基于SLPS的模拟电路故障样本自动获取技术

摘要：故障样本数据的获取是模拟电路故障诊断中最基本的步骤。为了实现短时间内多次进行故障注入、获取大量样本数据，提出了基于SLPS的样本数据自动获取技术。利用SLPS将PSpice与Matlab结合，采用Matlab编程，实现故障模拟电路仿真数据获取的自动化。实际应用表明该方法操作简便，自动化程度高。
关键词：模拟电路；故障样本数据；SIPS；Matlab；PSpice

    随着电子技术的迅速发展，电子设备的性能得到了很大的提高。模拟电路是电子设备中最易发生故障的薄弱环节，所以对其进行故障诊断具有重要意义。模拟电路故障诊断中最基本的是故障样本数据的获取。最常用的是利用Matlab和PSpice联合仿真提取故障样本数据。PSpi ce是一款电路仿真软件，可以得到精确的仿真结果；Matlab由主开发环境、工具箱、simulink仿真环境等内容组成，具有强大的数据处理功能。将PSpice和Matlab结合，利用各自优势完成模拟电路故障样本的获取，为故障特征提取做准备。
    PSpice软件运行的数据结果以．out或．txt文本形式输出，包括输入文件，元件模型参数等内容。吴昊用的方法是先用Str2num函数去掉．out文件中不相干内容，再通过textread函数读取所需内容。满高华先用任选项设置(options)来简化．out文件内容，再用feof等函数读取有价值数据。杨博文先将．txt文件中的第一行字段名删除并保存为．dat格式，再用importdat函数提取有用数据。
    上述方法都需要等PSpice仿真文件形成以后再进行数据操作，且后续操作的前提是电路文件不变。如若用故障字典法、神经网络或遗传算法等方法来进行模拟电路故障诊断，需要一次次的手动注入故障再进行仿真获取故障样本数据。尤其是利用遗传算法时需要成千上万次的样本提取，会消耗大量时间，所以故障注入及故障样本数据获取的自动化显得尤为重要。文中采用基于SLPS的模拟电路故障样本获取技术，实现了故障注入，样本提取的自动化。

1 基于SLPS的模拟电路故障样本获取流程
1．1 SLPS功能简介
    SLPS是Cadence Design Systems公司针对PSpice模拟仿真器与Mathworks公司的Matlab建模工具推出的接口软件。该接口可用于电路系统的仿真。SLPS主要是链接PSpice至Matlab中的simulink仿真器。对于完整的机电系统的电子仿真，用户可通过一个原型来实现一个系统设计。
1．2 故障样本获取技术流程
    故障样本获取技术流程图如图1所示。

    1)在PSpiee中建立正常电路
    在PSpice内部绘制电路图，设置参数选项。并运行一次仿真，产生．cir文件。
    2)建立simulink子系统，加入SLPS模块
    在Matlab中新建model文档，打开slpslib，加入SLPS模块，链接其输入输出，运行产生．mdl文件。并产生相应的SLPS_*．cir、SLPS_ *．net文件。在Matlab的Command Window窗口中输入open_system(*)即可打开系统查看，并手动修改设置参数。simulink中simulation-confignration parameters选项可按电路设置slover、max step size，仿真时间等参数，确定仿真时间内的采样点数。数据结果输出的方式可在simulink下sink中选择，选择simout将仿真数据输出到workspace工作区浏览器进行处理。
    3)建立电路故障表
    按照电路元件编号有序列出所有可能存在的故障，建立电路故障表。
    4)运行程序自动读取故障表获取故障样本数据编写．m文件，运行程序自动读取故障表，调用子系统生成故障电路样本数据。

2 程序设计实现流程
    上述流程中1)～3)，是自动获取技术实现前的准备工作，而4)是自动获取技术的关键步骤。具体的程序设计实现流程如图2所示

    1)读取故障表并进行故障注入  读取故障表，按照故障表逐个设置故障。研究发现．cir文件中又调用了．net文件，实验证明，直接修改．net文件内容即可修改元器件名称及参数形成故障电路。编写．m文件，用fopen语句打开．net文档并修改其元件参数，形成故障电路。
    2)在Matlab中调用系统并运行  用load_system命令重新载入修改参数后的系统，sim命令运行系统。
    3)输出故障样本数据  将输出的故障样本数据存储在一个矩阵中，每一列为一个故障样本，行数由周期内采样点数和采样时间决定。矩阵列数由故障表内故障个数决定，为故障样本个数。
    4)恢复正常电路  将故障表中的故障作为变量，调用子程序，将故障电路参数修改回正常电路参数。为下次的故障设置做好准备。

3 应用实例分析
    文中采用实例验证上述方法的可行性及样本数据的精准性。实例采取元件级仿真电路，图3电路为低通滤波电路。此电路是Intemation al Test Conference(ITC’97)中发布的一个模拟电路基准测试电路。
    在PSpice中画好此电路图，并进行瞬态仿真。建立testmodel系统，加入SLPS模块，双击SLPS模块，打开SLPSsetting，将sine wave代替PSpice中原本的输入，选择simout方式输出到Matlab中。Testmodel系统如图4所示。

    设置输入VAMPL为1 V，FREQ为1 k的信号源．maxstep size为1 μs，仿真时间设为2 ms，即仿真两个周期。系统建立完成后根据电路图建立故障表。文中以硬故障为例，每个元件有短路、开路、正常3种状态，现考虑R1、R2、R3、C4 4个元件，一共是34=81种状态，其中80种故障，一种正常状态。在PSpice中不得出现节点悬空，否则无法通过编译，所以故障建模时开路状态选用99 999kΩ的电阻表示，短路则用0．0 05 5μΩ的电阻表示。打开Matlab运行程序，每个状态能在workspace中得到2002x1的样本数据矩阵，即单个故障样本。故障表为81种状态，则最后得到2002x81的矩阵，即电路样本数据集。

    画图对比验证样本数据获取的准确性。举例设置故障电路：R1开路，R2开路，R3短路，C4正常，将此故障电路在PSpice中画出，同样设置最大步长为1μs，仿真时长为2 ms，并进行瞬态仿真得出图5。在matlab中运行系统，得到的样本数据用plot(tout，testvout)命令画出波形图如图6所示。由对比图可见，文中采用的方法可以获得正确的样本数据。且程序运行结果表明本文采用的方法获得的数据精准度高，且程序运行一次完成81种故障样本数据的采集。从修改电路到完成仿真，获取故障样本仅需不到30s的时间。

4 结论
    经实例验证，文中采用的方法操作简便，收集到的样本数据精准，自动化程度高。此方法大大提高了模拟电路故障样本获取的速度，为建立故障字典及模拟电路故障诊断提供了极大的方便。