复杂工业系统的过程监测与故障诊断2015

1、Date:4/11/2022File:FDD.1System Monitoring and Fault DiagnosisPeng Kaixiang 2015. All rights reserved.FDD Lecture复杂工业系统的过程监测复杂工业系统的过程监测与故障诊断与故障诊断彭开香彭开香北京科技大学自动化学院北京科技大学自动化学院Date:4/11/2022File:FDD.2System Monitoring and Fault DiagnosisPeng Kaixiang 2015. All rights reserved.FDD Lecture 概概 要要 Date:4/11

2、/2022File:FDD.3System Monitoring and Fault DiagnosisPeng Kaixiang 2015. All rights reserved.FDD LectureDate:4/11/2022File:FDD.4System Monitoring and Fault DiagnosisPeng Kaixiang 2015. All rights reserved.FDD Lecture Date:4/11/2022File:FDD.5System Monitoring and Fault DiagnosisPeng Kaixiang 2015. All

3、 rights reserved.FDD Lecture 自动化与信息化的关系自动化与信息化的关系 信息化特点：不单指工业，包含第一、三产业信息化特点：不单指工业，包含第一、三产业 仅从工业的角度，信息化发展也可分三阶段：仅从工业的角度，信息化发展也可分三阶段： 一定在工业化的基础上一定在工业化的基础上 计算机化（大规模使用数字计算机）计算机化（大规模使用数字计算机） 网络化（实现计算机网络）网络化（实现计算机网络） 先进自动化（综合集成了系统、管理）先进自动化（综合集成了系统、管理） 实现先进自动化，就完成（工业）信息化实现先进自动化，就完成（工业）信息化 先进自动化是信息化的最重要标志先进

4、自动化是信息化的最重要标志 （国内总体，数字化、网络化已有一定规模）（国内总体，数字化、网络化已有一定规模） Date:4/11/2022File:FDD.6System Monitoring and Fault DiagnosisPeng Kaixiang 2015. All rights reserved.FDD Lecture机械化（应用机器系统机械化（应用机器系统）电气化（加入电机、网络）电气化（加入电机、网络）自动化自动化（加入自动控制器）（加入自动控制器）计算机化（应用数字计算机）计算机化（应用数字计算机）网络化（实现计算机网络）网络化（实现计算机网络）先进自动化先进自动化（系统、

5、管理）（系统、管理）智能化（引入智能）智能化（引入智能）知识化（处理知识）知识化（处理知识） 工业化工业化信息化信息化知识化知识化 社社 会会 总总 发发 展展Date:4/11/2022File:FDD.7System Monitoring and Fault DiagnosisPeng Kaixiang 2015. All rights reserved.FDD LectureDate:4/11/2022File:FDD.8System Monitoring and Fault DiagnosisPeng Kaixiang 2015. All rights reserved.FDD Lec

6、ture（基础）自动化（核心是（基础）自动化（核心是控制控制） 是是工业化完成与否的标志工业化完成与否的标志 自动化技术是工业化的核心技术自动化技术是工业化的核心技术先进自动化（核心是先进自动化（核心是信息、控制、系统信息、控制、系统） 是是信息化完成与否的标志信息化完成与否的标志 先进自动化技术是信息化的核心技术先进自动化技术是信息化的核心技术Date:4/11/2022File:FDD.9System Monitoring and Fault DiagnosisPeng Kaixiang 2015. All rights reserved.FDD LectureDate:4/11/2022

7、File:FDD.10System Monitoring and Fault DiagnosisPeng Kaixiang 2015. All rights reserved.FDD Lecture自动化科学自动化科学解决什么科学问题？解决什么科学问题？ 自动化技术自动化技术研究针对什么技术？研究针对什么技术？传统意义上传统意义上如何？如何？ 当前又当前又如何？如何？Date:4/11/2022File:FDD.11System Monitoring and Fault DiagnosisPeng Kaixiang 2015. All rights reserved.FDD Lecture传统

8、意义上，自动化科学传统意义上，自动化科学研究的焦点研究的焦点 系统的系统的物理学特性物理学特性 需要解决的基本问题需要解决的基本问题 给定值控制问题、跟踪问题和自主问题给定值控制问题、跟踪问题和自主问题 其其基本科学问题基本科学问题 建模问题、稳定性问题、动态特性问题建模问题、稳定性问题、动态特性问题 适应性（鲁棒性）问题和自主性问题适应性（鲁棒性）问题和自主性问题自动化技术自动化技术研究的针对性工程应用技术研究的针对性工程应用技术 模型技术、检测技术、执行技术、模型技术、检测技术、执行技术、 控制（计算）技术。控制（计算）技术。 Date:4/11/2022File:FDD.12System

