1故障诊断与容错控制综述.ppt

故障检测与诊断技术主讲教师：薄翠梅目目 录录 1.FDD研究的必要性；研究的必要性；2.FDD的概念；的概念；3.FDD的发展概况；的发展概况；4.FDD的任务和主要研究内容；的任务和主要研究内容；5.FDD方法的研究现状；方法的研究现状；5.1 基于系统动态数学模型的方法；基于系统动态数学模型的方法；5.2 基于信号处理的方法；基于信号处理的方法；5.3 基于知识的基于知识的FDD方法；方法；6.当前存在的几个主要问题；当前存在的几个主要问题；7.FDD的发展趋势。的发展趋势。目目 录录 1.FDD研究的必要性；研究的必要性；2.FDD的概念；的概念；3.FDD的发展概况；的发展概况；4.FDD的任务和主要研究内容；的任务和主要研究内容；5.FDD方法的研究现状；方法的研究现状；5.1 基于系统动态数学模型的方法；基于系统动态数学模型的方法；5.2 基于信号处理的方法；基于信号处理的方法；5.3 基于知识的基于知识的FDD方法；方法；6.当前存在的几个主要问题；当前存在的几个主要问题；7.FDD的发展趋势。的发展趋势。美美国国东东部部时时间间20032003年年2 2月月1 1日日上上午午9:009:00点点(北北京京时时间间晚晚上上22:00)22:00)，载载有有7 7名名宇宇航航员员的的美美国国哥哥伦伦比比亚亚号号航航天天飞飞机机在在结结束束了了为为期期1616天天的的太太空空任任务务之之后后返返回回地地球，但在着陆前发生意外，航天飞机解体坠毁。球，但在着陆前发生意外，航天飞机解体坠毁。三个案例三个案例2002年年4月月15日，中国国际航空公司的一架波音日，中国国际航空公司的一架波音767飞机飞机在韩国的釜山坠毁，机上在韩国的釜山坠毁，机上166名乘客和机组人员有名乘客和机组人员有128人人遇难。这是消防员在清理失事飞机残骸的画面。遇难。这是消防员在清理失事飞机残骸的画面。2002年年5月月24日日下下午午三三点点零零三三十十三三分分，台台湾湾中中华华航航空空公公司司一一架架从从台台北北飞飞往往香香港港的的班班机机在在澎澎湖湖马马公公外外海海坠坠落落，机机上上乘乘客客连连同同机机组组人人员员共共有有225人人。图图为为调调查查人人员员搭搭了了一一个个架架子，把收集来的碎片拼凑在一起。子，把收集来的碎片拼凑在一起。1977年年4月月12日日，美美国国三三角角(Delta)航航空空公公司司1080航航班班的的一一架架DC-10飞飞机机在在芝芝加加哥哥坠坠毁毁，事事故故调调查查结结果果表表明就是因为左升降舵卡死在上偏明就是因为左升降舵卡死在上偏19o 的位置。的位置。英英 国国 健健 康康 安安 全全 协协 会会（the Health and Safety Executive）分分析析了了不不同同控控制制系系统统中中出出现现的的34起起事事故故，结果发现大约结果发现大约44%的事故是由于设计不规范造成的。的事故是由于设计不规范造成的。国国际际故故障障诊诊断断专专家家Isermann统统计计了了1991 1995年年间间的的165个个动动态态系系统统的的典典型型事事故故，结结果果发发现现有有120起起是是由由于于系系统统的的传传感感器器或或执执行行器器故故障障引引起起的的，有有50.3%属属于于过程故障。过程故障。为为了了保保证证系系统统高高效效地地运运作作，要要求求在在对对系系统统实实施施基基本本的的控控制制之之外外，还还能能进进行行有有效效的的监监测测。在在系系统统即即将将发发生生故故障障(工工作作异异常常)时时能能实实现现故故障障预预报报，做做到到防防患患于于未未然然；在在系系统统发发生生故故障障时时能能及及时时检检测测并并加加以以处处理理，将将风风险险和和损损失失降降至至最最低低。由由于于传传统统的的硬硬件件冗冗余余技技术术存存在在诸诸多多缺缺陷陷，因因此此，基基于于软软件件冗冗余余的的动动态态系系统统的的故故障障检检测测与与诊诊断断技技术术(Fault Detection and Diagnosis，简称简称FDD)为实现这一目标开辟了一条新的途径。为实现这一目标开辟了一条新的途径。我们的对策我们的对策(问题解决的有效途径问题解决的有效途径)：经经过过40多多年年的的发发展展，FDD技技术术取取得得了了丰丰硕硕的的成成果果，在在各各个领域得到广泛的应用。个领域得到广泛的应用。