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“挑戰(zhàn)者”號航天飛機從肯尼迪航天中心發(fā)射場起飛后約一分鐘在空中爆炸，7位機組人員全部遇難。,一、概述,1986年4月26日，世界上最嚴重的核事故在蘇聯(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級地震/海嘯/福島核事故,一、概述,“哥倫比亞”號原定于

2、美國東部時間2003年2月1日上午9時16分返回肯尼迪航天中心。但在美國東部時間9時左右，當時“哥倫比亞”號航天飛機的飛行高度約63000米，飛行速度約20000千米/小時，之后航天飛機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)與容錯控制(Fault Tole

3、rant Control)則為提高復雜系統(tǒng)的可靠性開辟了一條新的途徑。　　如果當執(zhí)行器、傳感器或元部件發(fā)生故障時，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)為容錯控制系統(tǒng)。1991年，瑞典的Astrom教授明確指出容錯控制具有使系統(tǒng)的反饋對故障不敏感的作用。容錯控制方法一般可以分成兩大類，即被動容錯控制(passive FTC)和主動容錯控制(active FTC)?！　討B(tài)系統(tǒng)的故障檢測與診斷(Fault D

4、etection and Diagnosis, FDD)是容錯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控制，其理論與應用成果也遠遠多于容錯控制。目前國際上每年發(fā)表的有關(guān)FDD方面的論文與報告在數(shù)千篇以上?；诮馕鋈哂嗟墓收显\斷技術(shù)被公認為起源于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年出版了國際上第一本FD

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

6、上，F(xiàn)DD與FTC方面的論文在不斷增加?！　　∽鳛橐婚T交叉性學科，故障診斷、容錯控制與魯棒控制、自適應控制、智能控制等有著密切的聯(lián)系?，F(xiàn)代控制理論、信號處理、模式識別、最優(yōu)化方法、決策論、統(tǒng)計數(shù)學等構(gòu)成了故障診斷和容錯控制的理論基礎(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主要有三個方面： 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，但往往收到當前科技水平的

7、限制； 2．進行系統(tǒng)的高可靠性設(shè)計，如簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、引入冗余和容錯技術(shù)等——這是提高控制系統(tǒng)可靠性的最有效途徑； 3．采取維修維護措施——這是延長使用壽命的最后辦法，但對有些系統(tǒng)不很適用，如衛(wèi)星、導彈等。,幾個概念：容錯——容錯（Fault-Tolerant）技術(shù)，是指當系統(tǒng)的某些部件失效時，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備的多重方式，然后通過表決器進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：魯棒容錯控制、重構(gòu)容錯控制、人工智能等?！每刂葡到y(tǒng)不同部件之間的內(nèi)在聯(lián)系和功能上的冗余性，當系統(tǒng)的某些部件失效時，用其余完好部件部分甚至

9、全部地承擔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）可理解為導致系統(tǒng)出現(xiàn)不期望行為的任何異?，F(xiàn)象，或系統(tǒng)中部分元器件功能失效而導致整個系統(tǒng)性能惡化的情況或事件。當系統(tǒng)發(fā)生故障時，系統(tǒng)中的各種量（可測的或不可測的）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，并利用它來進行故障檢測（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：單故障、多故障，獨立故障、關(guān)聯(lián)故障，整體故障、局部故障等。故障診斷的研究內(nèi)容：故障的特征描述與提取——通過測量和一定的信息處理技術(shù)獲取反應系統(tǒng)故障的特征描述的過程和方法；故障的分離與估計——根

11、據(jù)檢測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）和故障的程度的過程和技術(shù)；故障的評價與決策——根據(jù)故障分離與估計的結(jié)論，對故障的危害及嚴重程度做出評價，進而做出是否停止任務(wù)進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可測的系統(tǒng)輸入輸出信息； ②不可測（可估計）的狀態(tài)變量； ③不可測（可估計）的模型參數(shù)向量；

12、 ④不可測（可估計）的特征向量； ⑤人的經(jīng)驗知識。獲取這些特征量的方法主要有： ①直接測量和觀察； ②參數(shù)估計、狀態(tài)估計或濾波與重構(gòu)； ③對測量值進行某種信息處理。,一、概述,故障探測與分離方法—— ①閾值邏輯法； ②多重模型假設(shè)檢測法； ③貝葉斯決策函數(shù)法； ④特征量統(tǒng)計檢驗法； ⑤人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法 ⑥專家系統(tǒng)法； ⑦模式識別法； ⑧模糊數(shù)學法； 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)估計的方法； ②基于參數(shù)估計的方法； ③基于特殊模型的診斷法。 2．不依賴于數(shù)學模型的方法： ①基于直接可測信號的故障診斷方法（可測值或其變化趨勢檢查法、可測信號分析處理診斷法）； ②基于經(jīng)驗知識的故障診斷方法（專家系統(tǒng)、故障樹、模式識別等）。,一、概述,,,一、概述,,典型故障診斷方法——基于未

14、知輸入觀測器（Unknown Input Observer – UIO）的故障診斷技術(shù)；基于奉獻觀測器（Dedicated Observer Scheme – DOS）及自適應觀測器的故障診斷技術(shù)；基于參數(shù)估計（Parameter Identification Approach – PIA）的故障診斷技術(shù)；基于直接可測信號、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯、專家系統(tǒng)的故障診斷技術(shù)；機內(nèi)測試（Built in Test – BIT）與故障預測和

15、狀態(tài)管理（Prognostics and Health Management -PHM）技術(shù)。,一、概述,,主要參考文獻周東華、孫優(yōu)賢，控制系統(tǒng)故障檢測與診斷技術(shù)，清華大學出版社，1994胡昌華、許化龍，控制系統(tǒng)故障診斷與容錯控制的分析和設(shè)計，國防工業(yè)出版社，2000周東華、葉銀忠，現(xiàn)代故障診斷與容錯控制，清華大學出版社，2000聞新、張洪鉞，控制系統(tǒng)的故障診斷和容錯控制，機械工業(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，科學出版社，1992葛建華、孫優(yōu)賢，容錯控制系統(tǒng)的分析與綜合，浙江大學出版社，1994,一、概述,,控制系統(tǒng)故障診斷分析設(shè)計實例： 基于未知輸入觀測器（Unknown Input Observer – UIO）的故障診斷技術(shù)及應用實例；

18、 基于奉獻觀測器（Dedicated Observer Scheme – DOS）及自適應觀測器的故障診斷技術(shù)及應用實例； 基于參數(shù)估計（Parameter Identification Approach – PIA）的故障診斷技術(shù)及應用實例； 基于直接可測信號、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯、專家系統(tǒng)的故障診斷技術(shù)及應用實例； 控制系統(tǒng)容錯技術(shù)及應用實例； 機內(nèi)測試（Built in Test – BIT）與故障預測和狀態(tài)管理（Progn