復雜工業(yè)系統(tǒng)的過程監(jiān)測及故障診斷2015

1、Date:5/1/2022File:FDD.1System Monitoring and Fault DiagnosisPeng Kaixiang 2015. All rights reserved.FDD Lecture復雜工業(yè)系統(tǒng)的過程監(jiān)測復雜工業(yè)系統(tǒng)的過程監(jiān)測與故障診斷與故障診斷彭開香彭開香北京科技大學自動化學院北京科技大學自動化學院Date:5/1/2022File:FDD.2System Monitoring and Fault DiagnosisPeng Kaixiang 2015. All rights reserved.FDD Lecture 概概 要要 Date:5/1/20

2、22File:FDD.3System Monitoring and Fault DiagnosisPeng Kaixiang 2015. All rights reserved.FDD LectureDate:5/1/2022File:FDD.4System Monitoring and Fault DiagnosisPeng Kaixiang 2015. All rights reserved.FDD Lecture Date:5/1/2022File:FDD.5System Monitoring and Fault DiagnosisPeng Kaixiang 2015. All righ

3、ts reserved.FDD Lecture 自動化與信息化的關系自動化與信息化的關系 信息化特點：不單指工業(yè)，包含第一、三產(chǎn)業(yè)信息化特點：不單指工業(yè)，包含第一、三產(chǎn)業(yè) 僅從工業(yè)的角度，信息化發(fā)展也可分三階段：僅從工業(yè)的角度，信息化發(fā)展也可分三階段： 一定在工業(yè)化的基礎上一定在工業(yè)化的基礎上 計算機化（大規(guī)模使用數(shù)字計算機）計算機化（大規(guī)模使用數(shù)字計算機） 網(wǎng)絡化（實現(xiàn)計算機網(wǎng)絡）網(wǎng)絡化（實現(xiàn)計算機網(wǎng)絡） 先進自動化（綜合集成了系統(tǒng)、管理）先進自動化（綜合集成了系統(tǒng)、管理） 實現(xiàn)先進自動化，就完成（工業(yè)）信息化實現(xiàn)先進自動化，就完成（工業(yè)）信息化 先進自動化是信息化的最重要標志先進自動化是信

4、息化的最重要標志 （國內(nèi)總體，數(shù)字化、網(wǎng)絡化已有一定規(guī)模）（國內(nèi)總體，數(shù)字化、網(wǎng)絡化已有一定規(guī)模） Date:5/1/2022File:FDD.6System Monitoring and Fault DiagnosisPeng Kaixiang 2015. All rights reserved.FDD Lecture機械化（應用機器系統(tǒng)機械化（應用機器系統(tǒng)）電氣化（加入電機、網(wǎng)絡）電氣化（加入電機、網(wǎng)絡）自動化自動化（加入自動控制器）（加入自動控制器）計算機化（應用數(shù)字計算機）計算機化（應用數(shù)字計算機）網(wǎng)絡化（實現(xiàn)計算機網(wǎng)絡）網(wǎng)絡化（實現(xiàn)計算機網(wǎng)絡）先進自動化先進自動化（系統(tǒng)、管理）（系統(tǒng)

5、、管理）智能化（引入智能）智能化（引入智能）知識化（處理知識）知識化（處理知識） 工業(yè)化工業(yè)化信息化信息化知識化知識化 社社 會會 總總 發(fā)發(fā) 展展Date:5/1/2022File:FDD.7System Monitoring and Fault DiagnosisPeng Kaixiang 2015. All rights reserved.FDD LectureDate:5/1/2022File:FDD.8System Monitoring and Fault DiagnosisPeng Kaixiang 2015. All rights reserved.FDD Lecture（基礎）

6、自動化（核心是（基礎）自動化（核心是控制控制） 是是工業(yè)化完成與否的標志工業(yè)化完成與否的標志 自動化技術是工業(yè)化的核心技術自動化技術是工業(yè)化的核心技術先進自動化（核心是先進自動化（核心是信息、控制、系統(tǒng)信息、控制、系統(tǒng)） 是是信息化完成與否的標志信息化完成與否的標志 先進自動化技術是信息化的核心技術先進自動化技術是信息化的核心技術Date:5/1/2022File:FDD.9System Monitoring and Fault DiagnosisPeng Kaixiang 2015. All rights reserved.FDD LectureDate:5/1/2022File:FDD.1

7、0System Monitoring and Fault DiagnosisPeng Kaixiang 2015. All rights reserved.FDD Lecture自動化科學自動化科學解決什么科學問題？解決什么科學問題？ 自動化技術自動化技術研究針對什么技術？研究針對什么技術？傳統(tǒng)意義上傳統(tǒng)意義上如何？如何？ 當前又當前又如何？如何？Date:5/1/2022File:FDD.11System Monitoring and Fault DiagnosisPeng Kaixiang 2015. All rights reserved.FDD Lecture傳統(tǒng)意義上，自動化科學傳統(tǒng)

8、意義上，自動化科學研究的焦點研究的焦點 系統(tǒng)的系統(tǒng)的物理學特性物理學特性 需要解決的基本問題需要解決的基本問題 給定值控制問題、跟蹤問題和自主問題給定值控制問題、跟蹤問題和自主問題 其其基本科學問題基本科學問題 建模問題、穩(wěn)定性問題、動態(tài)特性問題建模問題、穩(wěn)定性問題、動態(tài)特性問題 適應性（魯棒性）問題和自主性問題適應性（魯棒性）問題和自主性問題自動化技術自動化技術研究的針對性工程應用技術研究的針對性工程應用技術 模型技術、檢測技術、執(zhí)行技術、模型技術、檢測技術、執(zhí)行技術、 控制（計算）技術?？刂疲ㄓ嬎悖┘夹g。 Date:5/1/2022File:FDD.12System Monitoring

