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非线性模拟电路的故障诊断方法 第 21 卷 第 1 期 2009 年 1 月 计算机辅助设计与图形学学报 JOURNAL OF COMPUT ER2AIDED DESIGN & COMPUTER GRAPH ICS Vol. 21, No. 1 Jan. , 2009 收稿日期: 2008- 05- 29;修回日期: 2008- 09- 08.基金项目:国家/ 九七三0重点基础研究发展计划项目 ( 2005CB321604) ; 国家自然科学基 金( 60773142) ; 教育部博士点基金( 20070003122) .胡 庚...

非线性模拟电路的故障诊断方法
第 21 卷 第 1 期 2009 年 1 月 计算机辅助设计与图形学学报 JOURNAL OF COMPUT ER2AIDED DESIGN & COMPUTER GRAPH ICS Vol. 21, No. 1 Jan. , 2009 收稿日期: 2008- 05- 29;修回日期: 2008- 09- 08.基金项目:国家/ 九七三0重点基础研究发展计划项目 ( 2005CB321604) ; 国家自然科学基 金( 60773142) ; 教育部博士点基金( 20070003122) .胡 庚,男, 1981年生, 博士,主要研究方向为模拟和混合信号集成电路的可测性设计. 王 红,女, 1971年生,博士,副教授,主要研究方向为电子技术、故障 检测 工程第三方检测合同工程防雷检测合同植筋拉拔检测方案传感器技术课后答案检测机构通用要求培训 、故障诊断.杨士元,男, 1945年生,教授,博士生导师, CCF 高级会员, 主要研究方向为系统故障诊断理论与技术、智能家庭网络等. 非线性模拟电路的故障诊断 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 胡 庚 王 红 杨士元 (清华大学自动化系 北京 100084) ( hug03@mails. t sing hua. edu. cn ) 摘 要 为了诊断非线性模拟电路中的故障,提出了一种基于节点电压增量线性相关性原理的诊断方法. 通过对非 线性元件的分段线性建模, 说明 关于失联党员情况说明岗位说明总经理岗位说明书会计岗位说明书行政主管岗位说明书 故障造成的节点电压增量满足分段线性相关性. 以节点电压平面上的折线作为故障 特征构造故障字典,以实测工作点到故障特征折线的距离来衡量电路状态与故障特征的符合程度,可以诊断非线性 电路中元件参数的软故障和硬故障.实例验证表明,该方法是一种易于计算机实现的实用化方法. 关键词 非线性电路; 线性相关性; 故障诊断; 故障字典 中图法分类号 TN407 A Fault Diagnosis Method for Non2linear Analog Circuits Hu Geng Wang Hong Yang Shiyuan ( Depar tment of Automat ion , T singhua Universi ty , Beij ing 100084) Abstract For diagnosing faults in non2linear analog circuits, a fault diagnosis method is proposed based on the principle of linear r elat ivity of node2voltage increments. By piecewise linear2modeling of non2linear elements, the changes in node2voltages caused by faults are shown to be piecewise linearly related. Br oken lines in the node2voltage plane are taken as fault character to const ruct a fault dict ionary, and the