8模拟电路故障诊断

第八章模拟电路故障诊断8.1引言8.2故障诊断方法的分类8.3故障字典法8.5子网络诊断法第八章模拟电路故障诊断8.1引言8.1引言现代网络理论网络分析网络综合故障诊断数字电路故障诊断模拟电路故障诊断故障诊断的任务：在已知网络的拓扑结构、输入激励信号（也可自选激励信号）和故障下的响应时（有时可能还已知部分元器件的参数），求解故障元件的物理位置和参数。8.1引言网络理论三大分支的特点激励拓扑结构元件参数响应解的唯一性网络分析已知（给定）已知已知待求唯一网络综合已知（给定）待求待求已知（给定）不唯一网络诊断已知（可选）已知待求（部分已知）已知（可测）要求唯一8.1引言模拟电路故障诊断的进展在电子电路的发展进程中，模拟电路比数字电路出现得早，但数字电路发展的速度却比模拟电路发展的速度要高得多，最典型的例子，数字计算机基本以替代模拟计算机，而且仍在日新月异地飞速发展。产生这种现象的原因主要有：（１）军事和工业部门对数字系统有急迫的要求；（２）ＩＣ制造相对比较简单，且应用广泛；（３）数字系统的测试和诊断发展迅速，已近成熟。8.1引言模拟电路故障诊断的进展模拟系统的测试和诊断自６０年代开始研究以来，进展一直比较缓慢，原因有二：（１）模拟系统集成度较低，传统的模拟电路规模较小，因此采用人工测试和检修基本满足实际需要，没有象对规模较大的数字系统测试那样的迫切要求，所以模拟系统的测试和诊断的研究缺少强有力的动力；（２）模拟系统的测试和诊断远比数字系统困难，因此至今无论在理论上还是在方法上均未完全成熟。8.1引言故障诊断为灵敏度分析的逆过程。灵敏度分析——由元件参量的变化求响应特性的变化；故障诊断——由响应特性的变化求元件参量的变化。几个名词解释自动测试——由计算机控制对电路进行测试。它是连续监测、故障监测、故障定位和故障辨识的总称。

故障诊断自动测试技术的发展主要取决于：１、被测系统的可测试设计（先决条件）；２、廉价的计算机（物质基础）；３、故障诊断方法和算法（理论基础）。故障诊断比灵敏度分析要困难得多，其原因如下：8.1引言（1）元件参量与系统特性之间的非线性关系。即使系统本身是线性的，要求解的诊断方程也往往是非线性的。（2）方程数不足。实际网络可提供的测试点数往往远小于元件数，使方程数少于未知数。（3）容差影响。任何故障诊断算法都依赖于元件设计的标称值，但实际元件值为容差范围内的任意值，这就影响诊断算法的准确性。（4）故障状态的连续性和多样性。模拟电路故障现象复杂多样，且元件参数超出容差范围即为故障。因此，故障状态是连续无限的，从而使模拟电路的故障诊断要比数字电路困难得多。8.2故障诊断方法的分类8.2故障诊断方法的分类故障软故障（渐变故障）——元件参量随时间和环境条件的影响缓慢变化而超出容差造成的；硬故障（突变故障）——元件参量突然出现很大偏差（如开路、短路）造成的。故障——电路丧失规定功能。在模拟电路中，故障可分为故障的分类8.2故障诊断方法的分类8.2故障诊断方法的分类故障单故障——指在某一时刻故障仅涉及一个参量或一个元件，常见于运行设备中；多故障——指与若干个参量或元件有关的故障，常见于刚出厂的设备。按电路中存在的故障数区分，故障的分类8.2故障诊断方法的分类１、故障监测（FaultDetection）：根据所采集到的数据以及已知电路结构与标称参数，判断电路是否存在故障。但故障检测不能确定故障元件的位置和参数。相对而言，故障检测比较容易，它主要用于产品的检验。2、故障辨识（FaultIdentification）:在已知电路存在故障前提下,确定个故障元件的位置(即故障定位faultlocation)，如果需要的话，还要进一步确定或估计元件的有关参数。对故障辨识的要求是准确而唯一的。这是故障诊断的主要任务。3、故障预报（FaultForecast）:对被测系统连续监测，从中分析和预报可能发生故障的元件。模拟电路测试的主要任务8.2故障诊断方法的分类根据不同的分类依据，故障诊断方法有多种不同的分类方式：故障诊断方法的分类1、按故障诊断的环境区分可分为在线诊断（On-lineDiagnosis）和离线诊断(Off-lineDiagnosis)；

