控制系統(tǒng)故障診斷概述

1、控制系統(tǒng)故障診斷技術(shù),2012.3.25,一、概述,1986年1月28日，美國(guó)“挑戰(zhàn)者”號(hào)航天飛機(jī)從肯尼迪航天中心發(fā)射場(chǎng)起飛后約一分鐘在空中爆炸，7位機(jī)組人員全部遇難。,一、概述,1986年4月26日，世界上最嚴(yán)重的核事故在蘇聯(lián)切爾諾貝利核電站發(fā)生。烏克蘭基輔市以北130公里的切爾諾貝利核電站的災(zāi)難性大火造成的放射性物質(zhì)泄漏，污染了歐洲的大部分地區(qū)。 2011.3.11日本9.1級(jí)地震/海嘯/福島核事故,一、概述,“哥倫比亞”號(hào)原定于

2、美國(guó)東部時(shí)間2003年2月1日上午9時(shí)16分返回肯尼迪航天中心。但在美國(guó)東部時(shí)間9時(shí)左右，當(dāng)時(shí)“哥倫比亞”號(hào)航天飛機(jī)的飛行高度約63000米，飛行速度約20000千米/小時(shí)，之后航天飛機(jī)在得克薩斯州上空解體。,一、概述,現(xiàn)代系統(tǒng)正朝著大規(guī)模、復(fù)雜化的方向發(fā)展，這類系統(tǒng)一旦發(fā)生事故就有可能造成人員和財(cái)產(chǎn)的巨大損失。人們迫切需要提高現(xiàn)代系統(tǒng)的可靠性與安全性。系統(tǒng)的故障診斷(Failure Diagnosis)與容錯(cuò)控制(Fault Tole

3、rant Control)則為提高復(fù)雜系統(tǒng)的可靠性開(kāi)辟了一條新的途徑。　　如果當(dāng)執(zhí)行器、傳感器或元部件發(fā)生故障時(shí)，閉環(huán)控制系統(tǒng)仍然是穩(wěn)定的，并具有較理想的特性，就稱此閉環(huán)控制系統(tǒng)為容錯(cuò)控制系統(tǒng)。1991年，瑞典的Astrom教授明確指出容錯(cuò)控制具有使系統(tǒng)的反饋對(duì)故障不敏感的作用。容錯(cuò)控制方法一般可以分成兩大類，即被動(dòng)容錯(cuò)控制(passive FTC)和主動(dòng)容錯(cuò)控制(active FTC)。　　動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的故障檢測(cè)與診斷(Fault D

4、etection and Diagnosis, FDD)是容錯(cuò)控制的重要支撐技術(shù)之一。FDD技術(shù)的發(fā)展已大大超前于容錯(cuò)控制，其理論與應(yīng)用成果也遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于容錯(cuò)控制。目前國(guó)際上每年發(fā)表的有關(guān)FDD方面的論文與報(bào)告在數(shù)千篇以上?；诮馕鋈哂嗟墓收显\斷技術(shù)被公認(rèn)為起源于Beard于1971年發(fā)表的博士論文。1976年，Willsky在《Automatica》上發(fā)表了第一篇FDD方面的綜述文章。Himmelblau于1978年出版了國(guó)際上第一本FD

5、D方面的學(xué)術(shù)著作。,一、概述,國(guó)際自動(dòng)控制界對(duì)故障診斷和容錯(cuò)控制的發(fā)展給予了高度重視。1986年9月，在美國(guó)Santa Clara大學(xué)舉行的自動(dòng)控制高峰會(huì)議上，把多變量魯棒、自適應(yīng)和容錯(cuò)控制列為控制科學(xué)面臨的富有挑戰(zhàn)性的研究課題。在國(guó)際上，領(lǐng)導(dǎo)著故障診斷和容錯(cuò)控制學(xué)科發(fā)展的是1993年成立的IFAC技術(shù)過(guò)程的故障診斷與安全性技術(shù)委員會(huì)。從1991年起，IFAC每3年定期召開(kāi)FDD與FTC方面的國(guó)際專題學(xué)術(shù)會(huì)議。在近幾屆的IFAC世界大會(huì)