distance from the test result point to each broken line is calculated to measure the accordance of the circuit status to the fault character. In this way both soft and hard faults in non2 linear circuits can be diagnosed. Experimental results indicated that the proposed method is pr act ical to be implemented in computer. Key words non2linear circuit ; linear relativity; fault diagnosis; fault dict ionary 电路的测试和故障诊断对于保证电子系统的正 常工作具有重要意义. 尽管数字电路的故障诊断技 术已经较为成熟,但模拟电路的故障诊断仍然面临 很多困难,难以满足当前的实际需要.近年来出现了 多种模拟电路故障诊断的新方法,如基于节点电压 变化关系的故障字典法[ 123] ,采用模糊数学处理容差 问题的软故障字典法[ 425] ,利用多个测试激励诊断线 性电路中多故障的方法[ 6] , 结合元件工作区建模的 输入P输出作图法[ 7] , 以及采用小波神经网络、支持 向量机的人工智能方法[ 829]等. 虽然模拟电路故障诊断的新理论和新方法在不 断发展,但从实用性的角度来看,传统的故障字典法 仍然是目前唯一成熟的方法.由于仿真工作量和字 典容量的限制,传统的故障字典法只能针对单个元 件的硬故障构造故障字典[ 10] .在软故障诊断的研究 中, Li等首先提出了线性电路中节点电压灵敏度序 列守恒定理,以节点电压灵敏度序列作为故障特征, 诊断单个元件的软故障[ 1] .进一步地, Wang 等提出 以节点电压关于二端元件参数的函数作为故障特征 构造软故障字典[ 2] , 并证明了节点电压增量的线性 相关性原理,以此为故障特征,同时诊断线性电路中 的单故障和多故障、软故障和硬故障[ 3] . 本文将节点电压增量的线性相关性原理推广到 非线性电路的分析和故障诊断. 通过对非线性元件 的分段线性建模,说明非线性电路中的故障造成的 节点电压增量满足分段的线性相关性, 电路工作点 在节点电压平面上的变化轨迹是折线, 因此可以以 折线作为故障特征来构造故障字典,从而诊断非线 性电路的软故障和硬故障.为了叙述简明,本文仅以 直流测试条件下单个元件参数的故障诊断为目标. 本文方法也可以很方便地扩展到交流测试和多故障 诊断. 1 基本原理 根据节点电压增量的线性相关性原理, 当线性 电路中某个元件参数 E 发生改变时, 电路中 2个节 点的电压值 V1 , V2的改变量呈线性关系[ 3] . 如图 1 所示,在 V1 2V2坐标系中,设无故障工作点为 P 0 . 随 着 E 的改变, 工作点延直线 l E移动;如果是另一个 元件参数 F 单独发生改变, 工作点延直线 l F移动. 只要 l F和 l E不重合, 就将 l F 和 l E 可以作为故障特 征来区分F 和E 的软故障. 所以, 记录无故障工作 点 P 0和 lE , l F等故障特征直线的斜率, 就可以构造 软故障字典.在实际测试中,获得被测电路的工作点 P T , 判断 P T与哪条直线足够接近, 就可以判断发生 软故障的元件. 图 1 线性电路软故障的特征 当被测电路是非线性电路时, 设非线性元件为 EN 1 , EN 2 , , , EN n .在电子电路分析中,通常可以 把 EN i的工作状态分为S i个/工作区0, 在一定的精 度条件下, EN i在每个工作区内的电特性常常可以 用一个线性化模型来等效, 分别表示为 M1i , M2i , , , MS ii . 以双极型晶体管为例, 将双极型晶体管的 工作区分为截止区、线性放大区和饱和区, 对应的 3 个线性化模型如图 2所示. 一些常见元件的工作区 如表 1所示. 