（控制理论与控制工程专业论文）时滞系统故障诊断与容错控制的若干方法研究.pdf

上海交通走攀博士掌位论史 摘要 故障诊断与窖错控制技术是提高动态系统安全性、可靠性的一种极为重要的途径蕊| 而深八研究故障诊断与容错控制技术，不但具有重要的理论意义而且也具南巨尺的实际 应用价值。目前笑于故障诊断与容错控制技术的研究引起了广泛关注，已经成为控制界的 热门研究课题之一。 拒筹类工业系统中，时滞现象是极其普遍的，如臣管道进料或皮带传输、圾缓憷的过 程或复杂的在线分析仪等均存在时滞现象。此外，对许多大时间常数的系统，也常用适当 的小时间常数加纯滞后环节来近似，这都可归结为时滞系统模型。时滞的存在使得系统的 分析雨l 综合变得更加复杂和困难，同时时滞的存在也往往是系统不稳定和系统性能变差的 根源。止是在这一背景下，本文系统地研究了时滞系统的故障诊断与容借控制方法，士耍 内容及 i 月= 究成果如下： 提出了一种利用未知输入溉测器的时滞系统故障诊断方法。通过对时滞系统设计禾知 输入理测器，利用观测的状态得到残差，从而诊断出时滞系统的故障，根据残差向量的方 向性，通过比较残差和故障信号进行故障分离，井给出了故障诊断系绩阐值的选取原则。 研冗了自适应观测器在时滞系统故障诊断中的应用问题。针对一类含有未知输入干扰 和模! 魁不确定性的时滞系统，通过渡计自适应诊断观测器，得到了一种新型的故障诊断南 法。首先考虑线性执行器故障，设计了检测观测器和自适应诊断观测器，前者用于故障捡 测，肝着能估计出故障随时闻的变化。然后将该方法拓展到非线性执行器故障，给出丁 ： 线性 l 嫦诊断方法。传感器故障用一个时变函数模型表示，殴计的自适应观测器具育双重 功能：首先作为故障检测观测器能够检测出故障的发生，然后作为故障诊断观测器能够理 想地估i t - 出故障随时闻变化的形状，算法既能诊断阶跃故障，又能诊断慢时变故障。 t 冗了不确定时滞系统的鲁棒故障估计问题。针对一类含有未知输入干扰和模型不确 定陛f _ 0 时滞系统，通过变换将愿系统分成两个子系统，一个子系统不受故障的影响，可断 设计鲁俸观测器：另一个子系统受到故障的影响，但是它奇勺状态是可以测量的。垃计的现 测器捌；：i 解析兀余的方法实现执行器故障和传感器故障估计。本育法只要求干扰弯：；吊i ： 同予= f 丁的文献上要求干扰解耦，因而实用性更强。 摘要 趼竞了具有圩。性能的时滞系统敬障估计的反卷积方法，提出了线性连续时滞系统的 日。反巷积滤波器。分析了反卷积滤波器的一艘结构和新息结构。指出新息结构f ，反卷 积滤波器的功能等效于输出观测器和一个线性映射，该线性映射反映了来知输入古计与输 出储汁误差的内在联系。基于有界实引理给出了线性连续时滞系统阿。度卷积滤波器存在 的充奇冬件和滤波器的时域设计方法。滤波器的设计参数可通过求解一个r i c c a t i 方程得 到。、e 丈提出的反卷积滤波器可解决不知道干扰统计信意的滤波器设计问题。 研究了时滞系统的状态与未知输入同时估计问题。考虑一类时褒对滞非线性系统，系 统的竹线性包括两部分：一部分满足李普疆兹条件，另一部分为未知，包括系统的外界扰 动或模j 性不确定性等。通过构造增广系统和对它设计朱知输入观测器，实现了状态拳 未圭u 输入【t 同时倍汁，观测器的参数通过解r i c c a t i 不等式或l m i 容易得到。 岍冤了时滞系统的容错控制问题。研究了两种方法：主动容锩控制和被动容锩控制。 针对娄禽有时变多状态滞后、参数不确定性和来知非线性的系统，聚用带有滞看的状态 反馈控制，给出了时滞系统对执行器失效和传感器失效具有完整性的充分条件和容错控制 算法。针对一娄线性时滞系统，在对非严重故障进行估计的萋础上，瑷计了一个附加的控 制器，减少了故障对系统的影响，实现了系统动态特性的主动容错控制。 文中做了大量的仿真研究，通过仿真结果来验证所提出算法的有效性。 综上所述本文主要有以下几个创新点： 1 性出了一种利用束知输入观测器的时滞系统故蹲诊断方法。针对线性时滞系统，到用 殴计的未知输入观测器得到残差，进而检测故障。报撂残差向量的方向性信息进行故 障分离。通过对一类时变时滞非线| 生系统构造增广系统并没计未知输入观测器，实现 r 状态和故障的同时估计。 2 “f 宄了自适应观测器在对滞系统故障诊断中的应用问题。针对一类含有术知输入干扰 和模型不确定性的时滞系统，通过设计自适应诊浙观测器，得到了一种新型的故障珍 断方法。设计的观测器既能诊断线性执行器故障又能诊断幕线性执行器故障；既能 渗断阶跃俺感器故障，叉能诊断慢时变传感器故障。 ： 提出了一种不确定时滞系统的鲁媾故障估计方法。通过变换将原系统分成两个子氧 ；t ，一个子系统与故障解耦，对它渡汁观测器估计系统的状态；另一个子系统含育故 i f 上海交通太学博士荦碹论丈 降，通过离散化方法实现了执行器故障和传感器故障估计，本方法只要求干扰有界 不同子有的文献上要求干扰解耦，因而实用性更强。 4 提出了线性连续时滞系统的日。反卷积滤波器，并将它拓展给出了一种时滞系统故障 渗断新方法。基于有界实引理给出了线性连续时滞系统日。反卷积滤波器存在的宽分 条卧和滤波器的时域设计方法。本文提出的方法可解决不知道干扰统计信息的敞障诊 断问题。 