復雜工業系統的過程監測和故障診斷要點◆概要◆自動化專業認識工業背景及故障診斷的一些技術問題基于模型故障診斷基本原理基于知識的故障診斷基于數據的故障診斷技術0.對自動化的認識

自動化與工業化的關系

工業化特點：專指工業，尤其是制造業工業化發展三階段：機械化（大規模使用機器系統）電氣化（加入電機、電網絡）自動化（加入自動控制器）

實現自動化，就完成工業化目前來說：自動化是工業化的最重要標志（國內總體來說，已機械化、電氣化）

自動化與信息化的關系信息化特點：不單指工業，包含第一、三產業僅從工業的角度，信息化發展也可分三階段：一定在工業化的基礎上計算機化（大規模使用數字計算機）網絡化（實現計算機網絡）先進自動化（綜合集成了系統、管理）

實現先進自動化，就完成（工業）信息化先進自動化是信息化的最重要標志（國內總體，數字化、網絡化已有一定規模）機械化（應用機器系統）電氣化（加入電機、網絡）自動化（加入自動控制器）計算機化（應用數字計算機）網絡化（實現計算機網絡）先進自動化（系統、管理）智能化（引入智能）知識化（處理知識）工業化信息化知識化社會總發展（基礎）自動化（核心是控制）是工業化完成與否的標志自動化技術是工業化的核心技術先進自動化（核心是信息、控制、系統）

