现代模拟电路智能故障诊断方法研究与发展

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摘要:对系统可靠性和经济性要求的提高使得模拟电路故障诊断的重要性日益凸显。首先在介绍了模拟电路故障原因及分类的基础上,详细分析了模拟电路故障诊断的特点。针对传统诊断方法的不足之处,介绍了基于人工智能和现代信息信号处理的现代故障诊断方法,包括专家系统诊断方法、神经网络诊断方法、模糊诊断方法和基于核的诊断方法,同时系统地分析了每种方法的基本原理、优缺点、研究进展和典型应用。最后探讨了目前模拟电路故障诊断研究存在的问题和未来的发展方向。
关键词:模拟电路;故障诊断;人工智能;机器学习;核方法

    电子设备广泛应用于航天航空、通信、测量、自动控制、医疗器械等各个领域,其运行环境多种多样,如高温、高电磁干扰、高湿度、高辐射和振动等,有时甚至会经历两个极端的变化过程(例如,从超高温到超低温)。越是恶劣的运行环境,就越是要求更高的可靠性,如核电设备的控制系统、卫星的姿态控制系统等对于可靠性有着近乎苛刻的要求。这就要求我们不断研究新的方法和技术,进一步提高电子设备的可靠性,在发生故障后能够及时地检测、隔离、诊断故障。通过对电路进行监测、诊断并预测其发展趋势,可确保我们采取不同的应对措施对其进行有效的保养或维修,使其始终处于安全、经济、稳定的运行状态。
    电子设备中的电路系统分为模拟电路和数字电路两个部分,客观世界信号的本质决定了模拟电路在电子设备中的不可替代性,因此即使在数字电路充分发展的今天,模拟电路仍然广泛应用于科研、生产、生活的各领域。理论分析和长期的实际使用经验均表明,模拟电路比数字电路更容易出现故障,因此模拟电路的可靠性决定了整个电子系统的可靠性。

1 模拟电路故障产生原因及分类
    模拟电路故障可以定义为任何偏离元件标称值,并且使得整个电路发生异常的现象。模拟电路产生故障的原因通常来自设计、制造和使用这3个阶段。有些故障是由于元器件在设计过程中没有考虑到特殊的工作环境造成的,如高温、高辐射环境;有些故障是由于制造工艺缺陷造成的,如氧化厚度不足、封装缺陷;有些故障是由于元器件使用时间过长造成的,如元器件老化、磨损等。
    电路故障有多种不同的分类形式,通常是按照元件参数值偏离其标称值的程度划分为软故障(Soft Faults)和硬故障(Hard Faults)两类。软故障是指元件的参数随着时间或者环境条件的影响而偏离至不能允许的程度,从而导致了系统性能的异常或恶化。元件软故障通常不会导致电路网络拓扑结构的改变,大多不会对电路功能造成重要影响。硬故障又称灾难性故障,是指元件的参数突然发生很大的变化(如元件的短路、开路等),从而导致系统严重失效,甚至完全瘫痪。硬故障是一种结构性的破坏,它破坏了电路的拓扑结构,使电路功能失效。硬故障从本质上可以看作是软故障的某种特例,即元件参数变化的两种极端情况:极大值(开路)和极小值(短路)。图1为模拟电路故障所导致的系统性能参数的变化示意图,不同应用场合其性能参数变化是不同的。

 


    区分元件参数值偏离其容差范围所引起的故障类型原则是:实际元件参数值是否大于其标称值的10倍或者小于其标称值的0.1倍。电路元件值的变化引起故障类型的变化示意图如图2所示。从图中可以看到,当元件参数在之内时,认为是软故障,在此之外则认为发生了硬故障,其中为元件的标称值,为元件的容差范围。

 


    如果按照电路中同时发生故障元件的个数来划分,还可以分为单故障(Single Fault)和多故障(Multiple Fauhs)两种情况。通常单故障发生的概率在80%左右,发生多故障的概率较低。从故障在电路中随时间的表现形式来看,可分为持久故障(短路、开路等)和间歇故障(接触不良等)。
 

 

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