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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用故障诊断技术讨论及其应用1 引言以故障为讨论对象是新一代系统牢靠性理论讨论的重要特色,也是过程系统自动化技 术从试验室走向工程的重要一环；最近二十多年来,以故障检测、故障定位、故障分 离、故障辨识、故障模式识别、故障决策和容错处理为主要内容的故障诊断与处理技 术,已成为机械设备保护、掌握系统系统牢靠性讨论、复杂系统系统自动化、遥科学、复杂过程的异变分析、工程监控和容错信号处理等领域重点关注和广泛讨论的问题；诊断 Diagnostics 一词源于希腊文,含义为鉴别与判定,是指在对各种迹象和症状进 行综合分析的基础上对讨论
2、对象及其所处状态进行鉴别和判定的一项技术活动 1 ；故 障诊断学就是特地以考察和判定对象或系统是否存在缺陷或其运行过程中是否显现反常 现象为主要讨论对象的一门综合性技术学科；它是诊断技术与详细工程学科相结合的产 物,是一门新兴交叉学科；故障诊断与处理技术,作为一门新兴技术学科,可划分为如下三个不同的讨论层次：1 以设备或部件为讨论对象,重点分析和诊断设备的缺陷、部件的缺损或机械运转失 灵,这通常属于设备故障诊断的讨论范畴；2 以系统为讨论对象,重点检测和分析系统的功能不完善、功能反常或不能够完成预 期功能,这属于系统故障检测与诊断的讨论范畴；3 以系统运行过程为讨论对象,考察运行过程显现的反常
3、变化或系统状态的非预期改 变,这属于过程故障诊断的讨论范畴；概而言之,故障诊断讨论的是对象故障或其功能反常、动作失败等问题,寻求发觉故 障和甄别故障的理论与方法；无论是设备故障诊断、系统故障诊断仍是过程故障诊断,都有着广泛的讨论对象、实在的问题背景和丰富的讨论内容；本文将从故障诊断与处理 技术的讨论内容、典型方法和应用情形等三个方面,对故障诊断及相关技术的进展状况 做一综述,同时简要指出本讨论方向的如干前沿；2 故障诊断与处理的主要讨论内容故障诊断与处理是一项系统工程,它包括故障分析、故障建模、故障检测、故障推 断、故障决策和故障处理等五个方面的讨论内容；2.1 故障分析 故障是对象或系统的病
4、态或特别态；要诊断故障,第一必需对故障与带故障的设备、系统、过程都有细致分析和深化讨论,明确可能产生故障的环节,故障传播途径,明白 故障的典型形式、表现方式、典型特点以及故障频度或发生几率,结合对象的物理背景明白故障产生的机理、故障关联性和故障危害性；常用的故障分析方法有对象和故障环节的机理分析法、模拟法、数值仿真或系统仿真 法和借助数学模型的理论分析法等；2.2 故障建模 模型分析是现代分析的基本方法,对复杂对象的故障诊断同样具有重要应用价值；为 了定量或定性地分析故障、诊断故障和处理故障,建立故障的模型和带故障对象的模型是特别重要的；现代故障诊断技术,特殊是下文将提到的各种基于解读冗余的故
5、障检测 与诊断技术都离不开精确科学的故障模型；常用的带故障故障对象模型有“ 加性additive ）” 模型、“ 新息innovation ）” 模型1 / 5 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 5 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用和复合型模型；故障重量模型有脉冲型故障模型、阶跃型故障模型和过程渐变型故障模型等；2.3 故障检测 简而言之,故障检测是判定并指明系统是否发生了故障,即对于某个正在运行的系统 或正在按规定标准进行生产的设备,辨别其是否超出预定或技术规范规定的无故障工作门限 2 ；明显,这是故障诊断的首要任务；依据处
6、理方式和要求的不同,故障检测可区分为在线检测和离线检测两大类；在航天 器跟踪测量和飞行掌握系统讨论中,在线检测被称为实时检测,离线检测也被称为事后 检测；其中,故障实时检测是运载火箭安全掌握系统的核心；与故障检测相近的仍有一个常用名词“ 故障监测” ；所谓故障监测,实质上也是所谓 的故障在线检测或实时检测,主要目的是对设备状况或系统功能进行准时观测,一旦发现反常征兆显现就准时报警,承担“ 监控系统” 的主要任务；2.4 故障推断 故障推断是通过足够的传感器 故障定位与故障分别对结构复杂的机械设备或工程系统而言,仅检测出是否发生了故障往往只完成了任务 的一半,更重要的是必需告知故障发生在哪个部件
