电子设备故障诊断技术综述

电子设备故障诊断技术综述

徐济仁

1,2

,刘敬芝3,牛纪海2,江从俊

3

(1.合肥工业大学,安徽　合肥　230001;2.电子工程学院,安徽　合肥　230037;

3.重庆通信学院,重庆　550030)

摘　要:随着电子技术的发展,电子设备组成的复杂化和智能化不断提高。I C 芯片制造工艺

的不断提高使得VLSI 电路的集成密度增加,亦加大了电子设备故障测试的复杂性和难度。结合当前电子设备故障诊断的最新成果与发展动态,综述了故障诊断与检测的三种主流方法:基于解析模型的方法、基于信号处理的方法和基于知识的方法。总结了目前电子设备故障诊断技术的发展概况和趋势。

关键词:电子设备;故障诊断;解析模型;信号处理中图分类号:T N 05 文献标识码:A 文章编号:1001-3474(2008)05-0294-05

Sum mari zati on of Fault D i a gnosis Techn i ques

of Electron i c Equi pment

XU J i -ren

1,2

,L I U J i n g -zh i 3,N I U J i -ha i 2,J IANG Cong -jun

3

(1.Hefe i Technology Un i versity,Hefe i 230001,Ch i n a;2.Eletr i c Eng i n eer i n g I n stitute,Hefe i 230037,Ch i n a;3.Chongq i n g comm un i ca ti on school,Chongq i n g 550030,Ch i n a)

Abstract:W ith the devel opment of electr onic technol ogy,the electr onic equi pment become more and more comp licated and intelligentized .And the high p r oducti on level of I C chi p increased the integrati on density of VLSI electric circuits,thus electric equi pment fault diagnosis becomes more and more comp lex and difficult .Su mmarize the three main methods and technol ogies according t o the latest achieve ment and devel opment of electric equi pment,include analyzing model,p r ocessing signal and using knowledge .A t last su mmarize devdel opment trend of fault diagnosis of electric equi pment .

Key words:Electric equi pment;Fault diagnosis;Analysis model;Sinal p r ocessing D ocu m en t Code:A Arti cle I D :1001-3474(2008)05-0294-05

现代社会对电子设备的可靠性、保障性和可维

修性有了更高的要求,而且随着现代工业及科学技术的迅速发展,特别是计算机技术的发展,电子设备设备的结构越来越复杂,自动化程度也越来越高,不仅同一设备的不同部分之间互相关联,紧密耦合,而且不同设备之间也存在着紧密的联系形成一个整体。因此,一处故障可能引起一系列连锁反应,导致整个设备甚至整个过程不能正常运行。

故障诊断为提高系统的可靠性开辟了一条新的途径,已成为控制领域的一个热点研究方向。故障可以定义为系统至少一个特性或参数偏离正常的范

围,难于完成系统预期的功能[1]

。故障诊断是指根据系统症候,判断系统是否发生了故障,确定故障的种类,故障发生的部位,并确定故障的大小以及故障发生的时间。

故障诊断技术包括故障检测、故障分离和故障

作者简介:徐济仁(1967-),男,毕业于国防科学技术大学,副教授,主要从事通信与信号处理的研究工作。

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电子工艺技术Electr onics Pr ocess Technol ogy

第29卷第5期

2008年9月　

辨识。故障诊断能够定位故障并判断故障的类型及发生时刻,进一步分析后可确定故障的程度。故障检测与诊断技术涉及多个学科,包括信号处理、模式识别、人工智能、神经网络、计算机工程、现代控制理论和模糊数学等,并应用了多种新的理论和算法。1　设备故障诊断方法的分类

故障诊断技术主要包含三方面的内容:故障检测、故障隔离、故障辨识。从本质上讲,故障诊断技术是一个模式分类与识别问题,即把系统的运行状态分为正常和异常两类,判别异常的信号样本究竟属于哪种故障,这又属于一个模式识别问题。现有的故障诊断方法,概括起来可分三大类。

1.1　基于信号处理的方法[2～5]