9、 Monitoring and Fault DiagnosisPeng Kaixiang 2015. All rights reserved.FDD Lecture 当前当前 自动化科学与技术自动化科学与技术 焦点和难点在哪焦点和难点在哪？Date:4/11/2022File:FDD.13System Monitoring and Fault DiagnosisPeng Kaixiang 2015. All rights reserved.FDD Lecture自动化科学与技术的发展特点之一自动化科学与技术的发展特点之一 最初最初处理系统的物理特性，处理系统的物理特性， 基础自动化基础自动化，

10、物质、能量，物质、能量 当前当前处理系统的复杂性，处理系统的复杂性， 先进自动化先进自动化，主要是信息，主要是信息Date:4/11/2022File:FDD.14System Monitoring and Fault DiagnosisPeng Kaixiang 2015. All rights reserved.FDD Lecture当前，自动化科学研究的焦点和难点当前，自动化科学研究的焦点和难点 系统的复杂性系统的复杂性，需要解决的基本问题或基本科学问题需要解决的基本问题或基本科学问题 复杂系统的建模问题复杂系统的建模问题 综合集成问题（包括人）综合集成问题（包括人） 整体优化问题、失效

11、容错问题整体优化问题、失效容错问题 和系统智能问题和系统智能问题自动化技术主要包括自动化技术主要包括 模型技术、仿真技术、集成技术、模型技术、仿真技术、集成技术、 优化技术、可靠性技术和运行技术。优化技术、可靠性技术和运行技术。 Date:4/11/2022File:FDD.15System Monitoring and Fault DiagnosisPeng Kaixiang 2015. All rights reserved.FDD Lecture 对自动化专业的认识对自动化专业的认识 * * 自动化专业的知识体系；自动化专业的知识体系； * * 自动化专业的课程体系；自动化专业的课程体系

12、； * * 自动化专业的特点；自动化专业的特点； * * 自动化专业的发展前景。自动化专业的发展前景。Date:4/11/2022File:FDD.16System Monitoring and Fault DiagnosisPeng Kaixiang 2015. All rights reserved.FDD Lecture基本的负反馈闭环控制结构基本的负反馈闭环控制结构 Date:4/11/2022File:FDD.17System Monitoring and Fault DiagnosisPeng Kaixiang 2015. All rights reserved.FDD Lectu

13、re控控 制制 器器对对 象象执执 行行 器器传传 感感 器器信信 号号 处处 理理D D/ /A AA A/ /D D- -+ 知 识 领 域 ： 计 算 与 处 理 知 识 单 元 ： 信 号 、 图 象 处 理 并 行 、 分 布 处 理 软 件 工 程 计 算 、 搜 索 、 推 理 模 式 识 别 等 等 知 识 领 域 ： 控 制 与 智 能 知 识 单 元 ： 控 制 理 论 稳 定 性 与 鲁 棒 性 可 靠 性 与 容 错 自 适 应 、 自 学 习 人 工 智 能 最 优 、 智 能 控 制 人 机 控 制 等 等 知 识 领 域 ： 执 行 与 驱 动 知 识 单 元 ：

14、 机 电 汽 液 驱 动 自 动 化 仪 表 光 机 电 一 体 化 各 种 遥 控 器 电 力 电 子 等 等 知 识 领 域 ： 模 型 与 仿 真 知 识 单 元 ： 系 统 辨 识 参 数 估 计 各 类 系 统 建 模 技 术 CAD仿 真 技 术 电 机 原 理 与 传 动 机 械 原 理 与 结 构 机 器 人 原 理 等 等 知 识 领 域 ： 通 信 与 网 络 知 识 单 元 ： 通 信 技 术 计 算 机 网 络 多 媒 体 遥 技 术 等 等 知 识 领 域 ： 传 感 与 检 测 知 识 单 元 ： 理 化 生 等 传 感 器 检 测 与 诊 断 遥 测 、 遥 感

15、抗 干 扰 技 术 测 量 信 号 处 理 机 器 人 感 知 等 等Date:4/11/2022File:FDD.18System Monitoring and Fault DiagnosisPeng Kaixiang 2015. All rights reserved.FDD Lecture知知 识识 领领 域域 ： 系 统 与 工 程知知 识识 单单 元元 ： 多 变 量 系 统 、 非 线 性 系 统 、 分 布 参 数 系统 、 离 散 事 件 系 统 、 大 系 统 、 复 杂 系 统 、 运 动 控 制系 统 、 过 程 控 制 系 统 、 集 成 自 动 化 系 统 、 管 理

