控制系統(tǒng)故障診斷技術(shù)

1、-=-muHarbinInstituteofTechnology控制系統(tǒng)故障診斷技術(shù)課程報告專業(yè)：控制科學與工程學號：15S姓名：日期：2016.4.12控制系統(tǒng)故障診斷技術(shù)（FDD），在核心上屬于模式識別范疇，通過冗余控制及自診斷等思想處理系統(tǒng)故障，提高系統(tǒng)性能與可靠性。主要環(huán)節(jié)內(nèi)容包括特征提取（如量值描述、模糊描述、模型與數(shù)據(jù)結(jié)合描述等），故障分離估計及評價決策。其中系統(tǒng)的表征包括輸入輸出狀態(tài)，參數(shù)特征，邏輯經(jīng)驗，通過狀態(tài)觀測可以判定失效的觀測器?？刂葡到y(tǒng)故障診斷主要思想在于特征分析，包括信號處理，通過控制領(lǐng)域方法，進行診斷與容錯處理。本質(zhì)上，是控制學科的一門下屬學科，建立的體系要基于控制

2、系統(tǒng)理論基礎(chǔ)，系統(tǒng)四個部分分別是：被控對象、控制器、執(zhí)行器、傳感器。重點在于傳感器的故障診斷。故障診斷本身又可以分為故障檢測，只判斷有無故障；與故障分離，即可以定位具體故障。診斷方法類型包括基于數(shù)學模型及基于專家（模糊）知識兩種。體現(xiàn)在發(fā)展歷程上，即2000年以前診斷方法主要是閾值方法，而2000年之后才逐漸引入智能化。這一技術(shù)的目的包括提高系統(tǒng)魯棒性，這種魯棒性，并非簡單的對參數(shù)變化具有的不敏感性，還包括系統(tǒng)自身對結(jié)構(gòu)變化的自適應(yīng)性；此外，另一個目的是容錯性，即再系統(tǒng)局部發(fā)生故障時，可以有冗余部件替換掉有問題部件。控制系統(tǒng)容錯技術(shù)在方法上，包括1、并行冗余，主要處理控制器故障，包括串并聯(lián)結(jié)構(gòu)

3、，冷熱備份等等；2、魯棒控制，需要考慮系統(tǒng)局部關(guān)系的完整性設(shè)計，具有多模型自適應(yīng)能力；3、系統(tǒng)重構(gòu)，指的是余度系統(tǒng)故障時，使系統(tǒng)轉(zhuǎn)入新工作結(jié)構(gòu)而采用的余度管理措施，稱為重構(gòu)。系統(tǒng)重構(gòu)技術(shù)充分利用系統(tǒng)的信號和資源，可以使系統(tǒng)獲得更高的可靠性和生存性。在系統(tǒng)發(fā)生故障時可以迅速反應(yīng)，重新構(gòu)建控制器，通常采用FPGA實現(xiàn)，達到不同階段完成不同功能。4、人工智能，是近來發(fā)展迅速的智能化方法，包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊專家控制等。如上圖為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器的示意圖。作為一種黑箱結(jié)構(gòu)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢在于只要有一層隱含層就可以做到任意的非線性擬合?？刂葡到y(tǒng)故障診斷實現(xiàn)途徑包括：提高元部件可靠性及整體可靠性設(shè)計，如冗余設(shè)計

4、、簡化設(shè)計等。故障診斷的觀測器通常采用基于李雅普諾夫原理的自適應(yīng)觀測器與奉獻觀測器的結(jié)合。通過可觀自由度、傳感器數(shù)量對故障定位，通過解耦控制器，容錯控制，使血糖具有冗余能力。在實際應(yīng)用中觀測器速度一定大于控制器，及觀測器極點相比于控制器一定更遠。當系統(tǒng)干擾較大時，可將觀測器換成卡爾曼濾波器。閉環(huán)故障診斷的難點在于故障可能由于閉環(huán)本身產(chǎn)生。以上內(nèi)容完全來自課堂筆記與個人觀點，下面是我查閱到的控制系統(tǒng)故障診斷的一些基本內(nèi)容：容錯控制是20世紀末期發(fā)展起來的一種提高控制系統(tǒng)可靠性的技術(shù).容錯控制系統(tǒng)設(shè)計主要包括故障診斷和容錯控制系統(tǒng)的設(shè)計,這兩個方面現(xiàn)都成為控制理論領(lǐng)域的研究熱點.控制系統(tǒng)是由被控對