9、and Fault DiagnosisPeng Kaixiang 2015. All rights reserved.FDD Lecture 當前當前 自動化科學與技術自動化科學與技術 焦點和難點在哪焦點和難點在哪？Date:5/1/2022File:FDD.13System Monitoring and Fault DiagnosisPeng Kaixiang 2015. All rights reserved.FDD Lecture自動化科學與技術的發(fā)展特點之一自動化科學與技術的發(fā)展特點之一 最初最初處理系統(tǒng)的物理特性，處理系統(tǒng)的物理特性， 基礎自動化基礎自動化，物質(zhì)、能量，物質(zhì)、能量 當

10、前當前處理系統(tǒng)的復雜性，處理系統(tǒng)的復雜性， 先進自動化先進自動化，主要是信息，主要是信息Date:5/1/2022File:FDD.14System Monitoring and Fault DiagnosisPeng Kaixiang 2015. All rights reserved.FDD Lecture當前，自動化科學研究的焦點和難點當前，自動化科學研究的焦點和難點 系統(tǒng)的復雜性系統(tǒng)的復雜性，需要解決的基本問題或基本科學問題需要解決的基本問題或基本科學問題 復雜系統(tǒng)的建模問題復雜系統(tǒng)的建模問題 綜合集成問題（包括人）綜合集成問題（包括人） 整體優(yōu)化問題、失效容錯問題整體優(yōu)化問題、失效容

11、錯問題 和系統(tǒng)智能問題和系統(tǒng)智能問題自動化技術主要包括自動化技術主要包括 模型技術、仿真技術、集成技術、模型技術、仿真技術、集成技術、 優(yōu)化技術、可靠性技術和運行技術。優(yōu)化技術、可靠性技術和運行技術。 Date:5/1/2022File:FDD.15System Monitoring and Fault DiagnosisPeng Kaixiang 2015. All rights reserved.FDD Lecture 對自動化專業(yè)的認識對自動化專業(yè)的認識 * * 自動化專業(yè)的知識體系；自動化專業(yè)的知識體系； * * 自動化專業(yè)的課程體系；自動化專業(yè)的課程體系； * * 自動化專業(yè)的特點；

12、自動化專業(yè)的特點； * * 自動化專業(yè)的發(fā)展前景。自動化專業(yè)的發(fā)展前景。Date:5/1/2022File:FDD.16System Monitoring and Fault DiagnosisPeng Kaixiang 2015. All rights reserved.FDD Lecture基本的負反饋閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)基本的負反饋閉環(huán)控制結(jié)構(gòu) Date:5/1/2022File:FDD.17System Monitoring and Fault DiagnosisPeng Kaixiang 2015. All rights reserved.FDD Lecture控控 制制 器器對對 象象執(zhí)執(zhí)

13、 行行 器器傳傳 感感 器器信信 號號 處處 理理D D/ /A AA A/ /D D- -+ 知 識 領 域 ： 計 算 與 處 理 知 識 單 元 ： 信 號 、 圖 象 處 理 并 行 、 分 布 處 理 軟 件 工 程 計 算 、 搜 索 、 推 理 模 式 識 別 等 等 知 識 領 域 ： 控 制 與 智 能 知 識 單 元 ： 控 制 理 論 穩(wěn) 定 性 與 魯 棒 性 可 靠 性 與 容 錯 自 適 應 、 自 學 習 人 工 智 能 最 優(yōu) 、 智 能 控 制 人 機 控 制 等 等 知 識 領 域 ： 執(zhí) 行 與 驅(qū) 動 知 識 單 元 ： 機 電 汽 液 驅(qū) 動 自 動

14、化 儀 表 光 機 電 一 體 化 各 種 遙 控 器 電 力 電 子 等 等 知 識 領 域 ： 模 型 與 仿 真 知 識 單 元 ： 系 統(tǒng) 辨 識 參 數(shù) 估 計 各 類 系 統(tǒng) 建 模 技 術 CAD仿 真 技 術 電 機 原 理 與 傳 動 機 械 原 理 與 結(jié) 構(gòu) 機 器 人 原 理 等 等 知 識 領 域 ： 通 信 與 網(wǎng) 絡 知 識 單 元 ： 通 信 技 術 計 算 機 網(wǎng) 絡 多 媒 體 遙 技 術 等 等 知 識 領 域 ： 傳 感 與 檢 測 知 識 單 元 ： 理 化 生 等 傳 感 器 檢 測 與 診 斷 遙 測 、 遙 感 抗 干 擾 技 術 測 量 信 號

15、 處 理 機 器 人 感 知 等 等Date:5/1/2022File:FDD.18System Monitoring and Fault DiagnosisPeng Kaixiang 2015. All rights reserved.FDD Lecture知知 識識 領領 域域 ： 系 統(tǒng) 與 工 程知知 識識 單單 元元 ： 多 變 量 系 統(tǒng) 、 非 線 性 系 統(tǒng) 、 分 布 參 數(shù) 系統(tǒng) 、 離 散 事 件 系 統(tǒng) 、 大 系 統(tǒng) 、 復 雜 系 統(tǒng) 、 運 動 控 制系 統(tǒng) 、 過 程 控 制 系 統(tǒng) 、 集 成 自 動 化 系 統(tǒng) 、 管 理 信 息系 統(tǒng) 、 系 統(tǒng) 工 程

