【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 sion 故障診斷基本任務(wù) Date: File: System Monitoring and Fault Diagnosis Peng Kaixiang 2023. All rights reserved. FDD Lecture The basic tasks of the supervision system Equi pm ent sand Proce ssSensorSensorSensor信號(hào)處理FaultDiagnosisEva lua ti onandDec isionSignalProce ss ingOutputSignal Acquisi ti on 故障診斷基本任務(wù) Date: File: System Monitoring and Fault Diagnosis Peng Kaixiang 2023. All rights reserved. FDD Lecture ◆ 檢測(cè)性能指標(biāo)（ Detection Performance Index） ﹡ 早期檢測(cè)的靈敏度 ﹡ 故障檢測(cè)的及時(shí)性 ﹡ 故障的誤報(bào)率和漏報(bào)率 ◆ 診斷性能指標(biāo)（ Diagnosis Performance Index） ﹡ 故障分離能力 ﹡ 故障辨識(shí)的準(zhǔn)確性 ◆ 綜合性能指標(biāo)（ Comprehensive Performance Index） ﹡ 魯棒性 ﹡ 自適應(yīng)能力 ﹡ 安全性 ﹡ 可靠性 故障診斷性能指標(biāo) Date: File: System Monitoring and Fault Diagnosis Peng Kaixiang 2023. All rights reserved. FDD Lecture 故障診斷方法的分類(lèi) 診斷方法的研究在于：尋找征兆與故障之間的有效對(duì)應(yīng)關(guān)系 最簡(jiǎn)單的故障檢測(cè)方法就是所謂界限判別法 也即判別兩類(lèi)過(guò)程狀態(tài) (正常和異常狀態(tài) ) 如使用一個(gè)傳感器信號(hào) x，可按如下條件描述： 如果 x＜ Hth，那么狀態(tài)正常，否則狀態(tài)異常 Date: File: System Monitoring and Fault Diagnosis Peng Kaixiang 2023. All rights reserved. FDD Lecture 國(guó)際故障診斷權(quán)威，德國(guó)的 故障診斷方法可以分為 ※ 基于模型的方法 (modelbased) ※ 基于知識(shí)的方法 (knowledgebased) ※ 基于信號(hào)處理的方法 (Signalprocessingbased) 故障診斷方法的分類(lèi) Date: File: System Monitoring and Fault Diagnosis Peng Kaixiang 2023. All rights reserved. FDD Lecture Date: File: System Monitoring and Fault Diagnosis Peng Kaixiang 2023. All rights reserved. FDD Lecture 基本模型故障診斷基本過(guò)程 故障建模 基于觀測(cè)器的方法 等價(jià)空間方法 參數(shù)估計(jì)方法 3 基于模型的故障診斷基本原理 Date: File: System Monitoring and Fault Diagnosis Peng Kaixiang 2023. All rights reserved. FDD Lecture 基本思想 校驗(yàn)由相同的過(guò)程輸入信號(hào)驅(qū)動(dòng)的過(guò)程解析模型的輸出與實(shí)際系統(tǒng)的測(cè)量輸出之間的一致或不一致性。 基于觀測(cè)器故障診斷基本過(guò)程 Date: File: System Monitoring and Fault Diagnosis Peng Kaixiang 2023. All rights reserved. FDD Lecture Schematic description of the modelbased fault diagnosis scheme 過(guò) 程過(guò)程名義模型 殘差處理 決策邏輯 故障的知識(shí)過(guò)程輸入 過(guò)程輸出殘 差 生 成 殘 差 評(píng) 價(jià)殘 差故障診斷 基于觀測(cè)器故障診斷基本過(guò)程 Date: File: System Monitoring and Fault Diagnosis Peng Kaixiang 2023. All rights reserved. FDD Lecture 通常所采用的過(guò)程解析模型有兩種不同的策略 ◆ 模擬名義的或無(wú)故障的特性模型 (Nominal model/ Faultfree model) ◆ 對(duì)于某個(gè)特定的預(yù)知故障建立其故障特性模型 (Faulty model) 基于觀測(cè)器故障診斷基本過(guò)程 Date: File: System Monitoring and Fault Diagnosis Peng Kaixiang 2023. All rights reserved. FDD Lecture 故障診斷任務(wù)分兩步完成 ?殘差（征兆）生成 (Residual/Symptom Generation) ?殘差（征兆）評(píng)價(jià) (Residual /Symptom Evaluation) 基于解析模型的殘差生成方法主要有三種 ? 基于觀測(cè)器方法 (Observerbased) ? 等價(jià)空間方法 (Parity Space) （或奇偶方程、奇偶關(guān)系、奇偶空間）方法 ? 