16、 信 息系 统 、 系 统 工 程 、 运 筹 学 、 最 优 化 、 智 能 系 统 、 机器 人 系 统 、 多 智 能 体 等 等知知 识识 领领 域域 ： 数 理 与 机 电 基 础知知 识识 单单 元元 ： 数 学 、 力 学 、 物 理 、 化 学 、 现 代 生 物学 、 生 命 科 学 、 脑 科 学 、 思 维 科 学 、 系 统 科 学 、 管理 科 学 、 电 工 电 子 基 础 、 机 械 基 础 、 计 算 机 原 理 、计 算 机 语 言 、 微 机 原 理 等 等+控控 制制 与与 智智 能能模模 型型 与与 仿仿 真真执执 行行 与与 驱驱 动动传传 感感 与与

17、 检检 测测计计 算算 与与 处处 理理通通信信与与网网络络 - -系 统知 识 层控 制知 识 层基 础知 识 层Date:4/11/2022File:FDD.19System Monitoring and Fault DiagnosisPeng Kaixiang 2015. All rights reserved.FDD Lecture知知识识领领域域： 系统与工程 知知识识领领域域：传感与检测、通信与网络计算与处理、控制与智能执行与驱动、模型与仿真知知识识领领域域：数理与机电基础系统知识层控制知识层基础知识层Date:4/11/2022File:FDD.20System Monitori

18、ng and Fault DiagnosisPeng Kaixiang 2015. All rights reserved.FDD Lecture自动化专业的知识体系自动化专业的知识体系 由三层知识构成，包括八个知识领域由三层知识构成，包括八个知识领域 反映自动化专业特点的五个知识领域反映自动化专业特点的五个知识领域 控制与智能、传感与检测控制与智能、传感与检测 执行与驱动、模型与仿真、执行与驱动、模型与仿真、 系统与工程；系统与工程； 自动化专业知识体系的核心知识是自动化专业知识体系的核心知识是 控制与智能、模型与仿真控制与智能、模型与仿真 系统与工程系统与工程等三个知识领域等三个知识领域

19、也是自动化专业与其它专业的最大区别。也是自动化专业与其它专业的最大区别。 Date:4/11/2022File:FDD.21System Monitoring and Fault DiagnosisPeng Kaixiang 2015. All rights reserved.FDD Lecture研究背景研究背景212022-4-11航空航空 航天航天 航海航海 核电核电 电网电网 高铁高铁 石化石化 冶金冶金 Date:4/11/2022File:FDD.22System Monitoring and Fault DiagnosisPeng Kaixiang 2015. All right

20、s reserved.FDD Lecture安全性事故频发安全性事故频发2219971997年北京东方化工厂发生乙烯装置起火爆炸事故，年北京东方化工厂发生乙烯装置起火爆炸事故，8 8人遇难，直接经济损失达十亿元人民币，间接损失人遇难，直接经济损失达十亿元人民币，间接损失无法估量。无法估量。Date:4/11/2022File:FDD.23System Monitoring and Fault DiagnosisPeng Kaixiang 2015. All rights reserved.FDD Lecture人员生命受到威胁人员生命受到威胁232007年年4月月18日，辽宁铁岭市清河特殊钢有

21、日，辽宁铁岭市清河特殊钢有限公司发生钢水包整体脱落事故，共造成限公司发生钢水包整体脱落事故，共造成32人死亡人死亡Date:4/11/2022File:FDD.24System Monitoring and Fault DiagnosisPeng Kaixiang 2015. All rights reserved.FDD Lecture经济损失巨大经济损失巨大242022-4-112009年云天化股份有限公司合成氨装年云天化股份有限公司合成氨装置合成塔出口管道发生断裂，导致高置合成塔出口管道发生断裂，导致高温、高压气体外泄，经济损失巨大。温、高压气体外泄，经济损失巨大。Date:4/11/2

22、022File:FDD.25System Monitoring and Fault DiagnosisPeng Kaixiang 2015. All rights reserved.FDD Lecture决策层决策层管理层管理层调度层调度层经营决策系统经营决策系统产品策略产品策略管理信息系统管理信息系统生产计划生产计划生产调度系统生产调度系统调度指令调度指令系统优化系统优化过程控制系统过程控制系统控制信息控制信息生产过程生产过程控制层控制层关系数据库关系数据库实时数据库实时数据库Date:4/11/2022File:FDD.26System Monitoring and Fault Diagn

