控制系統(tǒng)故障診斷概述ppt

控制系統(tǒng)故障診斷概述ppt控制系統(tǒng)故障診斷概述ppt第1頁一、概述1986年1月28日，美國(guó)“挑戰(zhàn)者”號(hào)航天飛機(jī)從肯尼迪航天中心發(fā)射場(chǎng)起飛后約一分鐘在空中爆炸，7位機(jī)組人員全部遇難。控制系統(tǒng)故障診斷概述ppt第2頁一、概述1986年4月26日，世界上最嚴(yán)重核事故在蘇聯(lián)切爾諾貝利核電站發(fā)生。烏克蘭基輔市以北130公里切爾諾貝利核電站災(zāi)難性大火造成放射性物質(zhì)泄漏，污染了歐洲大個(gè)別地域。.3.11日本9.1級(jí)地震/海嘯/福島核事故控制系統(tǒng)故障診斷概述ppt第3頁一、概述“哥倫比亞”號(hào)原定于美國(guó)東部時(shí)間年2月1日早晨9時(shí)16分返回肯尼迪航天中心。但在美國(guó)東部時(shí)間9時(shí)左右，當(dāng)初“哥倫比亞”號(hào)航天飛機(jī)飛行高度約63000米，飛行速度約0千米/小時(shí)，之后航天飛機(jī)在得克薩斯州上空解體?？刂葡到y(tǒng)故障診斷概述ppt第4頁一、概述

當(dāng)代系統(tǒng)正朝著大規(guī)模、復(fù)雜化方向發(fā)展，這類系統(tǒng)一旦發(fā)生事故就有可能造成人員和財(cái)產(chǎn)巨大損失。大家迫切需要提升當(dāng)代系統(tǒng)可靠性與安全性。系統(tǒng)故障診療(FailureDiagnosis)與容錯(cuò)控制(FaultTolerantControl)則為提升復(fù)雜系統(tǒng)可靠性開辟了一條新路徑。

假如當(dāng)執(zhí)行器、傳感器或元部件發(fā)生故障時(shí)，閉環(huán)控制系統(tǒng)依然是穩(wěn)定，并含有較理想特征，就稱此閉環(huán)控制系統(tǒng)為容錯(cuò)控制系統(tǒng)。1991年，瑞典Astrom教授明確指出容錯(cuò)控制含有使系統(tǒng)反饋對(duì)故障不敏感作用。容錯(cuò)控制方法普通能夠分成兩大類，即被動(dòng)容錯(cuò)控制(passiveFTC)和主動(dòng)容錯(cuò)控制(activeFTC)。

動(dòng)態(tài)系統(tǒng)故障檢測(cè)與診療(FaultDetectionandDiagnosis,FDD)是容錯(cuò)控制主要支撐技術(shù)之一。FDD技術(shù)發(fā)展已大大超前于容錯(cuò)控制，其理論與應(yīng)用結(jié)果也遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于容錯(cuò)控制。當(dāng)前國(guó)際上每年發(fā)表相關(guān)FDD方面論文與匯報(bào)在數(shù)千篇以上?；诮馕鋈哂喙收显\療技術(shù)被公認(rèn)為起源于Beard于1971年發(fā)表博士論文。1976年，Willsky在《Automatica》上發(fā)表了第一篇FDD方面綜述文章。Himmelblau于1978年出版了國(guó)際上第一本FDD方面學(xué)術(shù)著作。

控制系統(tǒng)故障診斷概述ppt第5頁一、概述

國(guó)際自動(dòng)控制界對(duì)故障診療和容錯(cuò)控制發(fā)展給予了高度重視。1986年9月，在美國(guó)SantaClara大學(xué)舉行自動(dòng)控制高峰會(huì)議上，把多變量魯棒、自適應(yīng)和容錯(cuò)控制列為控制科學(xué)面臨富有挑戰(zhàn)性研究課題。在國(guó)際上，領(lǐng)導(dǎo)著故障診療和容錯(cuò)控制學(xué)科發(fā)展是1993年成立IFAC技術(shù)過程故障診療與安全性技術(shù)委員會(huì)。從1991年起，IFAC每3年定時(shí)召開FDD與FTC方面國(guó)際專題學(xué)術(shù)會(huì)議。在近幾屆IFAC世界大會(huì)上，F(xiàn)DD與FTC方面論文在不停增加。

