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电压灵敏度向量在模拟电路故障诊断中的应用.doc电压灵敏度向量在模拟电路故障诊断中的应用.doc -- 5 元

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电压灵敏度向量在模拟电路故障诊断中的应用李焱骏陈世杰王厚军师奕兵电子科技大学自动化工程学院,成都610054摘要针对模拟电路故障中元件参数连续变化具有无穷多种可能性的问题,首先证明了线性模拟电路中,测试点电压向量在故障状态下相对于标准状态下的增量,其向量方向由故障元件在被测电路中的位置决定。并证明了节点电压敏感度向量方向与节点电压向量增量的方向相同,并且其模反映了故障元件参数变化量到节点电压向量的权重。以修正后的节点电压灵敏度向量为故障特征建立故障字典,提出一种容差条件下的故障诊断判定算法,可以有效地实现模拟电路元件参数在一定容差范围内随机变化条件下的单一软故障诊断。针对ITC97Benchmark电路中的连续时间状态可变滤波器电路,仿真实验实现了10%容差条件下的故障诊断,验证了该理论的正确性和方法的有效性。关键词灵敏度向量故障特征故障字典判定算法中图分类号TP306.3文献标识码A国家标准学科分类代码510.10ApplicationofvoltagesensitivityvectorinanalogcircuitfaultdiagnosisLiYanjunChenShijieWangHoujunShiYibingSchoolofAutomationEngineering,UniversityofElectronicScienceandTechnologyofChina,Chengdu610054,ChinaAbstractConsideringthattheelementparameterinanalogcircuitmaydeviatetoinfinitudeprobability,itisprovedthatthedirectionofthevoltagesvector,whichistheincrementbetweenthemeasurementvoltagesvectoratfaultystateandtheoneatthenominalstate,isdeterminedbythelocationofthefaultyelementinthelinearanalogcircuit.Itisalsoprovedthatthedirectionofthesensitivityvectoristhesametotheincrementofthenodevoltagevector,andthemoduleofthesensitivityvectorcanpresenttheweightfromtheelementparametervariationtotheincrementofthenodevoltagevector.Thenthefaultdictionaryismadeupofmodifiedelementparametersensitivityvectors.Adecisionalgorithmisproposed,andsinglesoftfaultinanalogcircuitcanbediagnosedunderthecircuitparametersdeviatingwithinthetoleranceranges.ThevalidityoftheoryandtheavailabilityofmethodareverifiedbythesimulationresultsoftheContinuousTimeStateVariableFiltercircuitwith10tolerance.Keywordssensitivityvectorfaultsignaturefaultdictionarydecisionalgorithm1引言伴随着电子工业的飞速发展,解决模拟电路故障诊断问题变得越来越紧迫。文献1总结了1985年以前提出的模拟电路故障诊断方法,讨论了模拟电路故障诊断中的元件参数可解性、K故障诊断和容差条件下故障诊断等问题。文献23对20世纪90年代以前提出模拟电路故障诊断方法做了总结,单故障无容差情况下的线性电路故障诊断方法取得了较大的发展。近10年来,容差条件下的模拟电路故障诊断研究取得了一定的进展,文献4提出了以节点电压灵敏度序列为故障特征的诊断方法,但在容差条件下对无故障电路容易出现误诊断。文献5以节点电压灵敏度为故障特征,讨论了容差条件下的故障诊断问题,但对容差条件下参数随机变化的情况没有做详细讨论。文献6以节点电压灵敏度比值为故障特征,以隶属度函数为判决条件提出了容差条件下的故障诊断方法,但在较大容差10条件下,该方30电子测量与仪器学报2009年法的诊断率大大降低。