16、、 運 籌 學 、 最 優(yōu) 化 、 智 能 系 統(tǒng) 、 機器 人 系 統(tǒng) 、 多 智 能 體 等 等知知 識識 領領 域域 ： 數(shù) 理 與 機 電 基 礎知知 識識 單單 元元 ： 數(shù) 學 、 力 學 、 物 理 、 化 學 、 現(xiàn) 代 生 物學 、 生 命 科 學 、 腦 科 學 、 思 維 科 學 、 系 統(tǒng) 科 學 、 管理 科 學 、 電 工 電 子 基 礎 、 機 械 基 礎 、 計 算 機 原 理 、計 算 機 語 言 、 微 機 原 理 等 等+控控 制制 與與 智智 能能模模 型型 與與 仿仿 真真執(zhí)執(zhí) 行行 與與 驅(qū)驅(qū) 動動傳傳 感感 與與 檢檢 測測計計 算算 與與 處處

17、理理通通信信與與網(wǎng)網(wǎng)絡絡 - -系 統(tǒng)知 識 層控 制知 識 層基 礎知 識 層Date:5/1/2022File:FDD.19System Monitoring and Fault DiagnosisPeng Kaixiang 2015. All rights reserved.FDD Lecture知知識識領領域域： 系統(tǒng)與工程 知知識識領領域域：傳感與檢測、通信與網(wǎng)絡計算與處理、控制與智能執(zhí)行與驅(qū)動、模型與仿真知知識識領領域域：數(shù)理與機電基礎系統(tǒng)知識層控制知識層基礎知識層Date:5/1/2022File:FDD.20System Monitoring and Fault Diagnos

18、isPeng Kaixiang 2015. All rights reserved.FDD Lecture自動化專業(yè)的知識體系自動化專業(yè)的知識體系 由三層知識構(gòu)成，包括八個知識領域由三層知識構(gòu)成，包括八個知識領域 反映自動化專業(yè)特點的五個知識領域反映自動化專業(yè)特點的五個知識領域 控制與智能、傳感與檢測控制與智能、傳感與檢測 執(zhí)行與驅(qū)動、模型與仿真、執(zhí)行與驅(qū)動、模型與仿真、 系統(tǒng)與工程；系統(tǒng)與工程； 自動化專業(yè)知識體系的核心知識是自動化專業(yè)知識體系的核心知識是 控制與智能、模型與仿真控制與智能、模型與仿真 系統(tǒng)與工程系統(tǒng)與工程等三個知識領域等三個知識領域 也是自動化專業(yè)與其它專業(yè)的最大區(qū)別。也是

19、自動化專業(yè)與其它專業(yè)的最大區(qū)別。 Date:5/1/2022File:FDD.21System Monitoring and Fault DiagnosisPeng Kaixiang 2015. All rights reserved.FDD Lecture研究背景研究背景212022-5-1航空航空 航天航天 航海航海 核電核電 電網(wǎng)電網(wǎng) 高鐵高鐵 石化石化 冶金冶金 Date:5/1/2022File:FDD.22System Monitoring and Fault DiagnosisPeng Kaixiang 2015. All rights reserved.FDD Lecture安

20、全性事故頻發(fā)安全性事故頻發(fā)2219971997年北京東方化工廠發(fā)生乙烯裝置起火爆炸事故，年北京東方化工廠發(fā)生乙烯裝置起火爆炸事故，8 8人遇難，直接經(jīng)濟損失達十億元人民幣，間接損失人遇難，直接經(jīng)濟損失達十億元人民幣，間接損失無法估量。無法估量。Date:5/1/2022File:FDD.23System Monitoring and Fault DiagnosisPeng Kaixiang 2015. All rights reserved.FDD Lecture人員生命受到威脅人員生命受到威脅232007年年4月月18日，遼寧鐵嶺市清河特殊鋼有日，遼寧鐵嶺市清河特殊鋼有限公司發(fā)生鋼水包整體脫

21、落事故，共造成限公司發(fā)生鋼水包整體脫落事故，共造成32人死亡人死亡Date:5/1/2022File:FDD.24System Monitoring and Fault DiagnosisPeng Kaixiang 2015. All rights reserved.FDD Lecture經(jīng)濟損失巨大經(jīng)濟損失巨大242022-5-12009年云天化股份有限公司合成氨裝年云天化股份有限公司合成氨裝置合成塔出口管道發(fā)生斷裂，導致高置合成塔出口管道發(fā)生斷裂，導致高溫、高壓氣體外泄，經(jīng)濟損失巨大。溫、高壓氣體外泄，經(jīng)濟損失巨大。Date:5/1/2022File:FDD.25System Monito

22、ring and Fault DiagnosisPeng Kaixiang 2015. All rights reserved.FDD Lecture決策層決策層管理層管理層調(diào)度層調(diào)度層經(jīng)營決策系統(tǒng)經(jīng)營決策系統(tǒng)產(chǎn)品策略產(chǎn)品策略管理信息系統(tǒng)管理信息系統(tǒng)生產(chǎn)計劃生產(chǎn)計劃生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)調(diào)度指令調(diào)度指令系統(tǒng)優(yōu)化系統(tǒng)優(yōu)化過程控制系統(tǒng)過程控制系統(tǒng)控制信息控制信息生產(chǎn)過程生產(chǎn)過程控制層控制層關系數(shù)據(jù)庫關系數(shù)據(jù)庫實時數(shù)據(jù)庫實時數(shù)據(jù)庫Date:5/1/2022File:FDD.26System Monitoring and Fault DiagnosisPeng Kaixiang 2015. All