6、上，F(xiàn)DD與FTC方面的論文在不斷增加。　　　作為一門(mén)交叉性學(xué)科，故障診斷、容錯(cuò)控制與魯棒控制、自適應(yīng)控制、智能控制等有著密切的聯(lián)系?，F(xiàn)代控制理論、信號(hào)處理、模式識(shí)別、最優(yōu)化方法、決策論、統(tǒng)計(jì)數(shù)學(xué)等構(gòu)成了故障診斷和容錯(cuò)控制的理論基礎(chǔ)。,一、概述,提高控制系統(tǒng)可靠性的主要途徑——從提高控制系統(tǒng)可靠性角度看，提高可靠性的途徑歸納起來(lái)主要有三個(gè)方面： 1．提高組成控制系統(tǒng)的各元部件的可靠性——這是本質(zhì)措施，但往往收到當(dāng)前科技水平的

7、限制； 2．進(jìn)行系統(tǒng)的高可靠性設(shè)計(jì)，如簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、引入冗余和容錯(cuò)技術(shù)等——這是提高控制系統(tǒng)可靠性的最有效途徑； 3．采取維修維護(hù)措施——這是延長(zhǎng)使用壽命的最后辦法，但對(duì)有些系統(tǒng)不很適用，如衛(wèi)星、導(dǎo)彈等。,幾個(gè)概念：容錯(cuò)——容錯(cuò)（Fault-Tolerant）技術(shù)，是指當(dāng)系統(tǒng)的某些部件失效時(shí)，這些部件在系統(tǒng)中的功能用其它部件完全代替或部分代替，使系統(tǒng)能保持規(guī)定的性能或不喪失最基本的性能（如保持穩(wěn)定等）。系統(tǒng)的容錯(cuò)能力與

8、系統(tǒng)的冗余（包括硬件冗余和解析冗余）是密切相關(guān)的。容錯(cuò)控制按其所采用的方式不同分為： (1) 硬件冗余：并行雙重、三重冗余備份——并行冗余多采用熱儲(chǔ)備的多重方式，然后通過(guò)表決器進(jìn)行冗余管理或采用中值（或均值）濾波公式減弱故障的影響。 (2) 解析冗余：魯棒容錯(cuò)控制、重構(gòu)容錯(cuò)控制、人工智能等。——利用控制系統(tǒng)不同部件之間的內(nèi)在聯(lián)系和功能上的冗余性，當(dāng)系統(tǒng)的某些部件失效時(shí)，用其余完好部件部分甚至

9、全部地承擔(dān)其故障部件所喪失的作用，以維持系統(tǒng)性能在允許范圍之內(nèi)。 故障診斷——控制系統(tǒng)故障（Failure）可理解為導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)不期望行為的任何異常現(xiàn)象，或系統(tǒng)中部分元器件功能失效而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)性能惡化的情況或事件。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)中的各種量（可測(cè)的或不可測(cè)的）或它們中的一部分表現(xiàn)出與正常狀態(tài)不同的特性，這種差異包含豐富的故障信息，如何找到這種故障的特征描述，并利用它來(lái)進(jìn)行故障檢測(cè)（detection）、分離（Isolation

10、）就是故障診斷（Failure Diagnosis）的任務(wù)。,一、概述,故障的種類：從系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分：傳感器故障、執(zhí)行器故障、控制器故障、被控對(duì)象故障；從故障性質(zhì)或程度分：緩變故障、突變故障、間歇故障、完全失效故障；從故障間的相互關(guān)系分：?jiǎn)喂收?、多故障，?dú)立故障、關(guān)聯(lián)故障，整體故障、局部故障等。故障診斷的研究?jī)?nèi)容：故障的特征描述與提取——通過(guò)測(cè)量和一定的信息處理技術(shù)獲取反應(yīng)系統(tǒng)故障的特征描述的過(guò)程和方法；故障的分離與估計(jì)——根

11、據(jù)檢測(cè)的故障特征確定系統(tǒng)是否出現(xiàn)故障（Detection）以及故障的部位（Isolation）和故障的程度的過(guò)程和技術(shù)；故障的評(píng)價(jià)與決策——根據(jù)故障分離與估計(jì)的結(jié)論，對(duì)故障的危害及嚴(yán)重程度做出評(píng)價(jià)，進(jìn)而做出是否停止任務(wù)進(jìn)程及是否需要維修更換的決策。,一、概述,控制系統(tǒng)故障的特征描述及獲取方法——表征系統(tǒng)故障的特征量可以是： ①可測(cè)的系統(tǒng)輸入輸出信息； ②不可測(cè)（可估計(jì)）的狀態(tài)變量； ③不可測(cè)（可估計(jì)）的模型參數(shù)向量；