5 研究了时滞系统的容错控制问题。采用带有滞后的状态反馈控制，给出了时滞系统研 执行器失效和传感器失效具有完整性的充分条件和被动容错控制算法。在对非严e 莺故 障进行估计的基础上，通过设计附加控制器减少了故障对系统的影响，实现了系统动 态特陡的主动容错控制。 关锱! 词：故障诊断，故障估计，释错控制，时滞系统，线性系统，非线性系统，来知输 入观洲器，自适应观测器，反卷积滤波器，线性矩阵不等式 1 1 1 圭查奎兰苎兰堡兰兰堡垄墨 a b s t r a c t f a u l td i a g n o s i sa n dp a u l t - t o l e r a n tc o n w o li sa ni m p o r t a n ta p p r o a c ht oi m p r o v et h es a j t ya n d r e l i a b i l i t y f o rd y n a m i cs y s t e m s h e n c e ，t h es t u d yo nf a u l t d i a g n o s i sa n df a u l t t o l e r a n tc o n t r o l t e c h n o l o g yh a sb o t ht h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a li m p o r t a n c e a tp r e s e n t i th a sd m w nw i d ea t t e n t i o n 。 a n dh a sb e e no n eo f t h em a i nt o p i c si nc o n t r o ld o m a i n t i m ed e l a yi s c o m m o n l ye n c o u n t e r e di nv a r i o u se n g i n e e r i n gs y s t e m s ，s u c ha sc h e m i c a l p r o c e s s e s ，l o n gt r a n s m i s s i o nl i n e s i np n e u m a t i c 、h y d r a u l i ca n dr o l l i n gm i l ls y s t e m s f u r t h e r m o r e i nm a l l v b i gl a gs y s t e m s ，t h eb i g t a gi sr e p l a c e d b ys m a l ll a ga n dp u r et i m ed e l a y ，t h i sc a l lb e r e g a r d e da st i m ed e l a ys y s t e m s t i m ed e l a yu s u a l l yr e s u l t si nu n s a t i s f a c t o r yp e r f o r m a n c e sa n di s f r e q u e n t l yas o u r c eo fi n s t a b i l i t y t h em e t h o d so ff a u l td i a g n o s i sa n dt a u i t - t o l e r a n tc o n t r o lf o rt i m e d e l a ys y s t e m sa r es m d i e ds y s t e m a t i c a l l yi n t h i sd i s s e r t a t i o n t h em a i nc o n t r i b u t i o n so ft h i s d i s s e r t a t i o nc a nb es u m m a r i z e da sf 0 o w s ： an e wf a u l td i a g n o s i so fl i n e a rt i m ed e l a ys y s t e m sm e t h o db a s e do au n k n o w ni n p u to b s e r v e r sp r o p o s e d w eo b t a i nr e s i d u a ls i g n a lb yu s i n ga nu n k n o w ni n p u to b s e r v e ra n dc a nd e t e c ta n d s o l a t es e n s o ra n da c t u a t o rf a u l t t h er u l e sf o rt h ec h o i c eo ft h r e s h o l di nt h ed e s i g np r o c e d u r ea r e a 【s og l v e n f a u l td i a g n o s i sp