模拟电路故障诊断-第一章-LB

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模拟电路故障诊断方法的分类
目前还有逼近法（Approximation Method）,人工智能 （Artificial Intelligence）等方法。逼近法包括测前模拟中 的概率统计方法和测后模拟中的优化方法；人工智能法包括专家 系统、神经网络及模糊理论等方法。专家系统包括类似字典法中 的故障特征的收集和处理过程，以及测后模拟中的故障推理搜索 等过程。因此逼近法和专家系统是介于测前模拟诊断和测后模拟 诊断之间的一种方法。神经网络在故障诊断中的应用近几年已引 起越来越多的关注，随着数字信号处理技术的发展，在此领域的 研究必定会在模拟系统故障诊断技术的发展中发挥越来越重要的 作用。
第七章 模拟电路故障诊断综述
模拟电路故障诊断的主要任务：
在已知电路(也称网络)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。
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模拟电路故障诊断任务
Digital Oscilloscope LabView
CUT
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模拟故障字典技术
考虑之前的例子，建立模糊组，认为0.7v为 不可分，可以看到，n1列的第一行，f1和f3 之前电压差为0.3v小于0.7v标准，因此属于 同一个模糊组，以此类推，可建立剩余模糊 组，如下表：
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模拟故障字典技术
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模拟故障字典技术
然后对不同的模糊组进行编号， f4-f8属于第一个模糊组，编号 为0，f3为第二个编号为1，f1 为2，f2为3，f0为4，这样就可 以得到一个整数编码表 。如右 表：根据此编码表，就可以得 到不同的故障对应的向量，从 而引入各种算法，进行分类和 统计。
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模拟电路故障诊断方法的分类
1. 测前模拟诊断
测前模拟诊断的典型方法是故障字典法 （Fault Dictionary），它是目前模拟电路故障诊 断中最具有实用价值的方法。字典法主要是根据经 验或实际需要，选定测试点，然后确定所要诊断的 故障集。它具有实时性好的特点，但往往只考虑单 故障，如果考虑多故障，则因多故障的状态组合数 很大导致字典的规模很大。
Waveform generator
Vp-p = 1 volt Frequency 100 Hz to 200 kHz
Power Supply
Data Acquisition System
模wenku.baidu.com电路故障诊断背景
模拟电路故障诊断自1970年代开始, 逐渐形成了比较系统的 理论成为继网络分析和网络综合之后, 网络理论的第三大分支。 故障诊断所涉及的有关理论和技术的面较宽，如系统参数辨识、 模式识别、优化技术等。随着电子工业的发展，电子设备的复杂 性越来越高，且其中的模拟器件和电路不可缺少(多数故障也出 现在模拟器件上)，对这种设备的维修和保养十分复杂．耗费精 力财力，但却是为保证系统正常运行不可缺少的。微电子技术的 迅猛发展对模拟电路的测试和诊断提出了急迫的需求，这就迫使 科技人员进一步探索新的测试理论和方法，研制新的测试设备以 适应社会的需求。
所以故障诊断的目的在于根据可测量的特征向量判断系统处于何 种状态，即故障诊断的任务是找到映射f
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模拟电路故障分类
在模拟电路中,从程度上划分，故障可分为两大类： 一类称为硬故障，又称为突变故障，即故障元件的参 数突然发生大的变化，例如元件的开路和短路等失效 故障； 另一类称为软故障，又称为渐变故障，指元件的参数 随着时间或环境条件而超出预定的容差范围而造成的 故障。一般它们均未使设备完全失效，例如，由于元 件的老化、变质或使用环境的变化等造成的元件参数 变化。
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模拟电路故障诊断的发展
1960 年 R.S.Berkowitz 首先提出了关于模拟电路故障诊断的可 解性概念及无源、线性、集总参数网络的元件值可解性所必须满 足的电路条件。 从 20 世纪70 年代起，世界各国的学者相继发表了许多有关模 拟电路故障诊断方面的论文，提出了各种不同的原理和方法，并 在 1979 年达到了一个高峰，奠定了模拟电路故障诊断的理论基 础。国际电气电子工程师协会电路与系统学报（IEEE Trans.On CAS）为此出了模拟电路故障诊断特刊，促进了该领域的研究进 一步发展。
