中科大动态系统故障诊断与容错控制的进展与展望讲座

动态系统故障诊断与容错控制的最新进展与展望1提纲1.问题的背景2.典型应用与产品介绍3.学术机构与学术会议4.故障诊断技术的最新进展5.容错控制理论的最新进展6.发展方向展望7.附录：主要学术著作21.问题的背景1.1灾难性事故在不断发生

1)“东方号”飞船爆炸事故前苏联宇航局准备于1960年11月份的“十月革命”纪念日那天发射首架“东方号”载人宇宙飞船，然而，灾难却在两周前、即1960年10月24日发生了。前苏宇航局高层官员、太空科学家们正在对“东方号”飞船进行最后调试时，飞船火箭突然发生了爆炸，当场炸死54人，其中包括前苏联陆军元帅米特鲁番·尼德林，这些人事实上都是被活活烧死的。作为这次爆炸的结果，前苏宇航局不得不推迟第一次载人航天飞行的日期，以便彻底检查和消除导致这次宇宙飞船爆炸的原因。如果“东方号”飞船火箭没爆炸，那么加加林就不是在1961年4月12日进入太空，而要早上5个月了。32)挑战者号航天飞机爆炸事故1986年美国挑战者号航天飞机起飞时发生爆炸，7人遇难，直接损失12亿美元。453)东方化工厂爆炸事故

1997年北京东方化工厂发生乙烯装置起火爆炸事故，8人遇难，直接经济损失达十亿元人民币，间接损失无法估量。674)近年来打孔盗油事件频繁发生如：2004年11月18日，延安市宝塔区南泥湾镇南一公里处的靖咸输油管线发生输油管线原油泄漏事故，喷发出的“油喷泉”有20多米高，上千吨原油外泄。12个小时后漏油处被封堵住。泄漏造成输油中断、交通中断、一些田地被毁，预计直接损失400万元以上。891.2复杂系统对可靠性要求越来越高1)复杂工业装置的规模和投资越来越大---上海赛科９０万吨乙烯工程投资９０亿元---嘉兴电厂期工程建设规模为4台60万千瓦燃煤发电机组及相应的配套设施，工程总投资102亿元。2)航天器、运载火箭的投资巨大---神舟”五号载人航天飞行花费１０亿人民币,载人航天工程到现在为止已超过十年，使用资金１８０亿人民币左右。103)大型工业装置、军用装置等迫切需要:

a)提高其可靠性

b)提高其可维护性

c)对其可靠性进行动态评估

d)延长大修时间

e)大大减少灾难性事故的发生4)系统的可靠性与系统的规模成反比111.3

故障诊断、容错控制等为提高

系统的可靠性开辟了新途径

在装置设计建造时，采用可靠性设计技术是提高整个系统可靠性的有效途径之一。在装置投运以后，进一步提高可靠性与安全性的一个重要方法就是采用安全控制技术,这是近十多年来国际上竞相发展的高新技术。此技术包括对大型装置的运行状态进行在线监控、数据校验和可靠性动态评估,进而对装置故障进行检测、诊断与预报,容错控制,并实现预报维修。高性能的安全控制系统可以大大提高装置的正常运行率，减少维修时间与维修人员，减少不必要的备品备件，并且可以大大减少灾难性事故的发生。因此具有重大的社会与经济效益。121.4学术问题起源1)故障诊断[1] BeardRV.Failureaccommodationinlinearsystemsthroughself-reorganization.ReportMVT-71-1,ManVehicleLab,MIT,Cambridge,Massachusetts,1971.[2] MehraRK,PeschonJ.Aninnovationapproachtofaultdetectionanddiagnosisindynamics.Automatica,1971,7:637-640.132)容错控制[1] NiederlinskiA.Aheuristicapproachtothedesignofinteractingmulti-variablesystems.Automatica,1971,7:691-701.(完整性控制)142.典型应用与产品介绍1)T21/22次京沪高档车的LonWorks网络列车监控系统监控的对象包括:1）列车各节车厢的空调系统,2）车厢的供电、照明工况；3）塞拉门工况、塞拉门故障；4）轴温；5）防滑器；6）烟火152)长输管线的泄漏检测与定位系统清华大学自动化系天津大学精密仪器与光电学院陕西延长油矿管理局,胜利油田、中原油田、辽河油田的集输管道，镇海炼化、燕山石化、天津炼化的输油管道等数千公里的管线上得到了成功应用.163）EN-8000系列分布式振动监测

