、電壓靈敏度為關(guān)鍵量建立了模糊規(guī)則字典和節(jié)點電壓增量比向量字典并以此二字典為基礎(chǔ)設(shè)計了新的診斷系統(tǒng)。使用該系統(tǒng)不但能夠診斷電路硬故障而且還能夠診斷每一元件的所有軟故障。對于故障元件在定位的同時還能判斷出其參數(shù)的改變方向。新的診斷方法有診斷范圍寬、測前模擬次數(shù)少、占用存儲空間小、計算復(fù)雜度小的特點。實驗結(jié)果證明了新方法對含容差模擬電路故障診斷的有效性。關(guān)鍵詞:故障字典；容差；節(jié)點電壓靈敏度；電壓增量比向量；模糊中圖分類號:TP206文獻(xiàn)標(biāo)識

3、碼:A國家標(biāo)準(zhǔn)學(xué)科分類代碼:510AnewapproachfanalogfaultdiagnosiswithtoleranceYeLiWangHoujunTianShulin(SchoolofAutomationEngineeringUniversityofElectronicScienceTechnologyofChinaChengdu610054China)Abstract:Thispaperaddressesitselftoana

4、logcircuitdiagnosisbymeansoffaultdictionaryfuzzytechnique.Toovercomethetwomajlimitationsoftheclassicalfaultdictionariesafuzzyrulesdictionaryanodevoltageincrementratiovectsdictionarybothdeducedbythenodevoltagesensitivitie

5、sareconstructed.Thenewdictionariesliketheclassicalonescandetectlocatesinglecatastrophicfaultsincontrarytotheclassicalonestheydetectlocateparametricfaultsaswell.Meoverthenewapproachallowsidentificationofthesefaultssuchtha

6、tsignofthefaultyparameterdeviationisdesignated.Theproposedsystemhassomeadvantagessuchasthedetectabilityofwidefaultscoverageminimalstagespacecomputationalcomplexitylesssimulationruns.Theexperimentresultsprovetheeffectiven

7、essofthenewapproachinanalogfaultdiagnosiswithtolerance.Keywds:faultdictionarytolerancenodevoltagesensitivitynodevoltageincrementratiovectfuzzy1引言故障字典法(faultdictionary)是目前模擬電路故障診斷中最有實用價值的方法[1410121315]。其基本思想是:首先提取電路在各故障狀態(tài)

8、下的電路特征然后將特征與故障的一一對應(yīng)關(guān)系列成一個字典。在實際診斷中只要獲取電路的實時特征就可以從故障字典中查出此時對應(yīng)的故障。然而傳統(tǒng)故障字典固有的缺陷也極大地制約了其實際應(yīng)用其中的兩個最主要因素:一是只能對電路的硬故障(開路或短路)進(jìn)行診斷而對軟故障[11](元件參數(shù)偏離標(biāo)稱值)無能為力二是由于電路中元件參數(shù)容差的普遍存在導(dǎo)致了實際故障呈現(xiàn)很大的模糊性即故障狀態(tài)下的電路特征無法與故障字典中的故障特征一一對應(yīng)從而不能準(zhǔn)確定位實際故障。

9、模糊理論作為一種處理模糊性和不確定性的理想方法被廣泛地運用到了模擬電路故障診斷領(lǐng)域中[59]。但是幾乎所有的模糊故障診斷模型都建立在某種或某幾種模糊假設(shè)基礎(chǔ)之上即加上一些限定(如設(shè)定故障為超出標(biāo)稱值的某個范圍等)由于這些模糊假設(shè)自身的局限性因此很容易導(dǎo)致診斷結(jié)果與實際結(jié)果之間產(chǎn)生偏差或診斷范圍太小。本文的目的就是著力于解決上述兩個問題。文中所提出的方法不但能夠?qū)紤]元件容差情況下產(chǎn)生硬故障或軟故障的元件定位而且還能指出其參8電子測量與儀