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参数辨识法
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预测验证法
预测验证法一般用于测试条件较差的场合，即可及端口数较少 的场合，该法首先认为网络中存在的故障很少，而且假定非故 障元件的实际值即为其标称值，这样就预猜哪几个元件故障。 通常根据测试结果与故障元件拓扑之间的约束条件作为验证式 来判别上述预测是否正确，如此不断筛选，直至搜索到符合验 证式要求的真实故障元件的位置后才进行故障定值。由此可见， 故障预猜验证法所处理的故障元件，不仅参数值未知，其位置 也未知，这是此法的一个重要特点，但是当电路规模较大，故 障元件较多，工作量便很大，不过每一次验证所涉及的运算较 简单，同时该法不少运算工作可以事先理想毕备，因此一般微 机就可胜任计算任务，但容差会较大影响此法诊断效果
g : S Y
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故障诊断的基本思想
反之，一定的系统特征也对应确定的状态，即存在映 射f ：
f :Y S
状态空间和特征空间的关系可用图1表示。如果f和g 是双射函数，即特征空间和状态空间存在一对一的满 映射，则由特征向量可惟一地确定系统的状态。
图1 状态空间与特征空间
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故障诊断的基本思想
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模拟电路故障分类
按故障电路中不同故障的关系来划分，可分为独立故 障和从属故障。独立故障即电路中两个或多个元件发 生故障时，彼此不存在因果关系。从属故障即一个元 件发生故障后，导致另一个元件发生故障，这个被诱 发的故障成为从属故障。
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模拟电路故障诊断方法的分类
对模拟电路故障诊断方法的分类常依据对实际电路的 仿真是在实际测试的前还是后。 如果对电路的仿真是 在现场测试之前实施，则称为测前模拟诊断 (Simulation Before Test Approach)； 如果电路的仿真是在现场测试之后实施，则称为测后 模拟诊断（Simulation After Test Approach）。
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模拟故障字典技术
测点选择的任务是根据给定的测试性指 标，从初始故障字典中选择最少的测点构成 最优故障字典，并根据选择结果设置实际的 物理测点和选择测试激励以及测试参量。故 障诊断阶段只需要用与构造字典阶段相同的 信号激励被测电路，根据测点上获得的参数 计算故障特征，将故障特征与最优字典相比 较诊断出故障。
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模拟故障字典技术
目前较常用的方法是如果两个故障产生的故障特征 的差异小于某给定阈值，就认为这两个故障属于同 一个模糊组。对于目前普遍采用的电压特征方法， 一般认为当两个故障产生的电压差的绝对值小于0.7 伏（二极管的导通电压）时就认为这两个故障属于 同一个模糊组且不可区分。0.7伏标准是否合适不在 本文讨论范围。因为对于不同电路可能有不同的电 压区分值，采用不同的故障特征（如电流）也会有 不同的故障区分标准，在实际应用中根据需要确定。
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模拟电路故障诊断的难点
5)在实际测量时, 用作测量的节点数很少, 导致可用于作故障诊 断的有关信息量较少, 甚至很不充分。
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故障诊断的基本思想
若被测对象全部可能发生的状态，包括正常状态和故 障状态，组成状态空间，它的可测量特征的全部可能 范围形成特征空间。 当系统处于某一状态s 时，它将具有确定的特征y ， 即存在着映射g ：
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模拟电路故障诊断的难点
模拟电路故障诊断理论和方法自研究以来, 取得了不少成就, 提 出了很多故障诊断方法, 如故障字典法、故障参数识别法、K故 障诊断法等。由于模拟电路故障诊断自身的困难, 进展一直比较 缓慢。模拟电路测试和诊断困难的原因主要有: 1)模拟电路中的输入激励和输出响应都是连续量, 网络中各元件 的参数通常也是连续的, 所以, 模拟系统中的故障模型比较复 杂, 难以进行简单的量化; 2)模拟电路中的元件参数具有很大的离散性,即具有容差; 3)在模拟电路中, 广泛存在非线性问题; 4)一个实用的模拟电路中, 几乎无一例外地存在着反馈回路, 仿 真时需要大量的复杂计算;
