一种容差模拟电路故障诊断的新方法.doc

1、第 23 卷 第 7 期 电 子 测 量与 仪 器学 报 Vol. 23 No. 7 6 JOURNAL OF ELECTRONIC MEASUREMENT AND INSTRUMENT 2009 年 7 月本文于 2008 年 12 月收到。更多电子资料请登录赛微电子网 一种容差模拟电路故障诊断的新方法叶 笠 王厚 军 田 书 林(电 子科技大学自 动 化工程学院 , 成都 610054)摘 要 : 以故障字典法和模糊理 论为 基 础 , 针对经 典故障字典不能 对 元件参数故障 (软 故障 )实 施 诊 断以及由于元件容差的影响而 难 以 实现 故障精确 诊 断的 问题 , 以 节 点 电

2、压 灵敏度 为 关 键 量建立了模糊 规则 字典和 节 点 电压 增量比向量字典 , 并以此二字典 为 基 础设计 了新的 诊 断系 统 。使用 该 系 统 不但能 够诊 断 电 路硬故障 , 而且 还 能 够诊 断每一元件的所有 软 故障。 对 于故障元件 , 在定位的同 时还 能判断出其参数的改 变 方向。新的 诊 断方法有 诊 断范 围宽 、测 前模 拟 次数少、占用存 储 空 间 小、 计 算复 杂 度小的特点。 实验结 果 证 明了新方法 对 含容差模 拟电 路故障 诊 断的有效性。关键词 : 故障字典；容差； 节 点 电压 灵敏度； 电压 增量比向量；模糊中图分类号 : TP206

3、 文献标识码 : A 国家标准学科分类代码 : 510A new approach for analog fault diagnosis with toleranceYe Li Wang Houjun Tian Shulin(School of Automation Engineering, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 610054, China)Abstract: This paper addresses itself to analog circuit diagnosis by mean

4、s of fault dictionary and fuzzy technique. To overcome the two major limitations of the classical fault dictionaries, a fuzzy rules dictionary and a node voltage increment ratio vectors dictionary, both deduced by the node voltage sensitivities, are constructed. The new dictionaries, like the classi

5、cal ones, can detect and locate single catastrophic faults and, in contrary to the classical ones, they detect and locate parametric faults as well. Moreover, the new approach allows identification of these faults, such that sign of the faulty parameter deviation is designated. The proposed system h

6、as some advantages such as the detect-ability of wide faults coverage, minimal storage space and computational complexity, less simulation runs. The experiment results prove the effectiveness of the new approach in analog fault diagnosis with tolerance. Keywords: fault dictionary; tolerance; node vo

7、ltage sensitivity; node voltage increment ratio vector; fuzzy1 引 言故障字典法 (fault dictionary)是目前模 拟电 路故障 诊 断中最有 实 用价 值 的方法 1-4,10,12-13,15。其基本思想是 : 首先提取 电 路在各故障状 态 下的 电 路特征 , 然后将特征与故障的一一 对应 关系列成一个字典。在 实际诊 断中 , 只要 获 取 电 路的 实时 特征 , 就可以从故障字典中 查 出此 时对应 的故障。然而 , 传统 故障字典固有的缺陷也极大地制 约 了其 实际应 用 , 其中的两个最主要因素 : 一

8、是只能 对电 路的硬故障 (开路或短路 )进 行 诊 断 , 而 对软 故障 11(元件参数偏离标 称 值 )无能 为 力 ; 二是由于 电 路中元件参数容差的普遍存在 导 致了 实际 故障呈 现 很大的模糊性 , 即故障状 态 下的 电 路特征无法与故障字典中的故障特征一一 对应 , 从而不能准确定位 实际 故障。模糊理 论作 为 一种 处 理模糊性和不确定性的理想方法 , 被广泛地运用到了模 拟电 路故障 诊 断 领 域中 5-9。但是 , 几乎所有的模糊故障 诊 断模型都建立在某种或某几种模糊假 设 基 础 之上 , 即加上一些限定 (如 设 定故障为 超出 标 称 值 的某个范 围 等