23、osisPeng Kaixiang 2015. All rights reserved.FDD LectureERPEnterprise Resource PlanningPCSProcess Control SystemMESManufacturing Execution System企业资源计划企业资源计划过程控制系统过程控制系统制造执行系统制造执行系统Date:4/11/2022File:FDD.27System Monitoring and Fault DiagnosisPeng Kaixiang 2015. All rights reserved.FDD Lecture系统庞大的规模

24、与高度的复杂程度系统庞大的规模与高度的复杂程度系统中出现的某些微小故障若不能及时检测并排除，系统中出现的某些微小故障若不能及时检测并排除，就有可能造成整个系统的失效、瘫痪，甚至导致巨大就有可能造成整个系统的失效、瘫痪，甚至导致巨大的灾难性后果的灾难性后果如何提高系统的安全性、可靠性，防止和杜绝影响系如何提高系统的安全性、可靠性，防止和杜绝影响系统正常运行的故障的发生和发展统正常运行的故障的发生和发展就成为一个重要的有就成为一个重要的有待解决的问题待解决的问题提高系统安全性、可靠性的方法有多种，其中一个重提高系统安全性、可靠性的方法有多种，其中一个重要的方法就是采用故障检测与诊断技术要的方法就是

25、采用故障检测与诊断技术Date:4/11/2022File:FDD.28System Monitoring and Fault DiagnosisPeng Kaixiang 2015. All rights reserved.FDD Lecture故障包括两层含义：故障包括两层含义： q一是系统偏离正常功能一是系统偏离正常功能。其形成原因主要是因为系。其形成原因主要是因为系统的工作条件（含零部件）不正常而产生的。通过统的工作条件（含零部件）不正常而产生的。通过参数调节，或修复零部件，又可恢复正常功能参数调节，或修复零部件，又可恢复正常功能q二是功能失效二是功能失效。是指系统连续偏离正常功能，且

26、其。是指系统连续偏离正常功能，且其程度不断加剧，使设备基本功能不能保证程度不断加剧，使设备基本功能不能保证 Date:4/11/2022File:FDD.29System Monitoring and Fault DiagnosisPeng Kaixiang 2015. All rights reserved.FDD Lectureq诊断技术可以说几乎是与机器的发明同时产生的诊断技术可以说几乎是与机器的发明同时产生的 q本世纪本世纪60年代，起源于工业发达的欧美国家和亚洲年代，起源于工业发达的欧美国家和亚洲的日本的日本 q70年代中期进入蓬勃发展的阶段年代中期进入蓬勃发展的阶段 q进入进入80

27、年代以后，已经形成了集众多现代科学技术年代以后，已经形成了集众多现代科学技术于一体的，一门既注重理论研究，又注重实际应用于一体的，一门既注重理论研究，又注重实际应用的新兴交叉学科的新兴交叉学科Date:4/11/2022File:FDD.30System Monitoring and Fault DiagnosisPeng Kaixiang 2015. All rights reserved.FDD Lecture2.1 故障诊断技术基本概念故障诊断技术基本概念2.2 故障分类故障分类2.3 故障诊断的分类故障诊断的分类2.4 性能指标性能指标2.5 故障诊断方法的分类故障诊断方法的分类Dat

28、e:4/11/2022File:FDD.31System Monitoring and Fault DiagnosisPeng Kaixiang 2015. All rights reserved.FDD Lectureq故障故障(fault)：系统至少一个特性或参数出现较大偏差，超出了可接：系统至少一个特性或参数出现较大偏差，超出了可接受的范围。此时系统的性能明显低于其正常水平，所以已难以完受的范围。此时系统的性能明显低于其正常水平，所以已难以完成其预期的功能成其预期的功能q失灵失灵(malfunction)：在系统完成特定的任务时，出现了间断性的：在系统完成特定的任务时，出现了间断性的不规

29、则现象不规则现象q失效失效(failure，又称严重故障，又称严重故障)：是指系统连续偏离正常功能（由于：是指系统连续偏离正常功能（由于故障），且其程度不断加剧，使系统持续丧失了完成给定任务的故障），且其程度不断加剧，使系统持续丧失了完成给定任务的能力能力q残差残差(residual)：故障指示器，由测量值与模型计算值的差得到：故障指示器，由测量值与模型计算值的差得到q征兆征兆(symptom)：由故障引起的系统可观测的特性与其正常的特性：由故障引起的系统可观测的特性与其正常的特性相比所出现的异常变化相比所出现的异常变化2.1 故障诊断技术的基本概念故障诊断技术的基本概念Date:4/11/2

