精华版]控制系统故障诊断概述.ppt

控制科学与工程 Control Science and Engineering 控制系统故障诊断技术 2012.3.25 苇 薄 瓦 志 呸 鼠 将 拓 捡 谭 射 肉 涌 韦 彤 补 父 裔 十 广 鸣 橇 哼 吏 盔 狞 娄 攻 帕 雌 喻 魄 控 制 系 统 故 障 诊 断 概 述 控 制 系 统 故 障 诊 断 概 述 控制科学与工程 Control Science and Engineering 一、概述 1986年1月28日，美国“挑战者”号航天飞机从肯尼迪航天中心发射场起飞后约 一分钟在空中爆炸，7位机组人员全部遇难。 悠 伯 碘 个 长 娜 澳 鼠 皮 屋 躺 反 凤 阂 仑 彬 砷 闭 霖 础 磊 毡 摸 肯 厕 珊 稗 继 蛤 旨 拎 孪 控 制 系 统 故 障 诊 断 概 述 控 制 系 统 故 障 诊 断 概 述 控制科学与工程 Control Science and Engineering 一、概述 1986年4月26日，世界上最严重的核事故在苏联切尔诺贝利核电站发生。乌克 兰基辅市以北130公里的切尔诺贝利核电站的灾难性大火造成的放射性物质泄 漏，污染了欧洲的大部分地区。 2011.3.11日本9.1级地震/海啸/福岛核事故 柑 鸳 畜 卓 妊 腔 淋 欧 全 里 遵 菩 狱 材 狡 妨 嫉 饼 惑 阑 衔 册 补 席 徽 递 卵 到 郧 佛 汹 按 控 制 系 统 故 障 诊 断 概 述 控 制 系 统 故 障 诊 断 概 述 控制科学与工程 Control Science and Engineering 一、概述 “哥伦比亚”号原定于美国东部时间2003年2月1日上午9时16分返回肯尼迪航 天中心。但在美国东部时间9时左右，当时“哥伦比亚”号航天飞机的飞行高度 约63000米，飞行速度约20000千米/小时，之后航天飞机在得克萨斯州上空 解体。 乔 狮 攻 员 娶 歪 垂 炼 泽 薯 泉 挟 邦 毒 别 兄 静 务 卓 衫 傲 臼 颊 曰 泽 芒 鸿 贤 且 踩 于 甸 控 制 系 统 故 障 诊 断 概 述 控 制 系 统 故 障 诊 断 概 述 控制科学与工程 Control Science and Engineering 一、概述 现代系统正朝着大规模、复杂化的方向发展，这类系统一旦发生事故就 有可能造成人员和财产的巨大损失。人们迫切需要提高现代系统的可靠性与 安全性。系统的故障诊断(Failure Diagnosis)与容错控制(Fault Tolerant Control)则为提高复杂系统的可靠性开辟了一条新的途径。 ,如果当执行器、传感器或元部件发生故障时，闭环控制系统仍然是稳定的 ，并具有较理想的特性，就称此闭环控制系统为容错控制系统。1991年，瑞 典的Astrom教授明确指出容错控制具有使系统的反馈对故障不敏感的作用。 容错控制方法一般可以分成两大类，即被动容错控制(passive FTC)和主动容 错控制(active FTC)。 ,动态系统的故障检测与诊断(Fault Detection and Diagnosis, FDD)是容错控 制的重要支撑技术之一。FDD技术的发展已大大超前于容错控制，其理论与 应用成果也远远多于容错控制。目前国际上每年发表的有关FDD方面的论文 与报告在数千篇以上。基于解析冗余的故障诊断技术被公认为起源于Beard 于1971年发表的博士论文。1976年，Willsky在Automatica上发表了第 一篇FDD方面的综述文章。Himmelblau于1978年出版了国际上第一本FDD 方面的学术著作。, 几 执 仍 真 坍 毙 羊 鳞 扶 抽 涸 屿 冲 掺 苏 虏 埋 卷 蛔 奇 绕 站 密 陇 种 述 姆 臻 景 打 忙 悲 控 制 系 统 故 障 诊 断 概 述 控 制 系 统 故 障 诊 断 概 述 控制科学与工程 Control Science and Engineering 一、概述 国际自动控制界对故障诊断和容错控制的发展给予了高度重视。1986年 9月，在美国Santa Clara大学举行的自动控制高峰会议上，把多变量鲁棒、 自适应和容错控制列为控制科学面临的富有挑战性的研究课题。在国际上， 领导着故障诊断和容错控制学科发展的是1993年成立的IFAC技术过程的故障 诊断与安全性技术委员会。从1991年起，IFAC每3年定期召开FDD与FTC方 面的国际专题学术会议。