國內(nèi)外故障診斷及其發(fā)展

1、國內(nèi)外故障診斷及其發(fā)展隨腐電廠機(jī)組規(guī)模越來越龐大，其對"動化水屮9控制系統(tǒng)的性能購有較高的要求*在實(shí)現(xiàn)高捜自動化的同時又耍保證控制的安全性、可靠性與準(zhǔn)確性,電廠系統(tǒng)的設(shè)備數(shù)質(zhì)多而且復(fù)雜，一旦發(fā)故就可能追成人員和財產(chǎn)的巨大損失因此*對電廠系統(tǒng)的控制、監(jiān)視以及故障診斷已成為衡童生產(chǎn)水平和控制水平高低的重要方面。但由于機(jī)組控制的復(fù)雜性.很躥建立準(zhǔn)確的過稈機(jī)理模型乃至故障診斷模型.并;通常的?？諡閯討B(tài)的或非線性的，而R過程的不斷變化與波動很難應(yīng)用模型的方法進(jìn)懺過程的管理，因此傳統(tǒng)的基于定性或定量模醴的理論和方法受到一定局限。故障檢測與診斷技術(shù)fhultdetectionanddiagnosi

2、s,FDD）已辭發(fā)展了40年！在諸第領(lǐng)域得到了廣泛研究和成功的應(yīng)用.如航空、航天、綸油管線、機(jī)器人、化丄、半導(dǎo)體制造*醫(yī)藥制造哼目前國際上每年發(fā)表的右關(guān)故障診斷方面的論文與報告在數(shù)千篇以上。草了解析兀余的故障診斷技術(shù)被公認(rèn)為起源于1971年Beard發(fā)衣的博士論文以及Mehra和P歸chon發(fā)表在Auiomatica上的論文。1976年*Willsky在AulcmMca上發(fā)表了第一篇故障診斷方面的綜述文章.Himmel-blau于1978年出版了國際上第一本故障診斷方面的學(xué)術(shù)著作.過去的30苓年里，華F控制工程理論的故障診斷技術(shù)己經(jīng)取得了相當(dāng)進(jìn)展。從應(yīng)用研究看，目前控制系統(tǒng)故障診斷的研究與應(yīng)用

3、正快遠(yuǎn)地向過稈控制領(lǐng)域中護(hù)展.1998-2001年由國際著名學(xué)者Patton教授領(lǐng)導(dǎo)進(jìn)行的妍究項目首次將控制系統(tǒng)故障診斷理論應(yīng)用于某制糖廠的生產(chǎn)過程，這正啟工業(yè)過稈對故隔診斷技術(shù)需求的表現(xiàn)【人我國開始動態(tài)系統(tǒng)戰(zhàn)障診斷技術(shù)的研究比尺外晚十年九右。沽華大學(xué)方崇智救授等從1983年赴開始了故障診斷技術(shù)的研究工作1985年，葉偎忠等在信息與控制上發(fā)農(nóng)闔內(nèi)第-篇FDD技術(shù)的綜述文戲叫994年周東華等在清華大學(xué)出版社出版了國內(nèi)第-本動態(tài)系統(tǒng)FDD技術(shù)的學(xué)術(shù)專著卩】。過去的幾十年中故障診斷問題就受到了園內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注.聯(lián)得了豐碩的研究成果。日前，關(guān)丁非線性系統(tǒng)的故障診斷技術(shù)的研究疋方興未艾，尤其是控制理

4、論、信號處理、人工解能、模成識別等學(xué)科的發(fā)展，為非線性系統(tǒng)的故障診斷技術(shù)捉供了豐富的理論早礎(chǔ)。融著科技特別是信息科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展,我國化丄、冶金、機(jī)械、電子、電力、交通運(yùn)輸和物流的企業(yè)發(fā)生了重大變化。依拡物理化學(xué)規(guī)律建立精確的數(shù)學(xué)模型，并對生產(chǎn)過程和設(shè)備進(jìn)行控制、決策、調(diào)度和故障診斷的傳統(tǒng)方法變得越來越困難.由于信息采集、存儲、傳輸和處理技術(shù)的普遍應(yīng)用和不斷發(fā)展，上述企業(yè)每天都在產(chǎn)化大域反映生產(chǎn)過程和設(shè)備運(yùn)行的各種數(shù)據(jù)，如何有效地利用這些離線與在線數(shù)捌和兀他知識，將數(shù)擁挖掘、模式識別和計算機(jī)并行仿真等技術(shù)與控制理論和系統(tǒng)工程相結(jié)合，在難于建立機(jī)理模型的條件下，實(shí)現(xiàn)對設(shè)備和生產(chǎn)過程的優(yōu)化決策、