n故故障障(fault)：使使系系统统至至少少一一个个特特性性或或参参数数出出现现较较大大的的偏偏差差，并并超超出出了了可可接接受受的的范范围围。此此时时系系统统的的性性能能明明显显低低于于正正常常水水平平，难难以以完完成成其其预预期的功能。期的功能。注意：故障与扰动区别注意：故障与扰动区别n故故障障预预报报(fault prediction)：根根据据系系统统的的残残差差和和症症状状等等动动态态信信息息，在在故故障障尚尚未发生时对其运行状态趋势的估计。未发生时对其运行状态趋势的估计。n软软件件冗冗余余(analytical redundancy)：与与硬硬件件冗冗余余相相对对应应，狭狭义义指指通通过过被被诊诊断断对对象象的的可可测测变变量量之之间间(如如输输入入与与输输出出间间，输输出出与与输输出出间间，输输入入与与输输入入间间)存存在在的的冗冗余余的的函函数数关关系系用用解解析析方方式式建建立立系系统统的的数数学学模模型型来来产产生生冗冗余余信信号号;广广义义泛泛指指利利用用非非硬硬件件冗冗余余的的方方法法得得到到冗冗余余信信息息进进行行故故障障诊诊断断。冗冗余余信信息息往往是成功进行故障诊断的关键。往往是成功进行故障诊断的关键。故故障障检检测测与与诊诊断断故故障障检检测测(fault detection)：确确定定系系统统或或设设备是否发生了故障。备是否发生了故障。故故障障诊诊断断(fault diagnosis)：广广义义上上它它作作为为故故障障检检测测、分分离离和和辩辩识识的的统统称称；狭狭义义上上特特指指故故障分离与故障辩识。障分离与故障辩识。n故故障障分分离离(fault isolation)：在在检检测测出出故故障障后后，确定故障的种类或发生的部位。确定故障的种类或发生的部位。n故故障障辨辨识识(fault identification)：在在故故障障发发生生后后，确确定定故故障障的的大大小小，发发生生时时间间、位位置置和和故故障障性性质，并对故障加以评价等。质，并对故障加以评价等。FDDFDDFDD的应用背景的应用背景Nuclear factory目目 录录 1.FDD研究的必要性；研究的必要性；2.FDD的概念；的概念；3.FDD的发展概况；的发展概况；4.FDD的任务和主要研究内容；的任务和主要研究内容；5.FDD的研究现状；的研究现状；5.1 基于系统动态数学模型的方法；基于系统动态数学模型的方法；5.2 基于信号处理的方法；基于信号处理的方法；5.3 基于知识的基于知识的FDD方法；方法；6.当前存在的几个主要问题；当前存在的几个主要问题；7.FDD的发展趋势。的发展趋势。2.1 什么是什么是FDD？nFDD是是一一门门相相对对独独立立发发展展的的理理论论与与技技术术，同同时时又又是是一一门门应应用用型型边边缘缘学学科科，与与容容错错控控制制、鲁鲁棒棒控控制制、自自适应控制、智能控制等有密切的联系。适应控制、智能控制等有密切的联系。信号处理信号处理应用数应用数学学FDD现代控制现代控制理论理论电子技术电子技术可靠性理可靠性理论论人工智能人工智能计算机工计算机工程程模式识别模式识别2.1 什么是什么是FDD？l由由于于基基于于软软件件冗冗余余的的FDD技技术术不不需需要要增增加加额额外外的的硬硬件件设设备备，具具有有成成本本低低、易易于于工工程程实实现现的的优优点点，克克服服了了基基于于硬硬件件冗冗余余FDD技技术术的的诸诸多多不不足足，成成为为当当前前该该领领域域的的主主流流。控控制制界界的的FDD即即常常指指以以软软冗冗余余为为主主的的FDD技技术术，这这里里也也主主要要讨讨论论软软冗冗余余的的FDD技术。技术。l Isermann 在下文中对在下文中对FDD的有关专业术语有专门的介绍。的有关专业术语有专门的介绍。Isermann R,Ball P.Trends in the application of model-based fault detection&diagnosis of technical processes.Control Eng.Practice,1997,5(5):709-719.2.2 故障的分类：故障的分类：故障按照不同的标准有多种分类方法：故障按照不同的标准有多种分类方法：按故按故障的障的相关相关性性关联故障；关联故障；非关联故障非关联故障；按故按故障的障的性质性质间歇故障；间歇故障；缓变型故障；缓变型故障；突发性故障；突发性故障；按故按故障的障的持续持续时间时间间断性故障；间断性故障；永久性故障；永久性故障；按故按故障间障间的相的相互关互关系系局部故障局部故障.