作為一門交叉性學(xué)科，故障診療、容錯(cuò)控制與魯棒控制、自適應(yīng)控制、智能控制等有著親密聯(lián)絡(luò)。當(dāng)代控制理論、信號(hào)處理、模式識(shí)別、最優(yōu)化方法、決議論、統(tǒng)計(jì)數(shù)學(xué)等組成了故障診療和容錯(cuò)控制理論基礎(chǔ)?？刂葡到y(tǒng)故障診斷概述ppt第6頁一、概述提升控制系統(tǒng)可靠性主要路徑——從提升控制系統(tǒng)可靠性角度看，提升可靠性路徑歸納起來主要有三個(gè)方面：

1．提升組成控制系統(tǒng)各元部件可靠性——這是本質(zhì)方法，但往往收到當(dāng)前科技水平限制；

2．進(jìn)行系統(tǒng)高可靠性設(shè)計(jì)，如簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、引入冗余和容錯(cuò)技術(shù)等——這是提升控制系統(tǒng)可靠性最有效路徑；

3．采取維修維護(hù)方法——這是延長(zhǎng)使用壽命最終方法，但對(duì)有些系統(tǒng)不很適用，如衛(wèi)星、導(dǎo)彈等?？刂葡到y(tǒng)故障診斷概述ppt第7頁幾個(gè)概念：容錯(cuò)——容錯(cuò)（Fault-Tolerant）技術(shù)，是指當(dāng)系統(tǒng)一些部件失效時(shí)，這些部件在系統(tǒng)中功效用其它部件完全代替或個(gè)別代替，使系統(tǒng)能保持要求性能或不喪失最基礎(chǔ)性能（如保持穩(wěn)定等）。系統(tǒng)容錯(cuò)能力與系統(tǒng)冗余（包含硬件冗余和解析冗余）是親密相關(guān)。容錯(cuò)控制按其所采取方式不一樣分為：

(1)硬件冗余：并行雙重、三重冗余備份——并行冗余多采取熱貯備多重方式，然后經(jīng)過表決器進(jìn)行冗余管理或采取中值（或均值）濾波公式減弱故障影響。