r o b l e mo fl i n e a rt i m ed e l a ys y s t e m sb ya d a p t i v eo b s e r v e ri ss t u d i e d t h i s p a p e rp r e s e n t san o , j e la p p r o a c hf o rf a u l td i a g n o s i so ft i m e d e l a ys y s t e m sb yu s i n ga na d a p t i v e o b s e r v e rt e c h n i q u e f i r s t l y ，f a u l td e t e c t i o no b s e r v e ra n dd i a g n o s i so b s e r v e rf o rl i n e a ra c t u a t o r si s d e s i g n e d a ne x t e n s i o nt ot h ef a u l td e t e c t i o na n dd i a g n o s i st on o n l i n e a ra c t u a t o r si sa l s om a d e ， a n dac o n v e r g e n ta d a p t i v ed i a g n o s t i ca l g o r i t h mi sd a v e t o p e d t h es e n s o rf a u l ti sm o d e l e da sa l l a d d i t i v ep e r t u r b a t i o nd e s c r i b e db yat i m ev a r y i n gf u n c t i o n 。t h ep r o p o s e da d a p t i v eo b s e r v e rc a n s e r v e rad u a lp u r p o s e ：f i r s ta sad e t e c t i o no b s e r v e ra n dt h e na sad i a g n o s t i co b s e r v e r t i l ep r o p o s e d m e t h o dc a nd i a g n o s et h ea b r u p tf a u l ta n dd r i f tf a u l t r o b u s tf a u l te s t i m a t eo ft i m ed e l a 3 7s y s t e m si sp r e s e n t e d t h es y s t e m sa r et r a n s f o r m e di n t o t w od i f f e r e n ts u b s y s t e m so n ei sn o ta f f e c t e db ya c t u a t o rf a u l t s ，s ot h er o b u s to b s e r v e rc a nb e v 一一 些篓篓 d e s i g n e du n d e rc e r t a i nc o n d i t i o n t h eo t h e rw h o s es t a t e sc a i lb em e a s u r e di sa f f e c t e db y t h ef a u l t s t h ep r o p o s e do b s e r v e ri su t i l i z e di na na n a l ”i c a l - r e d u n d a n c y b a s e da p p r o a c hf o ra c t u a t o ra n d s e n s o l + f a u l td e t e c t i o na n dd i a g n o s i si n t i m e - d e l a ys y s t e m st h ep r o p o s e dm e t h o do n l yn e e d d i s t u r b a n c ei sb o u n do t h e rt h a nt h ed e c o u p i i n go ft h es y s t e m su n c e r t a i n t y i s r e q u i r e di ns o m e r e f e r e n c e s ，s oi tc a l lb eu s e dm o s t l yi np r a c t i c e a 1 1 也d e c o n v o l u t i n nd e s i g nf o rf a u l te s t i m a t eo ft i m e d e l a ys y s t e m si sp r o p o s e d w e a n a l y z et h eg e n e r a ls t r u c t u r ea n di n n o v a t i o ns t r u c t u r eo ft h e h 。