故障诊断系统北京英华达电力电子工程科技有限公司的该产品可广泛应用于大型旋转设备的在线动态监测与故障诊断，已安装在电力、化工、冶金等领域的多家企业，系统运行状态良好。174)载人航天器故障诊断系统重庆英康智能控制工程有限公司航天科技集团中国空间技术研究院501部共同开发完成为国家高技术计划自动化领域863／CIMS主题目标产品发展项目将人工智能、仿真技术引入测试系统，开发设计出一套集模糊推理机、专家系统推理机和神经网络推理机于一体的组合智能推理的故障诊断预报系统，实现了测试系统的多元化以及载人航天器在轨运行的状态监测。185)

ENTRX网络化监测系统2000年，茂名乙烯厂引进了罗克韦尔ENTRX网络高速在线监测系统。该系统把16台(套)大机组由3个监测子系统构成了一个大机组监测网，通过内部局域网实现了检测数据的共享。可监测轴振动，轴位移和相位等近200个参数。并实现了远程诊断。(彭亚平，《电子质量》，2003，No.2.)

193.学术机构与学术会议IFAC在技术协调委员会之下，已于1991年成立了技术过程的故障诊断与安全性专业委员会（TConSAFEPROCESS），负责这一学科的组织与发展工作。从1991年起，TConSAFEPROCESS已每三年定期召开国际控制系统故障诊断技术的专题学术会议。(91德国；94芬兰；97英国;00匈牙利;03美国；06中国（清华大学）)20IFACTConChemicalProcessControl从1992年起每3年召开一次IFAC化工过程在线故障检测与监控会议（98

France（第3届）,01Seoul（第4届））21中国自动化学会已于1997年批准成立中国自动化学会技术过程的故障诊断与安全性专业委员会，来协调国内该学科的发展。每两年召开全国技术过程的故障诊断与安全性学术会议；（99北京；01上海；03张家界；05济南）中国振动工程学会已成立故障诊断专业委员会，每两年召开一次全国设备故障诊断学术会议。（02北京(第8届)；04成都（第9届））22中国机械工程学会设备与维修工程分会也定期召开全国性学术会议，第12届全国设备检测与诊断学术会议将于2005年在三亚举行。IFACWorldCongress,ACC,CDC,ECC等都有大量的故障诊断与容错控制方面的论文。1995年到2005.2.22,EI的查询中，故障诊断、预报与容错控制方面的论文达33191篇，每年的论文数达3000篇以上，已成为自控界的少数热门研究方向之一。232005年7月，在Prague举行的第16届IFAC世界大会上，SAFEPROCESS方向共有96篇论文，其中：FTC11篇；Reliability3篇；汽车方面：5篇；实际长期应用：0篇；NCS方面：0篇

最新动态：244.故障诊断技术的最新进展1)非线性系统的鲁棒故障诊断2)状态时滞系统的故障诊断3)混杂系统的故障诊断4)采样系统的故障诊断5)动态系统的故障预报6)NCS的故障诊断251)非线性系统的鲁棒故障诊断主要可以分为两类方法：

a)

坐标变换方法。将原系统变换成两个子系统，其中一个与故障无关。

b)

自适应学习方案。其建模不确定假设为范数有界，对某些特殊非线性系统设计稳定的自适应观测器，根据建模不确定上界可确定鲁棒故障检测的阈值，并通过自适应学习实时估计故障的大小。26a)坐标变换方法

所考虑的MIMO非线性系统：

通过坐标变换，

将其变换成两个子系统，其中第1个子系统与故障无关，

第2个子系统与故障有关。基于第1个子系统，可构造自适应观测器估计出原系统的参数，

并将此参数代入第2个子系统计算出故障值。

[1]JiangB,etal.,

Int.J.ofControl,2004,77(4):415-426.

27b)自适应学习方案

MIMO

非线性系统的鲁棒

FDD(1)[1]

PolycarpouMMetal.,Int.J.Control,1997,68(20):343-360.[2]LiLLandZhouDH.CCE,2004,28(12):2635-2646.28

MIMO非线性系统的鲁棒

FDD(2)

[1]PolycarpouMM,etal.Int.J.Control,2001,74(130):1295-1310.

[2]PolycarpouMM,etal.,IEEETonAC,2005,50(3):370-376.