參數(shù)估計(jì)方法 (Parameter Estimation) 基于觀測(cè)器故障診斷基本過(guò)程 Date: File: System Monitoring and Fault Diagnosis Peng Kaixiang 2023. All rights reserved. FDD Lecture 故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵 抑制信號(hào)中不感興趣部分而加強(qiáng)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 基于模型故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo) 使 FDIA系統(tǒng)對(duì)故障具有盡可能大的靈敏度，而同時(shí)對(duì)不感興趣信號(hào)的影響具有盡可能大的魯棒性 基于觀測(cè)器故障診斷基本過(guò)程 Date: File: System Monitoring and Fault Diagnosis Peng Kaixiang 2023. All rights reserved. FDD Lecture FD系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)包括如下任務(wù) ◆ 設(shè)計(jì)一個(gè)殘差生成器，對(duì)故障具有高的靈敏度而對(duì)模型 不確定具有強(qiáng)的魯棒性 ◆ 通過(guò)選擇殘差評(píng)價(jià)函數(shù)定義征兆，以保證所檢測(cè)的關(guān)于 故障的信息不被丟失 ◆ 進(jìn)一步分析殘差或開(kāi)發(fā)征兆，獲得更多的關(guān)于故障的知 識(shí)，以便指導(dǎo)決策或?qū)嵤┤蒎e(cuò)控制 基于觀測(cè)器故障診斷基本過(guò)程 Date: File: System Monitoring and Fault Diagnosis Peng Kaixiang 2023. All rights reserved. FDD Lecture 故障建模 在基于模型故障診斷中使用開(kāi)環(huán)系統(tǒng)模型，雖然我們認(rèn)為這個(gè)系統(tǒng)是在控制回路中 故障診斷與控制回路 控制器 執(zhí)行器 系統(tǒng)動(dòng)態(tài) 傳感器故障診斷監(jiān)控控制命令 輸出測(cè)量輸出y ( t )開(kāi)環(huán)系統(tǒng)u ( t )u C ( t )Date: File: System Monitoring and Fault Diagnosis Peng Kaixiang 2023. All rights reserved. FDD Lecture Strcture of a standard control loop with fault 故障建模 Date: File: System Monitoring and Fault Diagnosis Peng Kaixiang 2023. All rights reserved. FDD Lecture 這一開(kāi)環(huán)系統(tǒng)分為執(zhí)行器、系統(tǒng)動(dòng)態(tài)和傳感器三個(gè)部分。按照發(fā)生形式的不同主要研究過(guò)程元部件故障 (process faults)、 傳感器故障 (sensor faults) 以及執(zhí)行器故障 (actuator faults) 開(kāi)環(huán)系統(tǒng)模型 ( ) ( ) ( )( ) ( ) ( )RRRx t Ax t Bu ty t C x t D u t???? ???系統(tǒng)動(dòng)態(tài)可用狀態(tài)空間模型描述 u ( t ) u R ( t ) y R ( t )輸出執(zhí)行器 系統(tǒng)動(dòng)態(tài) 傳感器輸出 測(cè)量輸出執(zhí)行 故障建模 Date: File: System Monitoring and Fault Diagnosis Peng Kaixiang 2023. All rights reserved. FDD Lecture 當(dāng) (過(guò)程）元部件發(fā)生故障時(shí) （過(guò)程）元部件故障可以視為系統(tǒng)中一些條件的改變而使動(dòng)態(tài)關(guān)系變?yōu)闊o(wú)效的情形，如在三容器中一個(gè)水容器出現(xiàn)漏洞。在一些情形下，故障可以表達(dá)為系統(tǒng)中參數(shù)的變化 ( ) ( ) ( ) ( )Rpx t Ax t Bu t f t? ? ?執(zhí)行u ( t )f ( t )元部件故障參數(shù)故障輸出系統(tǒng)動(dòng)態(tài)cy ( t )RRDate: File: System Monitoring and Fault Diagnosis Peng Kaixiang 2023. All rights reserved. FDD Lecture 當(dāng)傳感器發(fā)生故障時(shí) 一般說(shuō)來(lái)，系統(tǒng)的實(shí)際輸出yR(t)是不能直接得到的，通常用傳感器獲得系統(tǒng)測(cè)量輸出。通過(guò)正確選擇向量 fs，可以描述所有的傳感器故障情形。如當(dāng)傳感器被“固定在零值上”時(shí)，測(cè)量向量 y(t)=0，故障向量 ( ) ( )sRf t y t?? 傳感器有故障時(shí)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)圖 ( ) ( ) ( )Rsy t y t f t??y ( t )f ( t )傳感器故障y( t )傳感器測(cè)量輸出輸出sRDate: File: System Monitoring and Fault Diagnosis Peng Kaixiang 2023. All rights reserved. FDD Lecture 當(dāng)執(zhí)行器發(fā)生故障時(shí) 事實(shí)上，系統(tǒng)的實(shí)際執(zhí)行通常也是不能直接獲得的。對(duì)于一個(gè)受控系統(tǒng)來(lái)說(shuō)， uR是已知執(zhí)行器控制命令 u(t)的執(zhí)行器響應(yīng)。與傳感器故障情況類(lèi)似，不同的執(zhí)行器故障情況可以由一個(gè)合適的故障函數(shù) fa(t)來(lái)表示 執(zhí)行器有故障時(shí)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)圖 ( ) ( ) ( )Rau t u t f t??u ( t )f ( t )執(zhí)行器故障u ( t )執(zhí)行器執(zhí)行輸出aRDate: File: System Monitoring and Fault Diagnosis Peng Kaixiang 2023. All rights reserved. FDD Lecture 考慮系統(tǒng)所有可能的傳感器故障、元部件故障和執(zhí)行器故障，系統(tǒng)模型可描述為： ( ) ( ) ( ( ) ( ) ) ( )( ) ( ) ( ( ) ( ) ) ( ) ( )a d p pa d s p px t A x t B u t f t E d E f ty t C x t D u t f t F d f t F f t? ? ? ? ?? ? ? ? ? ?( ) ( ) ( ) ( ) ( )( ) ( ) ( ) ( ) ( )dfdfx t A x t B u t E d t E f ty t C x t D u t F d t F f t? ? ? ?? ? ? ?通常寫(xiě)成如下?tīng)顟B(tài)空間描述的一般形式： 輸入－輸出描述形式為： ( ) ( ) ( ) ( ) ( )ufy p G p u p G p f