神经网络和小波神经网络在模拟电路故障诊断中的应用也吸引了众多研究者的注意力79,然而神经网络的学习和运算过程易于陷入局部最小点和在线故障诊断计算量过大的缺点,使得神经网络的故障诊断方法仍然处于理论研究阶段。本文首先证明了在被测电路中,测试点电压在故障状态下相对于在标准状态下的增量,其向量方向由故障元件在被测电路中所处的位置决定。这一重要证明将模拟电路故障诊断中参数变化的无穷多种可能性降低为元件个数N种可能性。继而证明了节点电压灵敏度向量与节点电压向量增量的向量方向相同,并且其模反映了故障元件参数到节点电压增量向量的权重。以节点电压灵敏度向量作为故障特征建立故障字典,提出了一种针对容差条件下故障诊断特点的判定算法,兼顾故障定位和元件参数的变化量,仅以较小的计算量可以有效的实现模拟电路元件参数在10%容差范围内随机变化条件下的单一软故障诊断。对ITC97Benchmark中连续时间状态可变滤波器10进行仿真和故障诊断的结果验证了理论的正确性和方法的有效性。2故障特征设如图1所示线性时不变电路C共有N1个节点,其中第N1个节点作为参考节点接地,M个节点的电压可测,测试点电压用向量V表示。不失一般性,设电路由一个独立电流源e激励。C中的一个电阻gi跨接在电路的第i个端口。如图2所示当电阻gi发生故障时,即其电导值由gi变为iigg,测试点电压变为iVV。定理1向量iV的方向由电阻gi在C中所处的位置决定。证明图1N1节点线性时不变电路Fig.1LineartimeinvariantcircuitwithN1testnodes图2电阻gi发生故障Fig.2Resistancegiatfault如图3所示,根据等效原理,gi可以由独立电流源igj代替,igj等于图2中流经gi的电流。由于C为线性电路,测试点电压iVV为独立电流源e和igj激励的线性叠加。如图4所示将独立电流源e设为零,则测试点电压为iV,且满足iiigjVr1式中rir1ir2irMiT,rlil1,2,,M为端口i到测试点l的等效电阻。显然,向量iV的方向由ri决定,与igj的大小无关,即iiVr2式中iV和ir分别表示iV和ri的归一化向量,即向量iV和ri的方向,符号由igj的流向决定。而ri是由C的电路结构及端口i在C中所处的位置决定的,故定理得证。第6期电压灵敏度向量在模拟电路故障诊断中的应用31图3gi到jgi的等效变换Fig.3gitransfertojgi注1设电路激励源e0,在端口i引入单位电流源,测试点电压向量Vi即为ri图4设独立源e0Fig.4Lete02Vi的方向与电阻gi参数的变化大小无关,但Vi的长度由gi参数的变化量决定3在无容差条件下,以C中各元件参数变化时的iV建立故障字典。当C中的某个元件发生故障时,得到测试点的电压变化量V。故障字典中与V夹角为零的向量所对应的元件即为故障元件。3故障字典由定理1的证明可知,当C中gi参数变化时,测试点电压的变化量V可以视作gi所在端口的电流jgi与该端口到测试点的等效电阻的乘积,则当电路C中各元件的参数发生变化时,测试点电压变化量可以表示为1122iiKKjjjjVrrrr3式中1,2,,iiiijxfxiK为端口i元件参数变化引入的等效电流,xi为元件i的参数,xi为元件参数变化量。则在线性电路中,测试点l的电压对参数ix的灵敏度8可以表示为liViliixSrfx4C中M个测试点电压对元件参数xi的向量则可以表示为12TMiiiiVVVxxxxSSSVS5显然,向量ixVS的方向与iV相同,也就是说ixVS的方向反映了故障元件gi在电路C中的位置。线性电路中,测试点电压变化量可以表示为1iKxiixVVS6可以看出ixVS的模反映了ix到测试点电压变化量V的权重。模拟电路故障诊断中通常以元件参数的相对变化量作为判断元件是否出现故障的依据,因此将6式改写为1iKixiiixxxVVS7综上所述,以ixixVS为故障特征向量建立故障字典如下1212,,,KxxxKDxxxVVVSSS8式中K为电路元件个数。4故障诊断判定算法将式7写成其矩阵形式如下AηV9式中1212,,,KxxxKxxxVVVASSS10T12KKxxxxxxη11可以看出,对被测电路的故障诊断可以通过估算η实现,如下†ηAV1232电子测量与仪器学报2009年式中†A为A的伪逆。式12中,†A可以预先得到,V则可以通过测量测试点电压在额定状态和故障状态下的值得到,因此对故障电路的诊断可以花费较小的计算量实现。5仿真验证如前所述,采用节点电压灵敏度向量为故障特征的故障诊断的步骤如下1采用4的方法或者电路仿真的方法得到各元件参数的节点电压灵敏度向量,建立故障字典2对标准电路进行仿真,得到测试点电压向量V3对被测电路进行仿真,得到测试点电压向量V4估算η对电路进行故障诊断。本文对ITC97Benchmark电路中的连续时间状态可变滤波器进行了仿真验证,如图5所示。采用500Hz1V交流激励,以N1N6为测试点。