5、調(diào)度、控制和故障診斷，己成為我國乃至全球制造、交通運(yùn)輸和物流等企業(yè)迫切需要解決的新問題。故障診斷方法分類傳統(tǒng)的分類思想-般將故障診斷方法劃分為基于數(shù)學(xué)模型的方法、早于知識的方法和基于信號處理的方法三大類.然而近年來隨若理論研究的深入和相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展，各種新的診斷方法層出不窮，經(jīng)過整理、則類和分析，將其從播體上分為定性分析方法和定量分析方法兩大類，如圖1.1所示。腔論方憶故障樹*r定性分析力法定性分析力法傳統(tǒng)"隸系統(tǒng)I故障診'斷方法I故障診'斷方法定吊分析方法基于解析模犁的方法狀念估計參麗更空價空卜I數(shù)據(jù)騾動的方法主元分析小波變換圖1.1故障診斯方法分類圖Figure1

6、.1Oassiflcationmapoffaultdiagnosismethod圖論方法壓F圖論的故障診斷方法主要包括符號有向圖方法(signeddirectedgragh,SDG)和故障樹方法，SDG是一種被廣泛采用的描述系統(tǒng)因宋關(guān)系的圖形化模巾，在SDG中.變量用節(jié)點(diǎn)農(nóng)示,變的因果關(guān)系用從原囚節(jié)點(diǎn)指向結(jié)果節(jié)點(diǎn)的有方向的邊農(nóng)小。系統(tǒng)發(fā)生故障時故障節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)就會偏離正常值并發(fā)生報警，根擁SDG給出的節(jié)點(diǎn)變化間的因果關(guān)系，并結(jié)合一定的搜索策略就可以分析出故障所有可能的傳播路徑，判明故障發(fā)生的原因。故障樹是一種特殊的邏輯圖，基丁故障樹的診斷方法是一種由果到因的分析過程，它從系統(tǒng)的故障狀態(tài)出發(fā)，逐級

7、進(jìn)行推理分析，最終確定故障發(fā)依的基本原因、影響用度和發(fā)生概率.基于圖論的故障診斷方法具有建模簡單、結(jié)果易于理解和應(yīng)用范闌廣籌特點(diǎn)。但是，當(dāng)系統(tǒng)比較復(fù)雜時，這類方法的搜索過程會變御非常復(fù)雜，而且診斷IE確率不離，造成誤報。2.專家系統(tǒng)基專家系統(tǒng)的故障診斷方法是利用領(lǐng)域?qū)＜以陂L期實(shí)踐中枳累起來的經(jīng)豎建立知識軍，并設(shè)計一套計算機(jī)程序模擬人類專家的推理利決策過程進(jìn)行故障診斷。專家系統(tǒng)主要由如識庫、推理機(jī)、綜合數(shù)據(jù)庫、人機(jī)接口及解釋模塊等部分組成。這類方法能夠利用專家卡富的經(jīng)齡知識，無須對系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模并且診斷結(jié)果易于理解，因此得到了廣泛的應(yīng)用.但這類方法的不足表現(xiàn)在：知識的獲取比較困難；診斷的準(zhǔn)確起

8、度依賴丁知識庫中專家經(jīng)驗(yàn)的豐富程度和知識水平的高低；當(dāng)規(guī)則較多時，推理過程存在匹配沖突、組合爆炸等問題，使得推理速度較慢、效率低下。L基于解析模型的方法基于解析模型的故障診斷方法利用系統(tǒng)精確的數(shù)學(xué)模型和可觀測輸入輸出雖構(gòu)造殘差信弓來反映系統(tǒng)期望行為與實(shí)際運(yùn)行模式之間的不-致，然后基于對殘差借號的分析進(jìn)行故障參斷。具中，基于狀態(tài)估計的方法主要包括濾波器方法和觀測器方法?；趨?shù)估計的方法人為故障會引起系統(tǒng)過程參數(shù)的變化，而過程參數(shù)的變化會進(jìn)一步導(dǎo)致?？諈?shù)的變化，因七可以通過檢測模型中的參數(shù)變化來進(jìn)行故障診斷?；诘葍r空間的方法利用系統(tǒng)的解析數(shù)#模型建立系統(tǒng)輸入輸岀變屋之間的等價數(shù)學(xué)關(guān)系，這種關(guān)

9、系反映了輸出變量之間挪態(tài)的直麥兀余和輸入輸出變SZW動態(tài)的解析冗余，然后通過檢驗(yàn)實(shí)際系統(tǒng)的輸入輸出值是否滿足亥等價關(guān)系，達(dá)到檢測和分離故隠的日的.這類方法利用了對系統(tǒng)內(nèi)部的深層認(rèn)識，只有很好的診斷效果，但需依賴于被診斷對線育確的數(shù)學(xué)模型，實(shí)際中對彖精確的數(shù)學(xué)模塑往往難以建立，此時，這類方法便不再使用。.數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法數(shù)ft;馳動的故障診斷方法就是對過程運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，從而在不需要知道系統(tǒng)精d解析模型的情況下完成系統(tǒng)的故障診斷。主要包括一F幾種方法：1）機(jī)器學(xué)習(xí)機(jī)器學(xué)習(xí)方法的基本思路是利用系統(tǒng)在正幣和孑種故聊情況卜的歷史數(shù)據(jù)訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或支持向蜀機(jī)等機(jī)器學(xué)習(xí)算法用F故障診斷。此方法以故障診

