摘要：随着电子设备的广泛应用, 对其功能、智能化、可靠性要求更高, 因此对电子设备故障的准确检测与诊断就日益迫切。传统常规分立器及人工诊断方式已无法满足需求, 集成化、智能化、自动化的诊断方式就成为必然的发展方向。本文分析了电路仿真与故障诊断技术。
关键词：电路仿真；故障诊断；技术
据统计，电子设备中８０％以上的故障均来自模拟电路，随着模拟电路复杂和密集程度不断增强，可能出现的故障也越来越多。如果能在方案设计初期，通过合适的方式对电路设计的正确性和稳定性加以验证，有效地剔除可能存在的潜通路和其它故障隐患，就能够有效地提高电路的健壮性，还能在很大程度上帮助设计人员不断提高设计水平。
一、电路系统故障问题分析
电路系统产生的故障通常来自设计、制造和使用３个方面。结合电子设备模拟电路的设计特点，可从以下两个方面寻找电路设计中可能存在的问题：（１）电路潜通路分析：潜通路分析不考虑元件的损坏，指可能导致电路中不期望的功能或者抑制了正常功能的电流路径。因此，从原始设计图纸中查找可能存在的拓扑模式，就成为潜通路分析的主要难题，但分析也存在一些问题，例如复杂电路如果简化不好，可能丢失通路，给后续排查留下问题；另外，系统越大工作量越大。（２）不同故障模式下电路故障隐患分析。电路故障从元器件角度可分为开路、短路或者参数超差等，其中开路、短路故障容易分析，但元器件参数超差却不好界定（一般来说，精度不高的系统允许元器件超差５％～１０％，精度高的允许达到０．１％～５％），目前模拟电路故障诊断发展缓慢，主要问题在于模拟电路元器件参数变化可能有无穷多种，对应的电路响应现象不可数并且难以简单用数学模型表示；另外，元器件参数超差时电路功能可能发生变化，对此类电路进行诊断，没有先验知识，难度很大。
二、电路仿真的故障诊断技术
1.设计原则。采用故障字典法为主要诊断方法, 基本思想是首先提取电路(系统)在各种故障状态下的电路特征, 然后将特征与故障一一对应关系列成一个字典。在实际诊断时, 仅需获取电路(系统)的实时特征就可从故障字典中查出此时对应的故障 。几乎所有的计算量都集中在测前, 测后只需查字典定位故障, 因此能实时诊断, 对电路的硬故障(电路、元件开路或短路)、单故障的诊断简单。建立故障字典需积累大量数据, 包括电路在各种工作状态下的激励、节点电压、输出波形等特征数据。由于实板仿真量大, 建立的字典将无穷大,而诊断实例有限, 因此依靠实板仿真或诊断实例建立故障字典相当困难。为此, 通过软件仿真积累建立故障字典所需的数据信息, 即利用一个电路仿真器仿真电路的各种工作状态得到相应的特征数据,能有效降低工作量、提高故障诊断效率。以电路仿真为基础。
2.诊断系统工作流程。①电路仿真器导入电路描述文件, 对电路进行仿真—包括正常和故障状态下的仿真, 故障状态由用户定义故障表单指定;②处理仿真器输出数据, 建立故障字典;③基于故障字典, 对实际电路进行测试诊断, 输出诊断结果;④诊断结果加入诊断知识库, 可根据需要用于丰富故障字典。
3.关键技术。一是建模方法。①物理法, 以器件的物理结构和工作原理为基础建立数学模型;②黑箱法, 不考虑器件结构,而以输入、输出关系等外部特性为基础建立数学模型。大多数元器件建模均为黑箱法。电路数学模型化, 即以电路的实际数据—网络拓扑和元件支路特性为基础建立数学矩阵方程。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆建立电路网络方程的基本原则是基尔霍夫电流定律(KCL)、基尔霍夫电压定律(KVL)及支路电压电流关系(VCR)。因此, 电路的仿真转化为求解数学矩阵方程的过程。故障仿真的一般处理过程是:建立故障模型→插入故障→仿真分析→输出结果数据。电路故障分为硬故障和软故障两大类, 分别使用结构模型和功能模型进行故障模拟。