10、器學(xué)報2009年(5b)highmin2niiikiiikUUUUUU￠=DD=D2.4模糊規(guī)則的確定對于電路的所有f=12n個狀態(tài)用f=0表示無故障狀態(tài)f=122n表示故障狀態(tài)奇數(shù)序號fL=2j–1表示Rj產(chǎn)生負(fù)增量時的故障狀態(tài)()偶jFR數(shù)序號f=2j表示Rj產(chǎn)生正增量時的故障狀態(tài)()。jFR首先要為所有的電路狀態(tài)確定相應(yīng)的模糊規(guī)則然后將實際測試量應(yīng)用于所有的規(guī)則從而判斷哪個電路狀態(tài)與實際狀態(tài)最接近。這里關(guān)鍵的問題在于怎樣確定模糊規(guī)

11、則即為各個狀態(tài)在各可測節(jié)點選擇怎樣的隸屬函數(shù)組合。用節(jié)點電壓靈敏度的符號作為模糊規(guī)則的確定標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)元件Rj參數(shù)產(chǎn)生增量ΔRj而其余元件均為其標(biāo)稱值時它在節(jié)點i處所引起的電壓增量為:(6)iijjUSRD=Dg由(6)式可知當(dāng)Sij與ΔRj符號一致時元件參數(shù)的增量方向與電壓增量的方向一致當(dāng)Sij與ΔRj符號相反時元件參數(shù)的增量方向與電壓增量的方向相反。因此在某個節(jié)點上對于電路的所有狀態(tài)可制定如下規(guī)則:1)當(dāng)f=0時(N狀態(tài))隸屬函數(shù)用?n

12、(Ui)。2)當(dāng)f=2j–1時(狀態(tài))若Sij0隸屬函jFR數(shù)用??(Ui)若Sij0隸屬函數(shù)jFR用?(Ui)若Sij0隸屬函數(shù)用??(Ui)。2.5節(jié)點電壓增量比故障特征向量定理[14]:在線性互易電路中如果只有一個元件的參數(shù)發(fā)生變化則不論其變化如何在兩測試端電壓變化量的比值為一常數(shù)C即(7)mpmnnpZUCUZD==D而根據(jù)節(jié)點電壓靈敏度的概念電路中單一元件的微小變化所產(chǎn)生的各節(jié)點電壓的變化量為:(i=12mj=12n)(8)i

13、ijjUSRD=DgLL由于不論元件參數(shù)如何變化式(7)中的C不變因此C即為該元件參數(shù)微小變化時產(chǎn)生的電壓變化量比值即(9)ajabbjSUCUSD==D對含m個可測節(jié)點和n個元件的電路若選定某一參考節(jié)點(如節(jié)點1)當(dāng)單一元件參數(shù)發(fā)生變化時就可得到其余m?1個節(jié)點關(guān)于該節(jié)點的電壓增量比。設(shè)元件Rj參數(shù)發(fā)生變化有:(10)1111kjkkjjSUCUSD==D(k=12m?1j=12n)LL因此定義[C]為線性互易電路單一軟故障的統(tǒng)一特征

14、系數(shù)矩陣其第j列向量[Cj]T為第j個元件故障的統(tǒng)一特征向量。2.6診斷步驟從上述分析中可以看出元件的節(jié)點電壓靈敏度Sij是本文所述方法中的一個關(guān)鍵量不僅要使用其符號來確定模糊規(guī)則而且節(jié)點電壓增量比特征向量也由它推導(dǎo)得出。1)測前模擬步驟第1步:選擇測試點并定義故障集。第2步:模擬電路在各元件標(biāo)稱值時的各節(jié)點電壓并計算各節(jié)點相對于各元件的電壓靈敏度Sij。第3步:計算各節(jié)點電壓的4個邊界值UminUmaxUlowUhigh并確定隸屬函數(shù)

15、。第4步:根據(jù)節(jié)點電壓靈敏度的符號為電路的各狀態(tài)確定模糊規(guī)則。2)測試步驟第1步:對所給的實際電壓測量值根據(jù)規(guī)則分別計算其在各電路狀態(tài)下對每個節(jié)點的隸屬度。第2步:用下確界法[16]計算實際狀態(tài)對各個電路狀態(tài)的隸屬度。即f=012ni=12mRemin()fiUm=LL第3步:用上確界法[16]作為衡量電路實際狀態(tài)對某個狀態(tài)的最終隸屬度。即f=0122nRemaxRef=L第4步:若前3步能唯一確定故障則診斷終止否則利用節(jié)點電壓增量向量