5、象、控制器、傳感器和執(zhí)行器組成的復雜系統(tǒng),其各個基本環(huán)節(jié)都有可能發(fā)生故障一般劃分為3種類型：被控對象故障對象的某一子設(shè)備不能完成原有的功能；儀表故障包括傳感器、執(zhí)行器和計算機接口的故障；計算機軟件故障包括計算機診斷程序和控制算法程序的故障以及計算機硬件的故障。在許多工程應(yīng)用中,必須具有高可靠性控制系統(tǒng),特別是對于復雜的控制系統(tǒng),往往包括幾十個甚至幾百個控制回路。因此,傳統(tǒng)的參數(shù)報警和聯(lián)鎖保護系統(tǒng)已越來越不能滿足現(xiàn)代化生產(chǎn)過程的需要。在計算機控制系統(tǒng)中,計算機硬件和軟件的可靠性已達到了較高水平,由于容錯計算機技術(shù)已較成熟，而傳感器和執(zhí)行器的故障已成為導致控制系統(tǒng)失效的主要原因。因此,研究控制系統(tǒng)

6、中主要環(huán)節(jié)的故障診斷和容錯控制問題具有重要意義?？刂葡到y(tǒng)故障診斷和容錯控制的概念和任務(wù)：通常情況下，故障診斷有兩種涵義：一種是指對某些專用儀器的故障進行診斷;另一種是指由計算機利用系統(tǒng)的解析冗余完成工況分析,對系統(tǒng)是否正常和什么原因引起故障、故障的程度有多大等問題進行分析、判斷并得出診斷結(jié)論.故障診斷的任務(wù)包含故障建模,故障檢測,故障的分離與估計,故障的分類、評價與決策4個方面。容錯控制系統(tǒng)就是具有冗余能力的控制系統(tǒng),即在某些部件發(fā)生故障的情況下,系統(tǒng)仍能按原定性能指標或性能指標略有降低(但可接受)時,成功地完成控制任務(wù)。故障診斷和容錯控制的關(guān)系故障診斷是故障監(jiān)測系統(tǒng)對控制系統(tǒng)中的傳感器、執(zhí)行

7、器和被控對象進行實時故障監(jiān)測,得出控制系統(tǒng)的故障特征。容錯控制則是容錯控制器根據(jù)故障監(jiān)測系統(tǒng)所得到的故障特征作出相應(yīng)的處理。這種處理可能要對反饋控制的結(jié)構(gòu)實時重構(gòu)(real-timereconfiguration),重構(gòu)可能簡單到只從已計算的表中就可讀出一組新的控制增益,也可能復雜到實時地再設(shè)計控制系統(tǒng),以保證系統(tǒng)在故障狀態(tài)下仍能獲得良好的控制效果。由此可見,不論是故障診斷,還是容錯控制,其目的都是為了提高系統(tǒng)的可靠性,因此控制系統(tǒng)故障診斷和容錯控制是密切地聯(lián)系在一起的。容錯控制是提高系統(tǒng)安全性和可靠性的一種新的途徑。容錯控制器的設(shè)計方法有硬件冗余方法和解析冗余方法兩大類。硬件冗余方法通過對重

8、要部件及易發(fā)生故障的部件提供備份,來提高系統(tǒng)的容錯性能。解析冗余方法主要通過設(shè)計控制器提高整個控制系統(tǒng)的冗余度,來改善系統(tǒng)的容錯性能。對于某些控制系統(tǒng),可以采用雙重或更高重備份的辦法來提高系統(tǒng)的可靠性,這也是一種有效的容錯控制方法,并在控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用.只要能建立起冗余的信號通道,這種方式可用于任何硬件環(huán)節(jié)失效的容錯控制。與“硬件冗余”相對的是“軟件冗余”.軟件冗余又可分為解析冗余、功能冗余和參數(shù)冗余3種,它是利用系統(tǒng)中不同部件在功能上的冗余性,來實現(xiàn)故障容錯。通過估計技術(shù)或其他軟件算法來實現(xiàn)控制系統(tǒng)的容錯性,具有性能好、功能強、成本低和易實現(xiàn)等特點?；凇敖馕鋈哂唷钡娜蒎e控制器通常有幾種設(shè)計方法：控制器重構(gòu)、完整控制器設(shè)計、基于自適應(yīng)估計的容錯控制器設(shè)計方法、基于人工智能的容錯控制等。通過上述對故