d e c o n v o l u t i o nf i l t e r j t h e d e c o n v o l u t i o nf i l t e rw i t hi n n o v a t i o ns t r u c t u r ei sm a d eu po fa l lo u t p u to b s e r v e ra n dal i n e a r m a p p i n g ，w h e r et h el a t t e rr e f l e c nt h ei n t e m a lc o n n e c t i o nb e t w e e nt h eu n k n o w ni n p u ts i g n a la n d t h eo u t p u te s t i m a t ee r r o r b a s e do nt h eb o u n d e dr e a ll e m m a , at i m ed o m a i nd e s i g na p p r o a c ha n da s u f f i c t e o tc o n d i t i o nf o rt h ee x i s t e n c eo fd e c o n v o t u t i o nf i l t e ra r ep r e s e n t e d t h ep r a r a m e t e r i z a t i o n t h ed e c o n v o t u t i o nf i l t e rc o u l db e c o m p l e t e db ys o l v i n g ar i c c a t i e q u a t i o n t h ep r o p o s e d m e t h o di su s e f u lf o r t h ec a s et h a td o e sn o tr e q u i r es t a t i s t i c a li n f o r m a t i o na b o u td i s t u r b a n c e s s t a t ea n di n p u ts i m u l t a n e o u se s t i m a t i o nf o rac l a s so fn o n l i n e a rs y s t e m sw i t ht i m e v a r y i n g t i m e d e l a y sa r es t u d i e d t h en o n l i n e a rp a r to fs y s t e m sc o m p r i s e sal i p s c h i t zn o n l i n e a rw i t h r e s p e c t t ot h es t a t ea n di n p u t ，a n da s t a t e - d e p e n d e n tu n k n o w nf u n c t i o ni n c l u d i n ga d d i t i v e d i s t u r b a n c ea sw e l la su n c e r t a i n n o n l i n e a r t i m e v a r y i n gt e r m su p o ns a t i s f y i n gs o m ec o n d i t i o n s t h eu n k n o w ni n p u to b s e r v e rc a nb ed e s i g n e d a n dt h ep r a r a m e t e r i z a t i o no ft h eo b s e r v e rc o u l db e c o m p l e t e db ys o l v i n g ar i c c a t ii n e q u a l i t yo rl m i - b a s e dt e c h n i q u ew i t ha s y m p t o t i ce s t i m a t i o n g u a r a n t e e d f o rt i m e - d e l a ys y s t e m s ，t w of a u l t - t o l e r a n tc o n t r o lm e t h o d s ，a c t i v em e t h o da n dp a s s i v e m e t h o d a r es t u d i e d f o rac l a s so fs y s t e m sw i t ht i m e - v a r y i n gm u l t i s l a t ed e l a y s p a r a m e t e r l a n c e