第13章Multisim14在電路故障診斷中的應(yīng)用CHINAMACHINEPRESS機(jī)械工業(yè)出版社引言

Multisim14不僅對(duì)電子電路的分析設(shè)計(jì)具有重要的作用，而且對(duì)教學(xué)和工程中常見的電路故障診斷等問題也有積極的意義。電路故障診斷的主要任務(wù)是，在已知電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、輸入激勵(lì)信號(hào)和部分響應(yīng)輸出的條件下，確定故障元件的物理位置和參數(shù)。電路故障診斷的常用方法：（1）故障字典法首先，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或?qū)嶋H需要，建立故障診斷需要的故障集，然后，通過故障模擬或仿真求出電路對(duì)應(yīng)故障集中每個(gè)故障發(fā)生時(shí)的響應(yīng)，將其編撰成一部故障與響應(yīng)特征一一對(duì)應(yīng)的字典。實(shí)測時(shí)，將故障電路的測試結(jié)果與故障字典中的相應(yīng)數(shù)據(jù)做比較，在字典中檢索出相應(yīng)的故障。引言（2）故障識(shí)別法首先，建立電路方程，實(shí)測后代入故障電路可測試點(diǎn)的電壓或電流數(shù)據(jù)，求解電路方程，得到故障電路所有元件的參數(shù)，再將其與標(biāo)稱參數(shù)值比較，在容差條件下辨識(shí)故障元件，進(jìn)行故障定位。（3）基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法根據(jù)診斷問題組織學(xué)習(xí)樣本，根據(jù)問題和樣本構(gòu)造神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，選擇合適的學(xué)習(xí)算法和參數(shù)，通過反復(fù)大量的訓(xùn)練，建立故障模式與輸出響應(yīng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。（4）端口UI曲線(端口阻抗特性)測試法將電路中電源置零并選定一個(gè)參考點(diǎn)，然后向被測結(jié)點(diǎn)施加一定的掃描電壓，即可得到被測結(jié)點(diǎn)處電流隨電壓變化的UI曲線。通過比較有故障和無故障電路板上相同結(jié)點(diǎn)的UI曲線，可以發(fā)現(xiàn)特性阻抗發(fā)生改變的結(jié)點(diǎn)，通常即為故障點(diǎn)。13.1仿真實(shí)驗(yàn)在端口UI曲線測試法中的應(yīng)用

工程上在使用端口UI曲線測試診斷法時(shí)，常用無故障的標(biāo)準(zhǔn)電路板作為對(duì)照用電路板。而當(dāng)擁有Multisim14仿真軟件后，就可以利用仿真電路替代無故障標(biāo)準(zhǔn)電路板進(jìn)行電路的故障診斷。此時(shí)，只要配置了直流電源、交流信號(hào)源和萬用表，利用Multisim14仿真軟件，即可進(jìn)行一般電路的故障診斷，降低了診斷成本，提高了診斷的靈活性。

下面以例說明應(yīng)用Multisim14的仿真實(shí)驗(yàn)，通過端口UI曲線測試進(jìn)行電路的故障診斷。利用端口UI曲線進(jìn)行電路故障診斷的步驟：（1）在仿真環(huán)境下輸入電路原理圖并仿真。（2）在仿真環(huán)境和實(shí)際測試環(huán)境下分別設(shè)置相同的UI測試電路。

1）分別將待測電路和仿真電路中的獨(dú)立電源和信號(hào)源置零并選定一個(gè)參考點(diǎn)；

13.1仿真實(shí)驗(yàn)在端口UI曲線測試法中的應(yīng)用

2）分別在實(shí)測環(huán)境和仿真環(huán)境下用掃描電壓源、響應(yīng)電流的采樣電阻和示波器構(gòu)成圖示的UI測試電路。其中，示波器A通道接掃描電壓源，B通道接響應(yīng)電流的采樣電阻上，示波器的時(shí)基設(shè)置成A/B或B/A狀態(tài)。這樣，示波器顯示的曲線就是反映被測試端口阻抗特性的UI曲線。利用端口UI曲線進(jìn)行電路故障診斷的步驟：（1）在仿真環(huán)境下輸入電路原理圖并仿真。（2）在仿真環(huán)境和實(shí)際測試環(huán)境下分別設(shè)置相同的UI測試電路。

（3）分別在仿真環(huán)境和實(shí)測環(huán)境下，將測試線接至相同的被測點(diǎn)，觀察被測點(diǎn)的UI曲線。13.1仿真實(shí)驗(yàn)在端口UI曲線測試法中的應(yīng)用