9、 ), 由于 这 些模糊假 设 自身的局限性 , 因此很容易 导 致 诊 断 结 果与 实际结 果之 间产 生偏差或 诊 断范 围 太小。本文的目的就是着力于解决上述两个 问题 。文中所提出的方法不但能 够对 考 虑 元件容差情况下 产生硬故障或 软 故障的元件定位 , 而且 还 能指出其参第 7 期 一种容差模 拟电 路故障 诊 断的新方法 7 数的 变 化方向 (相 对 于 标 称 值变 大或是 变 小 )。2 诊断理论和方法本文以 节 点 电压 作 为测试 量 , 诊 断方法 总 体分为 两大步 骤 : 首先将各 节 点 电压 映射到模糊空 间 并根据各 节 点 对 各元件的 电压 灵敏

10、度的符号确定模糊规则 并作 诊 断 ; 然后根据模糊 规则 的唯一与否 选择是否 进 一步用 节 点 电压 增量比向量作最 终诊 断。在阐 述具体 诊 断方法之前 , 先 给 出有关的概念和理 论 。2.1 元件参数的允许变化范围及可能状态设 被 测 电 路 元 件 参 数 的 集 合 为 R = R1, R2,Rn, Rj 的 标 称 值为 , 容差 为 Tolj, 电 路无故障 时 其参nj数的最大增量 为 Rj = Tolj , 则 n(1)min maxjj jjj-D+D 就 Rj 而言 , 有下述 3 种状 态 : 1) 正常状 态 (N): 元件参数在其容差允 许 范 围内 变

11、化 , 即 Rj ; injmax2) 负 增量故障状 态 ( ): 元件参数出 现负 增jF-量且超出容差范 围 , 即 Rj 。max因此 , 在只考 虑 所有元件分 别 出 现单 一故障的情况下 , 电 路 总 的状 态 数 为 f = 1 + 2n。2.2 电路的状态及节点电压的模糊映射电 路状 态 若以 节 点 电压 来衡量共有 3 种 ,各状 态下 节 点 i 的 电压 到模糊空 间 的映射如 图 1 所示。图 1 节 点 电压 到模糊空 间 的映射Fig. 1 Fuzzy map of node voltage1) 无故障状 态 。当所有元件参数均在其容差范围 内 变 化 时 的

12、 电 路状 态 。设测试节 点 电压 的集合 为 U = U1, U2, , Um, 那么 节 点 电压 的 边 界 值为 : (2)minmax,niiiiUU=-D=+D式中 : , 为电压 Ui对 参1iijjjSRgijj数 Rj 的灵敏度。用隶属函数 n(Ui)刻画无故障状 态 的可能性。2) 节 点 电压负 增量 时 的故障状 态 : 将 电 路中 单一元件 发 生故障 时 在 节 点 i 引起 电压值产 生 负 增量的情况映射到模糊空 间 , 隶属函数 为 (Ui)。3) 节 点 电压 正增量 时 的故障状 态 : 将 电 路中 单一元件 发 生故障 时 在 节 点 i 引起 电

13、压值产 生正增量的情况映射到模糊空 间 , 隶属函数 为 +(Ui)。从 图 1 中可看出 : 1) 当 电 路 处 于正常状 态时 , 在 节 点 电压 允 许变 化范 围 内 , 其 值 越接近 标 称 值 隶属度越接近 1, 这说 明 电 路 为 正常状 态 的可能性越大。 2) 当 电 路 处 于某故障状 态时 , 当 节 点 电压还 在其 电压变 化允 许 范 围 内 时 隶属度就小 , 这说 明 电 路此 时处 于相 应 故障状 态 的可能性也就小 ; 反之 , 当电压 小于 (或大于 )最小 (或最大 )允 许值时 隶属度等于 1, 这说 明 电 路此 时处 于相 应 故障状 态