23、rights reserved.FDD LectureERPEnterprise Resource PlanningPCSProcess Control SystemMESManufacturing Execution System企業(yè)資源計劃企業(yè)資源計劃過程控制系統(tǒng)過程控制系統(tǒng)制造執(zhí)行系統(tǒng)制造執(zhí)行系統(tǒng)Date:5/1/2022File:FDD.27System Monitoring and Fault DiagnosisPeng Kaixiang 2015. All rights reserved.FDD Lecture系統(tǒng)龐大的規(guī)模與高度的復雜程度系統(tǒng)龐大的規(guī)模與高度的復雜程度系統(tǒng)中出現(xiàn)的

24、某些微小故障若不能及時檢測并排除，系統(tǒng)中出現(xiàn)的某些微小故障若不能及時檢測并排除，就有可能造成整個系統(tǒng)的失效、癱瘓，甚至導致巨大就有可能造成整個系統(tǒng)的失效、癱瘓，甚至導致巨大的災難性后果的災難性后果如何提高系統(tǒng)的安全性、可靠性，防止和杜絕影響系如何提高系統(tǒng)的安全性、可靠性，防止和杜絕影響系統(tǒng)正常運行的故障的發(fā)生和發(fā)展統(tǒng)正常運行的故障的發(fā)生和發(fā)展就成為一個重要的有就成為一個重要的有待解決的問題待解決的問題提高系統(tǒng)安全性、可靠性的方法有多種，其中一個重提高系統(tǒng)安全性、可靠性的方法有多種，其中一個重要的方法就是采用故障檢測與診斷技術要的方法就是采用故障檢測與診斷技術Date:5/1/2022File:

25、FDD.28System Monitoring and Fault DiagnosisPeng Kaixiang 2015. All rights reserved.FDD Lecture故障包括兩層含義：故障包括兩層含義： q一是系統(tǒng)偏離正常功能一是系統(tǒng)偏離正常功能。其形成原因主要是因為系。其形成原因主要是因為系統(tǒng)的工作條件（含零部件）不正常而產(chǎn)生的。通過統(tǒng)的工作條件（含零部件）不正常而產(chǎn)生的。通過參數(shù)調(diào)節(jié)，或修復零部件，又可恢復正常功能參數(shù)調(diào)節(jié)，或修復零部件，又可恢復正常功能q二是功能失效二是功能失效。是指系統(tǒng)連續(xù)偏離正常功能，且其。是指系統(tǒng)連續(xù)偏離正常功能，且其程度不斷加劇，使設備基本功

26、能不能保證程度不斷加劇，使設備基本功能不能保證 Date:5/1/2022File:FDD.29System Monitoring and Fault DiagnosisPeng Kaixiang 2015. All rights reserved.FDD Lectureq診斷技術可以說幾乎是與機器的發(fā)明同時產(chǎn)生的診斷技術可以說幾乎是與機器的發(fā)明同時產(chǎn)生的 q本世紀本世紀60年代，起源于工業(yè)發(fā)達的歐美國家和亞洲年代，起源于工業(yè)發(fā)達的歐美國家和亞洲的日本的日本 q70年代中期進入蓬勃發(fā)展的階段年代中期進入蓬勃發(fā)展的階段 q進入進入80年代以后，已經(jīng)形成了集眾多現(xiàn)代科學技術年代以后，已經(jīng)形成了集眾

27、多現(xiàn)代科學技術于一體的，一門既注重理論研究，又注重實際應用于一體的，一門既注重理論研究，又注重實際應用的新興交叉學科的新興交叉學科Date:5/1/2022File:FDD.30System Monitoring and Fault DiagnosisPeng Kaixiang 2015. All rights reserved.FDD Lecture2.1 故障診斷技術基本概念故障診斷技術基本概念2.2 故障分類故障分類2.3 故障診斷的分類故障診斷的分類2.4 性能指標性能指標2.5 故障診斷方法的分類故障診斷方法的分類Date:5/1/2022File:FDD.31System Moni

28、toring and Fault DiagnosisPeng Kaixiang 2015. All rights reserved.FDD Lectureq故障故障(fault)：系統(tǒng)至少一個特性或參數(shù)出現(xiàn)較大偏差，超出了可接：系統(tǒng)至少一個特性或參數(shù)出現(xiàn)較大偏差，超出了可接受的范圍。此時系統(tǒng)的性能明顯低于其正常水平，所以已難以完受的范圍。此時系統(tǒng)的性能明顯低于其正常水平，所以已難以完成其預期的功能成其預期的功能q失靈失靈(malfunction)：在系統(tǒng)完成特定的任務時，出現(xiàn)了間斷性的：在系統(tǒng)完成特定的任務時，出現(xiàn)了間斷性的不規(guī)則現(xiàn)象不規(guī)則現(xiàn)象q失效失效(failure，又稱嚴重故障，又稱嚴重

29、故障)：是指系統(tǒng)連續(xù)偏離正常功能（由于：是指系統(tǒng)連續(xù)偏離正常功能（由于故障），且其程度不斷加劇，使系統(tǒng)持續(xù)喪失了完成給定任務的故障），且其程度不斷加劇，使系統(tǒng)持續(xù)喪失了完成給定任務的能力能力q殘差殘差(residual)：故障指示器，由測量值與模型計算值的差得到：故障指示器，由測量值與模型計算值的差得到q征兆征兆(symptom)：由故障引起的系統(tǒng)可觀測的特性與其正常的特性：由故障引起的系統(tǒng)可觀測的特性與其正常的特性相比所出現(xiàn)的異常變化相比所出現(xiàn)的異常變化2.1 故障診斷技術的基本概念故障診斷技術的基本概念Date:5/1/2022File:FDD.32System Monitoring an

