模拟电路统一软故障诊断的研究

第27卷第11期·1060·电子测量与仪器学报JOUＲNAL OF ELECTＲONIC MEASUＲEMENT AND INSTＲUMENTVol .27No .112013年11月收稿日期：2013-05Ｒeceived Date ：2013-05*基金项目：国家自然科学基金（61201031，61171079）资助项目DOI ：10．3724/SP．J．1187．2013．01060模拟电路统一软故障诊断的研究*胡梅1胡列峰2明德祥1（1．国防科学技术大学机电工程与自动化学院长沙410073；2．湖南出入境检验检疫局长沙410004）摘要：在模拟电路故障诊断的诸多方法中，模拟电路统一软故障诊断方法成为新的研究热点。

从模拟电路统一软故障诊断方法的提出，到模拟电路统一软故障诊断方法的改进，将其与基于多种方法融合的模拟电路软故障诊断方法做了比较。

最后重点分析了模拟电路统一软故障诊断的研究现状和存在的不足，基于实用化的角度，从统一的模拟电路故障诊断的功能模块划分原则和方法、通用的模拟电路故障可诊断性分析方法、通用的模拟电路模块化分级诊断软故障诊断方法、统一的诊断效果评估指标4个方面指出了模拟电路统一软故障诊断的发展趋势。

关键词：模拟电路；统一软故障诊断；SBT ；SAT ；可诊断性分析中图分类号：TN431．1文献标识码：A国家标准学科分类代码：510Study on unified soft fault diagnosis of analog circuitsHu Mei 1Hu Liefeng 2Ming Dexiang 1（1．College of Mechatronics Engineering and Automation ，National University of Defense Technology ，Changsha ，410073，China 2．Hunan Entry-exit Inspection and Quarantine Bureau ，Changsha ，410004，China ）Abstract ：Among the methods of fault diagnosis of analog circuit ，the unified soft fault diagnosis method has become a new hotspot．Firstly ，this paper introduces the provenance of unified soft fault diagnosis method of analog circuit ，and the improved measures of the proposed unified soft fault diagnosis method are analyzed．Then ，the soft fault di-agnosis methods based on the fusion of some different methods are compared with the unified method．Finally ，the research status and the existing problems of the unified soft fault diagnosis method are analyzed particularly．Based on the practical perspective ，we point out the research direction of the unified soft fault diagnosis according to four different aspects ：the principle and method of function module division of the unified soft fault diagnosis ，the univer-sal fault detectable analysis method of diagnostic analog circuit ，the universal strategy of module classification diag-nosing for analog soft fault ，the unified diagnostic evaluation index ，and finally discuss the issues remain to be re-solved．Keywords ：analog circuit ；unified soft fault diagnosis ；SBT ；SAT ；analysis of fault detectable1引言虽然电子仪器系统越来越趋于“大数字，小模拟”结构，即数字电路所占的比例越来越大，但是终究无法完全取代模拟电路，所以其中大部分电路是模拟和数字混合电路［1-2］。

电路的测试和故障诊断是制约电子仪器发挥效能的主要因素之一，随着电子仪器中数模混合电路的应用越来越广泛，对电路故障诊断提出了更为严格的要求［3］。

据统计，在电子仪器数模混合电路中，模拟部分故障发生的概率远高于数字部分，模拟部分的可靠性决定了整个混合电路系统的可靠性，所以模拟部分的故障诊断需求更为迫切［4-6］。

自20世纪70年代以来，学者们致力于模拟电路故障诊断的研究，传统的基于电路本身的模拟电路故障诊断方法有参数识别法、故障验证法和故障第11期模拟电路统一软故障诊断的研究·1061·字典法；基于遗传算法、专家系统、模糊理论、神经网络、小波变换等理论发展起来的基于“信号处理→学习训练→模式识别”的方法则属于现代模拟电路故障诊断方法；归纳起来可以将这些方法分成两大类：基于测前仿真（simulation before test，SBT）的诊断方法和基于测后仿真（simulation after test，SAT）的诊断方法。

基于测前仿真的故障字典法是目前最为成熟实用的方法，但该方法的关键在于电路元件的故障特征如何选取，不同的故障特征能构建不同的故障字典，诊断效果也因此不同。

近年来，模拟电路统一软故障诊断方法的研究成为新的热点，该方法基于电路本身提取统一的故障特征，能够同时诊断硬故障和软故障，本质上属于基于测前仿真的诊断方法。

综述了现有模拟电路统一软故障诊断方法的特点，通过分析现有模拟电路软故障诊断实用化的方向，从4个方面指出了模拟电路统一软故障诊断方法的发展趋势。

2模拟电路统一软故障诊断方法的提出20世纪90年代，学者们就开始探索模拟电路统一软故障诊断方法，但都是基于故障字典法来研究的，相继出现了基于支路屏蔽的诊断原理和基于电路参数随元件变化轨迹的诊断原理［7-8］，然而这2种方法都是直接研究电路参数与元件参数之间的关系，或是电路参数的增量与元件参数变化之间的关系。