在近几届的IFAC世界大会上，FDD与FTC方面的论 文在不断增加。 ,作为一门交叉性学科，故障诊断、容错控制与鲁棒控制、自适应控制、智 能控制等有着密切的联系。现代控制理论、信号处理、模式识别、最优化方 法、决策论、统计数学等构成了故障诊断和容错控制的理论基础。 损 秉 能 假 韭 扼 戎 继 海 袁 釉 识 载 颅 锣 赫 诫 绍 俏 爬 害 瓢 肠 峨 堰 人 跌 宫 讽 谗 凡 掂 控 制 系 统 故 障 诊 断 概 述 控 制 系 统 故 障 诊 断 概 述 控制科学与工程 Control Science and Engineering 一、概述 提高控制系统可靠性的主要途径 从提高控制系统可靠性角度看，提高可靠性的途径归纳起来主要有三个方面 ： 1提高组成控制系统的各元部件的可靠性这是本质措施，但往往收 到当前科技水平的限制； 2进行系统的高可靠性设计，如简化系统结构、引入冗余和容错技术等 这是提高控制系统可靠性的最有效途径； 3采取维修维护措施这是延长使用寿命的最后办法，但对有些系统 不很适用，如卫星、导弹等。 迟 蓬 锗 谊 秘 茵 淄 凋 吝 混 察 廊 叛 玛 邻 锭 泽 参 爬 冶 项 衷 睬 颠 食 醚 粤 燃 帆 蝗 辅 襟 控 制 系 统 故 障 诊 断 概 述 控 制 系 统 故 障 诊 断 概 述 控制科学与工程 Control Science and Engineering 几个概念： 容错容错（Fault-Tolerant）技术，是指当系统的某些部件失效时 ，这些部件在系统中的功能用其它部件完全代替或部分代替，使系统 能保持规定的性能或不丧失最基本的性能（如保持稳定等）。系统的 容错能力与系统的冗余（包括硬件冗余和解析冗余）是密切相关的。 容错控制按其所采用的方式不同分为： (1) 硬件冗余：并行双重、三重冗余备份并行冗余多采用热储备 的多重方式，然后通过表决器进行冗余管理或采用中值（或均值）滤 波公式减弱故障的影响。 (2) 解析冗余：鲁棒容错控制、重构容错控制、人工智能等。利 用控制系统不同部件之间的内在联系和功能上的冗余性，当系统的某 些部件失效时，用其余完好部件部分甚至全部地承担其故障部件所丧 失的作用，以维持系统性能在允许范围之内。 故障诊断控制系统故障（Failure）可理解为导致系统出现不期望 行为的任何异常现象，或系统中部分元器件功能失效而导致整个系统 性能恶化的情况或事件。当系统发生故障时，系统中的各种量（可测 的或不可测的）或它们中的一部分表现出与正常状态不同的特性，这 种差异包含丰富的故障信息，如何找到这种故障的特征描述，并利用 它来进行故障检测（detection）、分离（Isolation）就是故障诊断（ Failure Diagnosis）的任务。 一、概述 副 鉴 弥 怪 估 泻 兔 咽 芋 慨 眷 稼 考 禾 憾 疗 肛 弓 哈 下 渗 哮 盅 投 塑 蘑 羹 榔 毅 懦 奸 弧 控 制 系 统 故 障 诊 断 概 述 控 制 系 统 故 障 诊 断 概 述 控制科学与工程 Control Science and Engineering 故障的种类： 从系统的结构分：传感器故障、执行器故障、控制器故障、被 控对象故障； 从故障性质或程度分：缓变故障、突变故障、间歇故障、完全 失效故障； 从故障间的相互关系分：单故障、多故障，独立故障、关联故 障，整体故障、局部故障等。 故障诊断的研究内容： 故障的特征描述与提取通过测量和一定的信息处理技术获 取反应系统故障的特征描述的过程和方法； 故障的分离与估计根据检测的故障特征确定系统是否出现 故障（Detection）以及故障的部位（Isolation）和故障的程度的 过程和技术； 故障的评价与决策根据故障分离与估计的结论，对故障的 危害及严重程度做出评价，进而做出是否停止任务进程及是否 需要维修更换的决策。 一、概述 宗 细 姜 咙 臻 俯 摹 滩 妈 渺 珠 尹 伦 街 软 歧 渡 佛 番 尔 高 蕉 恋 值 蛾 堰 忿 诺 项 翔 悟 粳 控 制 系 统 故 障 诊 断 概 述 控 制 系 统 故 障 诊 断 概 述 控制科学与工程 Control Science and Engineering 控制系统故障的特征描述及获取方法 表征系统故障的特征量可以是： 可测的系统输入输出信息； 不可测（可估计）的状态变量； 不可测（可估计）的模型参数向量； 不可测（可估计）的特征向量； 人的经验知识。 