（机械电子工程专业论文）防化车车载电子设备故障诊断技术的研究及应用.pdf

，一 at h e s i si nm e c h a n i c a la n de l e c t r o n i c a le n g i n e e r i n g t h em e t h o dr e s e a r c ha n d a p p l i c a t i o n o n e l e c t r o n i ce q u i p m e n tf a u l td i a g n o s i s b yx i a oh u a s u p e i s o r ：a s s i s t a n tp r o f e s s o r h a nq i n g d a n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 8 f x 独创性声明 ， -， 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 = 亡巴 恧。 学位敝作者答名：j 朔 日飙琊7 二 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口两年困 学位论文作者签名：厂霄 签字日期：7 郗7 力 聊签名：瑚姒 导师签名：易勤涉叭 签字日期：厕7 乒 ， ， h f ，r l 东北大学硕士学位论文摘要 防化车车载电子设备故障诊断技术的研究及应用 摘要 众所周知，在电子设备中，尤其是在以集成电路为核心的现代微电子电路中，由于 设备的规模越来越大，性能及构成也更加复杂和完善，设备中任何一个元器件的故障都 可能导致部分功能失效或整个设备失灵。然而，与此相对应的电子设备故障诊断技术的 发展却相对缓慢。所以，伴随着电子技术的发展，对电子电路的可靠性、可维修性和自 动故障诊断的要求也日益迫切。 电子设备的故障诊断分成两个阶段：第一个阶段对电子设备进行整机测试，将故障 隔离到故障设备或故障电路板上；第二个阶段对故障设备或故障电路板进行测试，将故 障定位到故障元器件上。为了实现这个目标，本论文以防化车车载电子设备为研究对象， 设计电子设备故障诊断系统。论文包括两大部分内容：介绍了电子设备的故障诊断方法， 重点研究了故障树分析法；针对防化车载电子设备整机和防化显控电路板元器件级测试 设计了防化车车载电子设备故障诊断系统。 在防化车车载电子设备整机故障诊断系统的设计中，采取不开箱检测方案。利用电 子设备的接口插座，开发了故障诊断测试仪。使用数据库、虚拟仪器技术，通过对插座 信号的采集、对比、分析，对该车电子设备整机出现的故障进行快速检测，并能找出故 障原因、给出故障排除方法；在该车显控电路板元器件级故障诊断系统的设计中，采取 故障树分析法，按照从上至下的过程，实现对故障电路板的故障元器件定位。 关键字：故障树：虚拟仪器；数据库；故障诊断系统 i i t ， ， ， ， ， 正 l 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t t h em e t h o dr e s e a r c ha n d a p p l i c a t i o no n e l e c t r o n i ce q u i p m e n tf a u l t d i a g n o s i s a b s t r a c t a si sw e ul ( i l o w n ，i ne l e c t r o n i cd e v i c e s ，e s p e c i a l l ym o d e mm i c r o e l e c t r o n i cc i r c u i t sw i t h t h ec o r co fi n t e 铲a t e dc i r c u i t s ，t h ef a u l to fa n yd e v i c em a yl e a dt 0p a n i a lf u n c t i o nl a p s e0 rt h e w h o l ee q u i p m e n lm a l f u n c t j o n ，d u et ot h ee q u j p m e n ts c a l ei n c r e a s i n 百yl a f g e ，t h ep e r f 0 肋a n c c a i l dc o n s t r u c t i o nc o m p l e x 柚dp e r l e c tm u c hm o r e h o w e v e r ，t h ed e v e l o p m e n to ft h ee l e c t r o n i c f a u l td i a g l l o