30、022File:FDD.32System Monitoring and Fault DiagnosisPeng Kaixiang 2015. All rights reserved.FDD Lectureq监视监视(monitoring)：通过记录信息、识别与指示系统行为的异常现：通过记录信息、识别与指示系统行为的异常现象，连续与实时地确定某一物理系统的运行状态。象，连续与实时地确定某一物理系统的运行状态。q监控监控(supervision)：对物理系统进行监视，并且当他发生故障时采：对物理系统进行监视，并且当他发生故障时采取适当的措施，以维持其运行。取适当的措施，以维持其运行。q误报误报(f

31、alse alarm)：系统没有发生故障而报警。：系统没有发生故障而报警。“误报率误报率”是衡量是衡量故障诊断系统性能的基本指标之一故障诊断系统性能的基本指标之一q漏报漏报(missing alarm)：系统发生了故障而没有报警。：系统发生了故障而没有报警。“漏报率漏报率”是是衡量故障诊断系统性能的又一个基本指标衡量故障诊断系统性能的又一个基本指标2.1 故障诊断技术的基本概念故障诊断技术的基本概念Date:4/11/2022File:FDD.33System Monitoring and Fault DiagnosisPeng Kaixiang 2015. All rights reserv

32、ed.FDD Lecturel 冗余（冗余（redundancy）：）： 指系统里重复配置的一些部件指系统里重复配置的一些部件 （自动（自动 备援），备援）， 即当某一部件（设备）发生损坏时即当某一部件（设备）发生损坏时, 冗余配置的部件冗余配置的部件 可以自动作为后备式部件替代故障部件（设备）的工作，由此可以自动作为后备式部件替代故障部件（设备）的工作，由此 减少系统的故障时间减少系统的故障时间l 数据冗余（数据冗余（date redundancy ）：在一个数据集合中重复的数：在一个数据集合中重复的数 据，简单说就是多余的数据。如果数据丢失、出错、故障等可据，简单说就是多余的数据。如果数据

33、丢失、出错、故障等可 以用冗余恢复数据以用冗余恢复数据l 硬件冗余（硬件冗余（hardware redundancy）：）：用同样的硬件重构过程用同样的硬件重构过程 的元部件。特点是可靠性高、故障分离直接，但成本过高的元部件。特点是可靠性高、故障分离直接，但成本过高l 解析冗余解析冗余(analytical redundancy)：与硬件冗余相对应，指通过：与硬件冗余相对应，指通过 用解析方式表示的系统数学模型来产生冗余信号用解析方式表示的系统数学模型来产生冗余信号2.1 故障诊断技术的基本概念故障诊断技术的基本概念Date:4/11/2022File:FDD.34System Monitor

34、ing and Fault DiagnosisPeng Kaixiang 2015. All rights reserved.FDD LectureComponent(hardware)Redundantcomponent0: fault=0: fault-freeFig. 2.1 Schematic description of the hardware redundancy scheme如果过程元部件的输出不同于其硬件冗余的输出，则过程元部件被如果过程元部件的输出不同于其硬件冗余的输出，则过程元部件被检测出有故障发生检测出有故障发生冗余信号的产生往往是成功实现故障诊断的一个关键冗余信号的产

35、生往往是成功实现故障诊断的一个关键2.1 故障诊断技术的基本概念故障诊断技术的基本概念Date:4/11/2022File:FDD.35System Monitoring and Fault DiagnosisPeng Kaixiang 2015. All rights reserved.FDD Lecture 按照发生部位的不同可分为按照发生部位的不同可分为 过程（元部件）故障过程（元部件）故障 (process/component faults) 传感器故障传感器故障 (sensor faults) 执行器故障执行器故障 (actuator faults) 按照时间特性的不同可分为按照时间

36、特性的不同可分为 突变故障突变故障(abrupt faults) 缓变故障缓变故障(incipient faults) 间隙故障间隙故障(intermittent faults) 按照发生形式的不同可分为按照发生形式的不同可分为 加性故障加性故障(additive faults) 乘性故障乘性故障(multiplicative faults)Date:4/11/2022File:FDD.36System Monitoring and Fault DiagnosisPeng Kaixiang 2015. All rights reserved.FDD Lecture 按照发生部位的不同划分按照发

