简述模拟电路故障诊断与数字电路故障诊断相比有哪些特殊呼吸困难的鉴别诊断

电子电路故障诊断与处理
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电子电路故障诊断与处理
摘要 针对不同电力装置进行了研究,从的特点与作用出发,利用科学的方法,对其进行了有效的分析与,以此确保电力装置的正常运行,保证社会生产与社会活动的持续进行。关键词 装置;系统;; 电力电子技术是电工技术中的重要组成部分,电力电子器件的运用,对电功率进行有效的,是当前电力电子技术的主要内容。随着计算机计算机技术的发展以及科学技术的进步,电力电子技术的应用空间日渐广泛。与此同时,电子故障的产生也成为了影响电力电子技术应用的主要因素。对于电子故障的有效诊断与处理,是保证其正常运行的基础,电力电子装置发生故障,不仅会对电子产品自身产生损害,同时也将产生其他一系列问题,造成严重的损失。1 电子电路故障诊断概述1.1 电力电子电路故障诊断特点 通过对大量电子电路运行实际情况的分析,可发现,多数故障都以功率开关器件的损坏为主要原因,其中以功率开关器件的开路和直通最为常见,也可称之为硬故障。但电子电路的故障诊断与普通的模拟电路故障诊断还存在着区别,其关键之处在于故障信息的存在,一般仅停留在发生故障前的几ms之间,这对于信息的实时检测与在线诊断有着较高要求。1.2 电力电子电路诊断的目的 假设电力电子装置发生故障,不仅将对装置本身的电器设备产生影响,并将造成设备损坏以及企业停产等问题的出现,严重地还将造成重大安全事故。因此,对于电子电路故障进行科学的诊断与处理,就尤为重要。通常情况下,人们采用的维修对策,一般有以下两种途径:一是直至设备发生故障、产生损坏后再进行维修,也称为事后维修,这种方法往往会带来巨大的经济损失。二是定期对装置进行检查,也称为预防维修,这种方法具有一定的计划性,但仍存在较大弊端,如果检查过程中未发现故障,也将造成损失。电力电子装置的构成较为复杂,其中包括电力电子主线路、电动机、发电机以及各种应用电路,对于电力电子装置进行的故障诊断,就是针对上述设备进行检测,电力电路是整个装置的核心,因此对其进行故障诊断是必要的。1.3 电子电路故障诊断的作用 对电子电路进行有效的故障诊断:(1)可实现对故障的预报功能,以便及时采取有效的处理方法预防事故的发生。(2)可根据故障诊断实施预知性的维修,以此来提高装置的设备管理水平。(3)为检修提供更大的便利,缩短了检修时间,并提高设备的利用效率。(4)在提高设备的制造水平上有着重要意义。2 电力电子电路故障诊断方法 电力电子电路故障诊断技术主要包括两方面:(1)故障信息检测。主要是利用一定的故障检测技术,对于故障发生时的信息进行有效获取,为故障分析提供更多的参考依据。(2)故障的诊断。根据故障诊断信息,对产生的故障进行分析和推理,进而找出导致故障的原因,确定故障位置。当前,较为常用的电子电路故障诊断方法有以下几种: (1)故障字典法。将测量特征和故障值以表格的方式进行保存,并通过对信息的测量与比较完成故障判断。利用计算机技术对电子电路的正常运行状态和产生硬故障状态进行模拟,进而建立故障字典,随后对不同的端口进行测试,实现对故障的判断与识别。再将选定节点的测量值与故障字典中的信息进行比较,分析故障的位置。在模拟、数字电路的故摩诊断中,故障字典法有着重要的应用价值。但故障字典法仍存在弊端,其只能用以解决单故障诊断,而对于多故障的组合判断较为困难。 (2)故障树法。故障树法是当前应用较为普遍的一种故障诊断方法,是将可能会引发故障的因素,包括硬件、软件和人为因素等进行分析,随后画出逻辑图,这一框图称为故障树。从故障树的顶端时间进行搜索,找出故障的存在点。 (3)残差法。残差法的运用是以解析模型为基础的一种故障诊断方法,是通过研究实际系统与参考模型特征输出量间的残差,来进行电力电子装置主电路在线故障诊断、定位的过程。该方法同样适用于逆变器主电路的故障诊断。参考模型法用于故障诊断具有检测量少、判据简单且与输出大小无关等特点。尤其是在复杂故障诊断中该法的优势明显。 (4)直接检测法。