s t i ct e c h n i q u ei s r e l a t i v e l ys 1 0 wb yc o n t r a s t s ow i t ht h ed e v e l o p m e n t0 ft h e e l e c t r o n i c s ，t h er e q u i r e m e n t0 ft h er e l i a b i l i t y t h es e r v i c e a b i l i t ya n dt h ea u t o m a t i cf a u l t d i a g n o s i so ft h ee l e c t r o n i cc i f c u i ti si n c r e a s i n 醇yu 唱e n t t h ee l e c t f o n i cf a u l td i a g n o s i sf a l l si n t ot w op h a s e s ：t h ef i r s tp h a s ep r o c e e d st h ew h o l e a p p l i 柚c ct e s tt ot h ee l e c t r o n i c s ，i s o l a t e st h ef a u l tt of a u l te q u i p m e n to rt h ef a u l t c i r c u i t b o a r d ；t h es e c o n dp h a s ep r o c e e dt e s tt 0f a u l te q u i p m e n t0 rf a u l tc i r c u i t ，l o c a t e sf a u l tt of a u l t d e v j c e t ba c h j e v et h eg o a l ，t h et e x ld e s i 伊st h ee l e c t r o n i cf a u l t d i a 印o s t i cs y s t e mw i t hs o m e t y p ea n n yv e h i c l e - c a l l r y i n ge l e c t r o n i c sa n ds o m ec o n t r o lc i r c u i tb o a r da st h es u b j e c t t 1 l et e x t i n c l u d e st 、os e c t i o nc o n t e n t ：i n t r o d u c ct h ee l e c t r o n i cf a u l td i a 印o s i s m e t h o d ，e m p h a s i s l y r e s e a c hf a u i td i c t i o n a r ym e t h o d 锄df a u i tt r c ea n a l y s i s ；d e s p e r a t e l ya i ma tt h ee l e c t r o n i cd e v i c e w h o l em a c h i n et e s t 锄dc i r c u i tb o a r df a u l td e v j c ct e s t ，d e s i 印t h ee l e c t r o n i cf a u l td i a g l l o s i s s y s t e m i i lt h ed e s i g no ft h ef a u l td i a g n o s i ss y s t e m0 fs o m et y p ea m y v e h i c l e c a j l r y i n ge l e c t r o n i c d e v i c e ，t h eu i l l ( i l o c l f o u td e t e c t i o ns c h e m e t l i l ef a u l td i a g n o s i si n s t r u m e n ti se x p l o i t e dw i t ht h e u t j l i z a t i o n0 ft h ee l e c t r o n j cc o n n e c t i o np l u g u s i n gt h ef a u l td i c t j o n a r ym e t h o d ，d a l a b a s e ，v i n u a l i n s t n l m e n tt e c h n i q u e ，w i t hc o l l e c t i o n ，c 0 n t r a s t ，柚a l y s e st ot h ep l u gs i 印a l ，t h ed e t e c t i o ni sf a s t c a r r i e d0 u tt 0e i e c t r o n i cw h o l em a c h i n ef a u l ta n dt h ef a u l tc a u s ec 柚b ef o u n do u t t h ef a u l t c l e a m a n c cm e t h o di s g i v e n i nt h ef a u i td i a g n o s i ss y s t e md e s i g n0 fs o m ec o n t r o lc i r c u i t b o a r d ，t h ec i r c u i tb o a r dh i e r a r c h i c a ls t r u c t u r e锄a l y s e sb a s e do nf a u l tt r e e t h o u g l l l i s a d o p t e d ，t h ef a u l td e v i c el o c a t i o no ft h ef a u l tc i r c u i tb o a r di sr e a l i z e da c c o r d i n gt ot h ec o u r s e 0 f f 而mu pt od o w n k e yw o r d s ： f a u l tt r e e ；v i n u a li n s t r u m e n t ； d a t a b a s e ： f a u l td i a g n o s i ss y s t e m - 1 1 1 i t _ ， 东北大学硕士学位论文 目录 目录 独创性声明j ：i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 设备故障诊断的目的与意义。1 1 2 故障诊断技术的发展与现状1 1 3 设备故障诊断方法的分类2 1 4 电子设备故障诊断技术3 1 4 1 数字电路故障诊断的方法与进展4 1 4 2 模拟电路故障诊断的方法与进展4 1 5 现有电路故障诊断技术的不足5 1 6 本课题研究内容6 第2 章故障树分析法基本原理7 2 1 故障树的基本概念7 2 2 故障树定性分析8 2 2 1 故障树的数学描述。9 2 2 2 割集和最小割集1 1 2 2 3 基于故障树定性分析的故障诊断1 3 2 3 故障树的定量分析1 4 2 3 1 故障树定量分析的内容1 4 2 3 2 故障树底事件及顶事件故障概率计算1 4 2 3 3 故障树重要度分析1 5 2 3 4 基于故障树定量分析的故障诊断1 6 第3 章防化车车载电子设备故障诊断系统构建1 9 3 1 应用背景分析1 9 3 1 1 防化整机介绍1 9 i v 东北大学硕士学位论文目录 3 1 2 防化整机工作原理2 0 3 2 防化设备故障诊断系统总体方案。2 0 3 3 故障检测点的筛选。2 1 3 3 1 检测点的选择原则2 1 3 3 2 检测点的确定及信号形式2 2 3 4 防化设备故障诊断系统硬件设计2 3 3 4 1 继电器转换板2 5 3 4 2 控制信号处理板2 6 3 4 3 预接线板2 7 第4 章防化车车载电子设备故障树结构及诊断方案分析3 1 4 1 防化整机性能检测。3 1 4 1 1 防化整机工作状态介绍3 1 4 1 2 防化整机测试故障分析3 3 4 2 防化显控板的性能检测3 3 4 2 1 防化显控板介绍3 3 4 2 2 防化显控板工作原理3 4 4 2 3 防化显控板测试故障分析3 4 4 2 4 防化显控板性能测试过程3 7 4 3 防化显控板故障元件的搜寻与定位。3 8 4 4 防化显控板常规静态测试4 0 4 5 防化显控板常规动态测试4 3 第5 章防化车车载电子设备故障诊断软件编制4 6 5 1l a b v i e w 介绍4 6 5 2 防化车载电子设备故障诊断软件组成4 7 5 3 防化整机故障诊断软件设计一4 7 5 3 1 数据采集模块4 8 5 3 2 通信模块5 0 5 3 3 工程数据管理模块5 2 5 3 4 故障检测模块5 6 v i ， 东北大学硕士学位论文 目录 5 4 防化显控板故障诊断软件设计5 8 5 4 1 防化显控板功能性检测模块5 9 5 4 2 防化显控板故障定位模块6 0 5 4 3 防化显控板常规动态检测模块6 1 5 4 4 防化显控板常规静态检测模块6 2 5 5 防化电子设备故障诊断软件中虚拟仪器的设计。