独立故障；独立故障；多故障；多故障；单故障单故障；乘性故障乘性故障；加性故障；加性故障；从建模角从建模角度按故障度按故障发生的形发生的形式式按故按故障发障发生的生的部位部位仪表仪表(常为传感常为传感器器)故障；故障；执行器故障；执行器故障；元部件故障元部件故障；控制器故障；控制器故障；目目 录录 1.FDD研究的必要性；研究的必要性；2.FDD的概念；的概念；3.FDD的发展概况；的发展概况；4.FDD的任务和主要研究内容；的任务和主要研究内容；5.FDD方法的研究现状；方法的研究现状；5.1 基于系统动态数学模型的方法；基于系统动态数学模型的方法；5.2 基于信号处理的方法；基于信号处理的方法；5.3 基于知识的基于知识的FDD方法；方法；6.当前存在的几个主要问题；当前存在的几个主要问题；7.FDD的发展趋势。的发展趋势。FDD发展简况：发展简况：n1971年年，Beard发发 表表 的的 博博 士士 论论 文文 以以 及及 Mehra与与Peschon发发表表在在Automatica上上的的文文章章，标标志志FDD技技术术的诞生。的诞生。n1976年，年，Willsky发表了第一篇发表了第一篇FDD方面的综述文章。方面的综述文章。n1978年年，Himmelblau出出版版了了国国际际上上第第一一本本FDD方方面面的学术著作。的学术著作。n1993年年，IFAC（国国际际自自动动控控制制联联合合会会）组组织织成成立立了了“IFAC技技术术过过程程的的故故障障诊诊断断与与安安全全性性”技技术术委委员员会会，并并且每三年就举办一次国际会议专题讨论且每三年就举办一次国际会议专题讨论FDD。n1997年年，中中国国自自动动化化学学会会成成立立了了“技技术术过过程程的的故故障障诊诊断断与安全性与安全性”专业委员会，以协调国内该学科的发展专业委员会，以协调国内该学科的发展。FDD发展简况发展简况(续续)：n20世世纪纪80年年代代末末到到90年年代代初初基基于于观观测测器器的的LTI系系统统故故障障诊诊断断的的理理论论研研究究成成为为热热点点和和重重点点。80年年代代中中后后期期，基基于于人人工工智智能能等等非非数数学学模模型型的的FDD方方法法逐逐渐渐引引起起了了人人们们的的广广泛泛关关注注。90年年代代中中期期，关关于于LTI系统的系统的FDD已形成相对较为完整的体系结构。已形成相对较为完整的体系结构。n我我国国在在20世世纪纪80年年代代初初开开始始了了这这方方面面的的研研究究。清清华华大大学学、南南京京航航空空航航天天大大学学、西西安安交交通通大大学学、上上海海海海运运学学院院、北北京京航航空空航航天天大大学学、国国防防科科技技大大学学、浙浙江江大大学学、华华中中科科技技大大学学、南南京京理理工工大大学学等等单单位位的的学学者者均均长长期期从从事事这这方方面面的的研研究究，取取得得了了丰丰富富的的成果。成果。FDD发展简况发展简况(续续)：n2006年年，第第六六届届IFAC（国国际际自自动动控控制制联联合合会会）技技术术过过程程的的故故障障检检测测、监监控控和和安安全全性性国国际际会会议议将将在在北北京京清清华华大大学学举举行行，届届时时该该领领域域的的研研究究人人员员将将分分享享和和交交流流在在技技术术过过程程的的故故障障检检测测、监监控控和和安安全全性等多方面研究和应用中取得的最新进展。性等多方面研究和应用中取得的最新进展。目目 录录 1.FDD研究的必要性；研究的必要性；2.FDD的概念；的概念；3.FDD的发展概况；的发展概况；4.FDD的任务和主要研究内容；的任务和主要研究内容；5.FDD方法的研究现状；方法的研究现状；5.1 基于系统动态数学模型的方法；基于系统动态数学模型的方法；5.2 基于信号处理的方法；基于信号处理的方法；5.3 基于知识的基于知识的FDD方法；方法；6.当前存在的几个主要问题；当前存在的几个主要问题；7.FDD的发展趋势。的发展趋势。FDD的任务和主要研究内容的任务和主要研究内容nFDD的的主主要要任任务务是是：当当系系统统发发生生故故障障时时，找找出出故故障障的的特特征征描描述述，并并利利用用它它进进行行故故障障检检测测、预预报报、分分离离、辨辨识，进而实现对故障决策。识，进而实现对故障决策。