一般在线诊断要求快速，但定位的区域较大，离线诊断要求定位区域较小（如元件级或模块级），并且故障位置应该具有唯一性。2、依据电路的仿真是在实际测试前还是实际测试后可分测前仿真法(SBT—simulationbeforetest)和测后仿真法(SAT—simulationaftertest)；

测前仿真诊断的典型方法是故障字典法；测后仿真诊断的典型方法是元件参数辨识法和故障验证法。8.3故障字典法8.3故障字典法（faultdictionary）故障字典法是目前模拟电路故障诊断中最具有实用价值的方法。该方法的理论基础是模式识别原理。在电路测试之前，用计算机模拟电路在各种故障条件下的状态，然后得到响应（通常是端口电压向量）作必要的处理（如响应压缩、编码等），作为对应故障的特征，将它们编成一个故障与特征对应的字典。在实际诊断时，对被测电路施加与测前仿真时完全一致的激励和工作条件，取得相应特征，最后在故障字典中查得与此特征对应的故障。一般适用于硬故障和单故障的诊断。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点的偏移；交流故障字典的特征是电路幅频特性的移动。直流故障字典法步骤一、建立字典二、测后分析三、故障仿真计算四、测试节点的优选和故障测试码的生成8.3故障字典法通过例题来说明直流故障字典法步骤例：电路如图所示，各电阻正常值分别为Rk=1Ω(k=1,…,7)，R8=0.5Ω。电路有3个测试点，2个端口，激励电流I1=I2=1A，测量值为V1，V2。8.3故障字典法一、建立字典建立字典的过程实际上是测试前的分析过程，它主要完成故障集的选择，激励信号的选择，故障特征模糊域的分割与隔离，故障特征码的生成等工作。

1、故障集的选择

实际上是确定可诊断的故障集。一般只考虑电路中的元件硬故障（即元件开路或短路）。由于电路中元件多，多故障的组合数很大，因此罗列所有的多故障作为故障集是不现实的。比较实际的方法是根据被测电路的特点和以往的经验及元件故障概率来选择若干单故障和多个故障作为故障集。8.3故障字典法一、建立字典将测量值与字典中的计算值比较，即可确定电路发生何种故障。8.3故障字典法一、建立字典

2、激励信号的选择

通常采用与实际工作相似的输入信号作为激励信号。为了充分隔离故障集中所有（或极大部分）故障，经常需要多种输入信号的组合信号，甚至还需要另选一些实际工作过程中没有的组合信号作为激励。目前还没有一种通用方法，通常根据经验或灵敏度分析，逐步试探得到能隔离故障集中所有故障的激励信号。故障隔离或故障区分可用下式判据来检验：8.3故障字典法一、建立字典其中Vk(Fi)是故障Fi时测试点k的电压，Vk(NOR)是正常状态下测试结点k的电压，n是测试结点数。

该例为纯电阻电路，所以相对比较简单。8.3故障字典法一、建立字典

3、测试结点的选择

选择的基本准则：必须是可及结点（即由电路引出的可以测量的结点）；在满足故障隔离要求的前提下，尽量减少测试结点数。

测试点的选择：可通过灵敏度来确定。一般选择那些对元件参量变化灵敏的结点，也可根据以往的经验选择。8.3故障字典法一、建立字典

4、模糊集的分割

在确定故障集、激励信号和测试结点后，可以通过计算机电路辅助分析程序计算出电路在每一故障状态下的测试向量（无故障元素选用标称参数），如果每一个故障都满足则故障集中的故障都是可隔离的。8.3故障字典法一、建立字典考虑到实际网络中元件参数具有容差，因此可能会出现以下两种情况：

（1）电路在无故障状态下，测试向量中的各元素（即个测试点的电压）不是一个确定的值，而是一个连续的小区域，甚至某些元素值落在某种故障状态下的对应区间内。换句话说，如果仅分析一个测试点的测试值，有可能将一个具有容差的无故障电路判为故障电路。反之，也有可能将一个存在故障的电路判为正常电路。