37、生部位的不同划分q 过程故障（过程故障（process faults）：）：被控对象中的某些元部件甚被控对象中的某些元部件甚 至是子至是子系统发生异常系统发生异常 q 传感器故障（传感器故障（sensor faults）：）：控制回路中用于检测被测量的传控制回路中用于检测被测量的传感器发生卡死、恒增益变化或恒偏差而不能准确获取被测量信息，感器发生卡死、恒增益变化或恒偏差而不能准确获取被测量信息，具体表现为对象变量的测量值与其实际值之间的差别具体表现为对象变量的测量值与其实际值之间的差别 q 执行器故障（执行器故障（actuator faults）：）：控制回路中用于执行控制命令的控制回路中用于

38、执行控制命令的执行器发生卡死、恒增益变化或恒偏差而不能正确执行控制命令，执行器发生卡死、恒增益变化或恒偏差而不能正确执行控制命令，具体表现为执行器的输入命令和它的实际输出之间的差别具体表现为执行器的输入命令和它的实际输出之间的差别 Date:4/11/2022File:FDD.37System Monitoring and Fault DiagnosisPeng Kaixiang 2015. All rights reserved.FDD Lecture 按照时间特性的不同划分按照时间特性的不同划分q突变故障突变故障(abrupt faults)：参数值突然出现很大偏差，事先不可监：参数值突然

39、出现很大偏差，事先不可监测和预测的故障测和预测的故障q缓变故障缓变故障(incipient faults)：又称为软故障，指参数随时间的推移：又称为软故障，指参数随时间的推移和环境的变化而缓慢变化的故障和环境的变化而缓慢变化的故障q间隙故障间隙故障(intermittent faults)：由于老化、容差不足或接触不良：由于老化、容差不足或接触不良引起的时隐时现的故障引起的时隐时现的故障Date:4/11/2022File:FDD.38System Monitoring and Fault DiagnosisPeng Kaixiang 2015. All rights reserved.FDD

40、 Lecture 按照发生形式的不同划分按照发生形式的不同划分q加性故障加性故障(additive fault)：作用在系统上的未知输入，在系统正：作用在系统上的未知输入，在系统正常运行时为零。它的出现会导致系统输出发生独立于已知输入常运行时为零。它的出现会导致系统输出发生独立于已知输入的改变的改变q乘性故障乘性故障(multiplicative fault)：系统的某些参数的变化。它们：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Date:4/11/2022File:FDD.39System Monitor

41、ing and Fault DiagnosisPeng Kaixiang 2015. All rights reserved.FDD Lecture故障诊断是一门综合性技术，其研究涉及到多门故障诊断是一门综合性技术，其研究涉及到多门学科，如控制理论学科，如控制理论 （经典、现代、鲁棒、自适应（经典、现代、鲁棒、自适应）、可靠性理论、数理统计、模糊集理论、信息）、可靠性理论、数理统计、模糊集理论、信息处理、模式识别人工智能等学科理论处理、模式识别人工智能等学科理论 Date:4/11/2022File:FDD.40System Monitoring and Fault DiagnosisPeng

42、 Kaixiang 2015. All rights reserved.FDD Lectureu 故障建模（故障建模（fault modeling）u 故障检测（故障检测（fault detection）u 故障分离（故障分离（fault isolation） 故障识别（故障识别（identification） 故障诊断（故障诊断（diagnosis） 故障检测与分离故障检测与分离（识别）（识别）FDI故障检测与诊断故障检测与诊断FDD故障的评价与决策故障的评价与决策FED, Fault Evaluation and DecisionDate:4/11/2022File:FDD.41Syste

43、m Monitoring and Fault DiagnosisPeng Kaixiang 2015. All rights reserved.FDD LectureThe basic tasks of the supervision system Equipmentsand ProcessSensorSensorSensor信号处理FaultDiagnosisEvaluationandDecisionSignalProcessingOutputSignal AcquisitionDate:4/11/2022File:FDD.42System Monitoring and Fault Diag

44、nosisPeng Kaixiang 2015. All rights reserved.FDD Lecture 检测性能指标（检测性能指标（Detection Performance Index） 早期检测的灵敏度早期检测的灵敏度 故障检测的及时性故障检测的及时性 故障的误报率和漏报率故障的误报率和漏报率 诊断性能指标（诊断性能指标（Diagnosis Performance Index） 故障分离能力故障分离能力 故障辨识的准确性故障辨识的准确性 综合性能指标（综合性能指标（Comprehensive Performance Index） 鲁棒性鲁棒性 自适应能力自适应能力 安全性安全性