主要针对功率器件两端的电压或桥臂电流进行直接检测的方法,进而获得功率器件的工作方式,随后将其与触发脉冲的时序逻辑进行比较,以此判断是否存在故障,并找出故障的出现点。该方法的运用,是对所有被诊断的功率器件的电压和电流进行检测,因此需要检测的点较多。同时,该方法可通过对电路的输入输出进行测量和判断。当电力电子装置运行正常时,电路输入、输出应当是在一定范围内产生变动的,如果电路输入、输出量超过规定范围,则视为发生故障。虽然该方法操作简单,但容易受外界因素的干扰,因此在使用时应当考虑各因素。 (5)专家系统诊断方法。是利用领域内专家的丰富经验,与计算机技术相结合,同时利用电子电路内部的智能系统,将以上部分进行结合而组成的智能计算机程序,用以对复杂的故障问题进行诊断与分析。其是利用经验知识对故障进行描述与判断,突破了传统的个人知识局限,并对广大专家的经验进行了有效的存储与推广,使得领域内人才的知识获得丰富利用,并促进了人才的培养,相比单纯的专家经验,该专家系统诊断技术更为灵活可靠,且受外界环境因素的影响较小。该系统中知识库与推理控制相对独立,可重写增删,并结合其他诊断方法,构成知识应用程序。同时,拥有人机联诊功能,充分发挥了现场技术人员的主观能动性,并逐步完善,因此是一种富有生命力的故障诊断法。3 电子电路的故障分析与处理 在电子电路装置的运行过程中,故障的发生不可避免,对于故障进行有效的诊断与处理,可提高运行效率。对于电子电路的故漳分析通常从故障现象出发,通过反复的测试,最终做出科学的分析与判断,找出问题便可采取有效的处理措施。3.1 调试故障的判断 在调试的过程中出现故障,通常有以下原因: (1)实际电路与设计的原理图存在不符。(2)电子电路装置中使用的元器件不合理。(3)设计原理图不符合要求。(4)装置安装或调试过程中存在错误操作。3.2 查找故障的方法 (1)通用方法。将需要检测的信号或某个输出的信号引入到其他模块上,然后按照一定的顺序对模块进行测量,直到找出故障点为止。查找的顺序可按照输入到输出的顺序,当找到故障模块后,便需要对故障产生的原因进行分析,查找模块故障的步骤,可以分为以下几点:1)对元器件的引脚电源电压进行测量,并对引脚是否接触不良进行观察,由此判断电路元器件是否正常工作。2)将所有模块的输出端使用的荷载断开,便可对模块本身的负载进行判断。3)对安装线路与设计原理图是否一致进行对比和判断,同时对连线、元件以及相关的参数进行全面判断;4)对测量仪器的选择和使用进行判断。 (2)观察判断法。当故障检测人员遇到熟悉的电路时,可根据自身对电路各部分的原理及性能指标等问题的了解,通过仪器、仪表中的数据和波形对故障部位及原因进行判断,便可有效的对故障进行排除。 (3)数字电路故障分析的特点。数字电路的故障查找和排除相对简单,除三态电路外,其余数字电路的输入与输出唯有高电平和低电平两种状态。查找故障可先进行动态测试,缩小故障的范围,再进行静态测试,查出故障的具体位置。查找故障首先要有合适的信号源和示波器,示波器的频带应大于10MHz,且应使用双踪示波器同时观察输入和输出的波形与相位关系。查找故障的过程仍可按顺序进行,将输出的结果和预期的状态相比较,通过动态测试将故障控制在最小范围。4 结束语 文中针对不同电力电子装置进行了总结,从故障诊断的特点与作用出发,利用科学的故障诊断方法,对其进行有效的分析和处理,以此确保电力电子装置的正常运行,并保证了社会生产与社会活动的持续进行。本文引用地址:
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1 引言 &&& 随着科学技术的发展和军事实力的增强,装备的复杂程度日益提高,对其故障诊断的难度也越来越大。装备的故障诊断可分为数字电路故障诊断和模拟电路故障诊断。数字技术的广泛应用和高速发展,使数字电路的故障诊断研究取得了空前的发展[1]。尽管模拟电路的故障诊断也取得了不少成就,提出了许多故障诊断方法,如故障字典法[2]、元件参数辨识法[3]、故障验证法[4]等,但由于故障现象多样、元件参数具有较大的离散性与广泛的非线性等原因,致使模拟电路故障诊断无论在理论上还是方法上均未完全成熟,距实用还有相当的距离[5]。 &&& 在实际的装备中或一个完整的系统中,数字电路并不能完全取代模拟电路,往往数字和模拟电路并存,而在信号处理和控制中,模拟电路又占有多数。