（2）对于每个故障状态，其测试向量中的每个元素值也是一个连续的区间，因为在计算时除故障元件外的所有元件的参数也都是有容差的。如果在两种不同的故障状态下，测试向量中的元素值有交叉重叠的区间，则可能这两个故障不可区分（隔离）。8.3故障字典法一、建立字典故Vk(NOR)

和Vk(Fi)都不是一个点，而是一个小区域，因此无法用计算，为解决这个问题，将每个测试向量中的每个元素的值划分成若干区域，每个区域的中心值为若干相邻元素值的平均值，然后从中心值向左右各扩展0.7V，构成一个区间，此区间为一模糊域。凡落在这个模糊域的元素构成一个模糊集。8.3故障字典法一、建立字典设上例电路中有2个测试点和6个故障状态，经仿真计算可得下表所示的测试向量：表中NOR表示正常状态，Fi表示第i号故障状态。8.3故障字典法一、建立字典为直观起见，将上表中的测试向量画成下图所示的数轴图：8.3故障字典法通过上图，可将V1划分为4个模糊域，将V2划分为3个模糊域，各模糊域的中心值及范围见下表：8.3故障字典法划分模糊域的基本准则：相邻模糊域不产生交叉重叠。如果两个模糊域产生轻微的交叉，则这两个模糊域的边界均应各自向里收缩一些，并保证两个模糊域的边界值至少应有0.1～０.2Ｖ的间隙。在某些场合也可适当放宽若干模糊域的范围。上表中，V1的第2和第3个模糊域分别为4.6～6.0Ｖ，5.9～7.3Ｖ，这样划分是很不合理的。此时应作调整，改为4.6～

5.9Ｖ，6.0～7.3Ｖ。8.3故障字典法如此即可将电路的7种状态分割成7个模糊集。

5、故障的隔离

在对电路各种状态下的测试向量作模糊域划分后，将这些状态分割成若干模糊集F，因此，电路的各种状态可用模糊集号（1，4）和（1，1）表示，而正常状态NOR用模糊集（1，2）和（2，1）之交来表示。8.3故障字典法利用模糊集作为特征来隔离故障的基本规则：

规则一任何只包含一个故障的模糊集可以惟一确定（隔离）这个故障；

规则二任意只含有一个故障的若干模糊集之交集，可以惟一确定这个故障；规则三任意只含有一个故障的若干模糊集之对称差可以惟一确定这个故障。所谓两个集合的对称差是指这两个集合中不同元素的集合。规则二、三不限于两个集合的交或对称差，也可以用两个以上集合之交或对称差来确定。8.3故障字典法利用模糊集作为特征来隔离故障的基本规则：

规则一任何只包含一个故障的模糊集可以惟一确定（隔离）这个故障；

规则二任意只含有一个故障的若干模糊集之交集，可以惟一确定这个故障；规则三任意只含有一个故障的若干模糊集之对称差可以惟一确定这个故障。所谓两个集合的对称差是指这两个集合中不同元素的集合。利用规则一、二、三可以逐一隔离出故障集中的各种故障。如果不能隔离出故障集中的所有故障，则需要增加测试点数或增加（或改变）激励信号，即增加测试向量的维数或模糊集的个数。8.3故障字典法6.故障字典的建立

如果已经找到若干测试点和激励信号，它们生成的模糊集已经足以隔离出故障集中的所有故障，则可以将每个模糊域的中心值储存起来，构成字典。一般来说，其中某些模糊集（域）在隔离故障时是多余的，在建立字典时可以将它们舍去。8.3故障字典法二、故障测试码的生成和测后故障分析1、故障测试码的生成

设n个测试点的测试数据组成的测试向量构成一个n维故障空间，而故障集中的k个故障是这个n维空间的k个子空间，这些子空间的中心就是各测试点的测试数据的模糊域中心值。现在对被测电路作一次测试，取得一个测试向量（相当于这个n维空间的一个点），诊断电路现在的状态就是判别这个点落在哪个子空间中。8.3故障字典法二、故障测试码的生成和测后故障分析

根据线形代数的广义距离的概念，可以用到各子空间的中心点的距离来确定。为了计算方便，一般用距离的平方即电压偏差平方和SSD(sumsquareddeviations)表示。