292)状态时滞系统的故障诊断其中：,

所考虑的系统是：30a)全解耦方法假设故障及扰动为加性，具有已知分布阵，采用全解耦的设计方法结合降阶观测器进行故障估计。文[1]是时滞系统故障诊断研究的代表之作。但其工作有很多不合理的假设，回避了时滞系统输入解耦设计的难点问题。含有状态时滞系统的未知输入观测器设计比无时滞系统的要难得多。[1]YangHL,SaifM.Automatica,1998,34(2),217-227.31b)H∞优化的设计方法

假设故障及扰动为加性，具有已知分布阵，采用H∞优化的设计方法。文[2]将Ding教授针对无时滞系统鲁棒故障检测滤波器的H∞优化设计法推广到含有状态时滞的系统，该工作尚待完善。[2]Zhong

MY,etal.Proc.ACC,2001,2137-2142.32c)参数估计方法

这方面代表性的工作是文[3]。该文采用自适应观测器，对执行器和部件故障进行估计，并推广到了一类非线性时滞系统。[3]JiangB,etal.Proc.ACC,Anchorage,AK,2002,2239-2244333)

混杂系统的故障诊断Q

有限离散模式集合X

连续状态空间Σ

有限离散事件集合Init

初始状态集合E

离散模式切换（受控或自发）集合

f

连续动态函数34a)故障描述1) 故障描述为一种新的模式，即故障不显式地表现在连续动态上，而是体现在离散动态上。

在这种情况下，故障检测与分离问题就转化为离散模式的辨识问题，一般采用离散事件动态系统的研究方法。

2) 传统的故障描述方法，即故障显式地表现在连续动态上。

目前这类研究成果比较少，而且集中在将模式切换建模为隐马尔可夫链，即系统以一定的概率在各个模式之间切换。35b)研究方法混杂系统故障诊断的研究方法一般可以分为两类：1)来源于离散事件系统的故障诊断方法：比如混杂联结图方法，Petri网方法，混杂逻辑动态方法；2)来源于连续系统的故障诊断方法：比如等价空间方法，粒子滤波器.36C)代表性文献(成果很少)

[1]

TrompL,BenvenisteAandBassevilleM.

Proc.14thIFACWorldCongress,Beijing, 1999,79-84[2]HibeyJL,CharalambousCD.IEEETrans. onA.C.,1999,44(11):2164-2169[3]

ZhaoF,etal.,IEEETrans.onSMC-PartB: Cybernetics,2005,35(6),1225-1240.374)采样系统的故障诊断用于故障诊断的残差产生器通常都是间接产生的,即:a)针对连续系统设计,再离散化实现;b)先离散化,在设计离散的残差.在采样间隔不足够小时,会造成较大的误差.38我们针对LTI系统,通过引入一个新的算子,考虑了A/D的在采样瞬间对系统的影响,把连续的系统输入和离散的系统输出联系了起来,而没有作近似处理,由此得到了一种新的残差信号的产生方法,即一种直接的方法.[1]ZhangP,etal.

Automatica,2003,39:1303-1307.[2]ZhangP,etal,Int.J.Control,2002,75(18):1457-1471.395)动态系统的故障预报故障预报是指根据系统过去和现在的状态，预测系统将来是否会发生故障。它和故障检测与诊断的区别在于，故障诊断是对已发生的故障做出判断，而故障预报是对可能发生的故障做出判断.因此它是一种针对不确定事件的处理方法。由于故障预报技术能事先做出判断，因此在一些安全性要求很高的系统，如航天，核能,大型化工等领域，有很好的应用前景。目前故障预报技术的研究还处于起步阶段，相关的研究学者和成果都很少。40a)

基于卡尔曼滤波器的故障预报Yang,SK，提出了基于卡尔曼滤波器的故障预报方法，用于电机的故障预报。[1]YangSK.IEEETRANS.RELIABILITY,2003,52(3):373-383[2]YangSK.RELIABILITYENGINEERING&SYSTEMSAFETY,2002,75(1):103-111.[3]YangSK.RELIABILITYENGINEERING&SYSTEMSAFETY,1999,66(1):29-39.41b)

基于神经网络的故障预报

文[1,2]给出了基于神经网络的故障预报方法，分别用于机械振动信号和离子反应堆的的故障预报.[1]TsePW,AthertonDP.JournalofVibrationandAcoustics1999,121(7):355-362.[2]RietmanEA,BeachyMilton.IEEETransonSemiconductorManufacturing,1998,11(4):670-680.42c)基于粒子滤波器的故障预报我们给出了一种故障概率预报的问题框架，指出了故障预报的结果应该是用概率来描述的;并提出了一种基于particlefilter的故障概率预报方法，

证明了该方法的收敛性，所得到的预报概率的误差是有界收敛的。[1]ChenMZ,ZhouDH.Proc.IFACSymp.OnSAFEPROCESS,Washington,2003.[2]ChenMZ,ZhouDHandLiuGP.ChemicalEngineeringandMineralProcessing，2005，13(3/4):379-388.436）NCS的故障诊断

(摘自《自动化学报》，2003，29(4)：559-560)44a)当固定或可以确定时，

文[1-3]分别采用等价空间、降阶观测器和Kalman

滤波器，给出了几种线性网络化系统的故障诊断方法。[1]ZhengY,FangHJ,XieLB,WangHO，DynamicsofContinuous

DiscreteandImpulsiveSystems-SeriesB-Applications&Algorithms,

2003,Suppl.SI,416-421.[2]FangHJ,etal.《自动化学报》,2003，29(4):559-566.[3]FangHJ,etal.Proc.of5thWCICA,2004,pp.1330-1333.

