基于动态电源电流的舰船动力监控模拟电路故障诊断

Analog circuits are absolutely necessary, because most of the natural signals are analog signals. The environment parameters of naval ship change frequently, such as temperature, humidity. The problems of component tolerance in this environment are very complex, and these require more perfect analog circuits. Fault diagnosis of analog circuits is the bottleneck of circuits’ diagnosis at present. The rapid development of integrated circuits is crying for a new accessible signal except for the traditional voltage signal. A new signal will be studied systematically for fault diagnosis of analog circuits. The detailed content includes four parts. The first part is the measuring method of dynamic power supply current and the implementation circuits to acquire this signal. Secondly, the modeling method for simulating the dynamic power supply current of analog circuits will be studied. Thirdly, the features of dynamic power supply current and their variation characteristics corresponding to each typical fault will be ascertained through the in-depth research on internal fault mechanisms. And a feature extraction method will be proposed, too. At last, a special fault detection algorithm will be developed to estimate the state of analog circuits in power monitor and control system. The signal processing algorithms and the signal measuring method to obtain the best estimation results will be optimized simultaneously. The research results will lay a good foundation of analog circuits’ diagnosis in the aspects of signal processing algorithms and signal measurement. These achievements will have great significance to the reliability improvement of power monitor and control system and can be expanded to other military and civil applications.

客观世界信号的特点决定了模拟电路必不可少，而舰船温湿度变化频繁等恶劣环境对其动力监控模拟电路提出了苛刻的设计与诊断要求，容差效应问题极为突出；模拟电路诊断是当前电路诊断的“瓶颈”，且在电路集成化趋势下，迫切需要寻找传统电压信号之外新的可测信号。本题从一个新信号的角度开展全面、系统地模拟电路诊断方法研究，包括：模拟电路动态电源电流信号测量方法及其电路实现；动态电源电流信号的仿真建模方法；揭示典型故障与动态电源电流之间的内在关系，查明与故障密切相关的特征量及变异特性，并研究故障特征提取算法；重点突破舰船动力监控系统大容差影响情况下有效利用动态电源电流的故障检测算法。将算法研究和以获得最佳判断结果为目标的测量方法研究同时进行，突出二者交互作用，为动态电源电流应用于模拟电路诊断奠定理论方法基础和信号测量技术基础。研究成果对于提高舰船动力监控系统可靠性具有重要意义，也可移植应用于其它军用和民用领域。

客观世界信号的特点决定了模拟电路必不可少，而舰船温湿度变化频繁等恶劣环境对其动力监控模拟电路提出了苛刻的设计与诊断要求，容差效应问题极为突出；模拟电路故障诊断是当前电路故障诊断的“瓶颈”，且在电路集成化趋势下，迫切需要寻找传统电压信号之外新的可测信号。本题从一个新信号（动态电源电流，IDDT）的角度开展模拟电路故障诊断过程中的信号处理算法和信号测量方法研究，以与基于电压信号的故障诊断优势互补，共同推动模拟电路故障诊断的发展。. 将理论计算、仿真分析、实验测量相结合，发现PSpice对部分模拟电路IDDT信号仿真可能失准，分析了其中的原因，并针对性地提出了一种以分层细微建模为核心思想的物理模型仿真建模方法。. 在模拟电路IDDT信号测量方法研究方面，设计了两种测量电路：基于仪表放大结构的测量电路、隔离-放大型信号测量电路，用于实际电路的IDDT信号测量实验。. 研究了两种模拟电路IDDT信号故障特征提取算法，并进行了比较分析。利用IDDT信号在各频带投影序列的能量作为故障类型的表现形式，研究了基于频带能量分析的故障特征提取算法。将分数阶傅里叶变换与信息熵有机融合，提出了一种联合多分数域信息熵的模拟电路IDDT信号故障特征提取算法。. 将容差类比为工业生产过程中设备参数的正常波动，研究了基于主元分析的模拟电路故障检测方法，并进行了实验验证。结果表明，该方法不仅克服了电路容差的影响和不易建立解析模型的困难，而且解决了故障检测过程中根据经验设置检测阈值的难题。. 针对舰船动力监控模拟电路故障诊断中的容差问题，结合故障定位需求和特点，提出了人工免疫诊断网络（AIDN）算法。阐述了算法的总体思路和具体步骤，并进行了实验验证。结果表明，AIDN物理意义明显、对训练样本的适应性强，可以充分利用IDDT信号中包含的电路拓扑结构相关信息，实现容差条件下模拟电路的故障定位。. 研究成果对于提高舰船动力监控系统可靠性具有重要意义，也可移植应用于其它军用和民用领域。