一种基于故障字典的开关电流电路故障诊断方法技术

一种基于故障字典的开关电流电路故障诊断方法，其包括以下步骤：1)采集开关电流电路的电信号，所述电信号为开关电流电路的可测试节点时域响应信号；2)对采集的电信号做中心化处理；3)定义电路故障模式；4)计算电信号的信号熵值；5)找到信号熵值的模糊集；6)根据信号熵值和信号熵值的模糊集建立故障字典，利用故障字典对被诊断电路的各种故障进行分类。使用本发明专利技术，不仅能分类硬故障，也能定位软故障；同时，还可用于实时和非实时系统，适用范围广。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于模式识别及电子电路工程领域，具体涉及一种基于故障字典的开关电 流电路故障诊断方法。
技术介绍
传统的模拟和开关电流电路故障包括灾难性故障(硬故障)和参数性故障(软故 障)，灾难性故障指元件的开路和短路失效故障，对电路性能造成极大的影响，这种故障可 改变电路的拓扑结构，诊断起来相对容易些。而参数性故障是指电路元件的参数超出预定 的容差范围，这类故障不会改变电路的拓扑结构，一般它们未使设备完全失效，但会造成电 路性能严重下降。关于开关电流电路测试和故障诊断方面，由于元器件存在容差、非线性问题和较 差的电路故障模型等因素，使开关电流电路和模拟系统故障诊断难度大大增加，使其成为 极具挑战性的研究课题。一般来说，元件参数在容差范围内存在随机的偏移，由于容差的普 遍存在，导致故障存在模糊性，即故障的可测性变差。从电路故障诊断的实践来看，故障诊 断面临的最大困难是元件参数的容差。实际的模拟和开关电流电路往往含有非线性元件， 而且大量的非线性问题在线性电路中也常存在，所以在故障诊断时，难免会有庞大的计算 量和复杂的计算公式。模拟和开关电流电路中，输入与输出之间的关系较复杂且难以模型 化，导致至今仍缺乏有效模型对通用的故障进行诊断。在开关电流电路故障诊断的诸多方法中，故障字典法由于可诊断条件无严格限 制，非常适用于诊断非线性电路和在线故障诊断，实用性较强，越来越受到重视。但是，传统 的故障字典法一般只适用于单一硬故障的诊断，对于软故障，由于电路中的容差影响缺少 系统而有效的处理方法，所以传统的故障字典法不太适用，传统故障字典法存在较大的局 限性。
技术实现思路
为了克服现有技术存在的上述问题，本专利技术提供一种适用范围广的基于故障字典 的开关电流电路故障诊断方法。本专利技术的技术方案是其包括以下步骤1)采集开关电流电路的电信号，所述电信号为开关电流电路的可测试节点时域响应信号；2)对采集的电信号做中心化处理；3)定义电路故障模式；4)计算电信号的信号熵值；5)找到信号熵值的模糊集；6)根据信号熵值和信号熵值的模糊集建立故障字典，利用故障字典对被诊断电路 的各种故障进行分类。所述步骤1)中采集开关电流电路电信号的方法为用数据采集板在实际电路可 测试节点提取时域响应信号，或用ASIZ软件对电路的各种故障状态进行仿真，采集到电路 时域响应信号。所述步骤2)中对采集的电信号做中心化处理的方法为信号向量χ用减去均值的 方法进行中心化，即X — X-E {χ}。所述步骤幻中定义电路故障模式的方法为以诊断六阶切比雪夫低通滤波器软 故障为例，假设电路中同时发生故障的晶体管有5个，分别为Mgl，Mfl, Me2, Mdl和Mj。当 晶体管Mgl跨导值高于或低于它的标称值50%，而其它四个MOS管在其容差范围内变化，这 时所得到的故障模式分别为Mgl丨和Mgl丨。所述六阶切比雪夫低通滤波器软故障模式包 Mgl 个，Mgl I , Mfl 个，Mfl I , Me2 个，Me2 I , Mdl 个，Mdl I , Mj 个，Mj I 。所述步骤4)中计算电信号的信号熵值的计算公式为J (x) ^ Ic1 (Ε {G1 (χ)}) 2+k2 (Ε {G2 (χ)} -E {G2 (ν)})2；式中，、二36/(8^- , ^=1/(2-6/^),^和1 是正常数，它们是满足标准正态分布的随机变量；E代表期望值；G1为奇函数，G2为偶函数，χ为电信号对应的变量， ν为某个随机变量，其概率密度函数为标准的高斯分布，五JVg)G2k>^，其中 φ(ξ)^εχρ{-ξ212)1^τ·,作为一个简单特例，所述的G1 (χ) =xexp(-x2/2), G2(x) = x|。