7、或子系统上,即必需指明已发生故障 的材料、结构、组成部分、过程或系统,这就是故障定位；当多个部位都发生了故障时,必需分别出全部故障源,即所谓的故障分别；故障分别 是对故障进行深化讨论的基础,在航天故障的分析与处理过程中有重要的价值； 2 故障时间确定对工程系统而言,系统运行过程实质上是系统状态随时间演化的过程,故障总是发生 在系统运行过程的某个时间点 故障辨识与故障模式识别故障幅度 或量级）和故障模式是故障的两个基本特点,也是故障分析和故障诊断时 的重要依据；故障辨识就是采纳适当的数学分析或统计方法,估算出故障特点参数或故障幅度的大 小,而故障模式识别就较多用于对故障进行归类 2 ；2.5 故
8、障处理对详细的工程活动而言,分析出故障产生的缘由及部位后,下一步必需考虑故障的处 理方法；比较典型的故障处理方法有顺应处理、容错处理与故障修复等三大类；详细选用何种处理方法,与讨论对象、故障特点以及影响程度等多方面的因素有关；自 20 世纪 70 岁月以来,随着掌握系统故障诊断和过程变化检测技术的快速进展,上 述五个方面的讨论内容也显现了一些新的划分方法：在掌握系统故障诊断讨论领域,将“ 检测” 从“ 诊断” 中分列出来 3 ,并将检测与诊断或诊断中的某一项或几项相结合 形成故障检测与诊断 FDD ）、故障检测与分别 FDI ）、故障检测与辨识 技术讨论以来,特殊是 60 岁月美国系统地开展故
9、障诊断 FD ）技术讨论以来,其理论和应用受到世界各国理论界和工程界广泛重视,现已进展成为以牢靠性理论、掌握论、信息论、2 / 5 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 5 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用统计学、决策论为理论基础,以系统建模技术、过程自动化技术、统计信号处理技术、信号猎取技术、机器运算和机器推理技术为处理手段,以系统及其运行过程中显现的设备部件缺陷、功能性故障和过程反常变化为主要讨论对象的一门新兴的边缘学科；故障诊断的前提是冗余,包括直接冗余或物理冗余 部分文献中称硬件冗余）、解读冗余和学问冗余 7 等等；故障诊
10、断技术实质上就是讨论任何猎取、分析和处理冗余信息的技术；3.1 基于直接或物理冗余法一般地,直接冗余或物理冗余是指采纳多个传感器 已知样本 yi Rsi=1,2, 听从统计分布,检验 fy 是等同于“ 标称分布”gy ；2 判定集合 yi , i=1, ,n 中是否有离群点,或检验序列 偏离大部分样本点所出现变化趋势的反常点； yi , i=1,2, 中是否含明显事实上,相当多数的基于直接冗余或物理冗余的故障诊断问题 例如,生产过程的监控与废品检测、飞行器跟踪测量数据的合理性检验 9-11 、训练与心理讨论 12 、谷物生长讨论、记录或传输信号的误码、机械运转的突发性障碍等等）都可转化成为问题
11、或；统计领域中对问题有广泛而深化的讨论,并且建立了一系列成熟的处理方法；例如,参数分布的序贯概率比检验 SPRT）、极大似然比检验、U-检验、 t-检验和 F-检验；非参数分布的 Kolmogrov 拟合检验、 K.Person 拟合检验、秩和检验、Kolmogrov-Smirnov 两子样检验等；问题的分析与处理技术,属于 20 世纪 70 岁月初期建立起来的统计学的一个新兴研究领域 -统计诊断学的主要讨论内容；早在 20 世纪 50 岁月就有学者从事反常数据统计诊断的讨论 13-16 ,甚至更早；但是,早期讨论大多局限于独立同分布情形下的离群点识别和处理,最有代表性的方法是 Dixon 距
12、离法； 60 岁月之后,这方面的逐步讨论推广到回来模型、Logit 模型、广义回来模型、非线性回来模型 17,18,21 ；对反常数据的定义也由早期的离群点、不一样点演化到趋势偏离点 18,22 ；形成包括统计检验、Cook 距离、残差 如 Anscome 残差或 Person残差）分析、影响分析、图形分析、基于Bayes 统计的 Box-Tiao 方法、 Chaloner-Brant 方法、神经网络或多层神经网络方法23,24 等多种处理方法；近十几年来,稳健统计、探干脆数据分析和稳健-抗扰性处理技术受到统计界的广泛-关注；由于基于直接冗余或物理冗余的故障诊断问题,可转换成适当假定的统计模型
13、下 的统计判决问题,因此统计学科的进展也推动了故障诊断方法的改进和进展；将稳健抗扰性辨识或滤波方法用于故障诊断是近期统计诊断技术的一个重要讨论方向；这方面的一些探干脆工作 25-28 显示了具有良好的进展前景；3.2 基于间接或解读冗余法间接冗余或解读冗余是指系统输入信息和输出信息之间瞬态关系的集合；对于连续时间系统,描述这种关系常用模型是微分方程、偏微分方程、随机微分方程模型或连续时间状态空间模型；对离散时间系统,描述这种关系常用模型就是时间序列分析领域的AR 模型、 ARMA 模型、 ARXMA 模型或离散时间的状态空间模型；明显,上述的解读关系含有丰富的冗余信息,对分析系统运行状况、诊断