电路中C1的参数增大一倍,其余元件参数则在10容差范围内随机变化。图5连续时间状态可变滤波器Fig.5Changeablefilterundercontinuumtimestate故障诊断结果如表1所示,其中仿真1对应无容差条件下的诊断结果,仿真2~仿真5对应10容差条件下的诊断结果。仿真1的诊断结果中,C1对应值为115.05,与C1参数增大一倍的设置比较接近,除R3外其余元件对应值较小,与无容差条件比较吻合仿真2~仿真5的诊断结果中,C1对应值在100左右变化,与C1参数增大一倍的设置较为接近,除3R外其余元件对应值较仿真1的结果大,与10的容差条件较为吻合,且远远小于C1对应值。因此,在无容差条件下和有容差条件下,C1出现故障都可以被定位,并估计参数变化量。表1电路中C1出现故障的诊断结果Table1SimulationresultsofC1atfault仿真1仿真2仿真3仿真4仿真5仿真6R10.612.958.855.205.279.17R20.693.3510.055.915.9910.41R317.906.3312.6318.9220.5535.20R42.8714.2419.189.5514.2624.92R52.3426.4412.754.937.7616.39R62.1718.1717.9316.5915.9421.88R73.5718.727.0315.9413.9025.99C1115.0593.8292.0288.53128.40158.05C21.987.099.259.1814.0616.14C2或R1等电阻元件出现故障也可以用类似的方法进行诊断,此处不赘述。6结论本文证明了节点电压灵敏度向量的方向与故障元件位置之间的关系,将模拟电路中元件某一参数变化量的无穷多种可能性用节点电压灵敏度向量方向表示,大大降低了模拟电路中元件故障特征的复杂程度。结合节点电压灵敏度向量与节点电压变化量之间的关系,以节点电压灵敏度向量为故障特征建立故障字典。提出的故障诊断方法,仅以较小的计算量解决了10%容差条件下的单一软故障诊断问题。非线性电路软故障诊断方法,以及多故障诊断方法,是后续工作值得研究的方向。特别感谢IEEE终生会士,美国圣母大学刘瑞文教授,对作者研究工作和论文的指导。参考文献1BANDLERJW,SALAMAAE.FaultdiagnosisofanalogcircuitsJ.ProceedingsoftheIEEE,1985,73812791325.第6期电压灵敏度向量在模拟电路故障诊断中的应用332LIURW.AnalogfaultdiagnosisAnewcircuittheoryJ.Proc.1983IEEEInternationalSymposiumonCircuitsandSystems,May1983931939.3杨士元.模拟系统的故障诊断与可靠性设计M.北京清华大学出版社,1993.YANGSHY.FaultdiagnosisanddesignforreliabilityofanalogsystemM.BeijingTsinghuaUniversityPress,1993.4LIF,WOOEY.TheinvarianceofnodevoltagesensitivitysequenceanditsapplicationinaunifiedfaultdetectiondictionarymethodJ.IEEETransactiononCircuitsandSystemsIFundamentalTheoryandApplications,1999,461012221227.5谭阳红,何怡刚.模拟电路故障诊断的新故障字典法J.微电子学,2001,314252254.TANYH,HEYG.Anewfaultdictionarymethodforfaultdiagnosisofanalogcircuit.Microelectronics,2001,314252254.6WANGP,YANG,SHY.AnewdiagnosisapproachforhandlingtoleranceinanalogandmixedsignalcircuitsbyusingfuzzymathJ.IEEETransactiononCircuitsandSystemsIRegularPapers,2005,521021182127.7HEY,SUNY.NeuralnetworkbasedL1normoptimizationapproachforfaultdiagnosisofnonlinearcircuitswithtoleranceJ.IEEProc.CircuitDevicesSyst.,August2001,1484223228.8金瑜,陈光,刘红.基于小波神经网络的模拟电路故障诊断J.