30、d Fault DiagnosisPeng Kaixiang 2015. All rights reserved.FDD Lectureq監(jiān)視監(jiān)視(monitoring)：通過記錄信息、識別與指示系統(tǒng)行為的異?，F(xiàn)：通過記錄信息、識別與指示系統(tǒng)行為的異?，F(xiàn)象，連續(xù)與實時地確定某一物理系統(tǒng)的運行狀態(tài)。象，連續(xù)與實時地確定某一物理系統(tǒng)的運行狀態(tài)。q監(jiān)控監(jiān)控(supervision)：對物理系統(tǒng)進行監(jiān)視，并且當他發(fā)生故障時采：對物理系統(tǒng)進行監(jiān)視，并且當他發(fā)生故障時采取適當?shù)拇胧跃S持其運行。取適當?shù)拇胧?，以維持其運行。q誤報誤報(false alarm)：系統(tǒng)沒有發(fā)生故障而報警。：系統(tǒng)沒有發(fā)生故障而

31、報警?！罢`報率誤報率”是衡量是衡量故障診斷系統(tǒng)性能的基本指標之一故障診斷系統(tǒng)性能的基本指標之一q漏報漏報(missing alarm)：系統(tǒng)發(fā)生了故障而沒有報警。：系統(tǒng)發(fā)生了故障而沒有報警?！奥﹫舐事﹫舐省笔鞘呛饬抗收显\斷系統(tǒng)性能的又一個基本指標衡量故障診斷系統(tǒng)性能的又一個基本指標2.1 故障診斷技術的基本概念故障診斷技術的基本概念Date:5/1/2022File:FDD.33System Monitoring and Fault DiagnosisPeng Kaixiang 2015. All rights reserved.FDD Lecturel 冗余（冗余（redundancy）：）

32、： 指系統(tǒng)里重復配置的一些部件指系統(tǒng)里重復配置的一些部件 （自動（自動 備援），備援）， 即當某一部件（設備）發(fā)生損壞時即當某一部件（設備）發(fā)生損壞時, 冗余配置的部件冗余配置的部件 可以自動作為后備式部件替代故障部件（設備）的工作，由此可以自動作為后備式部件替代故障部件（設備）的工作，由此 減少系統(tǒng)的故障時間減少系統(tǒng)的故障時間l 數(shù)據(jù)冗余（數(shù)據(jù)冗余（date redundancy ）：在一個數(shù)據(jù)集合中重復的數(shù)：在一個數(shù)據(jù)集合中重復的數(shù) 據(jù)，簡單說就是多余的數(shù)據(jù)。如果數(shù)據(jù)丟失、出錯、故障等可據(jù)，簡單說就是多余的數(shù)據(jù)。如果數(shù)據(jù)丟失、出錯、故障等可 以用冗余恢復數(shù)據(jù)以用冗余恢復數(shù)據(jù)l 硬件冗余（硬

33、件冗余（hardware redundancy）：）：用同樣的硬件重構(gòu)過程用同樣的硬件重構(gòu)過程 的元部件。特點是可靠性高、故障分離直接，但成本過高的元部件。特點是可靠性高、故障分離直接，但成本過高l 解析冗余解析冗余(analytical redundancy)：與硬件冗余相對應，指通過：與硬件冗余相對應，指通過 用解析方式表示的系統(tǒng)數(shù)學模型來產(chǎn)生冗余信號用解析方式表示的系統(tǒng)數(shù)學模型來產(chǎn)生冗余信號2.1 故障診斷技術的基本概念故障診斷技術的基本概念Date:5/1/2022File:FDD.34System Monitoring and Fault DiagnosisPeng Kaixiang

34、 2015. All rights reserved.FDD LectureComponent(hardware)Redundantcomponent0: fault=0: fault-freeFig. 2.1 Schematic description of the hardware redundancy scheme如果過程元部件的輸出不同于其硬件冗余的輸出，則過程元部件被如果過程元部件的輸出不同于其硬件冗余的輸出，則過程元部件被檢測出有故障發(fā)生檢測出有故障發(fā)生冗余信號的產(chǎn)生往往是成功實現(xiàn)故障診斷的一個關鍵冗余信號的產(chǎn)生往往是成功實現(xiàn)故障診斷的一個關鍵2.1 故障診斷技術的基本概念故障診斷

35、技術的基本概念Date:5/1/2022File:FDD.35System Monitoring and Fault DiagnosisPeng Kaixiang 2015. All rights reserved.FDD Lecture 按照發(fā)生部位的不同可分為按照發(fā)生部位的不同可分為 過程（元部件）故障過程（元部件）故障 (process/component faults) 傳感器故障傳感器故障 (sensor faults) 執(zhí)行器故障執(zhí)行器故障 (actuator faults) 按照時間特性的不同可分為按照時間特性的不同可分為 突變故障突變故障(abrupt faults) 緩變故障

36、緩變故障(incipient faults) 間隙故障間隙故障(intermittent faults) 按照發(fā)生形式的不同可分為按照發(fā)生形式的不同可分為 加性故障加性故障(additive faults) 乘性故障乘性故障(multiplicative faults)Date:5/1/2022File:FDD.36System Monitoring and Fault DiagnosisPeng Kaixiang 2015. All rights reserved.FDD Lecture 按照發(fā)生部位的不同劃分按照發(fā)生部位的不同劃分q 過程故障（過程故障（process faults）：）：