14、 。2.3 4 个电压边界值的确定为 了确定 图 1 中的隶属函数方程 , 首先要确定4 个 电压边 界 值 、 、 和 , 前面两minUaxilowihigU个已 经 在式 (2)中求得 , 现 在求后两个。当 Rk发 生故障 时 , 若可 测节 点 i 的 电压 Ui 仍 处 于 , minaxi范 围 内 时 , 则 由故障元件 Rk的增量 Rk*而引起的 节点 电压 增量 Uik*可以由其余所有非故障元件在其容差范 围 内 变 化 Rj ( j =1,2, , n; jk)时 引起的 节 点L电压 增量 Uij之和予以 补偿 (掩盖 )。以 节 点 电压负 增量的情况 为 例 , 电

15、压 的增量Uik*一定大于 该节 点 电压 的可接受增量 Uik。为 了确定 边 界 值 , 首先找出 该节 点 电压 的最小增量 : lowi(3)min1,2ikkijSRnD=D=gL若 Rk是故障元件 , 则 Uik* Uik可由其余的无故障元件在其容差范 围 内 变 化而引起的 电压 增量之和 补偿 。所有由非故障元件在其容差范 围 内 变 化而引起的 节 点 电压 增量之和 为 : (4)1niijjjkSR=Dg因此 , 由 单 一故障元件 Rk所引起的 节 点 电压产生 负 增量 时 的 电压 上限 值为 : (5a)lowmax2niiikiiikUU-+-D同理 , 由 单

16、 一故障元件 Rk所引起的 节 点 电压产生正增量 时 的 电压 下限 值为 : 8 电 子 测 量 与 仪 器 学 报 2009 年(5b)hig min2niiki ikUU=+D-=+D2.4 模糊规则的确定对 于 电 路的所有 f =1+2n 个状 态 , 用 f =0 表示无故障状 态 , f =1,2, ,2n 表示故障状 态 , 奇数序号 f L= 2j1 表示 Rj产 生 负 增量 时 的故障状 态 ( ), 偶jFR-数序号 f = 2j 表示 Rj产 生正增量 时 的故障状 态 ( )。+j首先要 为 所有的 电 路状 态 确定相 应 的模糊 规则 , 然后将 实际测试 量

17、 应 用于所有的 规则 从而判断哪个 电路状 态 与 实际 状 态 最接近。 这 里关 键 的 问题 在于怎样 确定模糊 规则 , 即 为 各个状 态 在各可 测节 点 选择怎 样 的隶属函数 组 合。用 节 点 电压 灵敏度的符号作为 模糊 规则 的确定 标 准。当元件 Rj 参数 产 生增量 Rj 而其余元件均 为 其标 称 值时 , 它在 节 点 i 处 所引起的 电压 增量 为 : (6)ijjUSD=g由 (6)式可知 , 当 Sij与 Rj 符号一致 时 , 元件参数的增量方向与 电压 增量的方向一致 ; 当 Sij与 Rj符号相反 时 , 元件参数的增量方向与 电压 增量的方向相

18、反。因此 , 在某个 节 点上 对 于 电 路的所有状 态可制定如下 规则 : 1) 当 f = 0 时 (N 状 态 ), 隶属函数用 n(Ui)。2) 当 f =2j 1 时 ( 状 态 ), 若 Sij 0, 隶属函jFR-数用 (Ui); 若 Sij 0, 隶属函数+j用 +(Ui); 若 Sij -= 第 4 步 : 根据 节 点 电压 灵敏度符号确定 电 路各状 态规则 , 如表 3 所示。表 3 中 , “n”、“”和 “+”分 别 代表使用 n(Ui)、(Ui)和+(Ui)作 为 隶属函数。从表 3 中容易看出 , 状 态 f = 0,1,2 时规则 各自独立 , 可以和其他状

19、 态 明确区分 ; 但状 态 f = 3 和 5, 4 和 6, 7 和 9, 8 和 10 则 不能加以区分 , 出 现这 种情况的原因是由于各 节 点 对 R2和R3的 电压 灵敏度符号一致 , 对 R4和 R5的 电压 灵敏度符号一致造成的 , 此 时还 需用 2.5 节 所提到的 节点 电压 增量比故障特征向量来 进 一步地加以区分。由表 1 推 导 出的以 节 点 1 为 参考 节 点的 电压 增量比特征向量字典如表 4 所示。表 1 节点电压灵敏度Table 1 Sensitivities of node voltage电 压 Si1 Si 2 Si 3 Si 4 Si 5U1 0