r t a i n t i e s ，a n du n k n o w nn o n l i n e a r i t i e s ，b ya d o p t i n gs t a t ef e e d b a c kc o n t r o lw i t ht i m e d e l a y ，t h e f a u l t t o l e r a n tm e t h o da n ds u f f i c i e n tc o n d i t i o no ft i m ed e l a ys y s t e mp o s s e s s i n gi n t e g r i t ya g a i n s t a c t u a t o l a n ds e n s o rf h i l u r ew a sg i v e n f o rac l a s so fl i n e a rt i m ed e l a ys y s t e m b a s e do nf a u l t d i a g n o s i s ，an e wa c t i v ef a u l t t o l e r a n tc o n t r o l l e ri sd e s i g n e dw h i c hc a ng u a r a n t e et h a tt h es y s t e m c o n t r o l l e dk e e ps t a b l ei nf a u l t ys t a t u s ，t h u st h e a c t i v ef a u l t t o l e r a n tc o n t r o lf o rt h i ss y s t e m si s r e a l i z e d v l 一 圭查墨翌垄芏堡主差些竺墨 a g r e a tn u m b e ro f s i m u l a t i o n sa r eg i v e nt oi l l u s t r a t et h ee f f i c i e n c yo f t h ep r o p o s e dm e t h o d i nc o n c l u s i o n ，t h em a i ni n n o v a f i o n so f t h ed i s s e r t a t i o na r el i s t e da sf o l l o w ： i an e wf a u l td i a g n o s i so fl i n e a rt i m ed e l a ys y s t e m sm e t h o db a s e do nu n k n o w ni n p u to b s e r v e r i sp r o p o s e d w eo b t a i nr e s i d u a ls i g n a lb yu s i n ga nu n k n o w ni n p u to b s e r v e ra n dc a nd e t e c t a n di s o l a t es e n s o ra n da c t u a t o rf a u l t s t a t ea n di n p u ts i m u l t a n e o u se s t i m a t i o nf o rac l a s so f n o n l i n e a rs y s t e m sw i t ht i m e v a r y i n gt i m e - d e l a y si sr e a l i z e db yd e s i g n i n ga nu n k n o w ni n p u t o b s e r v e rf o rg e n e r m i z e ds y s t e m s 2 f a u l td i a g n o s i sp r o b l e mo fl i n e a rt i m ed e l a ys y s t e m sb ya d a p t i v eo b s e r v e ri ss t u d i e d t h i s p a p e rp r e s e n t san o v e la p p r o a c hf o r f a u l td i a g n o s i so ft i m e d e l a ys y s t e m sb yu s i n ga n a d a p t i v eo b s e r v e rt e c h n i q u e t h ep r o p o s e do b s e r v e rc a l ld i a g n o s eb o t hl i n e a ra c t u a t o rf a u l t a n dn o n l i n e a ra c t u a t o rf a u l t ；t h ep r o p o s e dm e t h o dc a r ld i a g n o s en o to n l yt h