當(dāng)實(shí)測環(huán)境下被測結(jié)點(diǎn)的UI曲線與仿真環(huán)境下被測結(jié)點(diǎn)的UI曲線相同時(shí)，被測點(diǎn)不是故障點(diǎn)，與被測點(diǎn)相聯(lián)的元件一般無故障；反之，若實(shí)測環(huán)境下被測點(diǎn)的UI曲線與仿真環(huán)境下被測點(diǎn)的UI曲線不同，則被測點(diǎn)很可能是故障點(diǎn)，與被測點(diǎn)相聯(lián)的元件中就很可能有故障元件。13.1仿真實(shí)驗(yàn)在端口UI曲線測試法中的應(yīng)用本例中，仿真環(huán)境下被測點(diǎn)1、2、3、4的UI曲線分別如下圖所示：13.1仿真實(shí)驗(yàn)在端口UI曲線測試法中的應(yīng)用

當(dāng)電容C1存在擊穿故障（短路）時(shí)，測得結(jié)點(diǎn)1、2、3、4的UI曲線分別如下圖所示。

可見，結(jié)點(diǎn)1和結(jié)點(diǎn)4的UI曲線發(fā)生了明顯改變，對(duì)應(yīng)之最可能發(fā)生故障的元件是C1，與假設(shè)一致，診斷結(jié)果正確。13.2仿真分析在故障字典法中的應(yīng)用

故障字典法在應(yīng)用中的困難之一是，為形成故障字典，需先對(duì)待測電路進(jìn)行大量的故障模擬。為此，可利用仿真實(shí)驗(yàn)或仿真分析高效率、低成本地形成故障字典。

本節(jié)介紹一種利用結(jié)點(diǎn)電壓靈敏度仿真分析確定故障元件的改進(jìn)的故障字典法。

理論上可以證明：在線性電路中，任一元件參數(shù)Zk變化引起的結(jié)點(diǎn)電壓Vi與Vj的變化量ΔVi與ΔVj之比等于相應(yīng)結(jié)點(diǎn)的電壓靈敏度之比：

據(jù)此，可選擇2個(gè)測試結(jié)點(diǎn)i和j，利用仿真軟件對(duì)無故障電路進(jìn)行結(jié)點(diǎn)電壓靈敏度分析，求出每個(gè)元件參數(shù)Zk對(duì)測試點(diǎn)的電壓靈敏度

和

，算出二者之比，形成字典。實(shí)測時(shí)，在相同激勵(lì)下，測量待測電路中測試點(diǎn)i和j的電壓，求出測試點(diǎn)電壓的變化量ΔVi與ΔVj，算出其比值。將該比值與字典中的電壓靈敏度比值進(jìn)行比對(duì)，相同者對(duì)應(yīng)的Zk即為故障元件。13.2仿真分析在故障字典法中的應(yīng)用本節(jié)以圖示電路為例說明運(yùn)用仿真分析，通過電壓靈敏度比值建立故障字典，進(jìn)行電路故障診斷的步驟：（1）在仿真環(huán)境下輸入電路原理圖并仿真。（2）選擇測試點(diǎn)1、2、3，進(jìn)行電路的結(jié)點(diǎn)電壓靈敏度分析，圖示為電阻R1～R11對(duì)結(jié)點(diǎn)1的電壓靈敏度分析結(jié)果。同時(shí)，將分析結(jié)果輸出至Excel軟件，形成文檔Sheet1。重復(fù)上面步驟，還可分別做出電阻R1～R11對(duì)結(jié)點(diǎn)2、3的電壓靈敏度，并形成Excel文檔Sheet2和Sheet3。13.2仿真分析在故障字典法中的應(yīng)用（3）將步驟2得到的Sheet1、Sheet2和Sheet3合并成一個(gè)靈敏度分析結(jié)果的Excel文檔。（4）利用Excel的計(jì)算功能，求出每個(gè)元件參數(shù)對(duì)測試點(diǎn)電壓的靈敏度之比，得到靈敏度比值的Excel文檔。13.2仿真分析在故障字典法中的應(yīng)用（5）診斷時(shí)，測量待測電路中相應(yīng)結(jié)點(diǎn)的電壓，并與無故障的結(jié)點(diǎn)電壓比較，求出測試點(diǎn)電壓的變化量及其比值。

本例中，無故障時(shí)電路的結(jié)點(diǎn)電壓為U1=7.28796V,U2=4.27225V,U3=2.45026V。若設(shè)電阻R5開路，則對(duì)應(yīng)的結(jié)點(diǎn)電壓為U1=7.38462V,U2=3.69231V,U3=1.84615V。與無故障時(shí)的結(jié)點(diǎn)電壓比較，各結(jié)點(diǎn)電壓變化量為：ΔU1=0.096657V,ΔU2=0.57994V,ΔU3=0.60411V。進(jìn)一步算出各結(jié)點(diǎn)電壓變化量之比為：

0.1666672，

0.159999，

0.9599907。13.2仿真分析在故障字典法中的應(yīng)用（5）診斷時(shí)，測量待測電路中相應(yīng)結(jié)點(diǎn)的電壓，并與無故障的結(jié)點(diǎn)電壓比較，求出測試點(diǎn)電壓的變化量及其比值。（6）將各結(jié)點(diǎn)電壓變化量之比與各