基于分区定位的电路故障诊断新方法

秦福星 王龙 周庆年

（海军蚌埠士官学校，安徽蚌埠 233012）

1 引言

目前，电路故障诊断理论的研究已成为电网络理论的重要研究领域之一。模拟电路的故障诊断大多是通过测量可及节点的电压来抽取故障特征。对于大规模模拟电路，其功能往往比较复杂，所含元件较多，节点数也很多。对于这类电路建立一个统一的直流故障字典要求每次诊断都要提供所有节点的测试值，这对于人工或半自动测试的情况，必然有测试时间过长的问题。不过一般大规模电路虽然复杂，但其往往可以分成若干在功能上相对独立的模块。当某一模块内部发生故障时，其他模块的状态变化不明显，甚至没有变化。各功能模块之间有可能是相互独立的，也可能是相互连接、相互影响的。如果是相互独立的，很容易按其功能将电路划分为各个独立的故障诊断区域。对相互连接的电路模块，可以通过电路分析，结合对整个电路的故障字典进行计算机辅助分析，以电路功能连接最紧密为原则，将电路的元件划分为不同的故障诊断区域；最后剩下的是连接不同功能模块的元件，将它们划分到与其关系最紧密的区域。这样就将整个电路的故障字典按照电路的故障区域划分为若干个子集，构成了区域故障字典，可以对不同的故障区域分别测试和诊断。

2 传统故障字典诊断法[1]

故障字典诊断法的基本过程是：预先根据经验或实际需要，确定所要诊断的故障集，然后求电路存在故障集中的一个故障时的响应(即作电路仿真)。最后将所得到的电路响应作必要的处理(如响应压缩、编码等)，作为对应的故障特征，将它们编辑成一部故障与特征对应的字典。在利用这部字典作实际电路的故障诊断时，对被测电路施加与测前模拟时完全相同的激励和工作条件，取得相应的特征，最后在字典中查得与此特征相对应的故障。

字典的建立需要满足故障隔离条件，故障隔离是指用测试向量能够区分故障集中的各个故障，通常采用下面判据：

其中Vk(NOR)是节点 K的正常电压，Vk(Fi)是电路中存在故障的电压，n为测试点数。

测后分析过程也就是根据实测向量通过查找故障字典来诊断实际故障的过程。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n维空间中的k个子空间。现在对被测电路作一次测试，取得一个测试向量Vn(相当这个n维空间的一个点)，进行下列计算：

其中：Vi*是Vn*中第i个测试点值，vi(Fj)是故障Fj在第i个测试点上的模糊域中心值。其中

表明点Vn*落在子空间Ft中，则可确定电路现在发生的故障为Ft。

3 分区定位故障

分区定位故障是测前对电路故障进行模拟仿真，根据电路的特点提取得到电路在故障状态下的电路特征，选取适当的一组测试点能将故障逐步隔离的方法，其诊断原理是：

假设某一个电路故障集由k个故障组成：

按上述区域划分原则,将F划分为m个故障子集：

每一个故障子集Fi对应一组特性向量Vi(ViV∈n)，按一般故障字典的建立方法对每个Fi(i=1,2,…m)建立一个故障小字典。

实时诊断时，首先按测后分析方法针对故障集F，将故障定位到某个区域。定位方法可以利用电路功能测试，也可以在每个区域故障字典中选取特征节点，使之在该区域发生故障时有明显反应，从而建立面向区域的故障字典。然后针对子故障集Fi查询故障小字典，将故障定位到故障元件fi。

4 诊断实例

本文以一个较为复杂的放大电路为例，说明基于分区定位电路故障诊断法的应用。电路原理图如图1所示。选择8个故障集如表1所示。

按电路分析和计算机仿真结果，可将故障集F划分为两个故障集F1和F2，分别表示如下：

F1和F2对应的测试向量分别为：

图1 放大电路

表1 故障集和代号

表2 直流故障字典(单位：V)

实际诊断过程中，首先进行故障区域定位，可以采用两种方法，一种是对电路进行功能测试，本例中只要测量节点V6的电压输出即可。如果异常，则判断区域F1为故障区域，否则区域F2为故障区域。第二种方法是在电路字典中提取区域特征节点。由表2可以看出：如果V4=1.23，V1=1.82，可以判断出F2为故障区域；如果V4≠1.23，V1=1.82,可以判断出F1为故障区域。因此，这两个节点分别为两个区域的特征节点。

5 结论

本文提出的基于分区定位的电路故障诊断，将电路按不同区域进行分割，各个功能区域逐步进行诊断，明显减少了实时诊断的测试工作量。从本文例子中可以看出，如果发生故障，用一般的字典法诊断，需要测量10个节点。若用本文提出的方法只需要测量6个节点，大大减少了测试次数。利用基于分区定位的电路故障诊断时，测试工作量减少的程度，取决于区域划分的规模和电路本身的复杂程度。电路越复杂，实时诊断效果越明显。此外，该诊断方法在电子电路板级故障定位过程中也能准确地诊断出故障子网络（板级或部件级电路）。在通信网络中电子电路（信号放大器、振荡器、混频器和功率放大器等电路）中，能采用这种故障诊断方法，快速而有效。不足之处：(1)对于大规模复杂电路，初学者很难对电路各部分功能了解透彻，难以进行电路分区划分，也就难以提取到故障子区间的关键连接节点（包括电压节点，电流节点，信号控制节点等）。(2)在对电路进行建立故障字典时，当字典规模较大时，怎样快速而准确的搜寻到区域特征节点也是一个难点。

[1] 杨士元. 模拟系统的故障诊断与可靠性设计. 北京:清华大学出版社, 1993.

[2] 王雷, 郑玉簋, 唐波. 故障字典法模糊域划分改进方法. 电子测量技术, 2002, 4: 1-2

[3] 朱大奇.电子设备故障诊断原理与实践[M].北京：电子工业出版社，2004.

[4] 谭阳红，何怡刚.大规模电路故障诊断的集团法[J].电子测量与仪器学报， 2003，17(4)：57-62.

[5] Bandler J W，Salama A E.Fault diagnosis of analog circuits[J].Proc.IEEE， 1985,73(8), 1279-1325.

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