Multisim14电子系统仿真与设计 课件 第13章 Multisim14在电路故障诊断中的应用

第13章Multisim14在电路故障诊断中的应用CHINAMACHINEPRESS机械工业出版社引言

Multisim14不仅对电子电路的分析设计具有重要的作用，而且对教学和工程中常见的电路故障诊断等问题也有积极的意义。电路故障诊断的主要任务是，在已知电路的拓扑结构、输入激励信号和部分响应输出的条件下，确定故障元件的物理位置和参数。电路故障诊断的常用方法：（1）故障字典法首先，根据经验或实际需要，建立故障诊断需要的故障集，然后，通过故障模拟或仿真求出电路对应故障集中每个故障发生时的响应，将其编撰成一部故障与响应特征一一对应的字典。实测时，将故障电路的测试结果与故障字典中的相应数据做比较，在字典中检索出相应的故障。引言（2）故障识别法首先，建立电路方程，实测后代入故障电路可测试点的电压或电流数据，求解电路方程，得到故障电路所有元件的参数，再将其与标称参数值比较，在容差条件下辨识故障元件，进行故障定位。（3）基于神经网络的方法根据诊断问题组织学习样本，根据问题和样本构造神经网络，选择合适的学习算法和参数，通过反复大量的训练，建立故障模式与输出响应的对应关系。（4）端口UI曲线(端口阻抗特性)测试法将电路中电源置零并选定一个参考点，然后向被测结点施加一定的扫描电压，即可得到被测结点处电流随电压变化的UI曲线。通过比较有故障和无故障电路板上相同结点的UI曲线，可以发现特性阻抗发生改变的结点，通常即为故障点。13.1仿真实验在端口UI曲线测试法中的应用

工程上在使用端口UI曲线测试诊断法时，常用无故障的标准电路板作为对照用电路板。而当拥有Multisim14仿真软件后，就可以利用仿真电路替代无故障标准电路板进行电路的故障诊断。此时，只要配置了直流电源、交流信号源和万用表，利用Multisim14仿真软件，即可进行一般电路的故障诊断，降低了诊断成本，提高了诊断的灵活性。

下面以例说明应用Multisim14的仿真实验，通过端口UI曲线测试进行电路的故障诊断。利用端口UI曲线进行电路故障诊断的步骤：（1）在仿真环境下输入电路原理图并仿真。（2）在仿真环境和实际测试环境下分别设置相同的UI测试电路。

1）分别将待测电路和仿真电路中的独立电源和信号源置零并选定一个参考点；

13.1仿真实验在端口UI曲线测试法中的应用

2）分别在实测环境和仿真环境下用扫描电压源、响应电流的采样电阻和示波器构成图示的UI测试电路。其中，示波器A通道接扫描电压源，B通道接响应电流的采样电阻上，示波器的时基设置成A/B或B/A状态。这样，示波器显示的曲线就是反映被测试端口阻抗特性的UI曲线。利用端口UI曲线进行电路故障诊断的步骤：（1）在仿真环境下输入电路原理图并仿真。（2）在仿真环境和实际测试环境下分别设置相同的UI测试电路。

（3）分别在仿真环境和实测环境下，将测试线接至相同的被测点，观察被测点的UI曲线。13.1仿真实验在端口UI曲线测试法中的应用

当实测环境下被测结点的UI曲线与仿真环境下被测结点的UI曲线相同时，被测点不是故障点，与被测点相联的元件一般无故障；反之，若实测环境下被测点的UI曲线与仿真环境下被测点的UI曲线不同，则被测点很可能是故障点，与被测点相联的元件中就很可能有故障元件。13.1仿真实验在端口UI曲线测试法中的应用本例中，仿真环境下被测点1、2、3、4的UI曲线分别如下图所示：13.1仿真实验在端口UI曲线测试法中的应用

当电容C1存在击穿故障（短路）时，测得结点1、2、3、4的UI曲线分别如下图所示。

可见，结点1和结点4的UI曲线发生了明显改变，对应之最可能发生故障的元件是C1，与假设一致，诊断结果正确。13.2仿真分析在故障字典法中的应用

故障字典法在应用中的困难之一是，为形成故障字典，需先对待测电路进行大量的故障模拟。为此，可利用仿真实验或仿真分析高效率、低成本地形成故障字典。

本节介绍一种利用结点电压灵敏度仿真分析确定故障元件的改进的故障字典法。

理论上可以证明：在线性电路中，任一元件参数Zk变化引起的结点电压Vi与Vj的变化量ΔVi与ΔVj之比等于相应结点的电压灵敏度之比：

据此，可选择2个测试结点i和j，利用仿真软件对无故障电路进行结点电压灵敏度分析，求出每个元件参数Zk对测试点的电压灵敏度

和

，算出二者之比，形成字典。实测时，在相同激励下，测量待测电路中测试点i和j的电压，求出测试点电压的变化量ΔVi与ΔVj，算出其比值。将该比值与字典中的电压灵敏度比值进行比对，相同者对应的Zk即为故障元件。13.2仿真分析在故障字典法中的应用本节以图示电路为例说明运用仿真分析，通过电压灵敏度比值建立故障字典，进行电路故障诊断的步骤：（1）在仿真环境下输入电路原理图并仿真。（2）选择测试点1、2、3，进行电路的结点电压灵敏度分析，图示为电阻R1～R11对结点1的电压灵敏度分析结果。同时，将分析结果输出至Excel软件，形成文档Sheet1。重复上面步骤，还可分别做出电阻R1～R11对结点2、3的电压灵敏度，并形成Excel文档Sheet2和Sheet3。13.2仿真分析在故障字典法中的应用（3）将步骤2得到的Sheet1、Sheet2和Sheet3合并成一个灵敏度分析结果的Excel文档。（4）利用Excel的计算功能，求出每个元件参数对测试点电压的灵敏度之比，得到灵敏度比值的Excel文档。13.2仿真分析在故障字典法中的应用（5）诊断时，测量待测电路中相应结点的电压，并与无故障的结点电压比较，求出测试点电压的变化量及其比值。

本例中，无故障时电路的结点电压为U1=7.28796V,U2=4.27225V,U3=2.45026V。若设电阻R5开路，则对应的结点电压为U1=7.38462V,U2=3.69231V,U3=1.84615V。与无故障时的结点电压比较，各结点电压变化量为：ΔU1=0.096657V,ΔU2=0.57994V,ΔU3=0.60411V。进一步算出各结点电压变化量之比为：

0.1666672，

0.159999，

0.9599907。13.2仿真分析在故障字典法中的应用（5）诊断时，测量待测电路中相应结点的电压，并与无故障的结点电压比较，求出测试点电压的变化量及其比值。（6）将各结点电压变化量之比与各