基于分區定位的電路故障診斷新方法

秦福星 王龍 周慶年

（海軍蚌埠士官學校，安徽蚌埠 233012）

1 引言

目前，電路故障診斷理論的研究已成為電網絡理論的重要研究領域之一。模擬電路的故障診斷大多是通過測量可及節點的電壓來抽取故障特征。對于大規模模擬電路，其功能往往比較復雜，所含元件較多，節點數也很多。對于這類電路建立一個統一的直流故障字典要求每次診斷都要提供所有節點的測試值，這對于人工或半自動測試的情況，必然有測試時間過長的問題。不過一般大規模電路雖然復雜，但其往往可以分成若干在功能上相對獨立的模塊。當某一模塊內部發生故障時，其他模塊的狀態變化不明顯，甚至沒有變化。各功能模塊之間有可能是相互獨立的，也可能是相互連接、相互影響的。如果是相互獨立的，很容易按其功能將電路劃分為各個獨立的故障診斷區域。對相互連接的電路模塊，可以通過電路分析，結合對整個電路的故障字典進行計算機輔助分析，以電路功能連接最緊密為原則，將電路的元件劃分為不同的故障診斷區域；最后剩下的是連接不同功能模塊的元件，將它們劃分到與其關系最緊密的區域。這樣就將整個電路的故障字典按照電路的故障區域劃分為若干個子集，構成了區域故障字典，可以對不同的故障區域分別測試和診斷。

2 傳統故障字典診斷法[1]

故障字典診斷法的基本過程是：預先根據經驗或實際需要，確定所要診斷的故障集，然后求電路存在故障集中的一個故障時的響應(即作電路仿真)。最后將所得到的電路響應作必要的處理(如響應壓縮、編碼等)，作為對應的故障特征，將它們編輯成一部故障與特征對應的字典。在利用這部字典作實際電路的故障診斷時，對被測電路施加與測前模擬時完全相同的激勵和工作條件，取得相應的特征，最后在字典中查得與此特征相對應的故障。

字典的建立需要滿足故障隔離條件，故障隔離是指用測試向量能夠區分故障集中的各個故障，通常采用下面判據：

其中Vk(NOR)是節點 K的正常電壓，Vk(Fi)是電路中存在故障的電壓，n為測試點數。

測后分析過程也就是根據實測向量通過查找故障字典來診斷實際故障的過程。設n個測試點的測試數據組成的測試向量Vn∈Rn構成一個n維故障空間，而故障集中的k個故障是n維空間中的k個子空間。現在對被測電路作一次測試，取得一個測試向量Vn(相當這個n維空間的一個點)，進行下列計算：

其中：Vi*是Vn*中第i個測試點值，vi(Fj)是故障Fj在第i個測試點上的模糊域中心值。其中

表明點Vn*落在子空間Ft中，則可確定電路現在發生的故障為Ft。

3 分區定位故障

分區定位故障是測前對電路故障進行模擬仿真，根據電路的特點提取得到電路在故障狀態下的電路特征，選取適當的一組測試點能將故障逐步隔離的方法，其診斷原理是：

假設某一個電路故障集由k個故障組成：

按上述區域劃分原則,將F劃分為m個故障子集：

每一個故障子集Fi對應一組特性向量Vi(ViV∈n)，按一般故障字典的建立方法對每個Fi(i=1,2,…m)建立一個故障小字典。

實時診斷時，首先按測后分析方法針對故障集F，將故障定位到某個區域。定位方法可以利用電路功能測試，也可以在每個區域故障字典中選取特征節點，使之在該區域發生故障時有明顯反應，從而建立面向區域的故障字典。然后針對子故障集Fi查詢故障小字典，將故障定位到故障元件fi。

4 診斷實例

本文以一個較為復雜的放大電路為例，說明基于分區定位電路故障診斷法的應用。電路原理圖如圖1所示。選擇8個故障集如表1所示。

按電路分析和計算機仿真結果，可將故障集F劃分為兩個故障集F1和F2，分別表示如下：

F1和F2對應的測試向量分別為：

圖1 放大電路

表1 故障集和代號

表2 直流故障字典(單位：V)

實際診斷過程中，首先進行故障區域定位，可以采用兩種方法，一種是對電路進行功能測試，本例中只要測量節點V6的電壓輸出即可。如果異常，則判斷區域F1為故障區域，否則區域F2為故障區域。第二種方法是在電路字典中提取區域特征節點。由表2可以看出：如果V4=1.23，V1=1.82，可以判斷出F2為故障區域；如果V4≠1.23，V1=1.82,可以判斷出F1為故障區域。因此，這兩個節點分別為兩個區域的特征節點。

5 結論

本文提出的基于分區定位的電路故障診斷，將電路按不同區域進行分割，各個功能區域逐步進行診斷，明顯減少了實時診斷的測試工作量。從本文例子中可以看出，如果發生故障，用一般的字典法診斷，需要測量10個節點。若用本文提出的方法只需要測量6個節點，大大減少了測試次數。利用基于分區定位的電路故障診斷時，測試工作量減少的程度，取決于區域劃分的規模和電路本身的復雜程度。電路越復雜，實時診斷效果越明顯。此外，該診斷方法在電子電路板級故障定位過程中也能準確地診斷出故障子網絡（板級或部件級電路）。在通信網絡中電子電路（信號放大器、振蕩器、混頻器和功率放大器等電路）中，能采用這種故障診斷方法，快速而有效。不足之處：(1)對于大規模復雜電路，初學者很難對電路各部分功能了解透徹，難以進行電路分區劃分，也就難以提取到故障子區間的關鍵連接節點（包括電壓節點，電流節點，信號控制節點等）。(2)在對電路進行建立故障字典時，當字典規模較大時，怎樣快速而準確的搜尋到區域特征節點也是一個難點。

[1] 楊士元. 模擬系統的故障診斷與可靠性設計. 北京:清華大學出版社, 1993.

[2] 王雷, 鄭玉簋, 唐波. 故障字典法模糊域劃分改進方法. 電子測量技術, 2002, 4: 1-2

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[4] 譚陽紅，何怡剛.大規模電路故障診斷的集團法[J].電子測量與儀器學報， 2003，17(4)：57-62.

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