文献［9］根据电路参数随元件参数的变化，首次找到了其中的不变性，作为线性模拟电路中硬故障和软故障的共同特征：节点电压灵敏度大小序列，提出了基于节点电压灵敏度序列守恒的诊断原理。

该方法故障模型简单，而且这个创新性的发现为实现模拟电路硬故障和软故障的统一诊断开辟了1条新途径。

文献［9］只能给出定性的诊断结果，无法描述容差模拟电路。

文献［10］研究了线性无容差模拟电路中节点电压灵敏度之间的定量关系，构造了节点电压灵敏度权序列故障字典。

文献［11］基于该思想提出了基于节点电压灵敏度比值序列特征的软故障诊断方法，对容差进行了相应的处理，但是没有建立故障字典。

节点电压灵敏度序列方法构造的字典能同时诊断硬故障和软故障，故障模型简单，但只应用于由Ｒ、C、L组成的线性电路或分段线性电路的直流故障诊断。

该字典法只需测前仿真故障电路的节点电压，在测后计算电压增量，与其他字典的构造难度相比，较为简单实用。

3模拟电路统一软故障诊断方法的改进自从模拟电路统一软故障诊断思想提出以后，学者们不断尝试着将该方法一步步改进，提出了很多很好的策略。

文献［12］提出了基于节点电压增量关系函数的诊断原理，并给出了一种新的软故障和多故障字典法。

分析并证明了线性模拟电路中，随着元件参数的变化，若干节点电压增量之间的关系函数是1个齐次线性方程，该方程的系数即为统一软故障的特征。

文献［13］中介绍的模拟电路统一斜率故障特征对应其中单故障诊断的特例。

文献［14］基于节点电压增量关系方程理论，根据高阶故障对低阶故障的覆盖性，并结合替代原理，提出了一种可以诊断非线性模拟电路软故障的字典法，将仅应用于线性模拟电路软故障诊断的方法推广到了含有少量非线性元件的模拟电路。

文献［15］基于故障字典法和模糊理论，建立了以节点电压灵敏度为关键量的模糊规则字典和节点电压增量比向量字典，在故障定位的同时还能判断出其参数的改变方向。

文献［16］则基于文献［13］的斜率故障模型做了深入的研究，通过理论证明“点斜式方程”包含了电路正常节点电压信息和斜率故障特征，并通过测前计算和仿真考虑容差影响构造故障字典，最后给出故障字典的测试节点选择方法。

文献［17］针对线性模拟电路中由于元件参数容差导致故障定位难度大的问题，建立了以节点电压增量比作为特征向量的故障字典，并建立了3个故障隔离的几何模型。

文献［18］首先以节点电压灵敏度为基础推导出了电路状态规则表和节点电压增量比矢量故障字典，能同时实现线性电路故障元件的定位和故障元件参数变化量的计算，实现故障的定量诊断。

与节点电压灵敏度方法相同，基于节点电压增量关系函数线性相关性的软故障统一特征更加简单，构造的字典能同时诊断硬故障和软故障，只需测量节点电压增量，就能进行定量的诊断，更为简单实用。

并且该方法在测前只需仿真待测元件的任意参数故障1次，得到的故障特征就能用来诊断·1062·电子测量与仪器学报第27卷该元件的所有硬故障和软故障，单故障仿真的结果也可用于多故障的诊断。

这个研究发现是非常有用的，但该故障模型仍只应用于由Ｒ、C、L组成的线性电路的故障诊断。

文献［19］基于神经网络和遗传算法，根据提取的模拟电路中元件软故障的统一故障特征并把它们作为神经网络训练样本的样本中心，训练好的神经网络用于电路中单故障、双故障和三故障的诊断。

该文献从电路阻抗变化引起电压变化的角度出发，证明了节点电压增量的归一化特征和电路阻抗满足的数量关系，也就是作为电路故障的统一故障特征是与被测元件参数无关，只与电路拓扑结构和电路中其它元件参数有关的不变特征，可以通过电压增量仿真计算得到，这与文献［12］的结论一致。