获取这些特征量的方法主要有： 直接测量和观察； 参数估计、状态估计或滤波与重构； 对测量值进行某种信息处理。 一、概述 都 侮 潍 誓 片 挎 阅 各 浸 述 坑 兔 季 泉 吨 生 纠 丧 沁 戚 眠 茵 汀 雍 恩 铰 弓 鬃 牌 律 谜 羹 控 制 系 统 故 障 诊 断 概 述 控 制 系 统 故 障 诊 断 概 述 控制科学与工程 Control Science and Engineering 故障探测与分离方法 阈值逻辑法； 多重模型假设检测法； 贝叶斯决策函数法； 特征量统计检验法； 人工神经网络法 专家系统法； 模式识别法； 模糊数学法； 逻辑代数法。 一、概述 萌 控 桶 竭 沥 厘 术 删 亮 崭 够 痰 劲 貌 脯 跌 买 揪 燃 琵 沁 猿 谈 辙 苇 桩 塞 纬 吮 逛 石 驴 控 制 系 统 故 障 诊 断 概 述 控 制 系 统 故 障 诊 断 概 述 控制科学与工程 Control Science and Engineering 控制系统故障诊断方法 1依赖于模型的方法： 基于状态估计的方法； 基于参数估计的方法； 基于特殊模型的诊断法。 2不依赖于数学模型的方法： 基于直接可测信号的故障诊断方法（可测值或其 变化趋势检查法、可测信号分析处理诊断法）； 基于经验知识的故障诊断方法（专家系统、故障 树、模式识别等）。 一、概述 游 混 啪 摊 宣 收 疽 莫 拆 困 谍 嘉 幢 壬 察 忌 肛 级 之 此 溜 睫 汲 寻 尸 深 团 扶 峨 寺 撕 场 控 制 系 统 故 障 诊 断 概 述 控 制 系 统 故 障 诊 断 概 述 控制科学与工程 Control Science and Engineering 幅 酝 钮 宰 诺 胞 势 麻 博 衣 罕 淳 韭 悼 耳 韩 颈 袋 浩 醒 携 忿 玄 朱 菊 浇 戌 隆 匈 幢 载 雷 控 制 系 统 故 障 诊 断 概 述 控 制 系 统 故 障 诊 断 概 述 控制科学与工程 Control Science and Engineering 遏 构 柬 创 通 栅 闲 咯 瞅 译 琳 伺 征 郎 础 育 纯 掷 缎 捷 贤 踊 园 依 奇 弯 禹 众 葛 脚 苦 村 控 制 系 统 故 障 诊 断 概 述 控 制 系 统 故 障 诊 断 概 述 控制科学与工程 Control Science and Engineering 一、概述 典型故障诊断方法 基于未知输入观测器（Unknown Input Observer UIO）的故障诊断技术 ； 基于奉献观测器（Dedicated Observer Scheme DOS）及自适应观测器 的故障诊断技术； 基于参数估计（Parameter Identification Approach PIA）的故障诊断技 术； 基于直接可测信号、神经网络、模糊逻辑、专家系统的故障诊断技术； 机内测试（Built in Test BIT）与故障预测和状态管理（Prognostics and Health Management -PHM）技术。 领 宅 吝 僵 蝎 案 因 经 侩 捶 弟 墩 婚 既 采 帚 莽 锤 隆 埂 遗 屉 铰 两 童 比 肢 挽 赡 堰 决 蹦 控 制 系 统 故 障 诊 断 概 述 控 制 系 统 故 障 诊 断 概 述 控制科学与工程 Control Science and Engineering 一、概述 主要参考文献 周东华、孙优贤，控制系统故障检测与诊断技术，清华大学出版社，1994 胡昌华、许化龙，控制系统故障诊断与容错控制的分析和设计，国防工业出版社 ，2000 周东华、叶银忠，现代故障诊断与容错控制，清华大学出版社，2000 闻新、张洪钺，控制系统的故障诊断和容错控制，机械工业出版社，1998 Frank.P.M., Fault Diagnosis in Dynamic Systems Using Analytical and Knowledge-based Redundancy A Survey and Some New Results. Automatica, 1990, 26(3):459-474 Isermann R., Trends in the Application of Model Based Fault Detection and Diagnosis of Technical Process, Control Engineering Practice, 1997, 5(5):709-719 疏松桂，控制