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        電子儀器儀表設(shè)備的質(zhì)量及常見故障分析

        2021-09-10 07:29:30中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所王怡靜
        區(qū)域治理 2021年34期
        關(guān)鍵詞:電子儀器功能模塊字典

        中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所 王怡靜

        空間電子儀器是針對于地球外層空間運(yùn)行的電子信息系統(tǒng)。隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展,國內(nèi)外對電子儀器的研究越來越多,特別是空間電子儀器,投入了大量的人力和財(cái)力。對于空間電子儀器而言,工業(yè)技術(shù)的快速發(fā)展讓電子儀器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得越來越精細(xì),集成度也越來越高。加上工作環(huán)境處于高輻射、高電磁干擾以及高溫的狀態(tài),相對于地面電子儀器而言更容易發(fā)生電路故障。一旦發(fā)生故障,輕則影響設(shè)備正常運(yùn)行,重則造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。因此,對空間電子儀器的電路故障診斷研究勢在必行。

        一、功能故障檢測方法

        (一)基于模塊電路幅頻特性的故障

        對控件電子儀器的模擬電路進(jìn)行了功能模塊設(shè)計(jì),明確了各個(gè)模塊之間的信號轉(zhuǎn)換方式和特征,因此在進(jìn)行故障診斷過程中,可以通過對比字典信息的方式進(jìn)行故障診斷。

        (1)數(shù)字基帶的發(fā)射濾波器的信號輸入主要是通過DA進(jìn)行,轉(zhuǎn)換后的信號表示為:S1=Asin(w1t+φ1),頻率不變,幅度發(fā)生變化。

        (2)在發(fā)射通道模塊的信號輸入主要通過數(shù)字基帶模塊進(jìn)行信號傳入,表示為:S2=Bsin(w1t+φ2),輸出信號是通過發(fā)射通道轉(zhuǎn)換為射頻信號。

        (3)接收通道模塊通過雙工器發(fā)射的射頻信號,表示為:S3=Dsin (w4(t-τ4)+φ4)+n(t),其中n(t)表示接收信號的噪聲;τ4表示信號延時(shí)。

        (4)數(shù)字基帶接收濾波器的信號輸入主要通過接收通道獲取,表示為:S5=Esin(w5t+φ5)。頻率不變,幅度會(huì)變。

        在檢測電路故障過程中,首先判斷電路發(fā)生故障的原因是否是功能故障。通過檢測模塊進(jìn)行功能故障檢測,輸出信號,獲取測試節(jié)點(diǎn),通過輸出信號的頻率判斷電路是否發(fā)生功能故障。

        (二)基于模塊電路輸出波形距離的故障

        先檢測出故障電路,然后在進(jìn)行故障診斷,確定故障元件。對于電子空間儀器中的模塊,可以根據(jù)輸出波形確定不同電路元件故障的差異化。在實(shí)際的電路應(yīng)用中,電路的激勵(lì)是不變的,在測試之前,通過激勵(lì)的方式構(gòu)建信號特征的方式不適用于空間電子儀器的故障診斷。如果采用輸出信號的波形確定故障元件定位,有一定效果。基于模塊電路,在正常狀態(tài)下,輸出信號波形將作為第二故障字典,引入距離函數(shù)計(jì)算故障模塊電路,從而確定故障位置。

        測量信號模型:

        公式(1):

        表示測量信號,屬于時(shí)間函數(shù),g()表示函數(shù)的形式;t表示函數(shù)的自變量;v表示因變量;w(t)表示噪聲。

        本研究是對功能模塊電路的故障診斷問題進(jìn)行討論,并進(jìn)行問題解決。時(shí)間集根據(jù)采樣信號獲得離散集,即:

        公式(2):

        TN={t1,t2,…,tn}距離函數(shù)是用來定義測量信號的參數(shù)值,對于任意測量信號,都會(huì)存在偏差,即:公式(3):

        在功能模塊的電路故障元件中,ρ(v0,v)是用來計(jì)算電路故障的,也用來計(jì)算與電路測前仿真的狀態(tài)相似度。功能模塊電路的故障定位問題轉(zhuǎn)化為距離計(jì)算問題,根據(jù)測前仿真的模塊電路,設(shè)定輸出信號字典,并對字典中存儲(chǔ)的輸出信號采樣進(jìn)行測試,測后通過對輸出信號的采樣,計(jì)算兩個(gè)測量信號之間的距離。即:

        公式(4):

        根據(jù)公式(4)得到最小距離ρ(Si,X),從而判斷電路的故障狀態(tài),獲取故障元件位置。

        二、軟故障診斷方法

        (一)基于故障字典的模擬電路故障診斷

        1.功能模塊電路的故障快速檢測法

        對模擬電路進(jìn)行故障診斷的最終目的就是判斷電路是否能夠正常運(yùn)行并實(shí)現(xiàn)各自功能,如果發(fā)生故障后能夠及時(shí)處理電路故障,可以最大化的保證電路的正常工作。基于此,對空間電子儀器模擬電路進(jìn)行功能模塊劃分后,建立基于故障字典的模擬電路快速故障檢測。該方法檢測的核心是在檢測之前,先對不同模塊的電路建立功能故障字典,檢測電路的功能特性后確定模塊電路是否會(huì)發(fā)生故障。故障診斷過程中,通過測量的方式得到功能模塊電路的功能特性,并查找對應(yīng)的故障字典,就能夠快速地判斷出電路功能模塊是否存在故障。