(2)解析冗余：魯棒容錯(cuò)控制、重構(gòu)容錯(cuò)控制、人工智能等?！每刂葡到y(tǒng)不一樣部件之間內(nèi)在聯(lián)絡(luò)和功效上冗余性，當(dāng)系統(tǒng)一些部件失效時(shí)，用其余完好部件個(gè)別甚至全部地負(fù)擔(dān)其故障部件所喪失作用，以維持系統(tǒng)性能在允許范圍之內(nèi)。故障診療——控制系統(tǒng)故障（Failure）可了解為造成系統(tǒng)出現(xiàn)不期望行為任何異?，F(xiàn)象，或系統(tǒng)中個(gè)別元器件功效失效而造成整個(gè)系統(tǒng)性能惡化情況或事件。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)中各種量（可測(cè)或不可測(cè)）或它們中一個(gè)別表現(xiàn)出與正常狀態(tài)不一樣特征，這種差異包含豐富故障信息，怎樣找到這種故障特征描述，并利用它來進(jìn)行故障檢測(cè)（detection）、分離（Isolation）就是故障診療（FailureDiagnosis）任務(wù)。一、概述控制系統(tǒng)故障診斷概述ppt第8頁故障種類：從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分：傳感器故障、執(zhí)行器故障、控制器故障、被控對(duì)象故障；從故障性質(zhì)或程度分：緩變故障、突變故障、間歇故障、完全失效故障；從故障間相互關(guān)系分：?jiǎn)喂收?、多故障，?dú)立故障、關(guān)聯(lián)故障，整體故障、局部故障等。故障診療研究?jī)?nèi)容：故障特征描述與提取——經(jīng)過測(cè)量和一定信息處理技術(shù)獲取反應(yīng)系統(tǒng)故障特征描述過程和方法；故障分離與預(yù)計(jì)——依據(jù)檢測(cè)故障特征確定系統(tǒng)是否出現(xiàn)故障（Detection）以及故障部位（Isolation）和故障程度過程和技術(shù)；故障評(píng)價(jià)與決議——依據(jù)故障分離與預(yù)計(jì)結(jié)論，對(duì)故障危害及嚴(yán)重程度做出評(píng)價(jià)，進(jìn)而做出是否停頓任務(wù)進(jìn)程及是否需要維修更換決議。一、概述控制系統(tǒng)故障診斷概述ppt第9頁控制系統(tǒng)故障特征描述及獲取方法——表征系統(tǒng)故障特征量能夠是：①可測(cè)系統(tǒng)輸入輸出信息；②不可測(cè)（可預(yù)計(jì)）狀態(tài)變量；③不可測(cè)（可預(yù)計(jì)）模型參數(shù)向量；④不可測(cè)（可預(yù)計(jì)）特征向量；⑤人經(jīng)驗(yàn)知識(shí)。獲取這些特征量方法主要有：①直接測(cè)量和觀察；②參數(shù)預(yù)計(jì)、狀態(tài)預(yù)計(jì)或?yàn)V波與重構(gòu)；③對(duì)測(cè)量值進(jìn)行某種信息處理。一、概述控制系統(tǒng)故障診斷概述ppt第10頁故障探測(cè)與分離方法——①閾值邏輯法；②多重模型假設(shè)檢測(cè)法；③貝葉斯決議函數(shù)法；④特征量統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)法；⑤人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法⑥教授系統(tǒng)法；⑦模式識(shí)別法；⑧含糊數(shù)學(xué)法；⑨邏輯代數(shù)法。一、概述控制系統(tǒng)故障診斷概述ppt第11頁控制系統(tǒng)故障診療方法——1．依賴于模型方法：①基于狀態(tài)預(yù)計(jì)方法；②基于參數(shù)預(yù)計(jì)方法；③基于特殊模型診療法。2．不依賴于數(shù)學(xué)模型方法：①基于直接可測(cè)信號(hào)故障診療方法（可測(cè)值或其改變趨勢(shì)檢驗(yàn)法、可測(cè)信號(hào)分析處理診療法）；②基于經(jīng)驗(yàn)知識(shí)故障診療方法（教授系統(tǒng)、故障樹、模式識(shí)別等）。一、概述控制系統(tǒng)故障診斷概述ppt第12頁控制系統(tǒng)故障診斷概述ppt第13頁控制系統(tǒng)故障診斷概述ppt第14頁一、概述經(jīng)典故障診療方法——基于未知輸入觀察器（UnknownInputObserver–UIO）故障診療技術(shù)；基于貢獻(xiàn)觀察器（DedicatedObserverScheme–DOS）及自適應(yīng)觀察器故障診療技術(shù)；基于參數(shù)預(yù)計(jì)（ParameterIdentificationApproach–PIA）故障診療技術(shù)；基于直接可測(cè)信號(hào)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、含糊邏輯、教授系統(tǒng)故障診療技術(shù)；機(jī)內(nèi)測(cè)試（BuiltinTest–BIT）與故障預(yù)測(cè)和狀態(tài)管理（PrognosticsandHealthManagement-PHM）技術(shù)?？刂葡到y(tǒng)故障診斷概述ppt第15頁一、概述主要參考文件周東華、孫優(yōu)賢，控制系統(tǒng)故障檢測(cè)與診療技術(shù)，清華大學(xué)出版社，1994胡昌華、許化龍，控制系統(tǒng)故障診療與容錯(cuò)控制分析和設(shè)計(jì)，國(guó)防工業(yè)出版社，周東華、葉銀忠，當(dāng)代故障診療與容錯(cuò)控制，清華大學(xué)出版社，聞新、張洪鉞，控制系統(tǒng)故障診療和容錯(cuò)控制，機(jī)械工業(yè)出版社，1998Frank.P.M.,FaultDiagnosisinDynamicSystemsUsingAnalyticalandKnowledge-basedRedundancy——ASurveyandSomeNewResults.Automatica,1990,26(3):459-474IsermannR.,TrendsintheApplicat