是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

對自動化科學與技術的認識

自動化科學解決什么科學問題？

自動化技術研究針對什么技術？

傳統意義上如何？

當前又如何？傳統意義上，自動化科學研究的焦點

——系統的物理學特性

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

其基本科學問題

——建模問題、穩定性問題、動態特性問題

適應性（魯棒性）問題和自主性問題

自動化技術研究的針對性工程應用技術

——模型技術、檢測技術、執行技術、

控制（計算）技術。當前

自動化科學與技術

焦點和難點在哪？自動化科學與技術的發展特點之一

最初——處理系統的物理特性，

基礎自動化，物質、能量

當前——處理系統的復雜性，

先進自動化，主要是信息當前，自動化科學研究的焦點和難點

——系統的復雜性，

需要解決的基本問題或基本科學問題

——復雜系統的建模問題

綜合集成問題（包括人）

整體優化問題、失效容錯問題

和系統智能問題

自動化技術主要包括

——模型技術、仿真技術、集成技術、

優化技術、可靠性技術和運行技術。對自動化專業的認識

*自動化專業的知識體系；

*自動化專業的課程體系；

*自動化專業的特點；

*自動化專業的發展前景?；镜呢摲答侀]環控制結構自動化專業的知識體系

由三層知識構成，包括八個知識領域

反映自動化專業特點的五個知識領域

控制與智能、傳感與檢測

執行與驅動、模型與仿真、

系統與工程；

自動化專業知識體系的核心知識是

控制與智能、模型與仿真

系統與工程等三個知識領域

也是自動化專業與其它專業的最大區別。研究背景212022/11/2現代化復雜工程系統規模越來越大航空航天航海核電電網高鐵石化冶金安全性事故頻發221997年北京東方化工廠發生乙烯裝置起火爆炸事故，8人遇難，直接經濟損失達十億元人民幣，間接損失無法估量。人員生命受到威脅232007年4月18日，遼寧鐵嶺市清河特殊鋼發生鋼水包整體脫落事故，共造成32人死亡經濟損失巨大242022/11/22009年云天化股份合成氨裝置合成塔出口管道發生斷裂，導致高溫、高壓氣體外泄，經濟損失巨大。企業信息化系統結構決策層管理層調度層經營決策系統產品策略管理信息系統生產計劃生產調度系統調度指令過程監控系統系統優化過程控制系統控制信息生產過程監控層控制層關系數據庫實時數據庫企業信息化系統三層結構ERPEnterpriseResourcePlanningPCSProcessControlSystemMESManufacturingExecutionSystem企業資源計劃過程控制系統制造執行系統系統監測與故障診斷系統龐大的規模與高度的復雜程度系統中出現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的失效、癱瘓，甚至導致巨大的災難性后果如何提高系統的安全性、可靠性，防止和杜絕影響系統正常運行的故障的發生和發展就成為一個重要的有待解決的問題提高系統安全性、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系統監測與故障診斷概述故障包括兩層含義：一是系統偏離正常功能。其形成原因主要是因為系統的工作條件（含零部件）不正常而產生的。通過參數調節，或修復零部件，又可恢復正常功能二是功能失效。是指系統連續偏離正常功能，且其程度不斷加劇，使設備基本功能不能保證系統監測與故障診斷概述診斷技術可以說幾乎是與機器的發明同時產生的本世紀60年代，起源于工業發達的歐美國家和亞洲的日本70年代中期進入蓬勃發展的階段進入80年代以后，已經形成了集眾多現代科學技術于一體的，一門既注重理論研究，又注重實際應用的新興交叉學科引言系統監測與故障診斷概述2.1故障診斷技術基本概念2.2故障分類2.3故障診斷的分類2.4性能指標2.5故障診斷方法的分類2.故障診斷技術的基本問題故障(fault)：系統至少一個特性或參數出現較大偏差，超出了可接受的范圍。此時系統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失靈(malfunction)：在系統完成特定的任務時，出現了間斷性的不規則現象失效(failure，又稱嚴重故障)：是指系統連續偏離正常功能（由于故障），且其程度不斷加劇，使系統持續喪失了完成給定任務的能力殘差(residual)：故障指示器，由測量值與模型計算值的差得到征兆(symptom)：由故障引起的系統可觀測的特性與其正常的特性相比所出現的異常變化2.1故障診斷技術的基本概念監視(monitoring)：通過記錄信息、識別與指示系統行為的異常現象，連續與實時地確定某一物理系統的運行狀態。監控(supervision)：對物理系統進行監視，并且當他發生故障時采取適當的措施，以維持其運行。誤報(falsealarm)：系統沒有發生故障而報警。“誤報率”是衡量故障診斷系統性能的基本指標之一漏報(missingalarm)：系統發生了故障而沒有報警?！奥﹫舐省笔呛饬抗收显\斷系統性能的又一個基本指標2.1故障診斷技術的基本概念

冗余（redundancy）：指系統里重復配置的一些部件（自動備援），即當某一部件（設備）發生損壞時,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，由此減少系統的故障時間數據冗余（dateredundancy）：在一個數據集合中重復的數據，簡單說就是多余的數據。如果數據丟失、出錯、故障等可以用冗余恢復數據硬件冗余（hardwareredundancy）：用同樣的硬件重構過程的元部件。特點是可靠性高、故障分離直接，但成本過高解析冗余(analyticalredundancy)：與硬件冗余相對應，指通過用解析方式表示的系統數學模型來產生冗余信號2.1故障診斷技術的基本概念Fig.2.1Schematicdescriptionofthehardwareredundancyscheme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生冗余信號的產生往往是成功實現故障診斷的一個關鍵2.1故障診斷技術的基本概念2.2故障分類

☆按照發生部位的不同可分為過程（元部件）故障(process/componentfaults)

傳感器故障(sensorfaults)

執行器故障(actuatorfaults)

☆按照時間特性的不同可分為突變故障(abruptfaults)

緩變故障(incipientfaults)

間隙故障(intermittentfaults)

☆按照發生形式的不同可分為加性故障(additivefaults)

乘性故障(multiplicativefaults)☆按照發生部位的不同劃分過程故障（processfaults）：被控對象中的某些元部件甚至是子系統發生異常傳感器故障（sensorfaults）：控制回路中用于檢測被測量的傳感器發生卡死、恒增益變化或恒偏差而不能準確獲取被測量信息，具體表現為對象變量的測量值與其實際值之間的差別執行器故障（actuatorfaults）：控制回路中用于執行控制命令的執行器發生卡死、恒增益變化或恒偏差而不能正確執行控制命令，具體表現為執行器的輸入命令和它的實際輸出之間的差別2.2故障分類