6 3 5 5 1 虚拟仪器介绍6 3 5 5 2 虚拟仪器在防化电子设备故障诊断软件中的设计6 4 第6 章结论与展望- 7 2 6 1 结论7 2 6 2 展望。2 7 2 参考文献7 4 致谢。7 7 v i 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 设备故障诊断的目的与意义 设备故障诊断技术是近4 0 年发展起来的一门新学科，它是适应各种工程需要而形 成的多学科交叉的综合学科【1 1 。在当今技术竞争日益激烈的环境下，工业企业成功的关 键因素之一是产品和制造过程的质量控制；军事领域里，要求武器装备具有高可靠性， 高保障性和可维修性；另一方面，随着现代工业及科学技术的迅速发展，设备的结构越 来越复杂，自动化程度也越来越高，不仅同一设备的不同部分之间互相关联，紧密藕合， 而且不同设备之间也存在着紧密的联系，在运行过程中形成一个整体。因此，一处故障 可能引起一系列连锁反应，导致整个设备甚至整个过程不能正常运行，轻者造成停机、 停产，重者会产生严重的甚至灾难性的人员伤亡。最典型的灾难性故障如1 9 8 4 年1 2 月 印度博帕尔农药厂毒气泄露事故，造成2 0 0 0 多人死亡，成为目前为止世界工业史上空 前的大事故；1 9 8 6 年1 月，“挑战者 号的空中爆炸事件，导致7 名宇航员全部遇难， 总计损失达1 2 亿美元；1 9 8 6 年4 月，前苏联切尔诺贝利核电站放射性泄露事故，损失 达3 0 亿美元，核污染波及周边各国。因此，设备的状态监测与故障诊断已成为现代工 业生产和国防建设中的重要内容，也是目前科学界研究的热点之一。 1 2 故障诊断技术的发展与现状 设备故障诊断技术的发展是和人类对设备的维修方式紧紧相连的【2 1 。在工业革命后 的相当长的时间内，由于当时的生产规模，设备的技术水平和复杂程度都较低，设备的 利用率和维修费用未引起人们的重视。2 0 世纪以后，由于大生产的发展，尤其是流水线 生产方式的出现，设备本身的技术水平和复杂程度都大大提高，设备故障对生产的影响 显著增加，这样出现了定期维修，以便在事故发生之前加以处理。大约在6 0 年代，美 国军方意识到定期维修的一系列弊病，开始变定期维修为预知维修，即在设备的正常运 行过程中就开始进行监测，以发现潜在的故障因素，及早采取措施，防止突发性故障的 产生。军方的这种主动维修方式，很快被其它企业所效仿，设备故障诊断技术很快发展 起来。 从科学发展的大环境来看，设备诊断技术的产生也是多学科交叉发展的必然i3 1 。4 0 年代以来，人类的生产方式同益向大工业方向发展。在这种宏观的社会大背景下，系统 论、混沌学纷纷诞生，尤其是控制理论出现了重大突破，产生了一系列的现代控制方法。 1 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 生产系统的庞大化和复杂化同时也暴露出一些问题，即如何防止设备运行中故障的发 生，这就要有一门相应的诊断技术。同一时期，电子技术，尤其是计算机技术的发展， 为设备故障诊断技术提供了必要的技术基础；6 0 年代，快速傅立叶变换的出现，使诊断 技术的发展产生了飞跃；近年来，传感器技术，信号处理技术( 如各种滤波技术、谱分 析技术) ，人工智能技术( 如专家系统、神经网络、信息融合等) 的发展，使得设备故 障诊断技术得到了更进一步的发展。 从故障诊断技术的各分支技术来看，美国占有领先地位【4 1 。美国的许多权威机构， 如美国的机械工程师学会( a s m e ) ，美国宇航局( n a s a ) 等都参与了这一领域的研究， 投入了大量的资金。不少高校和企业也都设立了故障诊断技术研究中心。开发了许多实 用的诊断系统，如1 9 6 7 年美国研制的飞机数据系统“舢d s ，1 9 7 7 年美国使用的 “t r e n o s ”飞机发动机状态监测诊断系统及近些年美军装备到部队的a n 厂r p q 3 6 、3 7 雷达机内测试和故障诊断系统等，其中大多数不仅具有完善的监测功能，而且具有较强 的诊断功能。在宇航、军事、工业等方面有广泛的应用。 我国故障诊断技术的发展始于7 0 年代末，虽然起步较晚，但近年来发展较快，在 某些理论研究方面己和国外不相上下。目前，在一些特定设备的诊断研究方面很有特色， 形成了一批自己的产品。如西安交通大学的“大型旋转机械计算机状态监测与故障诊断 系统”，哈尔滨工业大学的“机组振动微机监测和故障诊断系统 等。综观我国的设备 诊断技术现状，其应用集中在化工、电力、冶金等行业，科研则主要集中在高校进行， 如西安交通大学、哈尔滨工业大学、华中科技大学、清华大学、上海交通大学、东北大 学、东南大学等都成立了颇具实力的诊断工程中心。这些研究机构对我国诊断技术的发 展做出了较大的贡献。 1 3 设备故障诊断方法的分类 所谓故障，广义地讲，可以理解为任何系统的异常现象，使系统表现出所不期望的 j 特性【5 j 。