图 2 双极型晶体管的等效线性化模型 表 1 常见元件的工作区 元件类型 工作区 二极管 截止 导通 双极型晶体管 截止 线性放大 饱和 MOS 管 截止 线性放大 饱和 运算放大器 线性放大 负饱和 正饱和 假设当被测电路处于无故障状态时, n个非线 性元件的等效模型分别为M*1 , M*2 , , , M*n . 选择 电路中的一对节点, 其电压值分别为 V1和 V2 . 在 V1 2V2坐标系中, 无故障工作点为 P 0 , 如图 3所示. 图 3 非线性电路软硬故障的特征 如果某个元件(无论是线性元件还是非线性元 件)的参数 E 偏离正常值 E 0 ,变为 E1 ,但所有非线 性元件并未离开原来的工作区, 即所有等效线性模 型未发生变化,则相当于只发生了线性电路中的软 故障.此时工作点随着 E 的变化沿直线运动,如图 3 中的 P 1点所示. 如果E 变为E 2 ,使得电路中至少一个非线性元 件进入了不同于无故障状态的工作区,此时 n个非 线性元件的等效线性模型变为Mc1 , Mc2 , , , Mcn , 那么工作点一般来说将不在 P 0和 P 1构成的直线 上,如图 3中的 P 2点所示. 但是, 当 E 的取值在E 2 附近很小的范围内变化时,只要所有非线性元件的 等效线性模型不变,仍为Mc1 , Mc2 , , , Mcn , 则节点 电压增量的线性相关性原理在这一区域内仍然适 用,即 P 2会在一条直线上运动. 由于电子元件的电特性总是连续的, 所以随着 E 值在整个可能的范围内变化, P 点的轨迹是一条 折线 l E , 称为 E 的故障特征折线. 折线的拐点对应 于 E 的变化导致某个非线性元件的工作区发生改 2 计算机辅助设计与图形学学报 2009年 变的时刻,折线的 2个端点对应于 E 的极限值. 对 于存在硬故障的元件参数,如电阻的阻值 R,端点即 对应于该元件的开路、短路硬故障;对于不存在硬故 障的元件参数, 如晶体管的放大倍数 B, 端点即对应 于 By 0和 By ] 的情况. 这样, 故障特征折线就统 一描述了元件参数的软故障和硬故障. 另外, 由于实 际电路中不存在理想电流源, 所以任何故障特征折 线的端点总是位于 V12V2平面的有限远处, 即故障 特征折线的每一段都是几何意义上的/线段0而不是 /直线0. 在图 3中, 如果另一个元件参数 F 的故障特征 折线 l F与 l E不重合,那么 E 和F 的故障就是可区分 的;如果 lF与 l E有一部分重合, 说明 F 的一些可能 的故障和 E 的一些可能的故障在 V12V2特征平面 上表现为等价故障. 2 故障字典的构造 等效线性化模型只是对于非线性元件特性的近 似,例如在图 2中,截止区模型忽略了 b极和 e 极之 间的漏电流, 线性放大区和饱和区模型把 b极和 e 极导通电阻视为定值电阻等. 对于一种非线性元件, 在不同的精度条件下可以建立不同的等效线性模 型.因此在构造故障字典的过程中,将非线性元件转 换成等效线性模型,再通过仿真提取故障特征的方 法并不具有通用性, 事实上也是不必要的.通用电路 仿真程序,如 SPICE 能够在很高的精度下直接处理 非线性元件, 获得 V1 2V2平面中工作点随 E 值变化 的真实轨迹 l *E 上的一组离散的工作点, 如图 4中的 实心圆点所示. 这样一来,故障特征的提取工作就变 成了构造满足一定精度要求的分段线性方程组 f E 来描述折线 l E , 从而近似地表示 l*E . 图 4 仿真分析和分段线性拟合 对于直流测试, 在 SPICE仿真源文件中把 E 作 为可变参数, 规定 关于下班后关闭电源的规定党章中关于入党时间的规定公务员考核规定下载规定办法文件下载宁波关于闷顶的规定 其变化范围和采样间距,执行直流 扫描分析, 就可以得到 l *E 上的离散的工作点;再利 用计算机程序对这些数据点进行分段线性拟合, 就 可以得到 f E .把 f E中的每条线段表示成 k1V1 + k2V2 = 1, 其中, V1 I [V1min , V1max] , V2 I [ V2min , V2max ] , 在故 障字典中保存每个分段线性方程的参数 ( k1 , k2 , V1min , V1max , V2min , V2max) ,就记录下了这条故障特 征折线.