12、 ④不可測(cè)（可估計(jì)）的特征向量； ⑤人的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)。獲取這些特征量的方法主要有： ①直接測(cè)量和觀察； ②參數(shù)估計(jì)、狀態(tài)估計(jì)或?yàn)V波與重構(gòu)； ③對(duì)測(cè)量值進(jìn)行某種信息處理。,一、概述,故障探測(cè)與分離方法—— ①閾值邏輯法； ②多重模型假設(shè)檢測(cè)法； ③貝葉斯決策函數(shù)法； ④特征量統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)法； ⑤人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法 ⑥專家系統(tǒng)法； ⑦模式識(shí)別法； ⑧模糊數(shù)學(xué)法； ⑨邏輯代數(shù)法。,一、概述,控制系統(tǒng)故

13、障診斷方法—— 1．依賴于模型的方法： ①基于狀態(tài)估計(jì)的方法； ②基于參數(shù)估計(jì)的方法； ③基于特殊模型的診斷法。 2．不依賴于數(shù)學(xué)模型的方法： ①基于直接可測(cè)信號(hào)的故障診斷方法（可測(cè)值或其變化趨勢(shì)檢查法、可測(cè)信號(hào)分析處理診斷法）； ②基于經(jīng)驗(yàn)知識(shí)的故障診斷方法（專家系統(tǒng)、故障樹(shù)、模式識(shí)別等）。,一、概述,,,一、概述,,典型故障診斷方法——基于未

14、知輸入觀測(cè)器（Unknown Input Observer – UIO）的故障診斷技術(shù)；基于奉獻(xiàn)觀測(cè)器（Dedicated Observer Scheme – DOS）及自適應(yīng)觀測(cè)器的故障診斷技術(shù)；基于參數(shù)估計(jì)（Parameter Identification Approach – PIA）的故障診斷技術(shù)；基于直接可測(cè)信號(hào)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯、專家系統(tǒng)的故障診斷技術(shù)；機(jī)內(nèi)測(cè)試（Built in Test – BIT）與故障預(yù)測(cè)和

15、狀態(tài)管理（Prognostics and Health Management -PHM）技術(shù)。,一、概述,,主要參考文獻(xiàn)周東華、孫優(yōu)賢，控制系統(tǒng)故障檢測(cè)與診斷技術(shù)，清華大學(xué)出版社，1994胡昌華、許化龍，控制系統(tǒng)故障診斷與容錯(cuò)控制的分析和設(shè)計(jì)，國(guó)防工業(yè)出版社，2000周東華、葉銀忠，現(xiàn)代故障診斷與容錯(cuò)控制，清華大學(xué)出版社，2000聞新、張洪鉞，控制系統(tǒng)的故障診斷和容錯(cuò)控制，機(jī)械工業(yè)出版社，1998Frank.P.M., Fau

16、lt Diagnosis in Dynamic Systems Using Analytical and Knowledge-based Redundancy —— A Survey and Some New Results. Automatica, 1990, 26(3):459-474Isermann R., Trends in the Application of Model Based Fault Detection and

17、Diagnosis of Technical Process, Control Engineering Practice, 1997, 5(5):709-719疏松桂，控制系統(tǒng)可靠性分析與綜合，科學(xué)出版社，1992葛建華、孫優(yōu)賢，容錯(cuò)控制系統(tǒng)的分析與綜合，浙江大學(xué)出版社，1994,一、概述,,控制系統(tǒng)故障診斷分析設(shè)計(jì)實(shí)例： 基于未知輸入觀測(cè)器（Unknown Input Observer – UIO）的故障診斷技術(shù)及應(yīng)用實(shí)例；

18、 基于奉獻(xiàn)觀測(cè)器（Dedicated Observer Scheme – DOS）及自適應(yīng)觀測(cè)器的故障診斷技術(shù)及應(yīng)用實(shí)例； 基于參數(shù)估計(jì)（Parameter Identification Approach – PIA）的故障診斷技術(shù)及應(yīng)用實(shí)例； 基于直接可測(cè)信號(hào)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯、專家系統(tǒng)的故障診斷技術(shù)及應(yīng)用實(shí)例； 控制系統(tǒng)容錯(cuò)技術(shù)及應(yīng)用實(shí)例； 機(jī)內(nèi)測(cè)試（Built in Test – BIT）與故障預(yù)測(cè)和狀態(tài)管理（Progn