20、.213 018 0.289 941 0.005 917 0.147 929 0.378 698U2 0.071 01 0.082 84 0.023 669 0.207 101 0.284 024U3 0.035 503 0.041 42 0.011 83 0.088 757 0.473 373表 2 节点电压标称值和边界值Table 2 Voltage nominal and boundary values节 点 Uin Uimin Uimax Uilow UihighNode1 0.846 154 0.761 538 0.930 769 0.929 586 0.762 722Node2 0

21、.384 615 0.331 953 0.437 278 0.432 544 0.336 686Node3 0.307 692 0.266 272 0.349 112 0.346 746 0.268 6393.1 规则独立的故障诊断在 这 种情况下 , 某一状 态 的模糊 规则 独立于其余状 态 , 可被唯一区分 , 如 f = 0, 1, 2。现 假 设 故障元件 为 R1, 其 值 由 1变为 2, 其余 电 阻均在其容差范 围 内 变 化 , 诊 断 结 果如表 5 所示 , 从表中可以看出 , 状 态 f = 2 即 R1大于 标 称 值为 所求故障状 态 。3.2 规则不独立的故障诊

22、断在 这 种情况下 , 某一状 态 的模糊 规则 与至少一表 3 电路状态规则Table 3 Circuit state rules序 号 电 路状 态 U1 U2 U3f = 0 无故障 (N) n n nf = 1 R1减小 (FR1) + f = 2 R1增大 (FR1+) + +f = 3 R2减小 (FR2) +f = 4 R2增大 (FR2+) + + 10 电 子 测 量 与 仪 器 学 报 2009 年f = 5 R3减小 (FR3) +f = 6 R3增大 (FR3+) + + f = 7 R4减小 (FR4) f = 8 R4增大 (FR4+) + + +f = 9 R5减

23、小 (FR5) f = 10 R5增大 (FR5+) + + +表 4 节点电压增量比特征向量字典Table 4 Dictionary of voltage increment ratio节 点 Ci1 Ci 2 Ci 3 Ci 4 Ci 5Node1 1 1 1 1 1Node2 0.333 33 0.285 714 4 1.4 0.75Node3 0.166 667 0.142 86 2 0.6 1.25表 5 R1 诊断结果Table 5 Diagnosis results of R1R1=2 U=1.029 031 V, 0.325 048 V, 0.344 433 Vf 状 态 No

24、de1 Node2 Node3 Min0 N 0 0 0.113 01 FR1 0 0 0.028 7 02 FR1+ 1 1 0.941 9 0.941 93 FR2 0 1 0.941 9 04 FR2+ 1 0 0.028 7 05 FR3 0 1 0.941 9 06 FR3+ 1 0 0.028 7 07 FR4 0 1 0.028 7 08 FR4+ 1 0 0.941 9 09 FR5 0 1 0.028 7 010 FR5+ 1 0 0.941 9 0Max 0.941 9表 6 R4 诊断结果Table 6 Diagnosis results of R4R4=0.5 U=0.

25、784 032 V, 0.259 677 V, 0.273 725 Vf 状 态 Node1 Node2 Node3 Min0 N 0 0 0.179 9 01 FR1 0 0 0.907 4 02 FR1+ 1 1 0.063 2 0.063 23 FR2 0 1 0.063 2 0.063 24 FR2+ 1 0 0.907 4 05 FR3 0 1 0.063 2 0.063 26 FR3+ 1 0 0.907 4 07 FR4 0 1 0.907 4 0.866 18 FR4+ 1 0 0.063 2 09 FR5 0 1 0.907 4 0.866 110 FR5+ 1 0 0.06