对每个待测元件参数进行上述处理,就得到 了故障字典. 在极端情况下, f E是一个最多可能有S 1 S2 , S n 段的分段线性方程组( Si为非线性元件 EN i的工作 区个数) ,当电路中的非线性元件数量较多时, f E可 能会比较复杂.但是对于大部分实际电路而言, 在单 个元件参数的变化过程中,电路工作点并不会遍历 所有非线性元件的所有工作区的组合, 即 f E的分段 数量会远小于S 1S2 , S n . 3 故障判定 获得实测结果之后,基于与线性电路中最小直 线距离法相同的原理, 可以根据实测工作点到各条 故障特征折线的最小直线距离, 来衡量被测电路与 各个故障特征的符合程度. 用 Q代表 l E上的任意一 点,定义实测工作点 T 到折线 l E的距离为 D ( T, l E )= min( | TQ| , Q I lE ) ,该距离可以先根据 f E分 段计算求得局部最小值,再取全局最小值.如图 5所 示, T 距离组成 l E的 3条线段 AB, BC, CD 的距离 分别为| TA| , | TE| 和| TC| ,则 T 距离折线 l E的最 小直线距离为 D(T , lE )= min{| TA| , | TE| , | TC| }. 图 5 实测工作点到故障特征折线的距离 图 6 故障特征区域 由于模拟电路中每个元件参数固有的容差,实 际的故障工作点的分布是一个包含 l E的区域,如图 6中虚线围成的区域 ZE 所示. 虽然采用 Monte2 Carlo分析可以得到 ZE的边界,但是所需的计算量 太大,而且要在故障字典中准确地描述 ZE也相当困 难.一种简化的处理方法是用一个以 lE为中心线的 等宽条形区域来近似代表 Z E , 如图 6 中粗实线所 示, 2个边界距 l E均为D T . 31 期 胡 庚等:非线性模拟电路的故障诊断方法 在处理模拟电路的故障模糊性时, 用贝叶斯分 析、故障隶属度函数等概率分析方法来衡量实测结 果与故障特征的符合程度更为合理[ 425] , 但在本文 中并不作为重点研究的问题. 本文仅采用最简单的 处理方法,即以 DT作为判决门限, 如果 T 到故障特 征折线 lX的最小直线距离 D(T , lX )小于 DT , 则认 为是元件参数 X 发生了故障. 4 电路实例 以图 7所示的单管放大电路作为被测电路的实 例.其中, Rb1= 50 k 8 , R b2= 10 k8 , Rc= 3 k 8, Re= 1 k8 , RL= 3k 8, C1 = C2= 10uF, VCC= 12V, NPN 型晶体管 T 的 Ube= 0. 7V, B= 300, r bb. = 200 8 . 图 7 单管放大电路 只考虑直流测试,则 RL , C1和 C2的故障不作为 待测故障. 根据第 2. 1节所述方法, 利用 SPICE 对 Rb1 , Rb2 , Rc , Re和 B的软硬故障分别进行直流扫描 分析(其中 B没有硬故障) .选择节点 N 2和 N 4作为 测试节点,电压值分别用 V2和 V4表示. 图 8 故障工作点仿真结果 图 8所示为 Rb1和 R c的故障工作点仿真结果. 其中,星形点是 R b1的故障工作点, 实心圆点是 Rc的 故障工作点, P 0(1. 97, 8. 43)是无故障工作点.可以 看到, Rb1的故障工作点轨迹可以明显分为 3段:最 左侧的一段对应于 T 工作在截止区的状态,中间一 段对应于 T 工作在线性放大区的状态,最右侧的一 段对应于 T 工作在饱和区的状态. Rb1的故障特征 折线的 2个端点的坐标为(0, 12)和(12, 9. 40) ,分 别对应 Rb1开路和短路的故障工作点. Rc的故障工 作点轨迹只有 2段,这是因为 Rc的单故障不会导致 T 进入截止区. 经过分段线性拟合, 得到 R b1的故障特征方程 组为 0. 0833V4 = 1, V2 I [0, 0. 742] , V4 = 12 0. 206V2 + 0. 0706V4 = 1, V2 I [0. 742, 3. 81] , V4 I [3. 05, 12] - 10. 5V2 + 13. 