因此对模拟电路故障诊断的研究已成为新的研究热点[6]。 &&& 本文分析了现阶段模拟电路的常用理论和方法,总结了这些方法的基本原理、特点及发展现状。提出了当前在模拟电路故障诊断发展中存在的问题并指出了其发展方向。 2 模拟电路故障诊断的理论与方法 &&& 模拟电路的故障诊断方法以人工智能理论的出现为界线,划分为经典的模拟电路故障诊断方法和现代模拟电路故障诊断方法。 2.1经典的模拟电路故障诊断方法 2.1.1故障字典法[7] &&& 采用故障字典法进行故障诊断一般可分两步进行,首先要为故障字典的建立进行测前分析,即通过对电路的正常状态和所有故障状态进行电路仿真,在施加适当的激励之后,提取所选定测试节点的电路特征(如测试点的直流电位向量、网络的幅频特性等),从而建立故障字典;然后在实际诊断时,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。故障字典法一般只能解决无容差或小容差网络单、硬故障的诊断,因而其应用受到较大的限制。 2.1.2元件参数辨识法[8] &&& 参数辨识法是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,依据每个参数的允许容差范围以决定网络中的故障元件。其典型方法有转移导纳参数法、参数估计法和多频测量法。这种方法在对故障电路测试之后,需进行大量的求解工作。元件参数辨识法因要求较多的诊断信息,对于大规模电路而言,测试和计算的工作量都太大,所以实施较为困难[9]。 2.1.3故障验证法 &&& 故障验证法是在获取少量故障信息的基础上进行诊断,实施较为方便。它的基本思想是预先猜测电路中的故障所在,然后根据所测数据去验证这个猜测是否正确。由于电路中总的故障种数较大,而各种故障的组合数则更大,因此,这种“猜测”的次数很多,且计算量非常大。对这种方法的研究主要集中在如何减少猜测次数以及减少对每次猜测进行验证所需要的工作量。此种方法包括K故障诊断、故障定界诊断和网络撕裂法等。在进行故障诊断时,应满足各自的可测性条件,即被测网络的拓扑结构应满足一定的约束条件,施加的独立激励向量应有足够的数量,可及点(可测电压的节点)数至少大于故障数,而且应该独立。否则,会出现误诊断或不能诊断出故障等情况。值得一提的是,K故障诊断法从理论上讲可以进行多故障的诊断。在实际中,由于受网络拓扑结构的约束,只能进行单故障的诊断。故障验证法由于计算量大,难于实现实时诊断,且受实际电路拓扑条件的限制,往往只能做到单故障可测[10]。 &&& 上述三种方法已被应用于线性系统的工程实际,但却往往未达到预期的效果,如不能解决非线性系统的故障诊断、不能有效诊断多故障和软故障等等。并且,在实际诊断过程中,由于元器件参数间的容差以及电路中广泛存在的非线性问题,会直接影响到诊断技术的诊断效果,特别是会导致故障误报和诊断方法灵敏度降低甚至失灵。 2.2现代模拟电路故障诊断方法 2.2.1专家系统 &&& 专家系统是一个智能计算机系统,它在模拟电路故障诊断中的典型应用是基于产生式规则的系统,其基本工作原理是:首先把专家知识及其诊断经验用规则表示出来,形成故障诊断专家系统的知识库,进而根据报警信息对知识库进行推理,诊断出故障元件。专家系统具有丰富的经验和高水平的技术及专家水平的专门知识;便于解释;长于定性分析;能够进行符号操作;能够根据不确定(不精确)的知识进行推理;知识库和推理机明显分离,这种设计方法使系统易于扩充;具有获取知识的能力;具有灵活性、透明性及交互性。 &&& 其主要缺陷为[11]:知识获取“瓶颈”问题;推理效率低,易出现“匹配冲突”、“组合爆炸”和“无穷递归”;知识“窄台阶”;学习能力、自适应能力差;知识维护困难;诊断求解过程是在一个超高维空间的搜索过程,对于复杂的诊断对象,由于搜索空间大,搜索速度慢,使得在线诊断困难,实时性差。 2.2.2神经网络 &&& 人工神经网络(ANN)是模拟人脑组织结构和人类认知过程的信息处理系统,其中,BP神经网络由于具有良好的模式分类能力,尤其适用于故障诊断领域,是目前故障诊断领域中用得较多也较为有效的一种神经网络。