ea b r u p ts a n s o r t a l l i tb u ta l s od r i f ts e n s o rf a u l t 3 r o b u s tf a u l te s t i m a t eo ft i m ed e l a ys y s t e m si sp r e s e n t e d t h es y s t e m sa r et r a n s f o r m e di n t o t w od l f f e r e ms u b s y s t e m s o n ei sn o ta f f e c t e db ya c t u a t o rf a u l t s ，s ot h er o b u s to b s e r v e rc a nb e d e s i g n e d t h eo t h e rw h o s es t a t e sc a r tb em e a s u r e di sa f f e c t e db yt h ef a u l t s w ec a l le s t i m a t e t h ef a u l tb yu s i n gt h ed i s c r e t i z a t i o no ft h eo t h e rs y s t e m s ，t h ep r o p o s e dm e t h o do n l yn e e d d i s t u r b a n c ei sb o u n do t h e rt h a nt h ed e c o u p l i n go f t h es y s t e m su n c e r t a i n t yi sr e q u i r e di ns o m e r e f e r e n c e s ，s oi tc a nb eu s e dm o s t l yi np r a c t i c e 4 a n 。d e c o n v o l u f i o nf i l t e rf o rf a u l te s t i m a t eo f t i m e - d e l a ys y s t e m si sp r o p o s e d ，a n de x t e n d i tt of a u l td i a g n o s i s b a s e do nt h eb o u n d e dr e a ll a m i n a at i m ed o m a i nd e s i g na p p r o a c ha n da s u f f i c i e n tc o n d i t i o nf o r t h ee x i s t e n c eo fd e c o n v o l u t i o nf i l t e ra r ep r e s e n t e d t h ep r o p o s e d m e t h o di su s e f u lf o r t h ec a s et h a td o e sn o tr e q u i r es t a t i s t i c a li n f o r m a t i o na b o u td i s t u r b a n c e s 5f o rt i m e d e l a ys y s t e m s ，t w of a u l t - t o l e r a n tc o n t r o lm e t h o d s ，a c t i v em e t h o da n d p a s s i v e m e t h o d ，a r es t u d i e d b ya d o p t i n gs t a t ef e e d b a c kc o n t r o lw i t ht i m e - d e l a y ，t h ef a u l t t o l e r a n t m e t h o da n ds u f f i c i e n tc o n d i t i o no ft i m ed e l a ys y s t e mp o s s e s s i n gi n t e g r i t ya g a i n s ta c t u a t o r a n ds e n s o rf a i l u r ew a sg i v e n b a s e do nf a u l td i a g n o s i s ，an e wa c t i v ef a a l t t o l e r a n tc o n t r o l l e r i sd e s i g n e dw h i c hc a ng u a r a n t e et h a tt h es y s t e mc o n t r o l l e dk e e p 豇a b l ei nf a u l t y s t a t u s ，t h u s f i l ea c t i v ef a u l t - t o l e r a n tc o n t r