5V4 = 1, V2 I [3.81, 12] , V4 I [3. 05, 9. 40] . 采用同样的方法计算其他元件的故障特征方程 组,将方程的系数保存在故障字典中,如表 2所示. 可以看到, R b1的与 Rb2故障特征折线的前 2段几乎 完全重合,所以 Rb1的一部分故障与 Rb2的一部分故 障是等价故障. 表 2 单管放大电路的故障字典 k1 k2 V2min V2max V4min V4max R b1 0 0. 0833 0 0. 742 12. 0 12. 0 0. 206 0. 0706 0. 742 3. 81 3. 05 12. 0 - 10. 5 13. 5 3. 81 12. 0 3. 05 9. 40 R b2 0 0. 0833 0 0. 720 12. 0 12. 0 0. 205 0. 0710 0. 720 3. 80 3. 10 12. 0 - 0. 709 1. 19 3. 80 3. 93 3. 10 3. 18 Rc 1. 32 - 1. 20 0. 896 1. 97 0. 152 1. 33 0. 508 0 1. 97 1. 97 1. 33 12. 0 Re 1. 31 - 1. 17 0. 838 1. 90 0. 0944 1. 27 0. 529 - 0. 00490 1. 90 2. 00 1. 27 12. 0 B 0. 221 0. 0670 0. 983 2. 00 8. 33 11. 6 测试判决门限 DT设置为 0. 5. 假定一个被测电 路的实测结果为 T (V2 , V4 ) = (7. 56, 6. 04) , 计算 T 点到故障字典中各条故障特征折线的距离,结果 如表3所示.由此可以判定故障元件为 Rb1 .事实上, 该实测结果是假定 R b1的阻值变为 1 k 8 ,同时假定 其他无故障元件存在 5%的容差得到的, 实际参数 取值为 Rb1= 1 k8 , R b2 = 10. 34 k8 , R c= 2. 95 k 8, Re= 1. 05 k 8, RL= 3. 03 k8 , C1 = 10. 32 uF , C2 = 10. 46 uF, Ube= 0. 675V, B= 309, rbb. = 195 8 . 4 计算机辅助设计与图形学学报 2009年 表 3 实测点到故障特征折线的距离 l Rb1 R b2 R c R e B D( T, l ) 0. 067 8 4. 62 5. 59 5. 61 6. 01 5 结 论 本文提出了一种适用于非线性模拟电路故障诊 断的新方法,采用节点电压平面上的故障特征折线 构造故障字典, 诊断元件参数的软故障和硬故障, 并 利用最小直线距离法处理容差和故障模糊性问题. 最后用一个直流测试下单故障诊断的实例来证明了 该方法的有效性.该方法也可以扩展到交流测试和 多故障诊断.在交流测试中,节点电压变成复数;在 多故障诊断中, 以双故障为例,故障特征是三维节点 电压空间中分块的故障特征平面, 如图 9所示. 图 9 双故障特征平面 在采用本文方法进行故障诊断的过程中, 无论 电路仿真、线性拟合, 还是点到折线的距离计算, 都 已经存在成熟的计算机实现技术,所以完全可以开 发出实用化的模拟电路故障诊断软件. 与神经网络、 支持向量机等故障诊断方法相比,本文方法没有机 器学习过程中的大量迭代计算, 故障诊断能力也不 依赖于训练 样本 保单样本pdf木马病毒样本下载上虞风机样本下载直线导轨样本下载电脑病毒样本下载 的质量. 本文暂时未考虑测试节点的选择问题.事实上, 选择不同的节点电压作为坐标, 会得到不同的故障 特征折线,且故障特征折线之间的重合情况也会不 同.通过优选节点对,使节点电压平面中故障特征折 线的重合尽可能少, 或者构造多个节点电压平面, 可 以提高故障区分能力.此外,如果故障特征折线的近 似程度不能满足诊断精度的要求,可以采用分段的 简单非线性函数(如多项式函数、指数函数等)来拟 合故障工作点轨迹. 对于这些问题,我们将在未来的 工作中进行研究. 参 考 文 献 [ 1] Li F, Woo P Y. 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