26、3 2 0Max 0.866 1个其他状 态 的模糊 规则 相同 , 如 f = 3 和 5, 4 和 6, 7和 9, 8 和 10。现 假 设 故障元件 为 R4, 其 值 由 1变为 0.5, 其余 电 阻均在其容差范 围 内 变 化 , 诊 断 结果如表 6 所示。从表中不 难 看出 , FR4和 FR5两种状态 不能被区分。 还 需比 较实际 故障状 态 的 节 点 电压增量比向量分 别 与 R4和 R5的 标 准 节 点 电压 增量比向量的相似度 , 可采用广 义 距离法 , 距离越小相似度越大。根据 实测电压 所得的 节 点 电压 增量比向量为 1 2.0 0.55T, 则422

27、(.014)(.50.6).1RD=-+-=574因 为 DR4 DR5, 故 f = 7 为 所求状 态 。表 7 示例电路实验结果Table 7 Experiment results of example circuit电 路状 态 实验 2 正确率 /% 实验 3 正确率 /%N 80 72FR1 100 98FR1+ 100 97FR2 100 94FR2+ 100 98FR3 92 79FR3+ 94 76FR4 100 96FR4+ 100 94FR5 100 95FR5+ 100 983.3 实验结果分析对图 2 的 电 路使用 PSPICE 和 MATLAB软 件进 行模 拟

28、和分析。 实验 1: 对 各 单 一元件硬故障 进 行诊 断 , 其余无故障 电 阻在其容差范 围 内随机 变 化 , 实验 次数 为 100 次 , 诊 断 结 果全部正确 ; 实验 2: 对各 单 一元件参数故障 进 行 诊 断 , 故障元件参数在 (0, )和 ( , 2 Rjn)之 间 随机取 值 , 无故障元件 为minjRaxj其 标 称 值 (不考 虑 容差 ), 各 100 次 , 诊 断正确率 见表 7 第 2 列 ; 实验 3: 考 虑 容差的 软 故障 实验 , 方法与 实验 2 相同 , 只是 让 无故障元件在其容差范 围 内随机 变 化 , 正确率 见 表 7 第 3

29、 列。从 实验结 果中可得出 该 方法的如下 3 个 结论 : 1) 对 元件硬故障的 诊 断正确率最高 (100%), 而这 些故障占了模 拟电 路故障比例的 90%1。2) 对 元件 软 故障的 诊 断正确率也很高。需要指出的是 诊 断率和 节 点 电压 灵敏度的大小有关 , 灵敏度越小 诊 断率越低 , 如本例中 R3的灵敏度最小 , 因此 诊 断率也相 对较 低。3) 对 无故障状 态 的 诊 断率相 对较 低 , 这 是由于为 了 对 参数 值 很小的元件 发 生 软 故障 时 也能 实 施正确 诊 断的原因。因 为 当参数 值 很小的元件 发 生 软 故障 时 , 它 对电 路的影

30、响往往容易被其余非故障元件在容差范 围 内 变 化而 产 生的 对电 路的影响所掩盖 , 因此故障状 态 与无故障状 态 可能 产 生混淆。另一个原因是 10%的容差假 设 偏大 , 若容差小一些 , 则诊断率会更高。第 7 期 一种容差模 拟电 路故障 诊 断的新方法 11 4 结 论本文提出的运用模糊理 论 和 节 点 电压 增量比向量建立的故障字典有效地克服了 经 典故障字典法不能 诊 断 电 路 软 故障和由于元件容差的影响而 难 以 实现 精确 诊 断的 问题 。使用新方法不 仅 能 够诊 断出每一元件所有的 软 故障 , 还 能 诊 断出元件参数的改 变方向。由于模糊 规则 字典和

31、 节 点 电压 增量比向量字典均可由 节 点 电压 灵敏度推 导 出 , 所以在字典存 储过 程中只需存 储节 点 电压 灵敏度 , 从而有效地 节约了存 储 空 间 。使用 该 方法 测 前模 拟 次数少、工作量小 , 且 计 算复 杂 度低。 实验结 果也 证 明新方法 对 容差模拟电 路故障 诊 断有 较 理想的 诊 断率。参考文献 : 1 MILOR L S, VISVANATHAN V.Detection of catastrophic faults in analog integrated circuits J. IEEE Trans. on CAD, 1989, 8(2): 32

