故障字典法在模拟直流电路故障诊断中的应用研究

2023-01-13

1 故障字典法的应用

故障字典法历史悠久, 例如在各种电子设备的说明书中通常总有故障检修一章, 它将常见故障列成表, 说明故障特征和可能发生的部位, 指导维修人员进行检修, 这个故障检修表就是一种最原始的故障字典。

故障字典法在电子计算机发明后已更为发展。如同建立数据库一样, 可以将各种故障症状存储在计算机的记忆设备中, 在发生故障时, 不必依靠人工, 而是全自动地从库中检索出各种故障特征, 加以比较和判断, 然后确定故障性质和地点。故障字典法在数字电路中的应用很成功, 这是因为数字电路有0和1两个状态, 应用逻辑函数能比较准确地表示出故障特征。模拟电路的硬故障主要是指短路和开路两个状态, 分别相应于0和1。因此, 字典法比较适用于电路的硬故障情况。依据统计, 在模拟电路故障中硬故障占80%, 所以采用字典法有实际意义。相对基于网络理论测后模拟诊断方法而言, 它的测试后计算量最小, 要求的可及点少, 这使它成为目前模拟电路故障诊断中最具有实用价值的方法。同时, 由于目前已有不少比较成熟的软件包, 可对电路 (线性或非线性电路) 作静态和动态分析, 因此字典法不仅对线性电路适用, 也非常适用非线性电路。对大规模的复杂电路, 在构成其字典时, 可通过对电路的分析及对故障字典的计算机辅助分析, 按电路功能将故障字典划分为若干相互独立的故障小字典, 对应不同的电路区域;即可以实现逐层诊断, 而不必增加许多测试点和建立庞大的方程组。然而, 故障字典法没有智能, 即没有反馈和自适应能力, 只能机械地执行人们预先编写的程序。它的测前计算量也很大, 对于多故障, 在电路规模较大时, 计算量和计算机内存量都会大到不能容忍的程度。而且, 由于模拟电路中元件的故障参数常是一个连续量, 测量响应的数据会不可避免的引入误差;最困难的是, 各元件都有一定的容差, 误诊和漏诊现象严重, 其效果远不如数字系统中的字典法诊断。

2 字典的建立

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和隔离, 故障特征码的生成等工作。

2.1 故障集的选择

选择故障集实际上是确定可诊断的故障集。一般都只考虑电路中的元件硬故障 (即元件开路或短路) , 而不考虑电路中的引线故障。由于电路中的元件数较多, 多故障的组合数很大, 因此罗列所有多故障作为故障集是不现实的。比较实际的方案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。当然这种做法不能保证电路中的所有元件故障可测, 但在实际工程问题中是允许的。

2.2 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的所有 (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过程中没有的组合信号作为激励。至今还没有一种输入激励信号的通用方法和程序, 通常需要根据经验或通过对电路作灵敏度分析, 逐步试探得到能隔离故障集中所有故障的激励信号。故障隔离是指用测试向量能够区分故障集中各个故障, 经常采用下述判据来检验:

其中Vk (N O R是节点K的正常电压, Vk (Fi) 是电路中存在故障Fi时节点K的电压, n是测试节点数。显然, 如果电路中存在故障Fi, 每个测试节点电压偏离正常值都超过0.7V时, (1) 式必满足。如果 (1) 式满足, 那么电路中至少有一个测试节点的电压值偏离正常值0.7V, 而如果 (1) 式不满足, 那么电路中各个测试节点不存在故障。

2.3 测试节点的选择

测试节点选择的基本准则是:在故障集中故障均可隔离的前提下, 使可测点数目最少。由于习惯上将对网络作一次激励时在各可及端测得的n个电压值列成一个n维列向量, 因此也可看作尽可能选择维数最低的测试向量来区分 (隔离) 故障集中的所有故障。实际的做法是根据以往的经验选择可获得故障信息量最多的节点 (或者多选取一些节点) , 先将故障集中的故障予以隔离, 然后再在仍保证故障可隔离的前提下优选出较佳 (即尽可能少) 的节点作为实际使用的测试节点。

2.4 模糊集的分割

在确定故障集、激励信号和测试节点后, 可以通过现有的各种模拟电路直流分析程序仿真计算出电路在每一个故障状态下的测试向量。如果对每一个故障都满足式 (1) 则故障集中的故障都是可隔离的。考虑到实际网络中元件参数具有容差, 如果仅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为故障电路。

2.5 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之后, 可将这些状态分割成若干模糊集。因此, 电路的各种不同的状态可用模糊集号作为特征来表示。利用模糊集作为特征来隔离故障的基本规则有下述几条:

(1) 只包含一个故障的模糊集, 可以唯一确定 (隔离) 这个故障。

(2) 只含有一个故障的若干模糊集之交, 可以唯一确定这个故障。

(3) 只含有一个故障的若干模糊集之差, 可以唯一确定这个故障。

利用上述规则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。有时无论增加多少测试点, 无论怎样改变激励信号, 有些故障也无法隔离出来, 则这种故障是无法唯一确定的。

2.6 故障字典的建立

如果已经找到若干测试点和激励信号, 它们生成的模糊集己经足以隔离出故障中的所有故障 (或区分故障己达到满意的程度) , 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) 在隔离故障时或之前是多余的, 在建立字典时可以将它们舍去, 即储存尽可能少的模糊集, 这样可减少计算机的储存容量, 同时也可以加快实际诊断的计算速度。

2.7 测后分析

测后分析的过程也就是根据实测向量来诊断实际故障的过程。其基本思想如下。设n个测试点的测试数据组成的测试向量Vn∈Rn构成一个n维故障空间, 而故障集中的k个故障是这个n维空间中的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。如果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一个子空间中。根据线性代数中广义距离的概念, 可以用点到各个子空间的中心点的距离来确定。

摘要：任何大型设备都不可能离开相应电子线路的控制, 电子线路的故障将直接影响到设备的操作精度, 甚至灾难性的后果。经过几十年的发展, 电子线路的故障诊断已取得了较大的发展, 逐步形成了电路故障诊断技术。本文对故障字典法在模拟直流电路故障诊断中的应用进行了研究。

关键词：故障字典法,模拟电路,故障诊断