BP神经网络将信息通过训练的方式储存在网络连接的权值中,训练完成以后,就可以利用网络收敛后的节点连接权值矩阵和阈值向量,来计算网络对于待诊断的样本参数的实际输出,根据该输出值即可确定出故障的类型。神经网络通用性强、知识容量大;便于实现知识的自动获取,能够自适应环境的变化;推理过程为并行的数值计算,推理速度快;具有联想、记忆、类比等形象思维能力,使其能出色的解决那些传统模式识别方法难以圆满解决的问题。但是网络结构需要不断的试验调整,没有合理的结构选择原则;遇到新样本时,需重新学习,必须调整所有的权值,甚至需要调整网络结构;解释能力差,不具有透明性。文献[12]中提出了一种方法使解释相对变得清晰,文献[13]中提出了图形解释法,但是目前还没有一种通用的、被普遍接受的解释方法。 2.2.3模糊理论[14][15] &&& 模糊故障诊断方法,就是在故障征兆空间与故障原因空间之间建立模糊关系矩阵,再将各条模糊推理规则产生的模糊关系矩阵进行组合,根据一定的判定阀值来识别出故障元件。随着模糊理论的发展,其一些优点逐步被重视,如模糊理论可适应不确定性问题;其模糊知识库使用语言变量来表述,更接近人的表达习惯,解释能力强;重新学习时只需要改变几条与新知识相关的规则即可,速度快;模糊理论能够得到问题的多个可能的解决方案,并根据这些方案的模糊度的高低进行优先程度排序等。然而,在使用模糊理论时,当发现新的规则,或规则不正确时,不能自动更正,自学能力差;隶属度的获取具有很大的主观性;复杂系统的模糊模型的建立、辨识等理论和方法还不够完善,使该理论的应用受到了限制。 2.2.4小波变换 &&& 小波变换的基本原理:通过小波母函数在尺度上的伸缩和时域上的平移来分析信号,适当选择母函数,可以使扩张函数具有较好的局部性,因此,它是一种时-频分析方法。在时-频域具有良好的局部化性质并具有多分辨分析的特性[16],非常适合非平稳信号的奇异性分析,如利用连续小波变换可以检测信号的奇异性,区分信号突变和噪声;利用离散小波变换可以检测随机信号频率结构的突变。文献[17]给出了两种基于小波变换的故障诊断方法,也即小波变换故障诊断机理包括的两个方面:利用观测器信号的奇异性进行故障诊断以及利用观测器信号频率结构的变化进行故障诊断。在模拟电路故障诊断中,小波变换被有效地用来提取故障特征信息(小波预处理器),之后,再将这些故障特征信息送入故障分类处理器进行故障诊断。小波变换不需要系统的数学模型,故障检测灵敏准确,运算量也不大,对噪声的抑制能力强,对输入信号要求低,但在大尺度下由于滤波器的时域宽度较大,检测时会产生时间延迟,且不同小波基的选取对诊断结果也有影响。 2.2.5其它方法 &&& 粗糙集理论是一种处理不完整性和不确定性问题的新型数学工具,在模式识别等方面得到了成功的应用。它与传统的模糊集理论处理不精确数据和不确定性的方法不同,它无需提供问题所需处理的数据集合之外的任何先验信息,因此对问题的不确定的描述和处理是比较客观的。文献[18]已尝试将粗糙集理论应用于故障诊断研究领域,为在不完备征兆信息下的故障诊断提供了新思路。 分形理论在模式识别中也有初步的应用,在故障诊断领域中的应用研究只是刚刚开始。设备故障诊断中用来反映设备运行状态的特征信号在一定尺度范围内部具有分形的特性,可通过计算分维数来进行诊断。文献[19]将分形理论用于电力设备局部放电模式识别中,可大大减少特征提取数量,与小波变换、神经网络结合,可提高模式识别的有效性和可靠性。 &&& 遗传算法是一种新发展起来的全局优化算法,已成为人们用来解决高度复杂问题的一个新思路和新方法。文献[20]将遗传算法应用于专家系统的故障诊断系统,仿真结果表明,可以加快推理速度,提高专家系统在缺乏先验知识和样本数据很少的情况下的实用性。 &&& 多传感器信息融合技术为解决复杂系统故障诊断的不确定性问题提供了一条崭新的途径,融合多传感器数据及其它途径获取的信息,以求更加准确、全面地认识和描述诊断对象,从而做出正确的判断和决策。特别适合解决模拟电路故障诊断中电路前后元器件相互影响以至不能测准元器件的故障以及由于容差、非线性及元件参数相互影响而出现的诊断不确定性问题。 &&& 将多种不同的智能技术结合起来的混合诊断系统,是故障诊断研究的热点。