☆按照時間特性的不同劃分突變故障(abruptfaults)：參數值突然出現很大偏差，事先不可監測和預測的故障緩變故障(incipientfaults)：又稱為軟故障，指參數隨時間的推移和環境的變化而緩慢變化的故障間隙故障(intermittentfaults)：由于老化、容差不足或接觸不良引起的時隱時現的故障2.2故障分類

☆按照發生形式的不同劃分加性故障(additivefault)：作用在系統上的未知輸入，在系統正常運行時為零。它的出現會導致系統輸出發生獨立于已知輸入的改變乘性故障(multiplicativefault)：系統的某些參數的變化。它們能引起系統輸出的變化，這些變化同時也受已知輸入的影響2.2故障分類2.3故障診斷基本任務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（經典、現代、魯棒、自適應）、可靠性理論、數理統計、模糊集理論、信息處理、模式識別人工智能等學科理論

故障建模（faultmodeling）故障檢測（faultdetection）故障分離（faultisolation）故障識別（identification）故障診斷（diagnosis）故障檢測與分離（識別）－－FDI故障檢測與診斷－－FDD故障的評價與決策－－FED,FaultEvaluationandDecision2.3故障診斷基本任務Fig.2.2Thebasictasksofthesupervisionsystem

2.3故障診斷基本任務◆檢測性能指標（DetectionPerformanceIndex）

﹡早期檢測的靈敏度

﹡故障檢測的及時性

﹡故障的誤報率和漏報率◆診斷性能指標（DiagnosisPerformanceIndex）

﹡故障分離能力

﹡故障辨識的準確性◆綜合性能指標（ComprehensivePerformanceIndex）

﹡魯棒性

﹡自適應能力

﹡安全性

﹡可靠性2.4故障診斷性能指標2.5故障診斷方法的分類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也即判別兩類過程狀態(正常和異常狀態)

如使用一個傳感器信號x，可按如下條件描述：如果x＜Hth，那么狀態正常，否則狀態異常

國際故障診斷權威，德國的教授認為故障診斷方法可以分為

※

基于模型的方法(model-based)

※

基于知識的方法(knowledge-based)

※

基于信號處理的方法(Signal-processing-based)2.5故障診斷方法的分類3.1基本模型故障診斷基本過程3.2故障建模3.3基于觀測器的方法3.4等價空間方法3.5參數估計方法3基于模型的故障診斷基本原理基本思想

校驗由相同的過程輸入信號驅動的過程解析模型的輸出與實際系統的測量輸出之間的一致或不一致性。3.1基于觀測器故障診斷基本過程

Fig.3.1Schematicdescriptionofthemodel-basedfaultdiagnosisscheme3.1基于觀測器故障診斷基本過程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

(Nominalmodel/Fault-freemodel)◆對于某個特定的預知故障建立其故障特性模型

(Faultymodel)3.1基于觀測器故障診斷基本過程

故障診斷任務分兩步完成殘差（征兆）生成(Residual/SymptomGeneration)殘差（征兆）評價(Residual/SymptomEvaluation)

基于解析模型的殘差生成方法主要有三種基于觀測器方法(Observer-based)

等價空間方法(ParitySpace)