37、被控對象中的某些元部件甚被控對象中的某些元部件甚 至是子至是子系統(tǒng)發(fā)生異常系統(tǒng)發(fā)生異常 q 傳感器故障（傳感器故障（sensor faults）：）：控制回路中用于檢測被測量的傳控制回路中用于檢測被測量的傳感器發(fā)生卡死、恒增益變化或恒偏差而不能準確獲取被測量信息，感器發(fā)生卡死、恒增益變化或恒偏差而不能準確獲取被測量信息，具體表現(xiàn)為對象變量的測量值與其實際值之間的差別具體表現(xiàn)為對象變量的測量值與其實際值之間的差別 q 執(zhí)行器故障（執(zhí)行器故障（actuator faults）：）：控制回路中用于執(zhí)行控制命令的控制回路中用于執(zhí)行控制命令的執(zhí)行器發(fā)生卡死、恒增益變化或恒偏差而不能正確執(zhí)行控制命令，執(zhí)行

38、器發(fā)生卡死、恒增益變化或恒偏差而不能正確執(zhí)行控制命令，具體表現(xiàn)為執(zhí)行器的輸入命令和它的實際輸出之間的差別具體表現(xiàn)為執(zhí)行器的輸入命令和它的實際輸出之間的差別 Date:5/1/2022File:FDD.37System Monitoring and Fault DiagnosisPeng Kaixiang 2015. All rights reserved.FDD Lecture 按照時間特性的不同劃分按照時間特性的不同劃分q突變故障突變故障(abrupt faults)：參數(shù)值突然出現(xiàn)很大偏差，事先不可監(jiān)：參數(shù)值突然出現(xiàn)很大偏差，事先不可監(jiān)測和預測的故障測和預測的故障q緩變故障緩變故障(inc

39、ipient faults)：又稱為軟故障，指參數(shù)隨時間的推移：又稱為軟故障，指參數(shù)隨時間的推移和環(huán)境的變化而緩慢變化的故障和環(huán)境的變化而緩慢變化的故障q間隙故障間隙故障(intermittent faults)：由于老化、容差不足或接觸不良：由于老化、容差不足或接觸不良引起的時隱時現(xiàn)的故障引起的時隱時現(xiàn)的故障Date:5/1/2022File:FDD.38System Monitoring and Fault DiagnosisPeng Kaixiang 2015. All rights reserved.FDD Lecture 按照發(fā)生形式的不同劃分按照發(fā)生形式的不同劃分q加性故障加性故障

40、(additive fault)：作用在系統(tǒng)上的未知輸入，在系統(tǒng)正：作用在系統(tǒng)上的未知輸入，在系統(tǒng)正常運行時為零。它的出現(xiàn)會導致系統(tǒng)輸出發(fā)生獨立于已知輸入常運行時為零。它的出現(xiàn)會導致系統(tǒng)輸出發(fā)生獨立于已知輸入的改變的改變q乘性故障乘性故障(multiplicative fault)：系統(tǒng)的某些參數(shù)的變化。它們：系統(tǒng)的某些參數(shù)的變化。它們能引起系統(tǒng)輸出的變化，這些變化同時也受已知輸入的影響能引起系統(tǒng)輸出的變化，這些變化同時也受已知輸入的影響Date:5/1/2022File:FDD.39System Monitoring and Fault DiagnosisPeng Kaixiang 2015

41、. All rights reserved.FDD Lecture故障診斷是一門綜合性技術，其研究涉及到多門故障診斷是一門綜合性技術，其研究涉及到多門學科，如控制理論學科，如控制理論 （經(jīng)典、現(xiàn)代、魯棒、自適應（經(jīng)典、現(xiàn)代、魯棒、自適應）、可靠性理論、數(shù)理統(tǒng)計、模糊集理論、信息）、可靠性理論、數(shù)理統(tǒng)計、模糊集理論、信息處理、模式識別人工智能等學科理論處理、模式識別人工智能等學科理論 Date:5/1/2022File:FDD.40System Monitoring and Fault DiagnosisPeng Kaixiang 2015. All rights reserved.FDD Le

42、ctureu 故障建模（故障建模（fault modeling）u 故障檢測（故障檢測（fault detection）u 故障分離（故障分離（fault isolation） 故障識別（故障識別（identification） 故障診斷（故障診斷（diagnosis） 故障檢測與分離故障檢測與分離（識別）（識別）FDI故障檢測與診斷故障檢測與診斷FDD故障的評價與決策故障的評價與決策FED, Fault Evaluation and DecisionDate:5/1/2022File:FDD.41System Monitoring and Fault DiagnosisPeng Kaixia

43、ng 2015. All rights reserved.FDD LectureThe basic tasks of the supervision system Equipmentsand ProcessSensorSensorSensor信號處理FaultDiagnosisEvaluationandDecisionSignalProcessingOutputSignal AcquisitionDate:5/1/2022File:FDD.42System Monitoring and Fault DiagnosisPeng Kaixiang 2015. All rights reserved

44、.FDD Lecture 檢測性能指標（檢測性能指標（Detection Performance Index） 早期檢測的靈敏度早期檢測的靈敏度 故障檢測的及時性故障檢測的及時性 故障的誤報率和漏報率故障的誤報率和漏報率 診斷性能指標（診斷性能指標（Diagnosis Performance Index） 故障分離能力故障分離能力 故障辨識的準確性故障辨識的準確性 綜合性能指標（綜合性能指標（Comprehensive Performance Index） 魯棒性魯棒性 自適應能力自適應能力 安全性安全性 可靠性可靠性Date:5/1/2022File:FDD.43System Monitor