电路硬故障可通过改变电路物理结构即插入结构模型模拟, 如短路故障可在两节点间插入微值电阻或导线模拟, 开路故障可使用两节点间插入超高值电阻模拟。对电路软故障, 可通过改变元器件模型特征参数即插入功能模型实现模拟。
二是故障字典设计。故障字典是系统进行故障诊断的依据。作为存储诊断知识信息的数据集, 其信息的完备性和数据结构直接影响诊断效果。本系统的故障字典包含的元素分为4 组, 以便提高故障模式搜索效率:①测试数据。故障编号+激励编号+电路节点编号+节点数据(波形数据)。设定板响应数据的故障编号为零, 以便与故障模式区分;②故障描述:故障编号+描述字符串;③节点描述。节点编号+节点名称。④激励信号。激励编号+激励描述。故障字典中测试节点和测试量模糊度为两个重要元素。一个模拟电路可能包含很多节点, 但测试诊断中并不需要所有节点的数据, 因此首先筛选输出节点、电路中的关键节点, 此过程根据电路结构决定, 放在仿真器里由用户选择。由于模拟电路普遍存在容差, 因此必须确定测试量的模糊度, 既要能兼容正常的容差, 又尽可能区分不同的故障。这时, 用户可根据需要对故障字典作必要的调整。除了由仿真积累的故障字典数据外, 还可将故障字典中尚无的诊断实例数据加入故障字典库, 使诊断数据可靠并完善故障字典库。三是诊断法。故障字典进行故障匹配算法有多种, 本系统采用直接匹配和波形匹配两种方法。直接匹配是将输出结果序列与故障字典中的故障模式序列进行逐一比较, 在容差范围内匹配成功的模式即为被测电路的故障模式。在模拟电路中, 较多电路信号均以波形序列出现, 不是相对恒定值, 因此必须进行波形匹配比较。首先提取波形的频率/周期、幅值等特征参数, 然后比较。衡量两个波形信号匹配程度的另一个重要指标为相似系数。
4.电路故障隐患分析。对仿真电路注入故障，可设置一些关键元器件的开路、短路或者超差故障（这里对超差范围的界定主要考虑系统是否稳定运行，范围可放宽至上限≤１０％），按照电路功能模块划分的原则分析故障对系统可能带来的影响，主要结论如下：①主供电电源、电源故障：开路时系统断电，短路时可能导致系统设备短路，任务失败，属于高危故障；供电电压超差，系统设备可承受，对系统无影响；②继电器故障（这里仅考虑１个继电器异常现象，因为两个继电器同时故障概率很小，可忽略）；③线圈故障，单个继电器不动作或者单个继电器一组或２组触点无法吸合或断开，由于是电路是双路冗余，继电器和导线在选择时已考虑降额，该故障对系统无影响；继电器输入电压超差，继电器能够正常动作，该故障对系统无影响；④行程开关失效故障：信号无法发出，任务失败，属于高危故障；⑤指令无法发出故障：目前指令均采取双路互为冗余的形式发出，单路单线故障时系统仍能保持正常工作。通过分析可以看出，除电源，行程开关失效故障外，其它故障对系统影响很小，可以忽略。
以电路仿真、故障字典法、诊断算法等关键技术实现了模拟电路故障诊断系统。由于模拟电路的非线性、容差等问题增加了测试诊断难度,使诊断效果与数字电路相比尚有差距, 阻碍了系统自动化程度的提高。因此, 本系统仿真算法的改进和优化将是一个持续不断的过程。
参考文献：
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论文作者:刘欢,商智凯
论文发表刊物:《电力设备》2018年第15期
论文发表时间:2018/8/20
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