45b)当是未知的并且是时变时，

文[4]通过采用泰勒展开做一阶近似处理，并结合等价空间方法给出了一种线性网络化系统的故障检测方法。

但考虑了泰勒展开的高阶项时，该方法将可能失效。[4]YeH,andDingSX,Proc.of

theEighthInternationalConferenceonControl,Automation,RoboticsandVision(ICARCV2004).

465.容错控制理论的最新进展1)不确定线性系统的鲁棒完整性控制2)不确定线性时滞系统的鲁棒完整性控制3)非线性系统的集成容错控制4)非线性时滞系统的主动容错控制5)非线性不确定系统的鲁棒容错控制471)不确定线性系统的鲁棒完整性控制考虑线性不确定性系统:

其鲁棒完整性控制的目标是,当存在上述模型不确定性时,当存在部分执行器故障、部分传感器故障，或两种故障都存在时，

设计出闭环控制律，使系统在正常运行时和故障状态下都保持稳定，并具有可接受的其它的一些性能指标。

48目前此问题已有一些解决方案,主要包括基于代数Riccati

方程和Lyapunov稳定性理论的方法,以及基于LMI的方法两大类.[1]李军,王执铨等,南京理工大学学报,2004,28(6):561-565.[2]李晓辉等.降维观测器系统的鲁棒容错控制,北京机械学院学报,2003,18(3):1-5.[3]王福忠,姚波.系统工程与电子技术,2004,26(5):636-640.49关于可靠控制(reliablecontrol)Acontrolsystemdesignedtotoleratefailuresofactuatorsorsensorswithaprespecifiedsubsetofallactuatorsorsensors,whileremainingdesiredcontrolsystemproperties,willbecalleda“reliablecontrolsystem”[1].[1]PerkinsWR,etal.IEEETAC,1992,37(3):290-304.[2]KimBK,etal.,Automatica,1996,32(30:465-467.[3]FisherDG,IJSS,2001,32(7):817-824.502)不确定线性时滞系统的鲁棒完整性控制其中，时变时滞，考虑如下一类线性不确定性系统:

通常都是基于Lyapunov

稳定性理论，选用特殊类型的Lyapunov函数，研究上述系统的鲁棒容错控制问题。51关于上述系统执行器故障的容错控制问题已有较成熟的方法；当C=I时，关于传感器故障的容错控制也已有结果。[1]孙继涛等，同济大学学报，2001，29(8):961-965.[2]郑英，方华京等，系统工程与电子技术，2003，25（8）：974-976.[3]刘鹏，周东华,控制理论与应用,2003,20(1):78-80.523)非线性系统的集成容错控制被动容错控制＋FDD[1]ZhouDH,FrankPM,IEEETrans.OnAerospaceandElectronicSystems,1998，34(2):420-427.53544)非线性时滞系统的主动容错控制[1]WangD,ZhouDH,JinYH,ComputersandChemicalEngineering,2004,18(12):2523-2540.

[2]WangD,ZhouDH,JinYH,ChineseJ.ofChemicalEngineering,2004,12(1):60-65.55565)非线性不确定系统的鲁棒容错控制

[1]ZhangXD,ParisiniT,Polycarpou,MM,IEEETAC,2004,49(8):1259-1274.考虑如下一类非线性不确定系统：其中：57控制策略：58摘自IEEETAC,2004,49(8):1262596.发展方向展望混杂系统的FDD结果还很少。NCS的FDD还很不成熟，尤其对存在随机时变时延的系统。非线性不确定系统的FDD还没有完全解决。基于数据驱动的复杂系统的故障预报还没有有效方法。复杂系统的可靠性动态评估还没有有效方法；混杂系统的FTC还没有任何结果。60（接上页）NCS的FTC基本上也是空白。线性不确定系统的被动FTC也没有完全解决。非线性不确定系统的FTC成果还极少。可应用于大型流程装置的FDD商业化软件还没有看到。

因此，我们还任重道远，需要加倍努力！！！617.附录：主要学术著作[1]BassevilleM(eds).Detectionofabruptchangesinsignalanddynamicsystems.

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