45、可靠性可靠性Date:4/11/2022File:FDD.43System Monitoring and Fault DiagnosisPeng Kaixiang 2015. All rights reserved.FDD Lecture诊断方法的研究在于：寻找征兆与故障之间的有效对应关系诊断方法的研究在于：寻找征兆与故障之间的有效对应关系 最简单的故障检测方法就是所谓界限判别法最简单的故障检测方法就是所谓界限判别法也即判别两类过程状态也即判别两类过程状态(正常和异常状态正常和异常状态) 如使用一个传感器信号如使用一个传感器信号x，可按如下条件描述：，可按如下条件描述： 如果如果xHth，那么

46、状态正常，否则状态异常，那么状态正常，否则状态异常Date:4/11/2022File:FDD.44System Monitoring and Fault DiagnosisPeng Kaixiang 2015. All rights reserved.FDD Lecture 国际故障诊断权威，德国的国际故障诊断权威，德国的P.M.Frank教授认为教授认为 故障诊断方法可以分为故障诊断方法可以分为 基于模型的方法基于模型的方法 (model-based) 基于知识的方法基于知识的方法 (knowledge-based) 基于信号处理的方法基于信号处理的方法 (Signal-processin

47、g-based)Date:4/11/2022File:FDD.45System Monitoring and Fault DiagnosisPeng Kaixiang 2015. All rights reserved.FDD LectureDate:4/11/2022File:FDD.46System Monitoring and Fault DiagnosisPeng Kaixiang 2015. All rights reserved.FDD Lecture3.1 基本模型故障诊断基本过程基本模型故障诊断基本过程3.2 故障建模故障建模3.3 基于观测器的方法基于观测器的方法3.4 等价

48、空间方法等价空间方法3.5 参数估计方法参数估计方法Date:4/11/2022File:FDD.47System Monitoring and Fault DiagnosisPeng Kaixiang 2015. All rights reserved.FDD Lecture 3.1 基于观测器故障诊断基本过程基于观测器故障诊断基本过程Date:4/11/2022File:FDD.48System Monitoring and Fault DiagnosisPeng Kaixiang 2015. All rights reserved.FDD Lecture Fig.3.1 Schemati

49、c description of the model-based fault diagnosis scheme过 程过程名义模型残差处理决策逻辑故障的知识过程输入过程输出残 差 生 成残 差 评 价残 差故障诊断3.1 基于观测器故障诊断基本过程基于观测器故障诊断基本过程Date:4/11/2022File:FDD.49System Monitoring and Fault DiagnosisPeng Kaixiang 2015. All rights reserved.FDD Lecture通常所采用的过程解析模型有两种不同的策略通常所采用的过程解析模型有两种不同的策略 模拟名义的或无故障的

50、特性模型模拟名义的或无故障的特性模型 (Nominal model/ Fault-free model) 对于某个特定的预知故障建立其故障特性模型对于某个特定的预知故障建立其故障特性模型 (Faulty model)3.1 基于观测器故障诊断基本过程基于观测器故障诊断基本过程Date:4/11/2022File:FDD.50System Monitoring and Fault DiagnosisPeng Kaixiang 2015. All rights reserved.FDD Lecture 故障诊断任务分两步完成故障诊断任务分两步完成l残差（征兆）生成残差（征兆）生成 (Residua

51、l/Symptom Generation)l残差（征兆）评价残差（征兆）评价 (Residual /Symptom Evaluation) 基于解析模型的残差生成方法主要有三种基于解析模型的残差生成方法主要有三种u 基于观测器方法基于观测器方法 (Observer-based)u 等价空间方法等价空间方法 (Parity Space) （或奇偶方程、奇偶关系、奇偶空间）方法（或奇偶方程、奇偶关系、奇偶空间）方法u 参数估计方法参数估计方法 (Parameter Estimation)3.1 基于观测器故障诊断基本过程基于观测器故障诊断基本过程Date:4/11/2022File:FDD.51S

52、ystem Monitoring and Fault DiagnosisPeng Kaixiang 2015. All rights reserved.FDD Lecture故障诊断系统设计的关键故障诊断系统设计的关键抑制信号中不感兴趣部分而加强其中反映故障的部分，以区分故抑制信号中不感兴趣部分而加强其中反映故障的部分，以区分故障与模型不确定性和未知输入的影响障与模型不确定性和未知输入的影响基于模型故障诊断系统设计的目标基于模型故障诊断系统设计的目标使使FDIA系统对故障具有尽可能大的灵敏度，而同时对不感兴趣系统对故障具有尽可能大的灵敏度，而同时对不感兴趣信号的影响具有尽可能大的鲁棒性信号的影