装备装备运行运行特征特征信号信号信息信息处理处理征兆征兆诊断诊断故障故障信号信号测取测取信号信号提取提取决策决策FDD的任务和主要研究内容的任务和主要研究内容lFDD的主要研究内容包括：的主要研究内容包括：FDD系系统统的的故故障障特特征征提提取取、故故障障建建模模、故故障障预预报报、故故障障检检测测、故故障障诊诊断断和和故故障障评评价价与与决决策策、性性能能评评价价体体系系等几个方面。等几个方面。l故故障障检检测测、故故障障预预报报、故故障障分分离离与与辨辨识识可可以以包包含含在在FDD方法的研究中方法的研究中。l故障诊断原理图如图所示：故障诊断原理图如图所示：模型系统模型系统产生残差产生残差故障检测故障检测故障分离定位故障分离定位实际系统实际系统+-4.1 故障特征提取：故障特征提取：n故故障障诊诊断断的的过过程程可可以以看看作作是是一一个个模模式式识识别别的的过过程。故障识别信息主要来自两方面：程。故障识别信息主要来自两方面：故障模式信息：故障类别属性构成的信息源。故障模式信息：故障类别属性构成的信息源。故故障障特特征征信信息息源源：故故障障样样本本特特征征属属性性构构成成的的信息源。信息源。信息源信息源故障类别故障类别各故障先验概率各故障先验概率故障特征故障特征样本概率分布样本概率分布故障模式信息故障模式信息故障特征信息故障特征信息识别识别系统系统故障故障诊断诊断4.1 故障特征提取：故障特征提取：n故故障障特特征征提提取取就就是是通通过过数数据据测测量量和和一一定定的的信信息息处处理技术获取反映系统故障的特征描述的过程。理技术获取反映系统故障的特征描述的过程。n故故障障特特征征提提取取的的主主要要方方法法有有：直直接接观观察察和和测测量量；参参数数、状状态态估估计计或或滤滤波波与与重重构构；利利用用FFT、谱谱分分析析、小小波波分分析析等等信信号号处处理理、PCA分分析析、神神经经元元网网络络(ANN)、粗粗糙糙集集(RS)理理论论对对测测量量值值进进行行信信息息处处理。理。n按按照照先先验验信信息息和和输输入入输输出出关关系系，建建立立故故障障情情形形下下的的系系统统数数学学模模型型，作作为为故故障障诊诊断断的的依依据据。同同时时它它也也包包括括故故障障树树、有有向向图图、定定性性推推理理等等FDD方方法法中中非解析数学模型的建立。非解析数学模型的建立。4.2 故障建模：故障建模：判判断断故故障障的的严严重重程程度度及及其其对对被被诊诊断断对对象象的的影影响响和和发发展展趋势，进而针对不同的工况和故障采取不同的措施。趋势，进而针对不同的工况和故障采取不同的措施。4.3 故障的评价与决策：故障的评价与决策：故故障障决决策策方方法法主主要要有有：阈阈值值法法、模模糊糊逻逻辑辑法法、贝贝叶叶斯斯决策法、故障假设检验法、模式识别法、聚类分析等。决策法、故障假设检验法、模式识别法、聚类分析等。4.4 FDD系统的性能评价体系：系统的性能评价体系：n在设计一个在设计一个FDD系统时，必然涉及到系统的性能及其系统时，必然涉及到系统的性能及其评估体系，这方面的研究工作目前比较滞后。概括起评估体系，这方面的研究工作目前比较滞后。概括起来，已有的评价故障诊断系统的性能指标大体上可分来，已有的评价故障诊断系统的性能指标大体上可分为以下三个方面：为以下三个方面：n(1)检测性能指标检测性能指标(Detection Performance index)n 早期检测的灵敏度：早期检测的灵敏度：n 故障检测的及时性故障检测的及时性；n 故障检测的误报率、错报率和漏报率故障检测的误报率、错报率和漏报率；n(2)诊断性能指标诊断性能指标(Diagnosis Performance index)n 故障分离能力；故障分离能力；n 故障辨识的准确性；故障辨识的准确性；n 新颖故障和多新颖故障和多/组合故障的诊断能力组合故障的诊断能力；l(3)综合性能指标综合性能指标(comprehensive performance index)l FDD的实时性；的实时性；l FDD的鲁棒性的鲁棒性；l FDD的自适应能力的自适应能力。l 上述指标受各种因素的影响，相互之间密切联系，并存上述指标受各种因素的影响，相互之间密切联系，并存 在着一定的制约：在着一定的制约：故障检测的及时性早期性和正常运行下的容错性矛盾；故障检测的及时性早期性和正常运行下的容错性矛盾；故障集合的完整性和可诊断的故障集合之间的折衷；故障集合的完整性和可诊断的故障集合之间的折衷；故障的可分离性和对模型干扰的消除之间的折衷；故障的可分离性和对模型干扰的消除之间的折衷；鲁棒性与灵敏性鲁棒性与灵敏性/实时性间的平衡；实时性间的平衡；诊断系统的性能和计算复杂性之间的折衷。