基于相量分析的模拟电路故障诊断方法研究

摘要

模拟电路测试诊断技术在过去几十年取得了巨大发展，但是由于模拟电路的性能对电路变量和激励的变化更加敏感，以及缺乏适当的故障模型、元件参数连续可变、存在元件容差和非线性等因素，模拟电路故障诊断理论和技术的发展仍然滞后于数字电路，因此在数模混合信号系统设计制造等领域，模拟电路部分占用了很大比例的系统测试开发成本，模拟电路的故障诊断技术是近年来极富挑战性的研究热点和难点之一。
　　本文以模拟电路故障诊断方法为研究主线，基于相量分析方法，结合多频电压灵敏度分析、小波分析及支持向量机等理论和技术，研究了模拟电路的故障建模、故障特征提取及多故障优化诊断策略，取得了一些具有一定应用价值的创新成果，对模拟电路故障诊断技术发展进行了有益探讨。
　　1.通过研究复数域相量分析方法及模拟电路斜率故障模型，分析了模拟电路相量圆故障模型，完善了相量圆故障模型的理论推导，给出了基于相量圆故障模型建立故障字典所需参数的准确数学描述，达到了基于少量故障样本仿真数据拟合完整故障模型的效果，极大降低了模拟电路的故障建模复杂度，实现了模拟电路各元件软故障和硬故障的有效故障覆盖。
　　2.针对相量圆故障模型应用于模拟电路诊断时存在的模糊组问题，从理论角度分析了模糊组的形成因素；结合系统冗余设计思想和基于旁路的可测性设计方法，面向相量圆故障模型提出了基于冗余元件旁路的可测性设计方法，有效解决了模拟电路故障诊断中的模糊组辨识问题，简化了故障诊断测试步骤，提高了测试诊断的故障隔离率。
　　3.为了克服元件容差和测量误差对故障诊断效果的影响，分析了相量圆故障模型和斜率故障模型之间的内在联系，研究并提出了多维复数相量空间的模拟电路故障建模方法，通过有效增加故障模型中各元件故障轨迹之间的空间距离，进一步改善了故障隔离率等可测性指标。还初步探讨了基于多维向量空间建立模拟电路多故障模型的方法，为模拟电路多故障建模和诊断提供了新的思路。
　　4.以数理统计和主成分分析方法为理论基础，研究了总体正态分布的马氏距离计算方法，给出了基于信息熵和主成分方差贡献率的马氏距离加权算法，在此基础上结合相量分析方法，以测点响应信号的实部和虚部作为单独的样本数据，改进了模拟电路故障特征提取策略，实现了模拟电路硬故障和软故障的特征提取，并取得了较为良好的效果。
　　5.为了解决模拟电路多故障诊断问题，研究了多频激励的模拟电路故障诊断策略。首先研究了不同频率激励信号依次作用于电路时，测点电压实部和虚部变化量与元件参数变化量之间的灵敏度关系，给出了基于单测点多频电压灵敏度建立故障字典的方法。其次研究了周期脉冲信号激励下，基于小波包分解方法提取模拟电路故障特征的方法；提出了基于混合杂草算法优化支持向量机核心参数的方法，结合小波包分解技术实现了模拟电路多故障诊断，取得了良好的故障诊断准确率。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第一章 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 故障诊断发展历程与现状

1.3 故障诊断研究的发展趋势

1.4 论文研究内容与结构安排

第二章 基于相量法的模拟电路故障建模

2.1 相量分析与可测性指标

2.2 基于相量法的斜率故障模型

2.3 模拟电路的相量圆故障模型

2.4 相量圆模型实例

2.5 本章小结

第三章 基于相量圆模型的可测性设计方法

3.1 基于相量圆模型的Bypassing设计

3.2 基于冗余设计和Bypassing的可测性设计

3.3 DFT实例验证与对比分析

3.4 本章小结

第四章 多维相量空间的故障建模方法研究

4.1 相量圆故障模型与斜率故障模型的相关性

4.2 面向三维复数相量空间的故障建模方法

4.3 相量空间的多故障建模方法

4.4 本章小结

第五章 基于马氏距离的故障特征提取方法

5.1样本统计分析与距离判别分析

5.2 基于马氏距离的模拟电路故障特征提取

5.3 基于马氏距离的故障特征提取实例

5.4 本章小结

第六章 模拟电路多故障诊断策略的研究

6.1 多测点电压灵敏度诊断策略

6.2 多频电压灵敏度诊断策略

6.3 基于脉冲激励的诊断策略

6.4本章小结

第七章 结束语

7.1 论文工作总结

7.2 研究展望

致谢

参考文献

攻博期间取得的研究成果