        2.故障類型診斷

        (1)斜率故障

        對于電阻、電導(dǎo)、電感等線性無容差模擬電路,當(dāng)發(fā)生故障后,不管參數(shù)偏離多少,任取兩節(jié)點(diǎn),測量電壓的斜率。根據(jù)電路理論得到:公式(5):

        在線性模擬電路中,當(dāng)單個(gè)元件的參數(shù)發(fā)生變化時(shí),電路中的節(jié)點(diǎn)電壓值不便,則斜率即可作為故障字典中的故障特征

        (2)折線故障

        雖然在非線性元件中,不同的狀態(tài)所體現(xiàn)的電特性不同,但是工作狀態(tài)的數(shù)量不會(huì)發(fā)生較大變化。在不同的狀態(tài)下,利用線性元件進(jìn)行代替,不會(huì)影響其電特性。對于非線性電路,如果電路中的非線性元件處于單一的工作狀態(tài),則電路中的每一個(gè)非線性元件都會(huì)與對應(yīng)的線性元件交替,從而保證電路的整體性能保持不變。針對此,對非線性電路故障元件的折線故障模型有了新的研究方向。

        假設(shè)在一個(gè)直線非線性電路中包含了多個(gè)非線性元件,用n表示,則每一個(gè)非線性元件就會(huì)有多個(gè)線性工作區(qū)間。當(dāng)電路發(fā)生軟故障后,故障元件的參數(shù)發(fā)生變化。在元件鄰域中,故障元件始終處于工作區(qū)間,并且電路中的其他非線性元件工作狀態(tài)保持不變。在小的鄰域范圍內(nèi),電路中所有的非線性元件都會(huì)有對應(yīng)的線性元件進(jìn)行替代,且不會(huì)改變電路的特性。這時(shí)電路是線性的,可以采用任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)電壓隨著參數(shù)的變化滿足線性故障元件的斜率故障模型。當(dāng)電路中某一個(gè)元件參數(shù)發(fā)生變化,在元件的不同參數(shù)范圍內(nèi),將電路使用不同的線性電路進(jìn)行替代,從而滿足不同的斜率故障。將元件中所有的斜率故障連接起來后,得到折線故障類型

        3.分級故障診斷

        利用字典法,對模擬電路進(jìn)行故障診斷,該方法的優(yōu)勢就是可以節(jié)約成本,在進(jìn)行故障診斷時(shí),根據(jù)檢測結(jié)果,查找電路分級故障,完成對電路的分級故障診斷。如果只檢測電路故障,只需建立一級故障字典中的輸出電壓值即可判斷電路是否正常運(yùn)行。在確定電路發(fā)生故障之前,要先確定電路故障元件的位置,建立二級字典??紤]到元件容差的問題,對于線性電路,可以通過公式(6)進(jìn)行斜率計(jì)算。對于非線性電路,計(jì)算出點(diǎn)到各折線的距離,算出最小距離即可找到對應(yīng)的元件。采用二級故障字典診斷出故障元件后,還需要找到故障元件的所在區(qū)間,采用三級字典便可實(shí)現(xiàn)元件參數(shù)區(qū)間的查找。

        公式(6):

        (二)基于改進(jìn)型松散小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)故障診斷

        1.BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

        BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)采用BP學(xué)習(xí)算法,是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的一種重要類型,可以對各種復(fù)雜的映射關(guān)系進(jìn)行表達(dá)。多層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以解決非線性映射問題,結(jié)構(gòu)簡單,在模擬電路的故障診斷中應(yīng)用較多。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的工作過程中輸入信號,是采用輸入到輸出的方向進(jìn)行正向傳播,誤差信號則相反,利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在處理函數(shù)逼近以及數(shù)據(jù)壓縮問題時(shí)具有較好效果。利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行模擬電路的軟故障診斷,可以降低排障人員的工作壓力,完成軟故障數(shù)據(jù)特征提取、軟故障診斷的功能。利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),對軟故障進(jìn)行診斷,識別電路的故障元件,通過測量得到的電路故障原始輸出信號,按照特定的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)特征的提取,然后再導(dǎo)入到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中,即可自動(dòng)識別發(fā)生故障的元件位置。

        2.故障診斷

        利用改進(jìn)型松散小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行電路軟故障診斷,需要進(jìn)行測前軟故障特征提取以及測后的故障診斷兩個(gè)階段。

        測前軟故障主要是對空間電子儀器中的待測電路進(jìn)行分析,確定可測節(jié)點(diǎn),再利用仿真工具進(jìn)行仿真測試,獲取電路的軟故障采樣信號,根據(jù)故障特征確定網(wǎng)絡(luò)輸入層和神經(jīng)元個(gè)數(shù),再通過實(shí)驗(yàn)試湊方法設(shè)定隱層神經(jīng)元個(gè)數(shù)。最后進(jìn)行測后故障診斷,利用仿真得到目標(biāo)電路的原始數(shù)據(jù),按照與測前軟故障一樣的方法獲取原始故障特征,從而確定故障元件位置。

        三、結(jié)束語

        在“大數(shù)字、小模擬”的發(fā)展趨勢下,模擬電路的故障診斷極為重要。電子儀器中的模擬電路一旦發(fā)生故障,將會(huì)造成巨大的損失??臻g電子儀器相對于地面電子儀器而言,故障發(fā)生后所造成的損失更大,因此以空間電子儀器為研究對象,介紹了電子儀器模擬電路發(fā)生故障的類型以及方法,為后續(xù)研究工作奠定基礎(chǔ)。

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