o lf o rt h i ss y s t e m si sr e a l i z e d a b s 虹a c t k e yw o r d s ：f a u l td i a g n o s i s ，f a u l te s t i m a t e t a u tt o l e r a n tc o n t r o l ，t i m ed e a ? s y s t e m s i n e a rs y s t e m s n o n l i n e a rs y s t e m s ，u n k n o w ni n p u to b s e r v e r ，a d a p t i v eo b s e r v e r d e c o n v o t u t i o n f i l t e r ，l i n e a rm a t r i xi n e q u a l i t y v i l l 上海交通大学学位论文答辩决议书 所在学科 l p请青 尤富强 控制理论与控制i 科 ( 号业) 论文题1 1时滞系统敞障诊断与容锗控制的若j ：疗法研究 答辩日划2 0 0 5 年7 月2 0 日 地点救二棱自动化系会议窀 蒋辩番矾会成沉 姓名 单位职称 镣乱 部世煌 东华人学 教授 名，毛t l 伙兆车 东毕火学 教授 和她 俞金寿 华东理1 大学 教授 么刎 施颂椒t - 海交通人学 教授 撇 曹j 精 l 海交通人学 教授 卦色 杨根科上海交通大学 教授 事础 田作华 上海交通人学 教授 唰 评晤羊h 决议：， 时滞现象在各类i e q i _ 系统中普遍存在。故障诊断与容错控 翰l 是提高动态系统安全性和可靠性 的种重耍的技术措施。论文研究了时滞系统的故障诊断与辑锴拉制方法，具有蓬要的理沦意义 丰 l 实际麻川价值。论文提出了一种时滞系统的基r 未知输入观畏i 器的故障诊断方法：对一类霄有 f 扰的不确定时滞系统，提出了一种基t 自适麻观测器的故障诊断方法：给出了种对传感器币i 捷 7 器故降帮能捡溉抟等滓故障估计方法；对受扰线缝连续对潞系统，采尉珑反卷积滤渡方法， 蛤 b 了故障估计误差满足攒定爿。性能指标的故障估计方法该方注可解决不知道于扰统计特批 的故障诊断问题：研究了时滞系统的窖错控制阎熙。采用带有时滞的状态反馈控制，给出r 时滞 系统对执行器失效和传感器失效具有完整性的充分条钟和被动容锗控制算法。对椎严重故障，通 过故障估计，引入补偿控制器，实现了故障补偿式丰动容错控制。 论文审论正确，内容丰甯，衰达漓楚，作出了具有刨新蠹q 磺究或聚，作者在控制理论与控制 i 稗学科已掌握了坚实宽广的基础理论和系统深入的专门知识，具备了较强的科研能力和创新能 力。答辩q t 阐述清楚，回答问题正确经咎辩委员会无记名投票，致通过论文答辩并建议授 尤富强同学r 学i 蕾 七学位。 表决结果：、 、 一使翘也 ， 答辩委员会主席名7 之e ( 簦；j ) 上海交通大学 学位论文原刨性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：也易终 日期：州年7 月p 日 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规 定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电 子皈，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：也召 每 指导教师签名： 翊c 7 r 务 日期：如j ，年7 月日日期：) 一r 年7 月1 p 日 7 上海交通大学博士圣懂论五 1 1 引言 第一章绪论 随着现代科学技术水平的日益提高，尤其是计算机科学和控制科学的1 乇速发隈，现代 系统止朝着火规模、复杂化的方向发展，这类系统一旦发生事故就膏可能造成人员和财产 的巨大损失，例如：1 9 9 8 年8 月到1 9 9 9 年5 月的短短l o 个月间美国的3 种运载火箭： “大力f 十”、“雅典娜”和“德尔他”基发生丁5 次发射失败，造成了3 0 多亿荧元的直接 经济损火，迫使美国宇肮局于1 9 9 9 年5 月下令停i 了所有的商业发射汁划，美国的肮灭汁 划受到丁严重的打击。因此，如何提高现代复杂系统的安全性、可靠性，防l r 和车土绝影响 系统正常运行的故障的发生和发展就成为一个重要的有待解决的问题。故障诊断与弈错控 制技术的出现，为提高复杂系统的安全性、可靠性开辟了一条新的途径。 系统的可靠性和安全性一商是人们关注的课题。在航空、航天器，恢电站和一些人掣 化【装置中，安全性是首要考虑的因素。例如：最近发射的“神州五号”载人b 船上面号 门设计了故障检测和诊断予系统，并对部分关键系统采用了硬件冗余技术，准备了2 亘甚 至3 重备份系统，以保证飞船和航天员的安全。随着现代控制系绒的目益复杂和精密化， 出_ f 经济和环保的考虑，对系统的可靠性和安全性的要求越来越普遍。典型的例子育：耍 杂的工业过程、自动汽车、高速列车”。提高系统可靠性和安全性的有效办法是对故障的 早期检测和诊断，科学工作者对故障检测和诊断闻题作了深入研究，并最终导敛r 一门新 学科的诞生。 