（或奇偶方程、奇偶關系、奇偶空間）方法參數估計方法(ParameterEstimation)3.1基于觀測器故障診斷基本過程故障診斷系統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，以區分故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設計的目標使FDIA系統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3.1基于觀測器故障診斷基本過程FD系統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不確定具有強的魯棒性◆通過選擇殘差評價函數定義征兆，以保證所檢測的關于故障的信息不被丟失◆進一步分析殘差或開發征兆，獲得更多的關于故障的知識，以便指導決策或實施容錯控制3.1基于觀測器故障診斷基本過程3.2故障建模在基于模型故障診斷中使用開環系統模型，雖然我們認為這個系統是在控制回路中Fig.3.2故障診斷與控制回路Fig.3.3Strctureofastandardcontrolloopwithfault3.2故障建模這一開環系統分為執行器、系統動態和傳感器三個部分。按照發生形式的不同主要研究過程元部件故障(processfaults)、傳感器故障(sensorfaults)以及執行器故障(actuatorfaults)開環系統模型系統動態可用狀態空間模型描述3.2故障建模當(過程）元部件發生故障時元部件有故障時系統動態圖（過程）元部件故障可以視為系統中一些條件的改變而使動態關系變為無效的情形，如在三容器中一個水容器出現漏洞。在一些情形下，故障可以表達為系統中參數的變化當傳感器發生故障時一般說來，系統的實際輸出yR(t)是不能直接得到的，通常用傳感器獲得系統測量輸出。通過正確選擇向量fs，可以描述所有的傳感器故障情形。如當傳感器被“固定在零值上”時，測量向量y(t)=0，故障向量Fig.3.6傳感器有故障時系統動態圖當執行器發生故障時事實上，系統的實際執行通常也是不能直接獲得的。對于一個受控系統來說，uR是已知執行器控制命令u(t)的執行器響應。與傳感器故障情況類似，不同的執行器故障情況可以由一個合適的故障函數fa(t)來表示Fig.3.7執行器有故障時系統動態圖考慮系統所有可能的傳感器故障、元部件故障和執行器故障，系統模型可描述為：通常寫成如下狀態空間描述的一般形式：輸入－輸出描述形式為：如果把建模不確定性考慮進去，那么用于殘差生成器完整的狀態空間模型就變成：其輸入-輸出一致性模型變為：3.3基于觀測器的方法Fig.3.8基于觀測器方法的殘差生成器原理

(1)

(2)

3.3基于觀測器的方法.

(3).

(4)

(5)

(6)3.3基于觀測器的方法殘差生成器設計的主要目標即為設法達到使FD系統對故障更加靈敏，而同時對不感興趣信號的影響更加魯棒之間的最佳平衡3.3基于觀測器的方法3.4等價空間方法等價空間方法的基本思想是提供一個合適的被監控系統的測量一致性(奇偶性)校驗對于硬件(直接)冗余，應多于傳感器最小數，也就是說，y(k)的維數應大于x(k)的維數首先考慮使用m個傳感器，n維向量的測量問題，其測量方程為：系統動態傳感器C殘差生成器V殘差r

Fig.3.9基于硬件（直接）冗余的殘差生成結構3.4等價空間方法故障檢測決策函數（faultdetectiondecisionfunction）故障分離決策函數（faultisolationdecisionfunction）對于一個特定的r(k)，可以通過計算DFIi(k)的m個值來識別不正常工作的傳感器。如果DFIi(k)是這些值中的最大數，那么與之相對應的傳感器就是最有可能發生故障的傳感器。3.4等價空間方法直接冗余/硬件冗余關系不存在為實現最優的故障分離，vi應滿足3.4等價空間方法從等價空間的觀點來看，V的列定義了m個不同的故障表征方向（Ii,i=1,2,…m），在指示有一個故障發生后，通過將等價向量方向與每一個故障表征方向相比較，可以進行故障分離。實際上，故障分離函數DFIi(k)是對一個殘差向量與故障表征方向之間相互關系的測量。為可靠分離故障，故障表征方向間的夾角應“盡可能地大”，也即，應“盡可能小”3.4等價空間方法直接冗余/硬件冗余關系不存在為實現最優的故障分離，vi應滿足3.4等價空間方法Fig.3.10基于等價空間方法的殘差生成器原理通過在一定時間間隔，即數據窗：內采集傳感器的輸出來構建冗余關系，即時間冗余(temporalredundancy)或連續冗余(serialredundancy)3.4等價空間方法考慮系統由線性離散狀態空間方程給出：3.4等價空間方法引入如下符號表示3.4等價空間方法或或3.4等價空間方法3.5參數估計的方法Fig.3.11基于參數估計方法的殘差生成器原理基于參數估計的檢測方法基本思想是用熟知的參數估計方法重復不斷地對實際過程的參數進行在線估計，將估計結果與無故障參考模型所獲得的參數進行比較－－任何實際差異即指示為故障。基于假設：故障是反映在物理系統參數中的，如磨擦，質量，膠粘性、抵抗性、感應系數、容量等。3.5參數估計的方法

采用參數估計法實現FDI的基本步驟