诊断系统的性能和计算复杂性之间的折衷。这些制约关系至今仍是这些制约关系至今仍是这些制约关系至今仍是这些制约关系至今仍是FDDFDDFDDFDD面临的一大挑战。面临的一大挑战。面临的一大挑战。面临的一大挑战。4.4 FDD FDD系统的性能评价体系系统的性能评价体系(续续)：4.4 FDD FDD系统的性能评价体系：系统的性能评价体系：早早期期检检测测的的灵灵敏敏度度：是是指指一一个个故故障障检检测测系系统统对对“小小”故故 障信号的检测能力障信号的检测能力(灵敏性灵敏性)。故故障障检检测测的的及及时时性性:是是指指当当诊诊断断对对象象发发生生故故障障后后检检 测系统在尽可能短的时间内检测到故障发生的能力。测系统在尽可能短的时间内检测到故障发生的能力。故障检测的误报率、错报率和漏报率：故障检测的误报率、错报率和漏报率：n误误报报率率是是指指系系统统没没有有发发生生故故障障却却被被错错误误地地判判定定出出现现了了 故障；故障；n错错报报率率是是指指系系统统发发生生了了故故障障，诊诊断断系系统统也也检检测测到到故故障障，但将故障发生的部位、时间或大小等判断错了；但将故障发生的部位、时间或大小等判断错了；n漏漏报报率率则则是是指指系系统统中中出出现现了了故故障障却却没没有有被被检检测测出出来来的的情形。情形。4.4 FDD FDD系统的性能评价体系：系统的性能评价体系：故故障障分分离离能能力力：是是指指诊诊断断系系统统对对不不同同故故障障的的区区分分能能力力。系系统统对对于于不不同同故故障障的的区区分分能能力力越越强强，那那么么对对故故障障的的定定位位也就越准确。也就越准确。故故障障辨辨识识的的准准确确性性：是是指指诊诊断断系系统统对对故故障障的的大大小小及及其其时时变特性的估计的准确程度。变特性的估计的准确程度。新颖故障和多组合故障的诊断能力：新颖故障和多组合故障的诊断能力：n对对新新颖颖故故障障的的诊诊断断能能力力是是指指当当有有新新颖颖的的故故障障发发生生时时，诊诊断断系系统统对对其其正正确确判判断断为为新新故故障障，而而非非无无故故障障或或其其它它已已知知故障的能力。故障的能力。n对对多多组组合合故故障障的的诊诊断断是是指指诊诊断断系系统统不不单单是是可可正正确确进进行行单单故故障障的的诊诊断断，还还应应尽尽可可能能对对多多组组合合故故障障作作出出正正确确的的诊断。诊断。4.4 FDD FDD系统的性能评价体系：系统的性能评价体系：故障诊断的实时性：是指当诊断对象发生故障后诊断故障诊断的实时性：是指当诊断对象发生故障后诊断系统在尽可能短的时间内检测到故障发生并完成故障系统在尽可能短的时间内检测到故障发生并完成故障诊断的能力。实时性越好，说明从故障发生到被正确诊断的能力。实时性越好，说明从故障发生到被正确检测、分离和辨识之间的时间间隔越短。检测、分离和辨识之间的时间间隔越短。故障诊断的鲁棒性：是指故障诊断系统在存在噪声、故障诊断的鲁棒性：是指故障诊断系统在存在噪声、干扰、建模误差等情况下正确完成故障诊断任务，同干扰、建模误差等情况下正确完成故障诊断任务，同时保持满意的误报率、错报率和漏报率的能力。一个时保持满意的误报率、错报率和漏报率的能力。一个故障诊断系统的鲁棒性越强，表明它受噪声、干扰、故障诊断系统的鲁棒性越强，表明它受噪声、干扰、建模误差的影响越小，其可靠性也越高。建模误差的影响越小，其可靠性也越高。故障诊断的自适应能力：是指故障诊断系统对于变化故障诊断的自适应能力：是指故障诊断系统对于变化的被诊断对象具有自适应能力并且能够充分利用由于的被诊断对象具有自适应能力并且能够充分利用由于变化产生的新信息来改善自身。变化产生的新信息来改善自身。4.5 FDD方法：方法：n 通通常常在在具具体体研研究究FDD方方法法时时主主要要涉涉及及故故障障预预报报、故故障障检检测测、故故障障分分离离、故故障障辩辩识识和和故故障障评评价价等等内内容容。这这是是FDD技技术术的的主主要要研研究究内内容容，也也是是迄迄今今FDD领领域域研研究究最最多多、最最为为活活跃跃的的分分支支。这这些些方方法法目目前前取取得得的的成成果果不不论论是是在在检检测测性性能能、诊诊断断性性能能，还还是是鲁鲁棒棒性性等等都都有有很很大大提提高高，而而且且对对于于LTI系系统统已已经经形形成成了了相相对对较较为为完完整整的的体系结构。