1 2 故障诊断方法介绍 故滞诊断一般也称为故障检测与分离( f o i _ ) 【2 1 。敞障可以理解为系统中至少有个熏磋 变量或特性偏离了正常范围叽广义地讲，故障可认为是使得系统表现出所不期望的特性 冉勺任伺异常现象1 4 1 口从本质上讲，故障诊断是利用被诊断系统运行中的各种状态信息和已 育的各袖知识进行信息的练台处理，鼹终得到关于系统运行状况和故障状况的练台评价的 过程吐从上世纪8 0 年代以采，随着控制理论、计簿矶技术和人 智能技求的发腱f d i 第一章绪论 技术也得到了迅速发展p 1 ，主要津现在f d i 的物理蒸础和概念体系、f d i 的疗法和分类 诊断模型的建立及其推理机制、诊断知识的袭示及其获取、维护技朱等方面。 12 1 故障诊断的基本问题 1 2 i 故障分类 一般而言，动态系统中故障的发生部位、时间特性、发生形式呈现出多样化。 1 按照发生部位的不同可分为： 元部件故障( c o m p o n e n tf a u l t ) ：指被控对象中的某些元部件、甚至是子系统发生异 常，使得整个系统不能正常完成既定的功能， 传感器故障( s e n s o rf a u l t ) ：指控制回路中用于检测被测壤的传感器发生卡歹e 、随增益 变化或恒偏差而不8 准确获取被测量信息，具体表现为对象变量的测曩值与其实际 值之间的差别。 执行器故障( a c t u a t o rf a u l t ) ：指控制回路中用于执行控制命令豹执行器发生p 死、暇 增益变化或恒偏差而不能正确执行控制命令，具体表现为执行器输入命令押其实际 输出之间的差别。 2 按照时间特性的不同可分为： 突变故障( a b r u p tf a u l t ) ：指参数值突然出现很大偏差，事先不可监测和预测的故障。 缓变故障( d r i f tf a u l t ) ：指参数值随时间的推穆和环境的变化而缓慢变化的故障。 3 按照发生形式的不同可分为n i ： 加- 胜故障( a d d i t i v ef a u l t ) ：指作用在系统上的未知输入盔系统正常运行时为零，e 的出现会导致系绞输出发生独立于已知输入舟勺政变， 乘性故障( m u l t i p l i e a t i v ef a u l t ) ：疆系统的某些参数的变化，它们能引起系统输出的变 化，这些变化同时也受已知输入的影响。 i2 1 2 故障诊断的任务【8 1 故障诊断技术是一门综合性技术，其研究涉及到多门学科，如现代控制理论、可靠性 理论、数理统计、模糊集理论、信愚处理、模式识别、人工智能等学科理论。敞簿诊断的 壬务，田低级到高级，可分为以f 几个方面的内容： 2 上海交通太学博士学位论支 ( j ) 故障建模( f a u l tm o i l i n g ：建立系境故障的数学模型作为故障诊断的依据。 ( ：) 故障检狈i j ( f a u i td e t e c t i o n ) ：判断被诊断系统是否发生了故障。 【3 ) 故障分离( f a u l t i s o l a t i o n ) ：盔硷测出故障后，确定故障的和类故障发生的部位， ( 4 ) 故障估计( f a u l te s t i m a t e ) ：在分离出故障后确定故障的大小1 受故障发生的孵间， ( 5 ) 故障决策( f a u l td e c i s i o n - m a k i n g ) ：判断故障的严莺程度及其对诊断对象的影响。 通常在具体研究故障诊断方法时主要研究故障检测、故障分离和故障估计， 21 3 故障诊断系统的性能指标 9 1 0 1 评价故障诊断系统性能的指标大体上可分为以r 三个方面： l 俭测- 炷能指标f d e t e c t i o np e r f o r m a n c ei n d e x ) l 1 ) 早期检测的灵敏度：是指一个故障检测系统对“小”故障信号的检测能力。怆 测系统早期检测的灵敏度越高，表明它能检测到的瑷小故障信号越小。 ( 2 ) 故障检测的及时性：是指当诊断对象发生故障后故障检测系统在尽可能短的时 间内检测到故障发生的能力。故障检测的及时性越好，说明故蹲从发生到被正 确检测出来之间的时间间隔越短。 ( 3 1 故障的误报率和漏报率：误报是指系统没有笈生故障却被错误判定出现r 故 障。漏撤则是指系统中出现了故障却没有被检测出来。一个可靠的故障检测系 统应当保持尽可能低的误报率和漏报率。 ：诊断胜能指标( d i a g n o s i sp e r f o r m a n c e 【n d e x ) ( 1 ) 故障分离能力：是指诊断系统对不嗣故障的区分能力。这种能力的强弱决定j 对象的物理特性、故障大小、噪声、干扰、建模误差以及所设计的诊断算法。 分离能力越强，表明诊断系统对于不同故障的区分能力越强，那么对赦烯的定 位也就越准确。 ( 2 1 故障估计的准确性：是指诊断系统对故障大小及其对变特性佶计的准确稷度， 故障估计的准确性越高，越有利于对故障的评价与决燕。 3 综合性能指标( c o m p r e h e n s i v ep e r f o r m a n c ei