该方法是诊断领域应用较早的方法之一,主要采用阈值模型。信号分析采用较多的主要有时域、频域、幅值、时-频域特性分析等。信号处理方法主要有:峰值、均方根值、波峰系数、波形系数、偏斜度指标等参数分析、相关分析法、包络分析法、最大熵谱法、倒频谱法、同步信号平均法、自回归谱分析法、小波分析和分形分析等。信号分析方法是其它诊断方法的基础。

信号处理方法大致分为两类。

一类是稳态或者准稳态信号的各种处理方法。典型的有经典的离散频谱分析和校正理论、频率细化分析和解调分析等。这一类处理方法理论较为成熟,在实际应用中较为广泛。这些处理方法基础都是基于经典的傅里叶变换分析法,它是对分析对象进行一些理性化的处理和简化的基础上,例如假设被分析信号具有线性、平稳性和最小相位性等特征,采用全局性变换形式,将信号分解为不同的频率分量。但是,在工程实际应用中,这样的简化常常忽略了信号中的一些重要特征,特别是一些细微的信息,而这些细微的信息往往预示着设备状态的发展趋势,因此在一定的程度上不能完全满足机械设备故障信号特征提取的需要;第二类是非平稳信号的各种处理方法。典型的有参数跟踪法、短时傅立叶变换法、W igner-V ille分布、小波分析、盲信号分离和高阶统计量以及循环统计量分析也开始应用于机械设备信号特征提取中。其中短时傅里叶变换法[6],参数跟踪分析法等比较成熟,W igner-V ille分布[7],小波分析方法存在一定的不足之处,限制了这些方法在故障诊断领域中的应用。高阶谱、循环平稳和H il-bert-Huang变换等分析方法,这些方法的引入,使得在非线性、非稳态和非高斯信号处理方面有了长足的进步。尤其是循环平稳分析方法,近年来在理论研究上取得了很大的进展,并在工程实际应用中有了一些应用,带来了一定的社会经济效益,但还有许多问题需要解决,这正成为机械设备故障诊断中信号特征提取研究的一个比较热门课题。

1.2　基于解析模型的方法

基于解析模型诊断的主要思想是:根据组成系统的元件与元件之间的连接,建立待诊断系统模型(如结构、功能、行为),这种模型通常用一阶逻辑语句来描述。根据系统的逻辑模型以及系统的输入,能通过逻辑推理推导出系统在正常情况下预期行为。观测到的系统实际行为与系统预期行为有差异,说明系统存在故障,利用逻辑推理也能够确定引发故障的元件集合。

基于解析模型诊断的方法有:滤波器方法、最小二乘类方法[8]、观测器方法和等价空间方法。现在已经证明了基于观测器的状态估计方法与等价空间方法是等价的。

当前,在基于解析模型的诊断中有两个主要流派。一个是基于一致性的诊断,另一个是溯因诊断。前者把诊断概念建立在不正常工作的元件与观察结果的相容性上,后者把诊断概念建立在不正常工作的元件和诊断模型可以逻辑地推出观察结果。最近,人们开始研究如何将两种方法比较与融合,提出了一个统一的定义,使得不同的诊断逻辑定义都可以用这个统一的定义表示,并且可以把不同的定义加以比较。在这个统一定义下,基于一致性的诊断和溯因诊断仅仅是两个极端的情形。

1.3　基于知识的故障诊断方法[9～11]

基于知识的诊断推理的主要思想是:在知识的层次上,以知识处理技术为基础,实现辩证逻辑与数理逻辑的集成,符号处理与数值处理的统一,推理过程与算法过程的统一。通过在概念和处理方法上的知识化,实现设备故障诊断智能化。基于知识的故障诊断方法主要可以分为:专家系统故障诊断方法、模糊故障诊断方法、故障树故障诊断方法、神经网络故障诊断方法、信息融合故障诊断方法和基于Agent 故障诊断方法。

1.3.1　专家系统故障诊断方法[12]

专家系统方法一直是基于知识的故障诊断中的研究重点,经多年发展已比较成熟。它不需要一个人类问题求解的精确匹配,而能够通过计算机提供一个复制问题求解的合理模型。基于知识的专家系

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2008年9月 徐济仁等:电子设备故障诊断技术综述