体系结构。n 按按照照国国际际故故障障诊诊断断权权威威，德德国国的的P.M.Frank教教授授的的观观点点，将将现现有有的的故故障障诊诊断断方方法法大大致致分分为为基基于于动动态态数数学学模模型型的的方方法法、基基于于信信息息处处理理的的方方法法和和基基于于知知识识的的方方法法。n下面重点讨论这方面的有关内容。下面重点讨论这方面的有关内容。目目 录录 1.FDD研究的必要性；研究的必要性；2.FDD的概念；的概念；3.FDD的发展概况；的发展概况；4.FDD的任务和主要研究内容；的任务和主要研究内容；5.FDD方法的研究现状；方法的研究现状；5.1 基于系统动态数学模型的方法；基于系统动态数学模型的方法；5.2 基于信号处理的方法；基于信号处理的方法；5.3 基于知识的基于知识的FDD方法；方法；6.当前存在的几个主要问题；当前存在的几个主要问题；7.FDD的发展趋势。的发展趋势。5 5 5 5 FDDFDDFDDFDD方法的研究现状方法的研究现状方法的研究现状方法的研究现状FDD方法方法动态数学模型的方法动态数学模型的方法基于信息处理方法基于信息处理方法基于知识的方法基于知识的方法基于症状的方法基于症状的方法定性模型推定性模型推理的方法理的方法变换类变换类方法方法状状态态估估计计法法等等价价空空间间法法参参数数估估计计法法观观测测器器/滤滤波波器器类类方方法法强强跟跟踪踪滤滤波波器器法法最最小小二二乘乘法法滤滤波波器器方方法法观观测测器器方方法法信信息息融融合合法法相相关关分分析析法法主主元元分分析析法法 算算子子法法谱谱分分析析法法分分形形几几何何法法 基基于于时时间间序序列列特特征征提提取取法法 KDIKDI信信息息准准则则法法 信信号号模模态态估估计计法法 GabGaboror变变换换法法小小波波变变换换法法FFTFFT变变换换法法故故障障树树 有有向向图图论论法法 定定性性仿仿真真法法 定定性性观观测测器器法法 遗遗传传算算法法模模式式识识别别法法 模模糊糊逻逻辑辑法法 专专家家系系统统法法 粗粗糙糙集集理理论论方方法法 神神经经元元网网络络法法基基于于离离散散事事件件的的FDDFDD方方法法 5.1 基于系统基于系统动态数学模型的方法：动态数学模型的方法：基基于于系系统统动动态态数数学学模模型型的的方方法法是是通通过过将将被被诊诊断断对对象象的的实实际际可可测测信信息息和和由由模模型型表表达达的的系系统统先先验验信信息息进进行行比比较较，以以产产生生残残差差，并并对对残残差差进进行行分分析析和和处处理理从从而而实实现现故故障障诊诊断断的的技技术术。该该类类方方法法需需要要建建立立被被诊诊断断对对象象的的精精确确数数学学模模型型，其其优优点点是是充充分分利利用用了了系系统统内内部部的的深深层层知知识识，利利于于系系统统的的故故障障诊诊断断。但但它它受受各各种种干干扰扰影影响响较较大大，鲁鲁棒棒性性分分析析是是一一个个瓶瓶颈颈，其设计的关键是如何产生鲁棒残差序列。其设计的关键是如何产生鲁棒残差序列。一般而言，基于该类方法设计一般而言，基于该类方法设计FDD系统包括两个步骤：系统包括两个步骤：(1).(1).残差产生残差产生(residual generation)；(2).(2).残差评价残差评价(residual evaluation)。5.1 基于系统基于系统动态数学模型的方法（续）：动态数学模型的方法（续）：(1).(1).残残差差产产生生(residual generation)：就就是是利利用用一一个个适适当当的的算算法法对对系系统统的的I/O进进行行处处理理获获取取残残差差信信号号的的过过程程。残残差差序序列列产产生生器器是是基基于于动动态态数数学学模模型型的的故故障障检检测测技技术术的的必必经经之之路路。当当存存在在一一定定的的建建模模误误差差时时，为为了了降降低低误误报报率率和和提提高高正正确确的的检检测测率率，人人们们已已经经致致力力于于鲁鲁棒棒残残差差序序列列产产生生器器的的获取方法获取方法。5.1 基于系统基于系统动态数学模型的方法：动态数学模型的方法：基于系统动态数学模型的方法是通过将被诊断对象的基于系统动态数学模型的方法是通过将被诊断对象的实际可测信息和由模型表达的系统先验信息进行比较，以实际可测信息和由模型表达的系统先验信息进行比较，以产生残差，并对残差进行分析和处理而实现故障诊断的技产生残差，并对残差进行分析和处理而实现故障诊断的技术。