53、响具有尽可能大的鲁棒性 3.1 基于观测器故障诊断基本过程基于观测器故障诊断基本过程Date:4/11/2022File:FDD.52System Monitoring and Fault DiagnosisPeng Kaixiang 2015. All rights reserved.FDD Lecture FD系统的设计应包括如下任务系统的设计应包括如下任务 设计一个残差生成器，对故障具有高的灵敏度而对模型设计一个残差生成器，对故障具有高的灵敏度而对模型 不确定具有强的鲁棒性不确定具有强的鲁棒性 通过选择残差评价函数定义征兆，以保证所检测的关于通过选择残差评价函数定义征兆，以保证所检测的关

54、于 故障的信息不被丢失故障的信息不被丢失 进一步分析残差或开发征兆，获得更多的关于故障的知进一步分析残差或开发征兆，获得更多的关于故障的知 识，以便指导决策或实施容错控制识，以便指导决策或实施容错控制3.1 基于观测器故障诊断基本过程基于观测器故障诊断基本过程Date:4/11/2022File: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诊断中使用开环系统模型，虽然我们认为这个系统在基于模型故障诊断中使用开环系统

55、模型，虽然我们认为这个系统是在控制回路中是在控制回路中 Fig.3.2 故障诊断与控制回路故障诊断与控制回路 控 制 器执 行 器系 统 动 态传 感 器故 障 诊 断 监 控控 制 命 令输 出测 量 输 出y (t)开 环 系 统u (t)uC(t)Date:4/11/2022File: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

56、建模故障建模Date:4/11/2022File:FDD.55System Monitoring and Fault DiagnosisPeng Kaixiang 2015. All rights reserved.FDD Lecture这一开环系统分为执行器、系统动态和传感器三个部分。按照发这一开环系统分为执行器、系统动态和传感器三个部分。按照发生形式的不同主要研究过程元部件故障生形式的不同主要研究过程元部件故障(process faults)、 传感器传感器故障故障(sensor faults) 以及执行器故障以及执行器故障(actuator faults) Fig.3.4开环系统模型开环

57、系统模型( )( )( )( )( )( )RRRx tAx tButytCx tDut系统动态可用状态空间模型描述系统动态可用状态空间模型描述 u ( t )uR( t )yR( t )输出执行器系统动态传感器输出测量输出执行3.2 故障建模故障建模Date:4/11/2022File:FDD.56System Monitoring and Fault DiagnosisPeng Kaixiang 2015. All rights reserved.FDD Lecture当当(过程）元部件发生故障时过程）元部件发生故障时 Fig.3.5元部件有故障时系统动态图元部件有故障时系统动态图 （过程

58、）元部件故障可以视（过程）元部件故障可以视为系统中一些条件的改变而为系统中一些条件的改变而使动态关系变为无效的情形使动态关系变为无效的情形，如在三容器中一个水容器，如在三容器中一个水容器出现漏洞。在一些情形下，出现漏洞。在一些情形下，故障可以表达为系统中参数故障可以表达为系统中参数的变化的变化 ( )( )( )( )Rpx tAx tButft执 行u (t)f(t)元 部 件 故 障参 数 故 障输 出系 统 动 态cy (t)RRDate:4/11/2022File:FDD.57System Monitoring and Fault DiagnosisPeng Kaixiang 2015

59、. All rights reserved.FDD Lecture当传感器发生故障时当传感器发生故障时 一般说来，系统的实际输出一般说来，系统的实际输出yR(t)是不能直接得到的，通是不能直接得到的，通常用传感器获得系统测量输常用传感器获得系统测量输出。通过正确选择向量出。通过正确选择向量fs，可，可以描述所有的传感器故障情以描述所有的传感器故障情形。如当传感器被形。如当传感器被“固定在固定在零值上零值上”时，测量向量时，测量向量y(t)=0，故障向量，故障向量 ( )( )sRftyt Fig.3.6 传感器有故障时系统动态图传感器有故障时系统动态图 ( )( )( )Rsy tytfty

60、(t)f(t)传 感 器 故 障y(t)传 感 器测 量 输 出输 出sRDate:4/11/2022File:FDD.58System Monitoring and Fault DiagnosisPeng Kaixiang 2015. All rights reserved.FDD Lecture当执行器发生故障时当执行器发生故障时 事实上，系统的实际执行通事实上，系统的实际执行通常也是不能直接获得的。对常也是不能直接获得的。对于一个受控系统来说，于一个受控系统来说，uR是是已知执行器控制命令已知执行器控制命令u(t)的执的执行器响应。与传感器故障情行器响应。与传感器故障情况类似，不同的执行