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(cè)量與儀器學(xué)報(bào)Vol.23No.76JOURNALOFELECTRONICMEASUREMENTINSTRUMENT2009年7月本文于2008年12月收到。更多電子資料請(qǐng)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(dòng)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(duì)經(jīng)典故障字典不能對(duì)元件參數(shù)故障(軟故障)實(shí)施診斷以及由于元件容差的影響而難以實(shí)現(xiàn)故障精確診斷的問(wèn)題以節(jié)點(diǎn)

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(diǎn)電壓增量比向量字典并以此二字典為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)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(duì)于故障元件在定位的同時(shí)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(cè)前模擬次數(shù)少、占用存儲(chǔ)空間小、計(jì)算復(fù)雜度小的特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了新方法對(duì)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(diǎn)電壓靈敏度；電壓增量比向量；模糊中圖分類號(hào):TP206文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)

3、碼:A國(guó)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(shí)用價(jià)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(duì)應(yīng)關(guān)系列成一個(gè)字典。在實(shí)際診斷中只要獲取電路的實(shí)時(shí)特征就可以從故障字典中查出此時(shí)對(duì)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(shí)際應(yīng)用其中的兩個(gè)最主要因素:一是只能對(duì)電路的硬故障(開(kāi)路或短路)進(jìn)行診斷而對(duì)軟故障[11](元件參數(shù)偏離標(biāo)稱值)無(wú)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(shí)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(wú)法與故障字典中的故障特征一一對(duì)應(yīng)從而不能準(zhǔn)確定位實(shí)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(yùn)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(gè)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(shí)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(gè)問(wèn)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(cè)量與儀

10、器學(xué)報(bào)2009年(5b)highmin2niiikiiikUUUUUU￠=DD=D2.4模糊規(guī)則的確定對(duì)于電路的所有f=12n個(gè)狀態(tài)用f=0表示無(wú)故障狀態(tài)f=122n表示故障狀態(tài)奇數(shù)序號(hào)fL=2j–1表示Rj產(chǎn)生負(fù)增量時(shí)的故障狀態(tài)()偶jFR數(shù)序號(hào)f=2j表示Rj產(chǎn)生正增量時(shí)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(shí)際測(cè)試量應(yīng)用于所有的規(guī)則從而判斷哪個(gè)電路狀態(tài)與實(shí)際狀態(tài)最接近。這里關(guān)鍵的問(wèn)題在于怎樣確定模糊規(guī)

11、則即為各個(gè)狀態(tài)在各可測(cè)節(jié)點(diǎn)選擇怎樣的隸屬函數(shù)組合。用節(jié)點(diǎn)電壓靈敏度的符號(hào)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(shí)它在節(jié)點(diǎn)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(hào)一致時(shí)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(hào)相反時(shí)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(gè)節(jié)點(diǎn)上對(duì)于電路的所有狀態(tài)可制定如下規(guī)則:1)當(dāng)f=0時(shí)(N狀態(tài))隸屬函數(shù)用?n

12、(Ui)。2)當(dāng)f=2j–1時(shí)(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(diǎn)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(gè)元件的參數(shù)發(fā)生變化則不論其變化如何在兩測(cè)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(diǎn)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(diǎn)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(shí)產(chǎn)生的電壓變化量比值即(9)ajabbjSUCUSD==D對(duì)含m個(gè)可測(cè)節(jié)點(diǎn)和n個(gè)元件的電路若選定某一參考節(jié)點(diǎn)(如節(jié)點(diǎn)1)當(dāng)單一元件參數(shù)發(fā)生變化時(shí)就可得到其余m?1個(gè)節(jié)點(diǎn)關(guān)于該節(jié)點(diǎn)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(gè)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(diǎn)電壓靈敏度Sij是本文所述方法中的一個(gè)關(guān)鍵量不僅要使用其符號(hào)來(lái)確定模糊規(guī)則而且節(jié)點(diǎn)電壓增量比特征向量也由它推導(dǎo)得出。1)測(cè)前模擬步驟第1步:選擇測(cè)試點(diǎn)并定義故障集。第2步:模擬電路在各元件標(biāo)稱值時(shí)的各節(jié)點(diǎn)電壓并計(jì)算各節(jié)點(diǎn)相對(duì)于各元件的電壓靈敏度Sij。第3步:計(jì)算各節(jié)點(diǎn)電壓的4個(gè)邊界值UminUmaxUlowUhigh并確定隸屬函數(shù)

15、。第4步:根據(jù)節(jié)點(diǎn)電壓靈敏度的符號(hào)為電路的各狀態(tài)確定模糊規(guī)則。2)測(cè)試步驟第1步:對(duì)所給的實(shí)際電壓測(cè)量值根據(jù)規(guī)則分別計(jì)算其在各電路狀態(tài)下對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的隸屬度。第2步:用下確界法[16]計(jì)算實(shí)際狀態(tài)對(duì)各個(gè)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(shí)際狀態(tài)對(duì)某個(gè)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(diǎn)電壓增量向量