1、Harbin Institute of Technology控制系统故障诊断技术控制系统故障诊断技术课程报告课程报告专 业： 控制科学与工程 学 号： 15S004001 姓 名： 日 期： 2016.4.12 控制系统故障诊断技术(FDD)，在核心上属于模式识别范畴，通过冗余控制及自诊断等思想处理系统故障，提高系统性能与可靠性。主要环节内容包括特征提取(如量值描述、模糊描述、模型与数据结合描述等)，故障分离估计及评价决策。其中系统的表征包括输入输出状态，参数特征，逻辑经验，通过状态观测可以判定失效的观测器。控制系统故障诊断主要思想在于特征分析，包括信号处理，通过控制领域方法，进行诊断与容错处
2、理。本质上，是控制学科的一门下属学科，建立的体系要基于控制系统理论基础，系统四个部分分别是：被控对象、控制器、执行器、传感器。重点在于传感器的故障诊断。故障诊断本身又可以分为故障检测，只判断有无故障；与故障分离，即可以定位具体故障。诊断方法类型包括基于数学模型及基于专家(模糊)知识两种。体现在发展历程上，即2000 年以前诊断方法主要是阈值方法，而 2000 年之后才逐渐引入智能化。这一技术的目的包括提高系统鲁棒性，这种鲁棒性，并非简单的对参数变化具有的不敏感性，还包括系统自身对结构变化的自适应性；此外，另一个目的是容错性，即再系统局部发生故障时，可以有冗余部件替换掉有问题部件。控制系统容错技
3、术在方法上，包括1、并行冗余，主要处理控制器故障，包括串并联结构，冷热备份等等；2、鲁棒控制，需要考虑系统局部关系的完整性设计，具有多模型自适应能力；3、系统重构，指的是余度系统故障时，使系统转入新工作结构而采用的余度管理措施，称为重构。系统重构技术充分利用系统的信号和资源，可以使系统获得更高的可靠性和生存性。 在系统发生故障时可以迅速反应，重新构建控制器，通常采用 FPGA 实现，达到不同阶段完成不同功能。4、人工智能，是近来发展迅速的智能化方法，包括神经网络、模糊专家控制等。如上图为神经网络控制器的示意图。作为一种黑箱结构，神经网络的优势在于只要有一层隐含层就可以做到任意的非线性拟合。控制
4、系统故障诊断实现途径包括：提高元部件可靠性及整体可靠性设计，如冗余设计、简化设计等。故障诊断的观测器通常采用基于李雅普诺夫原理的自适应观测器与奉献观测器的结合。通过可观自由度、传感器数量对故障定位，通过解耦控制器，容错控制，使血糖具有冗余能力。在实际应用中观测器速度一定大于控制器，及观测器极点相比于控制器一定更远。当系统干扰较大时，可将观测器换成卡尔曼滤波器。闭环故障诊断的难点在于故障可能由于闭环本身产生。以上内容完全来自课堂笔记与个人观点，下面是我查阅到的控制系统故障诊断的一些基本内容：容错控制是 20 世纪末期发展起来的一种提高控制系统可靠性的技术 . 容错控制系统设计主要包括故障诊断和容
5、错控制系统的设计, 这两个方面现都成为控制理论领域的研究热点.控制系统是由被控对象、控制器 、传感器和执行器组成的复杂系统, 其各个基本环节都有可能发生故障一般划分为 3 种类型：(1)被控对象故障 对象的某一子设备不能完成原有的功能；(2)仪表故障 包括传感器、执行器和计算机接口的故障；(3)计算机软件故障包括计算机诊断程序和控制算法程序的故障以及计算机硬件的故障。在许多工程应用中, 必须具有高可靠性控制系统 , 特别是对于复杂的控制系统, 往往包括几十个甚至几百个控制回路。因此 ,传统的参数报警和联锁保护系统已越来越不能满足现代化生产过程的需要。在计算机控制系统中 ,计算机硬件和软件的可靠
6、性已达到了较高水平, 由于容错计算机技术已较成熟，而传感器和执行器的故障已成为导致控制系统失效的主要原因。因此 ,研究控制系统中主要环节的故障诊断和容错控制问题具有重要意义。控制系统故障诊断和容错控制的概念和任务：通常情况下，故障诊断有两种涵义：一种是指对某些专用仪器的故障进行诊断; 另一种是指由计算机利用系统的解析冗余完成工况分析, 对系统是否正常和什么原因引起故障、故障的程度有多大等问题进行分析、判断并得出诊断结论.故障诊断的任务包含故障建模,故障检测,故障的分离与估计,故障的分类、评价与决策 4 个方面。容错控制系统就是具有冗余能力的控制系统 ,即在某些部件发生故障的情况下,系统仍能按原
7、定性能指标或性能指标略有降低(但可接受) 时, 成功地完成控制任务。故障诊断和容错控制的关系故障诊断是故障监测系统对控制系统中的传感器、执行器和被控对象进行实时故障监测,得出控制系统的故障特征。容错控制则是容错控制器根据故障监测系统所得到的故障特征作出相应的处理。这种处理可能要对反馈控制的结构实时重构( real-time reconfiguration),重构可能简单到只从已计算的表中就可读出一组新的控制增益, 也可能复杂到实时地再设计控制系统, 以保证系统在故障状态下仍能获得良好的控制效果。由此可见,不论是故障诊断,还是容错控制 , 其目的都是为了提高系统的可靠性 ,因此 控制系统故障诊断
8、和容错控制是密切地联系在一起的。容错控制是提高系统安全性和可靠性的一种新的途径。容错控制器的设计方法有硬件冗余方法和解析冗余方法两大类。硬件冗余方法通过对重要部件及易发生故障的部件提供备份, 来提高系统的容错性能。解析冗余方法主要通过设计控制器提高整个控制系统的冗余度,来改善系统的容错性能。对于某些控制系统, 可以采用双重或更高重备份的办法来提高系统的可靠性,这也是一种有效的容错控制方法 ,并在控制系统中得到了广泛的应用. 只要能建立起冗余的信号通道,这种方式可用于任何硬件环节失效的容错控制。与“硬件冗余” 相对的是“软件冗余” . 软件冗余又可分为解析冗余、功能冗余和参数冗余 3 种 ,它是利用系统中不同部件在功能上的冗余性 ,来实现故障容错。通过估计技术或其他软件算法来实现控制系统的容错性,具有性能好、功能强、成本低和易实现等特点。基于“解析冗余” 的容错控制器通常有几种设计方法：控制器重构、完整控制器设计、基于自适应估计的容错控制器设计方法、基于人工智能的容错控制等。通过上述对故障诊断和容错控制各种方法的分析,结合核动力装置控制系统,进行了实际应用的可行性分析, 认为当系统中出现局部性故障时, 在不影响系统的控制功能的情况下,在这些仪表和控制系统中应用故障诊断和容错控制技术很大程度地提高了控制系统的可靠性, 无疑具有重大的理论和应用价值。