故障诊断技术主要包含三方面的内容：故障检测、故障隔离、故障辨识。所谓 故障检测是判断系统中是否发生了故障及检测出故障发生的时刻；故障隔离就是在检测 ， 出故障后确定故障的位置和类型；故障辨识是指在分离出故障后确定故障的大小和时变 特性。本质上，故障诊断技术是一个模式分类与识别问题。即把系统的运行状态分为正 常和异常两类，判别异常的信号样本究竟又属于哪种故障，这又属于一个模式识别的问 题。近几十年来，故障诊断技术得到了深入广泛的研究，提出了众多可行的方法。 现有的故障诊断方法，概括起来可分为三大类l 鲫l ： 一2 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 ( 1 ) 基于信号处理的方法。所谓基于信号处理的方法，通常是利用信号模型，如 相关函数、频谱、自回归滑动平均、小波变换等，直接分析可测信号，提取诸如方差、 幅值、频率等特征值，从而检测出故障。 ( 2 ) 基于解析模型的方法，它是在明了诊断对象数学模型的基础上，按一定的数 学方法对被测信息进行处理诊断，可分为状态估计法、等价空间法和参数估计法。目前 此种方法得到了深入的研究；但我们知道，在实际情况中，常常难以获得对象的精确数 学模型，这就大大限制了基于解析模型诊断方法的使用范围和效果。 ( 3 ) 基于知识的诊断方法，近年来，人工智能及计算机技术的飞速发展，为故障 诊断技术提供了新的理论基础，产生了基于知识的诊断方法，此方法由于不需要对象的 精确数学模型，而且具有某些“智能 特性，因此是一种很有生命力的方法。基于知识 的故障诊断方法主要可以分为：专家系统故障诊断方法；模糊故障诊断方法；故障树故 障诊断方法；神经网络故障诊断方法和信息融合故障诊断方法等。 1 4 电子设备故障诊断技术 众所周知，在电子设备中，尤其是在以集成电路为核心的现代微电子电路中，由于 设备的规模越来越大，性能及构成也更加复杂和完善，设备中任何一个元器件的故障都 可能导致部分功能失效或整个设备失灵。所以，伴随着电子技术的发展，电子电路集成 化程度日益提高，对电子电路的可靠性、可维修性和自动故障诊断的要求也日益迫切i l 。 电子设备故障诊断是一项十分复杂困难的工作。虽然电子设备的故障问题几乎与电 子技术本身同步发展，可是故障诊断方面的发展速度似乎要慢得多。在早期的电子设备 故障诊断技术中，其基本方法是依靠一些测试仪表，按照跟踪信号逐点寻迹的思路，借 助人的逻辑判断来决定设备的故障所在。这种沿用至今的传统诊断技术在很大程度上与 维修人员的实践经验和专业水平相关，基本上没有一套可靠的、科学的、成熟的办法。 随着电子工业的发展，人们逐步认识到，对故障诊断问题有必要重新研究，必须把以往 的经验提升到理论高度，同时在坚实的理论基础上，系统地发展和完善一套严谨的现代 化电子设备故障诊断方法，并结合先进的计算机数据处理技术，实现电子电路故障诊断 的自动检测、定位及故障预测。 所谓电子电路故障诊断技术，就是根据对电子电路的可及节点或端口及其它信息的 测试，推断设备所处的状态，确定故障元器件部位和预测故障的发生，判别电子产品的 好坏并给出必要的维修提示方法【1 2 j 5 1 。电子电路分模拟电路和数字电路两种，也有将其 分为模拟电路、数字电路和数模混合电路三种形式，不过大多数数模混合电路是可以看 3 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 成数字电路与模拟电路的组合。因此电路故障诊断技术可从数字电路故障诊断和模拟电 路故障诊断两方面进行研究【1 6 - 1 8 1 。 1 4 1 数字电路故障诊断的方法与进展 e l d r e d 在1 9 5 9 年提出了第一篇关于组合电路的测试报告，揭开了数字电路故障诊 断的序幕l l 引。但e l d r e d 提出的方法只解决两级以内的组合电路的故障测试问题。其后 d b a n n s t r o n g 根据e l d r e d 的基本思想提出了一维通路敏化的方法弘，其主要思想是对 多级门电路寻找一条从故障点到可及输出端的敏化通路，使得在可及端可以观察到故障 信号，利用此种方法，解决了相当多的组合电路的故障检测问题。y a u 和s e l l e r 等1 2 1 j 提 出的布尔差分算法，t h a y s e l 2 2 】提出的布尔微分算法，虽然在实际使用中存在一定的困难， 但是它使通路敏化的理论得到了系统化，因此这两种算法在数字电路诊断理论上占有重 要的地位，是进行理论研究的必要工具和基础。随后r o t h 【2 3 】提出的著名的d 算法在理 论上使组合电路故障检测和诊断达到了最高点。 