仪器仪表学报,2007,916001604.JINY,CHENGJ,LIUH.FaultdiagnosisofanalogcircuitbasedonwaveletneuralnetworkJ.ChineseJournalofScientificInstrument,2007,916001604.9AMINIANM,AMINIANF.AmodularfaultdiagnosticsystemforanalogelectroniccircuitsusingneuralnetworkswithwavelettransformasapreprocessorJ.IEEEtransactionsoninstrumentationandmeasurement,2007,56515461554.10KAMINSKAB,ARABIK,BELLI,etal.AnalogandmixedsignalbenchmarkcircuitsfirstreleaseJ.IEEEInternationalTestConference,1997.Proceedings,1997183190.作者简介李焱骏2000年于电子科技大学获得学士学位,2003年于电子科技大学获得硕士学位,现为电子科技大学讲师,博士研究生。主要研究方向为模拟电路故障诊断,信号处理方法等。Emailyjliuestc.edu.cnLiYanjunreceivedBSandMSfromUniversityofElectronicScienceandTechnologyofChinain2000and2003,respectively.AndnowheisalecturerandPhDcandidateinUniversityofElectronicScienceandTechnologyofChina.Hisresearchinterestsareanalogcircuitfaultdiagnosisandsignalprocessing.王厚军1982年于北京航空航天大学获得学士学位,1985年于电子科技大学获得硕士学位,1991年于电子科技大学获得博士学位,现为电子科技大学教授。主要研究方向为故障诊断,电子测试技术与仪器,自动化测试系统,信号处理等。Emailhjwanguestc.edu.cnWangHoujunreceivedBSfromBeihangUniversityin1982,MSandPhDfromUniversityofElectronicScienceandTechnologyofChinain1985and1991,respectively.AndNowheisaprofessorinUniversityofElectronicScienceandTechnologyofChina.Hisresearchinterestsincludefaultdiagnosis,electronicmeasurementtechnologyandtestdevice,automatictestsystemandsignalprocessing.IEEE仪器与测量技术国际会议简报2009IEEE仪器与测量技术国际会议2009IEEEInternationalInstrumentationMeasurementTechnologyConference于2009年5月47日在新加坡国际会展中心召开。这次会议由国际IEEE学会、IEEE新加坡分会和新加坡理工大学主办。作为每年一度召开的国际仪器与测量领域水平高、影响力大的国际学术会议,今年的主题主要针对电子仪器与测量技术的研究、发展及应用领域等问题展开研讨,目的在于进一步加强各国学者在仪器及测量技术等方面的交流与合作。会议主题包括传感器与接口技术,自动测试与诊断系统、A/D和D/A转换、数学建模、分布测量、医学与生物测量、无损测量、光纤传感器技术,传感器网络、远程通信、3D扫描仪技术,数字信号处理技术,图像处理技术,离散测量技术,机械测量技术,软计算技术等。34催化学报第30卷本次会议得到了各国学术界专家和学者的支持。5月4日全天为大会报告,57日为分会报告。近300名来自美国、加拿大、西欧、东欧、澳洲和新西兰、印度、日本、韩国、中国及中国香港和中国台湾、马来西亚、新加坡等世界各地的专家学者参加了会议,并在会上作了报告文及演示相关研究进展。哈尔滨工业大学、清华大学、上海大学、浙江大学和汕头大学等高校也派代表参加了会议。电子测量与仪器学报编委、汕头大学工学院院长沈民奋教授应邀参加了会议,并在会上宣读了论文,并与同行展开了热烈的讨论。此外,沈民奋教授应邀担任了本次会议的领导组织工作,作为本次会议国内唯一代表担任大会的技术委员会委员,还担任了医学与生物信号测量分会主席,并主持了分会会议。会议期间,沈民奋教授与各国专家学者进行了深入和广泛的讨论和交流,介绍了中国电子仪器与测量技术等领域的研究状况,拓宽了与国际同行的合作和交流渠道。
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