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概率统计法
概率统计法属于测前拟似法，属于逼近法的一种，原 理和字典法相似，但是利用了数学上的Bayes后验概率 准则，即根据以往维护工作中所得的各元件的故障发 生率（先验概率）的经验，再配合测试结果，从而确 定各元件实际上发生故障的条件概率，其中最大的便 是最可能的故障元件。
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参数辨识法
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模拟故障字典技术
右侧表格就是一个电压的故障字典 此表示利用整数编码概念选取电压 值作为区分故障的特征，假设某电 路存在8个潜在的故障特征(f1-f8) 和4个备选测点(n1-n4),在电路正常 和故障时，4个测点得到的电压可列 表如右侧表格。
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模拟故障字典技术
在得到故障字典以后，就可以构建模糊组，Hochwald 等人首先提出了模糊组的概念。对于任何给定节点， 可能存在许多故障在此节点上产生的故障信号（如电 压值等）很相近，从而导致这些故障在此节点上是不 可区分的。这些故障就称为属于同一个模糊组。如果 考虑容差，那么一个故障在某个测点上产生的电压就 可能在一定范围内随机变化，多个故障的故障信号变 化区域就有可能发生重叠，那么这些故障也称为属于 同一个模糊组。模糊组的确定可由蒙特卡罗仿真得 到，该仿真需要考虑元件容差，测量工具误差等因素。
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模拟电路故障诊断方法的分类
模拟电路故障诊断方法分类图
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模拟故障字典技术
模拟电路故障测试和诊断问题是目前研究的热点，在诸多模 拟电路故障诊断方法中，故障字典法是最成熟和最具有实用价 值的一种方法，它属于测前仿真故障诊断方法（与测后仿真方 法相对而言）。故障字典技术包含三项重要内容：故障字典的 构建，测点选择和故障诊断。为了构造初始故障字典，首先列 出所有潜在故障并选定测试信号（包括类型、频率、幅度等）， 然后用选定测试信号激励被测电路（包括无故障和所有故障状 态），最后记录下所有备选测点上的响应特征（如电压，电流， 等参量或由这些参量计算得到的故障特征）并存放于故障字典 中。
参数指元件参数，此法是通过解析分析，直接从网络响应与元 件参数值之间的关系中解出原件的实际参数值，因此在测试条 件充分的情况下，有可能不牵涉容差的问题，但是，正因为它 是通过解析分析直接从网络响应与元件参数值之间的关系中求 解元件的实际参数值，所以它只适用于故障元件的位置已明确 的场合。在元件参数解法中，待诊断电路即使是线性的，其诊 断方程往往也是非线性的，所以计算量较大。特别是当需要从 非线性诊断方程中解出所有元件参数值时，从可解性的条件出 发，端口测试必须充分。
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模拟电路故障分类
按电路中存在的故障数来划分，可将故障分为单故障和多故障。 在实际应用中，电子设备发生单故障的概率是故障总数的 70%到 80%，而且一些多故障往往又是相互联系的，因此有时也可当作 单故障处理。
按故障存在的时间来划分，可将故障分为永久性故障和间歇故障。 永久性故障指一旦出现就长期存在的故障，任何时刻进行检测均 可发现此类故障。间歇故障指某种特定条件下才出现的或随机性 的，存在时间短暂的故障现象，这种故障难以把握其出现规律与 时机，不易检测。
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模拟电路故障诊断的发展
20 世纪 80 年代模拟电路故障诊断方面的研究进入迅速发展时 期，主要朝着更实用化的多故障诊断方向发展。1985 年 J.W.Bandler 对模拟电路故障诊断的理论做了较全面的论述。 进入 20世纪 90 年代后，随着人工神经网络等智能信息处理技 术的发展与应用，模拟电路诊断的研究开始向人工智能方向迈进。 关于这方面的研究论文已发表很多。智能技术、现代数学理论与 原有研究成果的结合，推动了模拟系统的测试和诊断研究的进一 步发展。
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模拟电路故障诊断方法的分类
2. 测后模拟诊断
测后模拟诊断的典型方法主要有元件参数辨识 法和故障验证法。参数辨识事实上是参数估计，它 是在取得足够的独立数据后，根据电路的结构去估 计或求解电路中每个元件的参数。如果一个元件参 数超出预先所确定的容差范围，则认为它是一个故 障元件。因此只有在解得电路中所有元件的参数之 后，才能断定电路中有多少个元件存在故障。故障 验证法是在获取“不完整”的有限故障信息的基础 上作诊断，实施比较方便，具有较好的实用前景。