r o t h 的d 算法从理论上解决了组合电路故障检测和诊断问题，即任何一个非冗余 的组合逻辑电路中任何单故障都可以用d 算法找到它的测试矢量，但在实际应用中因其 计算量十分浩大，对大型复杂电路很难付诸实施，对此过去认为没有实用意义的穷举测 试法，随着电路规模的增大反而有了新的发展，1 9 8 4 年觚h 锄b e a u 【2 4 j 等人提出的伪穷 举测试法，为解决大规模组合逻辑电路的诊断问题开辟了新路。 同组合逻辑电路相比，时序逻辑电路的测试要困难得多，其测试诊断的理论和方法 的研究进展一直比较缓慢，这主要是由于时序逻辑电路性质决定的，它的测试矢量不仅 在逻辑功能上要满足测试要求，而且要考虑电路的时序问题。 1 4 2 模拟电路故障诊断的方法与进展 与数字电路诊断技术相比，模拟电路的故障诊断技术研究一直比较缓慢【2 5 之6 1 。其原 ， 因大致有两个。一是模拟电路集成度较低，发展的速度也比数字电路慢得多，因此，模 拟电路的测试和诊断的研究缺少强有力的外在动力；另一个重要原因是模拟电路的测试 ， 与诊断远比数字电路困难，这是由模拟电路本身的特性决定的。目前，依据电路的仿真 是在实际测试之前还是之后，模拟电路的故障诊断方法可以分为：测前模拟诊断和测后模 拟诊断。 ( 1 ) 测前模拟法( s b t - 西m u l a t i o nb e f o r et e s t ) 测前模拟法的典型方法是故障字典法( f a u l td i c t i o n a r y ) ，它是目前模拟电路故障诊 一4 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 断中最具有实用价值的方法。它的基本思想与数字电路的诊断相似，即预先根据经验或 实际需要，决定所要诊断的故障集，再求电路存在故障集中的一个故障时的响应( 即作 电路仿真) ，求响应的方法既可在计算机上仿真，也可在实际电路上仿真。然后将所得 的响应( 通常是端口的电压矢量) 作必要的处理( 如压缩、编码等) ，作为对应故障的 特征，将它们编成一部故障与特征对应的字典。在实际诊断时，对被测电路施加与测前 模拟时完全一样的激励和工作条件，取得相应的特征，最后在故障字典中查找与此特征 对应的故障。 由于模拟电路中元件的故障参数是一个连续量，测量响应的数据引入误差是不可避 免的。最困难的是各元件都有一定的容差，因此用字典法即使作硬故障的诊断，其效果 也不如数字电路的字典诊断法。一般地说，字典法只能解决单故障诊断，在实际应用时 几乎不可能实现对多故障的诊断。 ( 2 ) 测后模拟法( s a ：r - - s i m u l a t i o na f t e r t e s t ) 测后模拟法又称故障分析法或元件模拟法，其特点是在电路测试后，根据测量信息 对电路模拟，从而进行故障诊断。它分为参数识别技术和故障证实技术。 参数识别技术：它根据电路网络中的拓扑关系、输入激励和输出响应，识别出网 络中所有参数( 或参数偏离标称值的偏差) ，最后依据每个参数的允许容差范围以决定 网络中的故障元件。参数识别技术也被称为元件值可解性问题。它根据网络诊断方程的 特点，分为线性和非线性两类。其中线性诊断方程一般都有唯一解，可以唯一地定位故 障：而非线性方程一般都存在多解，只能求得局部区域内的唯一解，因此在故障定位时只 能在一定范围内唯一地定位故障。即存在故障定位的不确定性问题。 故障证实技术：它的基本思想是预先猜测电路中故障所在，然后根据所测数据去 验证这种猜测是否正确，如果二者吻合，则认为猜测正确，故障定位工作结束。当电路 中总的故障种类较多，各种故障的组合数较大时，这种“猜测”的次数是非常大的，对 每次猜测的测试证实工作量也必然更大。为了减少工作量，同时考虑到模拟电路的容差 问题，常采用网络撕裂法( 也称电路切割法) 。它是将大的电路网络撕裂为若干子网络， 诊断时先将故障定位到子网络，再由子网络定位到更小的子网络，直到寻找到故障的最 小区域，采用这种分级诊断的方法可以提高诊断效率。 1 5 现有电路故障诊断技术的不足 从以上的讨论可以看出，电子设备故障诊断技术虽然取得了不少进展，有些方面己 有较成熟的理论和方法( 如数字电路的故障诊断) ，但仍有许多不足，特别是对复杂的 5 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 大规模非线性系统故障诊断方法的研究更有待深入地探索。在技术方面，现有的不同等 级和各种类型的故障诊断装置，能在不同程度上对被测对象进行故障诊断，但与实际的 需求相比，还有相当大的距离。其主要的不足有1 2 7 。2 9 】： ( 1 ) 故障分辨率不高 现代的大多数故障诊断系统虽然能以很高的速度对被测对象自动地进行故障诊断， 但是由于设备越来越复杂，加上电路的非线性问题，而检测点和施加的测试信号是受到 限制的，因此影响了可控性和可测性。同时造成了故障诊断的模糊性和不确定性。 ( 2 ) 信息来源不充分 这里有两方面的情况：一是现有的诊断系统通常只搜集被测对象当前状态信息，而 对其过去的状态和己做过的维护工作的信息、故障诊断系统本身的状态信息未加考虑； 二是对被诊断电路其测试的信号大多是电信号如电压、电流等，而对其它性质的信息较 少测试，如温度、图像、电磁场信号等。因此有时根据诊断结果提出的维护措施不够准 确有效。 ( 3 ) 无推理机制，扩展性差 现有的故障诊断系统大多没有自我完善的能力，缺少推理学习机制，可扩展性适应 性较差。 1 6 本课题研究内容 本文以防化车车载电子设备为研究对象，将故障树分析技术和虚拟仪器技术融入到 该车的电子设备故障诊断之中，主要在以下几方面进行了理论和实验研究： ( 1 ) 讨论了防化车车载电子设备整机和电路板元器件级测试原理，并针对具体对 象进行了故障诊断系统的设计。 ( 2 ) 研究了故障树分析法的诊断原理，并将其引入到防化车车载电子设备的故障 诊断中，取得了比较好的实践效果。 ( 3 ) 利用了虚拟仪器技术，并在防化车车载电子设备的故障诊断中得到应用。 6 东北大学硕士学位论文 第2 章故障树分析法基本原理 第2 章故障树分析法基本原理 故障树分析法是分析系统可靠性和安全性的一种重要方法。可以用它来分析系统故 障产生的原因，计算系统各单元的可靠度，以及对整个系统的影响，从而搜寻薄弱环节， 以便在设计中采取相应的改进措施，实现系统优化设计【3 0 。1 1 。近年来，利用故障树模型 进行故障源搜寻的研究引起了人们的注意【3 2 舶】，它兼顾了基于规则和基于定量模型诊断 的优点，为复杂系统的故障搜寻提供了一种有效的途径。 2 1 故障树的基本概念 ( 1 ) 故障树 故障树模型是一个基于研究对象结构、功能特征的行为模型，是一种定性的因果模 型，以系统最不希望事件为顶事件，以可能导致顶事件发生的其它事件为中间事件和底 事件，并用逻辑门表示事件之间关联的一种倒树状结构的逻辑图。 故障树分析不仅能分析硬件的影响，还能分析人为因素，环境因素及软件的影响； 不仅能反映单元故障对设备的影响，而且能反映几个单元故障组合对设备的影响，还能 把这种影响的中间过程用故障树清楚地表示出来。 ( 2 ) 故障树符号 建造故障树时，通常使用事件符号和逻辑门符号。表2 1 为故障树的各种符号的名 称及其意义。 ( 3 ) 故障树建造 建造故障树是兀a 最为关键的一环，只有建造出正确合理的故障树，才能搜寻到 真正的故障部件。建树的一般步骤为： 广泛收集并分析有关技术资料。要求建树者对设备必须有深刻的了解，故障的 定义要准确，设备的边界确定要合理。 选择顶事件。找出设备的所有可能的故障模式，以最不希望发生的故障模式作 为顶事件。 将引起顶事件的全部直接原因事件( 含硬件故障、软件故障、人为因素、环境 因素等) 置于相应原因事件符号中作为第二级，并根据它们之间的逻辑关系用逻辑门连 接顶事件和这些直接原因事件。 如此逐级向下发展，直到最低一级原因事件都不能再分的底事件为止，这样便 7 东北大学硕士学位论文第2 章故障树分析法基本原理 建造出一棵以给定顶事件为“根 ，中间事件为“枝”，底事件为“叶 的倒置的n 级故 障树。 故障树的简化。简化的原则是去掉逻辑多余事件，用简单的逻辑关系表示之。 常用的简化方法有“修剪法”和“模块法”，前者就是用目测或布尔代数运算吸收以去 掉逻辑多余事件；后者是将故障树中的底事件化成若干个底事件的集合，每个集合都是 互斥的，即其包含的底事件在其他集合中不重复出现。 表2 1 故障树符号表 t a b l e2 1n es 咖t a b l eo f f a u l t 疵e 2 2 故障树定性分析 故障树的定性分析是故障树分析最为关键的一步，是定量分析的基础。故障树定性 分析的目的在于寻找导致顶事件发生的基本事件( 底事件) 或基本事件的组合，即识别 出导致顶事件发生的所有故障模式。由于故障信息有时难以获得，特别是人的可靠性难 以定量化，有时故障树分析往往只能进行到定性阶段，即寻找到故障树的全部最小割集。 8 ， 东北大学硕士学位论文第2 章故障树分析法基本原理 一般地说，故障树定性分析工作包括以下三方面内容：一是对故障树进行规范化处 理，将非规范化的逻辑门或事件，例如禁止门、异或门、房形事件等按等效变换为规范 化的逻辑门或事件，使建造出来的故障树为仅含有基本事件、结果事件以及“与 、“或 等几种逻辑门的故障树；二是对故障树进行简化和模块化处理，这对减小故障树的规模， 节省处理工作量是有好处的；最后，采用故障树算法( 上行法或下行法) 对故障树处理， 得到故障树全部最小割集。 2 2 1 故障树的数学描述 假设所研究的设备及其组成的部件、元件等只取正常和故障两种状态，并假设部件、 元件的故障是相互独立的。研究一个由万个独立的底事件构成的故障树。设毛为底事件 f 的状态变量，毛仅取0 或1 两种状态。