该类方法需要建立被诊断对象的精确数学模型，其优术。该类方法需要建立被诊断对象的精确数学模型，其优点是充分利用了系统内部的深层知识，利于系统的故障诊点是充分利用了系统内部的深层知识，利于系统的故障诊断。但它受各种干扰影响较大，鲁棒性分析是一个瓶颈，断。但它受各种干扰影响较大，鲁棒性分析是一个瓶颈，其设计的关键是如何产生鲁棒残差序列。其设计的关键是如何产生鲁棒残差序列。一般而言，基于该类方法设计一般而言，基于该类方法设计FDD系统包括两个步骤：系统包括两个步骤：(1).(1).残差产生残差产生(residual generation)；(2).(2).残差评价残差评价(residual evaluation)。5.1 基于系统基于系统动态数学模型的方法（续）：动态数学模型的方法（续）：(1).(1).残残差差产产生生(residual generation)：就就是是利利用用一一个个适适当当的的算算法法对对系系统统的的I/O进进行行处处理理获获取取残残差差信信号号的的过过程程。残残差差序序列列产产生生器器是是基基于于动动态态数数学学模模型型的的故故障障检检测测技技术术的的必必经经之之路路。当当存存在在一一定定的的建建模模误误差差时时，为为了了降降低低误误报报率率和和提提高高正正确确的的检检测测率率，人人们们已已经经致致力力与与鲁鲁棒棒残残差差序序列列产产生生器器的的获取方法获取方法。(2).(2).残残差差评评价价(residual evaluation)：即即利利用用适适当当决决策策函数和决策规测来确定故障发生的可能性的过程。函数和决策规测来确定故障发生的可能性的过程。根根据据残残差差产产生生形形式式的的不不同同，该该类类方方法法可可分分为为参参数数估估计计方法、状态估计方法和等价空间方法。方法、状态估计方法和等价空间方法。5.1 基于系统动态数学模型的方法基于系统动态数学模型的方法(续续)：n状态估计法的基本思想状态估计法的基本思想 首首先先根根据据系系统统的的数数学学模模型型重重构构被被控控过过程程的的状状态态，通通过过状状态态估估计计值值与与实实际际可可测测变变量量值值的的比比较较构构成成残残差差序序列列，再再构构造造适适当当的的诊诊断断模模型型，并并用用统统计计检检验验方方法法等等从从残残差差序序列列中中把把故故障障检检测测、分分离离出出来来。它它要要求求系系统统是是可可观观测测或或部部分分可可观观测测，通通常常用用各各种种状状态态观观测测器器或或滤滤波波器器进行状态估计。进行状态估计。在在获获得得系系统统精精确确模模型型的的情情况况下下，状状态态估估计计法法是是最最直直接接有有效效的的方方法法，然然而而在在实实际际中中这这一一条条件件很很难难满满足足。因因此此该该方方法法的的研研究究多多集集中中在在提提高高检检测测系系统统对对于于建建模模误误差差、扰扰动动、噪噪声声等等未未知知输输入入的的鲁鲁棒棒性性和和对对系系统统早早期期故故障障的的灵灵敏敏性性。通通常常来来说说，这这两两个个指指标标是是相相互互矛矛盾盾的的，只能在二者之间根据具体的设计要求进行折衷。只能在二者之间根据具体的设计要求进行折衷。5.1 基于系统动态数学模型的方法基于系统动态数学模型的方法(续续)：n基基于于状状态态估估计计的的故故障障诊诊断断方方法法：包包括括观观测测器器方方法法和和滤滤波波器器方方法法。而而观观测测器器方方法法又又包包括括Luenberger方方法法、未未知知输入观测器方法等。输入观测器方法等。n基基于于观观测测器器故故障障诊诊断断方方法法的的思思路路是是：比比较较观观测测器器的的输输出出与与实实际际输输出出得得到到包包含含故故障障信信息息的的残残差差序序列列，从从而而实实现现故故障的检测与诊断。障的检测与诊断。n一一些些新新的的方方法法有有：滑滑模模观观测测器器方方法法、模模糊糊观观测测器器方方法法、特特征征结结构构配配置置方方法法、参参考考模模型型自自适适应应诊诊断断观观测测器器、反反推观测器推观测器(Backstepping observer)方法等。方法等。系统故障分离故障分离观测器观测器(系统的模型系统的模型)系统系统+-5.1 基于系统动态数学模型的方法基于系统动态数学模型的方法(续续)：n等价空间法的基本思想：利用系统的输入输出实际测等价空间法的基本思想：利用系统的输入输出实际测量值检验系统数学模型的等价性即一致性，检测和分量值检验系统数学模型的等价性即一致性，检测和分离故障。