14、系统故障有较大参考价值； 1971 年,美国学者 R.V.Beard 提出了利用解读冗余代替物理冗余得到系统故障信息的新思想 29 ； R.V.Beard 的工作标志着基于解读冗余故障诊断技术的开头 文献 8 认为,前苏联学者 Britov 和 Mironovski 的方法、基于检测滤波器/观测器的方法、基于等价关系或等价空间的方法、基于特点参数统计辨识方法以及基于统计假设检验 、可展成线性系统或可用线性系统靠近的 CVDS 为主要讨论对象 3,15,30 ,力求将故障诊断问题转化成残差生成 Residuals Generating与残差分析问题 7 ,采纳统计学方法或几何学方法进行处理；近年
15、来,这种状况有所转变；第一是处理方法更加丰富和有用,无论是基于系统仿真的方法 31 、基于容错处理的方法或各种稳健化方法 25 ,仍是基于神经网络学习算法的方法都充分考虑了实际进行故障诊断时可能面对的困难；其次,诊断对象也逐步由线性 CVDS 向复线性 CVDS、非线性 CVDS 和离散大事系统 DEDS32-34 及各种网络模型拓展；3.3 基于规章或学问冗余法 无论是直接冗余仍是间接冗余,实质上描述的都是对象、故障、故障征兆三者之间 或自身内部）的量化关系；但是,很多实际问题并不都是可以严格量化的,一些体会丰35 技术；美国航空和宇航局 NASA ）以之为基础进行进展,建成可用于复杂系统灾
16、难分析和安全分析的有效方法,这是基于学问冗余的定性故障诊断技术早期工作之一；故障树方法在定性故障诊断技术的进展初期起着重要作用,它为分析系统故障供应了一种操作性强的处理手段；对于中小规模的、结构比较简洁的系统,采纳故障树分析方法进行故障诊断是合适的；但是,对于大规模复杂系统,故障树方法实现的难度大,成效也不好 35 ； 70 岁月以后,随着专家系统 、 Malin 研制的汽车故障诊断系统FIXER 、美国宇航局 Langley 讨论中心主持开发的飞行器故障诊断专家系统 Fault Finder、飞船故障诊断专家系统 FAITH ）、飞行器姿势自动检测与诊断系统 AES ）和国内有关单位开发的卫
17、星掌握系统实时故障诊断专家系统等等；这些系统都已达到了实际应用水平,并得到实际使用； P.M.Frank1990 ）认为,基于学问的故障诊断 专家系统）方法是对基于解读冗余和数据运算的定量故障诊断方法的补充,为具有不完整过程学问的复杂系统故障诊断开创了新的空间 7 ；近年来,基于学问的故障诊断技术在定性学问量化处理和定性学问与定量学问相结合等方面的讨论和进展受到人们的关注；采纳模糊数学方法将不精确的、描述性的学问量化处理,不但有助于提高故障推理过程的严谨性和诊断结果的牢靠性,也为采纳解读冗余法和神经网络运算方法处理学问冗余制造了条件；将定量学问纳入学问库且在推理机制中引入解读求解算法及门限规律
18、与假设检验技术,不但可以明显增加学问裕度,也可有效提高推理的严谨性；4 / 5 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 5 页精选学习资料 - - - - - - - - - 4 故障诊断技术的工程应用个人资料整理仅限学习使用众所周知,航空航天是故障多发且危害极大的领域,也是故障检测与故障诊断技术得到较早使用的领域,包括航天测控、导航掌握、轨道监视以及航天器牢靠性与安全性等25,36-38 在内的多个分支,都有故障检测与诊断技术胜利应用的先例；对此,文献36,37 有较为详尽的论述,并供应了一系列有用的处理方法和大量的仿真或实测数据算例,在此不再赘述；近三十年来,航天故障诊断始
19、终是故障诊断方法讨论和技术应用的主战场；这不仅表现在故障诊断的理论与技术中一些有影响的重要分支 例如,故障树分析、故障诊断专家系统）其进展过程与航天故障分析技术有着很深的历史渊源,也不仅表现在大量故障诊断方法都曾在航空航天领域中得到了广泛应用,更重要的仍在于航天故障的复杂性对故障诊断技术进展不断产生推动作用；故障诊断的理论和处理技术在工业和其它工程领域中也有极为广泛的应用,已被胜利地用于包括疾病诊断 8 、质量掌握 4-5,8 、系统监控、工业过程保护、机械系统、化工系统、管线检测、系统的容错处理、机器人系统、核电站和核反应堆治理、工程测量数据合理性检验等广泛领域；申明：全部资料为本人收集整理,仅限个人学习使用,勿做商业用 途；5 / 5 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 5 页