其中是中在第i个测试点上的测量值，是相对于故障在第i个测试点上的模糊域中心值。

如果找到是这k个中最小的一个，则表明点落在子空间Ft中（至少是距离子空间Ft最近），可认为电路发生故障Ft。如果故障字典中没有Ft

，即认为电路处于字典中距离最近的状态。8.3故障字典法二、故障测试码的生成和测后故障分析设故障字典用矩阵T给出，即：其中p为测试点数，f为故障数，tij为一个正整数，其值等于第（i-1）个故障Fi-1（F0为电路正常状态）在第j个测试点的模糊集号。T中第i行所排列的整数码就称为第（i-1）个故障的故障码。8.3故障字典法二、故障测试码的生成和测后故障分析2、测后故障分析测后分析的过程就是根据实测向量来诊断实际故障的过程。

为便于搜索，将故障测试码看作一个整数，然后从小到大依次排列起来构成一个由故障码组成的字典。8.3故障字典法二、故障测试码的生成和测后故障分析测后故障分析步骤：（1）在对一个被测电路取得测试向量之后，对向量中的每个元素（即在每个测试点的测试数据）根据模糊域的范围，确定它们的模糊集号，从而得到测试代码。（2）根据故障的测试代码在故障测试码字典中搜索与之对应的故障号或故障状态，从而确定被测电路当前的状态。如果在字典中找不到相同的码，则可能有以下两种可能：（1）该字典收录的硬故障不全，应考虑进一步扩大字典故障容量；（2）实际故障是软故障，即元件参数变化引起的故障，而不是元件的开路或短路故障，这是应该用诊断软故障的方法来进一步确定实际的故障。

8.3故障字典法例对一个电路在9种状态下作故障仿真计算，得下表所示测试向量。对上表，分别划分测试点V1～V4每个结点的模糊域，并得相应的模糊集，它们的编号如下表所示：由于有4个测试点，因此测试码由4位整数组成，通过上表数据容易构造出用测试码表示的故障字典，如下表所示：为便于搜索，可按测试码的大小重新排列故障码字典，如下表所示：8.5子网络诊断法8.5子网络诊断法当网络规模较大时，故障诊断速度比较低，子网络诊断法的基本思想是将网络撕裂成若干子网络，然后根据一定的测试条件（判据）将故障定位在若干子网络中，然后利用内自测条件将故障隔离到更小的区域。对规模较大的网络，确定各子网络是否有故障，不仅容易做到，而且测后计算量小。设大网络以结点撕裂成若干个相互之间无受控耦合的连通子网络。第k个连通子网络Sk的输入输出特性为：式中Φk是Sk中元件参数值向量，由于容差，它是未知的；和是子网络的外结点电流、电压向量。8.5子网络诊断法式中：Mk——子网络外结点集合；

Mkα——电流、电压均已知的结点集合；

Mkβ——仅电压已知的结点集合；

Mkγ——仅电流已知的结点集合；

Mkδ——电流、电压均未知的结点集合。设mk，

mkα，mkβ，

mkγ，

mkδ分别为Mk，

Mkα，

Mkβ，

Mkγ，

Mkδ对应的结点数。则输入输出特性可改写为：8.5子网络诊断法式中：Mk——子网络外结点集合；

Mkα——电流、电压均已知的结点集合；

Mkβ——仅电压已知的结点集合；

Mkγ——仅电流已知的结点集合；

Mkδ——电流、电压均未知的结点集合。设mk，

mkα，mkβ，

mkγ，

mkδ分别为Mk，

Mkα，

Mkβ，

Mkγ，

Mkδ对应的结点数。则输入输出特性可改写为：

确定一个子网络或一组子网络为非故障子网络的几个测试条件（1）内自测条件ISTC(internal-self-testingcondition)如果mkα>mkδ，则子网络Sk无故障的必要条件是：为相容的超定方程。式中为子网络Sk的元件标称参数值向量。8.5子网络诊断法

确定一个子网络或一组子网络为非故障子网络的几个测试条件（2）自测试条件STC(self-testingcondition)8.5子网络诊断法如果连通子网络Sk外结点均电压可测，即mkα=mkδ=0，并且mkα≥1。则Sk无故障