10、斷匸確率為學(xué)習(xí)H標(biāo)，并II適用范闈廣.但是這類方法需要過程故障情況下的樣木數(shù)據(jù)，乩稱度和樣本的完備性和代表性有很大關(guān)系，因此難以用于那些無法獲得大星故障數(shù)據(jù)的工業(yè)過程。2）信號處理這類方法是對測量倍號利用各種信號處理方法進(jìn)行分析處理，提取與故障相關(guān)的信號的時域或碩域特征用于故障診斷，主要包括譜分析方法和小波變換方法。不同的故障會導(dǎo)致測呈佔(zhàn)號的頻譜表現(xiàn)出不同的待征，因此可以通過對信弓的功率譜、倒頻譜零進(jìn)行譜分析的方法來進(jìn)行敵障診斷。3）多元統(tǒng)計分析基于多元統(tǒng)計分析的故障診斷方法是利用過程多個變量之間的相關(guān)性對過程進(jìn)行故障診斷。這類方法根據(jù)過程變站的歷史數(shù)抑;，利用多元投影方法將多變屆樣木空間分解

11、成山上元變呈組成的較低維的投影子空間和一個相應(yīng)的殘差子空間，并分別在這兩個空何中構(gòu)造能夠反映空間變化的統(tǒng)計量.然后將觀測向雖分別向兩個了空間進(jìn)行投彩，并計算相應(yīng)的統(tǒng)計量指標(biāo)用于過程監(jiān)控。常用的監(jiān)控統(tǒng)計量有投影空間的T?統(tǒng)計量、妓差空何中的Q統(tǒng)計量等。這類方法不需要對系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和原理有深入的了解，完全基于系統(tǒng)運(yùn)行過枚中的傳感器的測量數(shù)據(jù)，而冃算法簡單，易于實(shí)現(xiàn).由于實(shí)際系統(tǒng)的復(fù)雜性，此方法中還有許多問題有待進(jìn)-步的研究.綜上所述，慕于解析模型的故障診斯方法的上要成果仍然集屮住線性糸統(tǒng)，深入研究非線性系統(tǒng)的通用故障診斷技術(shù)具有重要意義，同時，魯棒性問題也具有很島的研究價值?；跀?shù)據(jù)驅(qū)動的方法無需系

12、統(tǒng)的定屋數(shù)學(xué)模型，丙此對于復(fù)雜的工業(yè)過稗H有實(shí)際應(yīng)用價值。其中，產(chǎn)于定性模型的方法近年來得到很大的發(fā)展。另外，隨著人工智能的發(fā)展，基于神經(jīng)對絡(luò)和模糊技術(shù)的故障診斷方法也研究的越來越深入同。統(tǒng)訃過程控制（statisticalprocesscontrol,SPC）是應(yīng)用統(tǒng)計分析技術(shù)對生產(chǎn)過程進(jìn)行監(jiān)控，科學(xué)地區(qū)分出生產(chǎn)過程的隨機(jī)波動與異常波動，從而對生產(chǎn)過程的杲常變化提出預(yù)警，以便生產(chǎn)管理人員及時采収措施，消除異常，恢復(fù)過程的穩(wěn)定，達(dá)到提拓和控制產(chǎn)品質(zhì)量的目的。SPC的皋木原理和方法足匕世紀(jì)30年代山Shewhart傅丄為了有效地對樂產(chǎn)過程中產(chǎn)品質(zhì)適進(jìn)行監(jiān)測控制而提出的，至今l2W70多年的歷史.

13、自創(chuàng)立以來它就在工業(yè)利服務(wù)等行業(yè)得到了推廣和使用.二戰(zhàn)時期矣國將其制定為戰(zhàn)時質(zhì)呈背理標(biāo)準(zhǔn)，為保證軍工產(chǎn)品的質(zhì)雖和及時交付起到了車要作用。戰(zhàn)后的H木從195()1980年在I業(yè)界廣泛推廣和應(yīng)用SPC,使H本躍居世界產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)率的領(lǐng)先地位，以至于類國著名的質(zhì)吊管艸專家Berger教授也曾說：H本成功的基石之就是SPC。從上世紀(jì)80年代起，SPC在許多工業(yè)發(fā)達(dá)國家復(fù)興，世界很多大公司也紛紛在口己內(nèi)部枳極推廣和應(yīng)用SPCe雖然，SPC是從產(chǎn)品的質(zhì)量監(jiān)控開始的，但經(jīng)過70多年實(shí)踐和發(fā)展，尤其是與計算機(jī)技術(shù)的緊密結(jié)合，其原理和方法現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于設(shè)計、銷售、服務(wù)、管理等過程。傳統(tǒng)的統(tǒng)計過程控制以概率論和數(shù)理統(tǒng)計為基礎(chǔ)，以提高產(chǎn)品質(zhì)甲水平為冃標(biāo)，采用統(tǒng)計控制圖、統(tǒng)計描述、試驗(yàn)設(shè)計、回歸分析等方法，分析處理生產(chǎn)過程數(shù)拡，傳統(tǒng)的統(tǒng)計過程控