文献[21]将小波变换与神经网络结合起来,起到了提高故障识别水平,简化神经网络结构,缩短训练时间的作用。文献[22]将神经网络与故障字典法相结合,测后诊断速度快,实时性强,有较好的鲁棒性,对软故障诊断有很好的应用前景。模糊逻辑、神经网络与专家系统结合的诊断模型是目前人工智能领域的研究热点之一,这方而的探索刚开始,很多问题需要深入研究。例如,模糊逻辑与神经网络的组合机理、组合后的实现算法、便于神经网络处理的模糊知识的表达方式等。3 模拟电路故障诊断研究中存在的问题及其发展趋势 &&& 近些年来,对模拟电路的故障诊断的研究大多集中在如何改进或如何组合以上的理论方法方面,虽然也取得了一些成果,如节点电压灵敏度比值法[23],小波-神经网络新方法[24],基于不完全BT-SVMs分类方法[25]等,但对模拟电路故障诊断的发展,尤其在实际应用方面的发展推动不大。模拟电路故障诊断的发展中仍存在很多问题,亟待解决。 3.1多故障模式的诊断 &&& 现阶段对模拟电路的研究大多集中在单故障诊断,对双故障模式的研究通常是假定两个故障之间无相互影响的理想条件,而两个以上故障模式的研究很少。面对多故障情形,现有的诊断系统无能为力。虽然多故障出现的概率较小,但由于模拟电路的复杂性,在工程实际中,出现多故障情况也是有可能的。因此,以后的故障诊断研究,不应只集中在单故障这一理想条件,应该充分考虑到模拟电路故障的复杂性,只有这样,才能更快的推动模拟电路故障诊断的发展。 3.2建立故障诊断结果可信度分析的科学方法 &&& 模拟电路故障诊断的方法众多,而各种方法又各有所长。故障诊断结果的可信度分析,是验证故障诊断方法是否正确可靠的依据,应用科学的可信度分析方法,能够更清楚地了解每种方法更胜任于哪类电路的故障诊断,由此可以根据诊断电路类型的不同选择最合适的诊断方法,减少重复设计,对工程实际有很重要的指导意义。然而,这方面的研究却很少。 &&& 故障诊断结果的可信度,通常是以实验或仿真结论正确的概率来描述。例如,用神经网络进行模拟电路的故障诊断时,诊断结果的可信度既是得出正确结论的样本与所有测试样本的比值。显而易见,当另外选一组测试样本时,诊断结果的可信度往往会发生变化。寻求一种科学的可信度分析方法,指导故障诊断方法更有效的应用于工程实际,是很有必要的。 3.3分层次诊断 &&& 对模拟电路故障诊断的研究往往只注重诊断的结果,而不注重实施诊断的对象。如故障树方法需要实施诊断的人员有一定的模拟电路理论水平和专业知识;红外热像仪诊断方法需要实施诊断的人员具有红外热像仪的操作知识和实践。如果实施诊断的对象缺乏或者不熟悉相关知识,就会导致故障诊断方法失效。今后的模拟电路故障诊断,应向着分层次诊断的方向发展。按照实施诊断的对象不同,分为普通级诊断和专业级诊断。普通级诊断面向一般的使用、维护人员,主要以单、硬故障诊断为主,要求诊断方法智能化,可用性强,诊断精度高;专业级诊断面向专业的维修人员,主要以多故障诊断为主,故障模式复杂,诊断难度高,需要在专业人员的深厚理论知识和丰富经验的基础上,实施模拟电路的故障诊断。 3.4数模混合电路故障诊断 &&& 在工程实际中,PCB印刷电路板上数字电路和模拟电路不是独立存在的,混合电路的故障特征更加复杂,诊断难度更大,单纯地研究数字电路或模拟电路的故障诊断是不够的。而目前对数模混合电路的故障诊断研究很少,这应成为将来故障诊断的一个发展方向。 4 结束语 &&& 本文阐述了模拟电路故障诊断的意义和重要性,分析了现阶段模拟电路故障诊断的一些常用理论和方法,结合自己的研究,指出了模拟电路故障诊断研究中存在的问题及发展趋势。虽然模拟电路故障诊断在理论方面取得了很多突破和进展,但它的实际应用还比较少。目前大多数诊断方法都是基于电路仿真,理想的设定可及节点。在不断研究改进诊断方法的同时,应多进行实验,在试验中获取数据。如何将故障诊断方法应用到实际中去是一项应当引起充分重视的重要研究工作。 参考文献 [1]&奚文俊,冯玉光,李建华.数字电路板故障诊断方法[J].海军航空工程学院学报,):328-330. 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