所述步骤5)中的找到信号熵值的模糊集的方法是当开关电流电路中的晶体管 跨导值在容差范围内变化时，对应每一种故障模式，运行50次蒙特卡罗(Monto-Carlo)分 析，产生50次时域响应，找到信号熵值的的模糊集。所述步骤6)中的故障字典包括软故障类故障字典和硬故障类故障字典，软故障 类故障字典结构包括故障模式、故障代码、标称值、故障值、实际信号熵值、理想信号熵值 和信号熵值的模糊集；硬故障类故障字典结构包括故障模式、故障代码、实际信号熵值、 理想信号熵值和信号熵值的模糊集。故障代码是每一种故障模式所对应的代码，例如可用F0，Fl, F2，…来表示；标称 值是开关电流电路中MOS晶体管的规一化跨导值；故障值是偏移MOS晶体管标称值50%所 得到的晶体管跨导值；实际信号熵值是根据数据采集板在实际电路可测试节点采集到的时 域响应数据，再代入到信号熵值公式中计算所得到的值；理想信号熵值是根据ASIZ软件仿 真得到时域响应数据，再代入到信号熵值公式计算所得到的值。所述故障字典的诊断原理包括两个工作过程构建故障字典过程(学习过程)和 故障诊断过程(测试过程)。本专利技术运用上述原理，首先利用数据采集板对实际被诊断电路(CUTs)可测试节 点提取时域响应信号，或者利用ASIZ软件对电路进行仿真，从电路的时域输出响应信号中 提取原始数据，然后在MATLAB软件中计算其信号熵值，对原始数据进行预处理(即计算信 号熵值)，这样，提取到了每种故障模式下的故障特征参数，并找到信号熵值的模糊集，构建 一个故障字典。故障字典将对被诊断电路的各种故障进行分类。实践表明，当开关电流电路中的晶体管跨导值Gm在5%或10%容差范围内变化 时，不同故障模式下的信号熵值落在不同的区域，因此，当响应不重叠时，能正确检测到故CN 102129027 A说明书3/6页障晶体管。考虑到容差虽然有一些重叠数据，但故障识别准确率达到95%以上。使用本专利技术，在计算信号熵值时，提取到的故障特征参数的个数少，仅有唯一一个 特征参数，减少了计算和故障诊断时间；所构建的故障字典的规模小、结构简单，故障检测 时间短，易于实现系统的自动化处理；使用本专利技术，不仅能分类硬故障，也能定位软故障； 同时，还可用于实时和非实时系统，适用范围广。附图说明图1为本专利技术故障诊断原理框图。图中虚线箭头所示过程为构建故障字典过程，实线箭头所示过程为故障测试和诊 断过程。具体实施例方式以下结合附图和实施例对本专利技术进行详细的说明。参照图1，本实施例包括如下步骤1)采集开关电流电路的电信号，所述电信号为开关电流电路的可测试节点时域响 应信号；具体方法为用数据采集板在被诊断电路(CUTs)可测试节点提取时域响应信号， 或用ASIZ软件对电路的各种故障状态进行仿真，采集到电路时域响应信号。2)对采集的电信号做中心化处理，将信号向量χ用减去均值的方法进行中心化， 即 χ — x-E {χ}；3)定义电路故障模式；4)计算电信号的信号熵值；5)找到信号熵值的模糊集；6)根据信号熵值和信号熵值模糊集建立故障字典，利用故障字典对被诊断电路的 各种故障进行分类。所述步骤幻中，对采集的电信号做中心化处理的具体方法为将信号向量X用减 去均值的方法进行中心化，即χ ^x-E {χ}；这个均值Ε{χ}在实际中是由数据采集样本x(l)，乂2)，…，X(Ii)计算其期望得到 的。所述步骤幻中，定义电路故障模式的方法为以诊断六阶切比雪夫低通滤波器软 故障为例，假设电路中同时发生故障本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种基于故障字典的开关电流电路故障诊断方法，其特征在于，包括以下步骤：１）采集开关电流电路的电信号，所述电信号为开关电流电路的可测试节点时域响应信号；２）对采集的电信号做中心化处理；３）定义电路故障模式；４）计算电信号的信号熵值；５）找到信号熵值的模糊集；６）根据信号熵值和信号熵值的模糊集建立故障字典，利用故障字典对被诊断电路的各种故障进行分类。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：何怡刚，龙英，袁莉芬，方葛丰，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：43