45、ing and Fault DiagnosisPeng Kaixiang 2015. All rights reserved.FDD Lecture診斷方法的研究在于：尋找征兆與故障之間的有效對應關系診斷方法的研究在于：尋找征兆與故障之間的有效對應關系 最簡單的故障檢測方法就是所謂界限判別法最簡單的故障檢測方法就是所謂界限判別法也即判別兩類過程狀態(tài)也即判別兩類過程狀態(tài)(正常和異常狀態(tài)正常和異常狀態(tài)) 如使用一個傳感器信號如使用一個傳感器信號x，可按如下條件描述：，可按如下條件描述： 如果如果xHth，那么狀態(tài)正常，否則狀態(tài)異常，那么狀態(tài)正常，否則狀態(tài)異常Date:5/1/2022File:FD

46、D.44System Monitoring and Fault DiagnosisPeng Kaixiang 2015. All rights reserved.FDD Lecture 國際故障診斷權(quán)威，德國的國際故障診斷權(quán)威，德國的P.M.Frank教授認為教授認為 故障診斷方法可以分為故障診斷方法可以分為 基于模型的方法基于模型的方法 (model-based) 基于知識的方法基于知識的方法 (knowledge-based) 基于信號處理的方法基于信號處理的方法 (Signal-processing-based)Date:5/1/2022File:FDD.45System Monitor

47、ing and Fault DiagnosisPeng Kaixiang 2015. All rights reserved.FDD LectureDate:5/1/2022File:FDD.46System Monitoring and Fault DiagnosisPeng Kaixiang 2015. All rights reserved.FDD Lecture3.1 基本模型故障診斷基本過程基本模型故障診斷基本過程3.2 故障建模故障建模3.3 基于觀測器的方法基于觀測器的方法3.4 等價空間方法等價空間方法3.5 參數(shù)估計方法參數(shù)估計方法Date:5/1/2022File:FDD.

48、47System Monitoring and Fault DiagnosisPeng Kaixiang 2015. All rights reserved.FDD Lecture 3.1 基于觀測器故障診斷基本過程基于觀測器故障診斷基本過程Date:5/1/2022File:FDD.48System Monitoring and Fault DiagnosisPeng Kaixiang 2015. All rights reserved.FDD Lecture Fig.3.1 Schematic description of the model-based fault diagnosis s

49、cheme過 程過程名義模型殘差處理決策邏輯故障的知識過程輸入過程輸出殘 差 生 成殘 差 評 價殘 差故障診斷3.1 基于觀測器故障診斷基本過程基于觀測器故障診斷基本過程Date:5/1/2022File:FDD.49System Monitoring and Fault DiagnosisPeng Kaixiang 2015. All rights reserved.FDD Lecture通常所采用的過程解析模型有兩種不同的策略通常所采用的過程解析模型有兩種不同的策略 模擬名義的或無故障的特性模型模擬名義的或無故障的特性模型 (Nominal model/ Fault-free model

50、) 對于某個特定的預知故障建立其故障特性模型對于某個特定的預知故障建立其故障特性模型 (Faulty model)3.1 基于觀測器故障診斷基本過程基于觀測器故障診斷基本過程Date:5/1/2022File:FDD.50System Monitoring and Fault DiagnosisPeng Kaixiang 2015. All rights reserved.FDD Lecture 故障診斷任務分兩步完成故障診斷任務分兩步完成l殘差（征兆）生成殘差（征兆）生成 (Residual/Symptom Generation)l殘差（征兆）評價殘差（征兆）評價 (Residual /Sy

51、mptom Evaluation) 基于解析模型的殘差生成方法主要有三種基于解析模型的殘差生成方法主要有三種u 基于觀測器方法基于觀測器方法 (Observer-based)u 等價空間方法等價空間方法 (Parity Space) （或奇偶方程、奇偶關系、奇偶空間）方法（或奇偶方程、奇偶關系、奇偶空間）方法u 參數(shù)估計方法參數(shù)估計方法 (Parameter Estimation)3.1 基于觀測器故障診斷基本過程基于觀測器故障診斷基本過程Date:5/1/2022File:FDD.51System Monitoring and Fault DiagnosisPeng Kaixiang 201

52、5. All rights reserved.FDD Lecture故障診斷系統(tǒng)設計的關鍵故障診斷系統(tǒng)設計的關鍵抑制信號中不感興趣部分而加強其中反映故障的部分，以區(qū)分故抑制信號中不感興趣部分而加強其中反映故障的部分，以區(qū)分故障與模型不確定性和未知輸入的影響障與模型不確定性和未知輸入的影響基于模型故障診斷系統(tǒng)設計的目標基于模型故障診斷系統(tǒng)設計的目標使使FDIA系統(tǒng)對故障具有盡可能大的靈敏度，而同時對不感興趣系統(tǒng)對故障具有盡可能大的靈敏度，而同時對不感興趣信號的影響具有盡可能大的魯棒性信號的影響具有盡可能大的魯棒性 3.1 基于觀測器故障診斷基本過程基于觀測器故障診斷基本過程Date:5/1/20

53、22File:FDD.52System Monitoring and Fault DiagnosisPeng Kaixiang 2015. All rights reserved.FDD Lecture FD系統(tǒng)的設計應包括如下任務系統(tǒng)的設計應包括如下任務 設計一個殘差生成器，對故障具有高的靈敏度而對模型設計一個殘差生成器，對故障具有高的靈敏度而對模型 不確定具有強的魯棒性不確定具有強的魯棒性 通過選擇殘差評價函數(shù)定義征兆，以保證所檢測的關于通過選擇殘差評價函數(shù)定義征兆，以保證所檢測的關于 故障的信息不被丟失故障的信息不被丟失 進一步分析殘差或開發(fā)征兆，獲得更多的關于故障的知進一步分析殘差或開