离故障。m1,m2,ml计算子集的一致性计算子集的一致性计算计算m1,m2,ml的不一致性的不一致性得到一致性最好的一组测量信号得到一致性最好的一组测量信号用于被测过程变量的估计，用于被测过程变量的估计，诊断出可能存在故障的测量信号诊断出可能存在故障的测量信号5.1 基于系统动态数学模型的方法基于系统动态数学模型的方法(续续)：n参数估计方法的基本思想：当故障由参数的显著变化参数估计方法的基本思想：当故障由参数的显著变化来描述时，根据参数的估计值与正常值之间的偏差情来描述时，根据参数的估计值与正常值之间的偏差情况来判定系统的故障情况。即把理论建模和参数辨识况来判定系统的故障情况。即把理论建模和参数辨识结合起来，框图如下：结合起来，框图如下：5.1 基于系统动态数学模型的方法基于系统动态数学模型的方法(续续)：被控过程被控过程参数估计参数估计计算过程系数计算过程系数确定变动确定变动故障决策故障决策故障分离故障分离理论过程模型理论过程模型标称过程标称过程故障模型故障模型uNy数数据据处处理理特特征征提提取取故故障障诊诊断断故故 障障 检检 测测 5.1 基于系统动态数学模型的方法基于系统动态数学模型的方法(续续)：n参数估计方法不需要计算残差序列，而是根据模型参参数估计方法不需要计算残差序列，而是根据模型参数变化和相应物理参数变化的统计特性检测故障和分数变化和相应物理参数变化的统计特性检测故障和分离故障，与状态估计法相比更利于故障的分离。离故障，与状态估计法相比更利于故障的分离。n参数估计法需要以下条件：参数估计法需要以下条件：建立过程模型，找出模型参数与物理参数之间的对应建立过程模型，找出模型参数与物理参数之间的对应关系；关系；被控过程需充分激励；被控过程需充分激励；选择适当的过程参数；选择适当的过程参数；有必要的故障统计决策方法。有必要的故障统计决策方法。n因此将其与其它基于模型的方法结合使用可获得更好因此将其与其它基于模型的方法结合使用可获得更好的性能。的性能。5.1 基于系统动态数学模型的方法基于系统动态数学模型的方法(续续)：n以以上上三三种种方方法法虽虽然然是是独独立立发发展展起起来来的的，但但他他们们彼彼此此间间并并不不是是独独立立的的，而而是是存存在在一一定定的的关关系系。现现在在已已经经证证明明基基于于观观测测器器的的状状态态估估计计方方法法和和等等价价空空间间方方法法是是等等价价的的。参参数数估估计计法法得得到到的的残残差差包包含含在在观观测测器器方方法法得得到到的的残残差差中中，二二者在本质上是互补的。者在本质上是互补的。n目目前前基基于于动动态态数数学学模模型型的的故故障障诊诊断断方方法法的的研研究究已已集集中中在在非非线线性性系系统统的的研研究究、以以及及发发展展新新的的关关于于LTI系系统统的的诊诊断断方法以及提高方法以及提高FDD的性能等方面。的性能等方面。n处处理理非非线线性性系系统统的的故故障障诊诊断断的的方方法法主主要要可可以以分分为为两两类类：一一类类方方法法是是将将非非线线性性系系统统在在一一个个或或几几个个工工作作点点附附近近线线性性化化，用用一一个个线线性性模模型型集集表表示示系系统统，建建模模误误差差作作为为未未知知输输入入。另另一一类类方方法法是是基基于于非非线线性性模模型型的的方方法法，大大多多针针对对某某种特定的非线性系统。种特定的非线性系统。鲁棒故障诊断系统的研究鲁棒故障诊断系统的研究n问题的提出问题的提出 基基于于观观测测器器的的故故障障检检测测与与诊诊断断系系统统的的设设计计是是建建立立在在系系统统模模型型之之上上的的。由由于于在在建建模模过过程程中中总总是是要要做做一一些些近近似似化化，特特别别是是在在处处理理非非线线性性系系统统时时,人人们们往往往往采采用用线线性性化化技技术术，并并且且在在实实际际系系统统中中，不不可可测测干干扰扰是是不不可可避避免免的的。因因此此，模模型型的的这这些些不不确确定定性性会会直直接接影影响响到到检检测测系系统统的的性性能能指指标标，特特别别是是会会导导致致误误报报和和系系统统的的灵灵敏敏度度降降低低。为为解解决决这这一一问问题题，人人们们从从8080年年代代末末期期起起，借借助助于于当当时时已已经经较较为为成成熟熟的的鲁鲁棒棒控控制制理理论论，把把研研究究重重点点放放在在基基于于观观测测器器的的残残差差序序列列产产生生器器的的鲁鲁棒棒性上。性上。鲁棒故障诊断系统的研究鲁棒故障诊断系