32、5-364.2 MILOR L. S. A tutorial introduction to research on analog and mixed-Signal circuit testing J. IEEE Trans. on Circuits and Systems, 1998, 45(10): 1389-1407.3 RUTKOWSKI G. The DC fault dictionary - A neural network approach J. Proc. 12th ECCTD-Istanbul 1995: 295-298.4 LI F, WOO P, Yung. The in

33、variance of node-voltage sensitivity sequence and its application in a unified fault detection dictionary method J. IEEE Trans. Circuits Sys. I, 1999, 46: 1222-1227.5 EL-GAMAL M A, ABDULGHAFOUR M. Fault isolation in analog circuits using a fuzzy inference system J. Computers and Electrical Engineeri

34、ng 2003, 29: 213- 229. 6 LEE J, BEDROSIAN S D. Fault isolation algorithm for analog electronic systems using the fuzzy concept J. IEEE trans. on circuits and systems, 1979, 26: 518522.7 TORRALBA A, CHAVEZ J, FRANQUELO L G. Fault detection and classification of analog circuits by means of fuzzy logic

35、 based techniques J. Proceedings of IEEEInternational Symposium on Circuits and Systems, 1990: 18281831.8 ABDULGHAFOUR M, EL-GAMAL M. A fuzzy logic system for analog fault diagnosis J. Proceedings of IEEE International Symposium on Circuits and Systems, 1996: 97100.9 WANG P, YANG SH Y. A new diagnos

36、is approach for handling tolerance in analog and mixed-signal circuits by using fuzzy math J. IEEE Trans. Circuits Sys. I, 2005, 52(10): 2118-2127.10 LIN P M Y, ELOHERIF S. Analog circuits fault dictionary-New approaches and implementation J. Int. J. Circuit Theory Appl. 1985, 13(2): 149-172.11 TADE

37、USIEWICZ M, HALGAS S, KORZYBSKI M. An algorithm for soft-fault diagnosis of linear and nonlinear circuits J. IEEE Trans. Circuits Sys. I, 2002, 49: 1648- 1653.12 LIU R W, VISVANATHAN V. Sequentially linear fault diagnosis: Part- I theory J. IEEE Trans. Circuits Sys, 1979, CAS-26(7): 490-495.13 杨 士元

38、. 模 拟 系 统 故障 诊 断和可靠性 设计 M.清 华大学出版社 , 1993. YANG SH Y. Fault diagnosis and reliability design for analog system M. Tsinghua University Press, 199314 崔 莼 , 罗 先 觉 , 邱关源 . 一种基于聚 类 神 经 网 络 的模拟电 路故障 诊 断方法 J.西安工 业 学院学 报 , 1996, 16(2): 106-109. CUI CH, LUO X J, QIU G Y. Analog circuit fault diagnosis approa

39、ch based on a clustering NN J. Journal of Xian Institute of Technology, 1996, 16(2): 106-109.15 杨 嘉 伟 . 一种新的模 拟电 路故障字典法 J. 电 子 测量与 仪 器学 报 , 1993, 7(3): 49-56. YANG J W. A new fault dictionary for analog circuitsJ. Journal of Electronic Measurement and Instrument, 1993, 7(3): 49-56.16 杨伦标 , 高英 仪 . 模糊

40、数学原理与 应 用 M. 华 南理工大学出版社 , 1993. YANG L B, GAO Y Y. Fuzzy theories and applications M. South China University of Technology Press, 1993.作者简介 : 叶 笠 : 1972 年 4 月 生 , 毕 业 于 解 放 军 信 息 工 程 大 学 , 现 为 电 子 科 技 大 学 自 动 化 工 程 学 院 博 士 研 究 生 , 主 要 研 究 方向 是 模 拟 电 路 及 混 合 信 号 电 路 测 试 、诊 断 及 现 代 测 试 理 论 。Ye Li: was

41、 born in 1972. He received MS in Computer Engineering from PLA Information Engineering University. He is currently pursuing for PhD in University of Electronic Science and Technology of China (UESTC). His main research interests are analog and mixed-signal circuit test, diagnosis and modern test theory.