54、發(fā)征兆，獲得更多的關于故障的知 識，以便指導決策或?qū)嵤┤蒎e控制識，以便指導決策或?qū)嵤┤蒎e控制3.1 基于觀測器故障診斷基本過程基于觀測器故障診斷基本過程Date:5/1/2022File:FDD.53System Monitoring and Fault DiagnosisPeng Kaixiang 2015. All rights reserved.FDD Lecture3.2 故障建模故障建模在基于模型故障診斷中使用開環(huán)系統(tǒng)模型，雖然我們認為這個系統(tǒng)在基于模型故障診斷中使用開環(huán)系統(tǒng)模型，雖然我們認為這個系統(tǒng)是在控制回路中是在控制回路中 Fig.3.2 故障診斷與控制回路故障診斷與控制回路

55、控 制 器執(zhí) 行 器系 統(tǒng) 動 態(tài)傳 感 器故 障 診 斷 監(jiān) 控控 制 命 令輸 出測 量 輸 出y (t)開 環(huán) 系 統(tǒng)u (t)uC(t)Date:5/1/2022File:FDD.54System Monitoring and Fault DiagnosisPeng Kaixiang 2015. All rights reserved.FDD LectureFig.3.3 Strcture of a standard control loop with fault3.2 故障建模故障建模Date:5/1/2022File:FDD.55System Monitoring and Faul

56、t DiagnosisPeng Kaixiang 2015. All rights reserved.FDD Lecture這一開環(huán)系統(tǒng)分為執(zhí)行器、系統(tǒng)動態(tài)和傳感器三個部分。按照發(fā)這一開環(huán)系統(tǒng)分為執(zhí)行器、系統(tǒng)動態(tài)和傳感器三個部分。按照發(fā)生形式的不同主要研究過程元部件故障生形式的不同主要研究過程元部件故障(process faults)、 傳感器傳感器故障故障(sensor faults) 以及執(zhí)行器故障以及執(zhí)行器故障(actuator faults) Fig.3.4開環(huán)系統(tǒng)模型開環(huán)系統(tǒng)模型( )( )( )( )( )( )RRRx tAx tButytCx tDut系統(tǒng)動態(tài)可用狀態(tài)空間模型描

57、述系統(tǒng)動態(tài)可用狀態(tài)空間模型描述 u ( t )uR( t )yR( t )輸出執(zhí)行器系統(tǒng)動態(tài)傳感器輸出測量輸出執(zhí)行3.2 故障建模故障建模Date:5/1/2022File:FDD.56System Monitoring and Fault DiagnosisPeng Kaixiang 2015. All rights reserved.FDD Lecture當當(過程）元部件發(fā)生故障時過程）元部件發(fā)生故障時 Fig.3.5元部件有故障時系統(tǒng)動態(tài)圖元部件有故障時系統(tǒng)動態(tài)圖 （過程）元部件故障可以視（過程）元部件故障可以視為系統(tǒng)中一些條件的改變而為系統(tǒng)中一些條件的改變而使動態(tài)關系變?yōu)闊o效的情形使

58、動態(tài)關系變?yōu)闊o效的情形，如在三容器中一個水容器，如在三容器中一個水容器出現(xiàn)漏洞。在一些情形下，出現(xiàn)漏洞。在一些情形下，故障可以表達為系統(tǒng)中參數(shù)故障可以表達為系統(tǒng)中參數(shù)的變化的變化 ( )( )( )( )Rpx tAx tButft執(zhí) 行u (t)f(t)元 部 件 故 障參 數(shù) 故 障輸 出系 統(tǒng) 動 態(tài)cy (t)RRDate:5/1/2022File:FDD.57System Monitoring and Fault DiagnosisPeng Kaixiang 2015. All rights reserved.FDD Lecture當傳感器發(fā)生故障時當傳感器發(fā)生故障時 一般說來，系統(tǒng)

59、的實際輸出一般說來，系統(tǒng)的實際輸出yR(t)是不能直接得到的，通是不能直接得到的，通常用傳感器獲得系統(tǒng)測量輸常用傳感器獲得系統(tǒng)測量輸出。通過正確選擇向量出。通過正確選擇向量fs，可，可以描述所有的傳感器故障情以描述所有的傳感器故障情形。如當傳感器被形。如當傳感器被“固定在固定在零值上零值上”時，測量向量時，測量向量y(t)=0，故障向量，故障向量 ( )( )sRftyt Fig.3.6 傳感器有故障時系統(tǒng)動態(tài)圖傳感器有故障時系統(tǒng)動態(tài)圖 ( )( )( )Rsy tytfty (t)f(t)傳 感 器 故 障y(t)傳 感 器測 量 輸 出輸 出sRDate:5/1/2022File:FDD.

60、58System Monitoring and Fault DiagnosisPeng Kaixiang 2015. All rights reserved.FDD Lecture當執(zhí)行器發(fā)生故障時當執(zhí)行器發(fā)生故障時 事實上，系統(tǒng)的實際執(zhí)行通事實上，系統(tǒng)的實際執(zhí)行通常也是不能直接獲得的。對常也是不能直接獲得的。對于一個受控系統(tǒng)來說，于一個受控系統(tǒng)來說，uR是是已知執(zhí)行器控制命令已知執(zhí)行器控制命令u(t)的執(zhí)的執(zhí)行器響應。與傳感器故障情行器響應。與傳感器故障情況類似，不同的執(zhí)行器故障況類似，不同的執(zhí)行器故障情況可以由一個合適的故障情況可以由一個合適的故障函數(shù)函數(shù)fa(t)來表示來表示 Fig.3