m 表示顶事件的状态变量，西也仅取0 或1 两 种状态。则有如下的定义： f 1底事件f 发生( 部件，元件故障)( f 一1 ，2 ，以) 工t 。1 0 底事件f 不发生( 部件，元件正常) 。f 1顶事件发生( 设备故障) q - j 1 1 0 顶事件不发生( 设备正常) ( 2 1 ) 垮 ( 2 2 ) 故障树顶事件是设备所不希望发生的故障状态m 一1 ；相应的底事件状态为元件故 障状态，x j - l 。顶事件状态m 完全由故障树底事件状态x 所决定，即一m ( x ) 其中 量 x o 。，x ：，z 。) ，称( x ) 为故障树的结构函数。 结构函数是表示设备状态的一种布尔函数，其自变量为该设备组成单元的状态。不 同的故障树有不同的逻辑结构，从而对应不同的结构函数。 ( 1 ) 与门结构函数 ( x ) 一n z f f - 1 ，2 ，以 ( 2 3 ) 式中以为底事件数。当毛仅取0 或1 两值时，式可改写为： m ( x ) - 兀毛 ( 2 4 ) 当全部部件、元件故障时，设备才有故障，这种结构函数对应的故障树如图2 1 ( a ) 所示，按布尔运算法则，只要其中一个毛一o ( 即第i 个部件、元件正常) ，则巾( x ) 一0 ( 设备正常) ，这就是可靠性分析中的并联模型。 ( 2 ) 或门结构函数 9 东北大学硕士学位论文 第2 章故障树分析法基本原理 m ( x ) = u f = 1 2 ，刀 i i l ( 2 5 ) 当薯仅取o 或1 两值时，上式可以改写为： 币( x ) 小i = i ( 1 一鼍) f = 卅 2 6 ) 上式说明只要一个部件、元件故障，设备有故障。其故障树如图2 1 ( b ) 所示，按 布尔运算法则，只要其中一个= 1 ( 即第i 个部件、元件故障) ，则m ( x ) 一1 ( 设备故 障) ，这就是可靠性分析中的串联模型。 ( a ) 与门 ( b ) 或门 图2 1 不i 司结构故障树 i 沁2 1d i f f e r e n ts t n l c t u r ef a u l tt r e e ( 3 ) 故障树结构函数 对任意一棵故障树，都可以简化为由逻辑与门和或门以及底事件组成的形式。因而 利用逻辑门的布尔表示可以将故障树的顶事件的状态t 表示为底事件状态变量 墨，屯，的布尔表达式。如图2 2 所示的故障树，其结构函数可以表示为： 中( x ) 一j c l u x ：u ( x ，u x 。u 黾u 蚝) n ( 毛u x ，u 黾u 氏) 一五u 而u 屯u 心u 屯u 吒) n o ，u 黾u x 。) ( 2 7 ) 一五u 石2 u b u ( z 。n 而) u 黾u 气 不难看出，设备越复杂，其结构函数也越冗长复杂，不便于定性分析和定量计算。 ， 在此引入最小割集的概念，以简化结构函数。 1 0 东北大学硕士学位论文第2 章故障树分析法基本原理 2 2 2 割集和最小割集 图2 2 故障树结构图 f i g 2 2t h es t m c t u r c0 ff a u l tt r 故障树定性分析的目的是寻找导致顶事件发生的原因或原因组合，识别导致顶事件 发生的所有故障模式，即所有最小割集。 ( 1 ) 割集及最小割集的定义 所谓割集是指设备的一些底事件集合，当这些底事件同时发生时，顶事件必然发生； 而最小割集是指割集中所含的底事件除去任何一个时，就不再为割集了。一个最小割集 代表设备的一种故障模式，故障诊断时，可以逐个测试最小割集即故障模式，从而搜寻 故障源。 ( 2 ) 最小割集的的求解方法 设备故障树最小割集的求解方法较多，常用的有下行法和上行法。 下行法( f u s s e l v e s e l y 算法) 故障树最小割集求解的下行法是采用由上而下的故障树搜寻法【3 4 1 ，它是根据逻辑与 门仅增加割集容量，不增加割集的个数；而逻辑或门增加割集个数，不增加割集底事件 数目的性质，由上而下，遇到与门就把与门下面所有输入事件都排列于一行，遇到或门 就把或门下面所有输入事件都排列于一列，依此类推，一直到不能分解，全部换成底事 件为止。这样得到的割集再通过两两比较，根据最小割集的定义，去处那些非最小割集， 余下的即为故障树的全部最小割集。对图2 2 的故障树其下行法求解过程如表2 2 所示， 步骤1 ：顶事件下面为或门，故五，m ，工：各自排成一行； 步骤2 ：肘，下面为与门，将m ：，m ，排成一行( 横向并列) 取代m ，； 步骤3 ：m ：下面是逻辑或门，将屯，z 。，黾，讫分别与m ，并列各排一行； 步骤4 ：m ，下面是逻辑或门，将m ：，m ，共展丌到1 6 行，得到1 8 个割集； 1 】 东北大学硕士学位论文 第2 章故障树分析法基本原理 步骤5 ：根据最小割集的定义，得到 墨) ， 工：) ， 屯)