復(fù)雜工業(yè)系統(tǒng)的過程監(jiān)測和故障診斷要點

復(fù)雜工業(yè)系統(tǒng)的過程監(jiān)測和故障診斷要點◆概要◆自動化專業(yè)認(rèn)識工業(yè)背景及故障診斷的一些技術(shù)問題基于模型故障診斷基本原理基于知識的故障診斷基于數(shù)據(jù)的故障診斷技術(shù)0.對自動化的認(rèn)識

自動化與工業(yè)化的關(guān)系

工業(yè)化特點：專指工業(yè)，尤其是制造業(yè)工業(yè)化發(fā)展三階段：機械化（大規(guī)模使用機器系統(tǒng)）電氣化（加入電機、電網(wǎng)絡(luò)）自動化（加入自動控制器）

實現(xiàn)自動化，就完成工業(yè)化目前來說：自動化是工業(yè)化的最重要標(biāo)志（國內(nèi)總體來說，已機械化、電氣化）

自動化與信息化的關(guān)系信息化特點：不單指工業(yè)，包含第一、三產(chǎn)業(yè)僅從工業(yè)的角度，信息化發(fā)展也可分三階段：一定在工業(yè)化的基礎(chǔ)上計算機化（大規(guī)模使用數(shù)字計算機）網(wǎng)絡(luò)化（實現(xiàn)計算機網(wǎng)絡(luò)）先進自動化（綜合集成了系統(tǒng)、管理）

實現(xiàn)先進自動化，就完成（工業(yè)）信息化先進自動化是信息化的最重要標(biāo)志（國內(nèi)總體，數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化已有一定規(guī)模）機械化（應(yīng)用機器系統(tǒng)）電氣化（加入電機、網(wǎng)絡(luò)）自動化（加入自動控制器）計算機化（應(yīng)用數(shù)字計算機）網(wǎng)絡(luò)化（實現(xiàn)計算機網(wǎng)絡(luò)）先進自動化（系統(tǒng)、管理）智能化（引入智能）知識化（處理知識）工業(yè)化信息化知識化社會總發(fā)展（基礎(chǔ)）自動化（核心是控制）是工業(yè)化完成與否的標(biāo)志自動化技術(shù)是工業(yè)化的核心技術(shù)先進自動化（核心是信息、控制、系統(tǒng)）

是信息化完成與否的標(biāo)志先進自動化技術(shù)是信息化的核心技術(shù)

對自動化科學(xué)與技術(shù)的認(rèn)識

自動化科學(xué)解決什么科學(xué)問題？

自動化技術(shù)研究針對什么技術(shù)？

傳統(tǒng)意義上如何？

當(dāng)前又如何？傳統(tǒng)意義上，自動化科學(xué)研究的焦點

——系統(tǒng)的物理學(xué)特性

需要解決的基本問題

——給定值控制問題、跟蹤問題和自主問題

其基本科學(xué)問題

——建模問題、穩(wěn)定性問題、動態(tài)特性問題

適應(yīng)性（魯棒性）問題和自主性問題

自動化技術(shù)研究的針對性工程應(yīng)用技術(shù)

——模型技術(shù)、檢測技術(shù)、執(zhí)行技術(shù)、

控制（計算）技術(shù)。當(dāng)前

自動化科學(xué)與技術(shù)

焦點和難點在哪？自動化科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展特點之一

最初——處理系統(tǒng)的物理特性，

基礎(chǔ)自動化，物質(zhì)、能量

當(dāng)前——處理系統(tǒng)的復(fù)雜性，

先進自動化，主要是信息當(dāng)前，自動化科學(xué)研究的焦點和難點

——系統(tǒng)的復(fù)雜性，

需要解決的基本問題或基本科學(xué)問題

——復(fù)雜系統(tǒng)的建模問題

綜合集成問題（包括人）

整體優(yōu)化問題、失效容錯問題

和系統(tǒng)智能問題

自動化技術(shù)主要包括

——模型技術(shù)、仿真技術(shù)、集成技術(shù)、

優(yōu)化技術(shù)、可靠性技術(shù)和運行技術(shù)。對自動化專業(yè)的認(rèn)識

*自動化專業(yè)的知識體系；

*自動化專業(yè)的課程體系；

*自動化專業(yè)的特點；

*自動化專業(yè)的發(fā)展前景?；镜呢?fù)反饋閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)自動化專業(yè)的知識體系

由三層知識構(gòu)成，包括八個知識領(lǐng)域

反映自動化專業(yè)特點的五個知識領(lǐng)域

控制與智能、傳感與檢測

執(zhí)行與驅(qū)動、模型與仿真、

系統(tǒng)與工程；

自動化專業(yè)知識體系的核心知識是

控制與智能、模型與仿真

系統(tǒng)與工程等三個知識領(lǐng)域

也是自動化專業(yè)與其它專業(yè)的最大區(qū)別。研究背景212022/11/2現(xiàn)代化復(fù)雜工程系統(tǒng)規(guī)模越來越大航空航天航海核電電網(wǎng)高鐵石化冶金安全性事故頻發(fā)221997年北京東方化工廠發(fā)生乙烯裝置起火爆炸事故，8人遇難，直接經(jīng)濟損失達十億元人民幣，間接損失無法估量。人員生命受到威脅232007年4月18日，遼寧鐵嶺市清河特殊鋼發(fā)生鋼水包整體脫落事故，共造成32人死亡經(jīng)濟損失巨大242022/11/22009年云天化股份合成氨裝置合成塔出口管道發(fā)生斷裂，導(dǎo)致高溫、高壓氣體外泄，經(jīng)濟損失巨大。企業(yè)信息化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)決策層管理層調(diào)度層經(jīng)營決策系統(tǒng)產(chǎn)品策略管理信息系統(tǒng)生產(chǎn)計劃生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)調(diào)度指令過程監(jiān)控系統(tǒng)系統(tǒng)優(yōu)化過程控制系統(tǒng)控制信息生產(chǎn)過程監(jiān)控層控制層關(guān)系數(shù)據(jù)庫實時數(shù)據(jù)庫企業(yè)信息化系統(tǒng)三層結(jié)構(gòu)ERPEnterpriseResourcePlanningPCSProcessControlSystemMESManufacturingExecutionSystem企業(yè)資源計劃過程控制系統(tǒng)制造執(zhí)行系統(tǒng)系統(tǒng)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)龐大的規(guī)模與高度的復(fù)雜程度系統(tǒng)中出現(xiàn)的某些微小故障若不能及時檢測并排除，就有可能造成整個系統(tǒng)的失效、癱瘓，甚至導(dǎo)致巨大的災(zāi)難性后果如何提高系統(tǒng)的安全性、可靠性，防止和杜絕影響系統(tǒng)正常運行的故障的發(fā)生和發(fā)展就成為一個重要的有待解決的問題提高系統(tǒng)安全性、可靠性的方法有多種，其中一個重要的方法就是采用故障檢測與診斷技術(shù)系統(tǒng)監(jiān)測與故障診斷概述故障包括兩層含義：一是系統(tǒng)偏離正常功能。其形成原因主要是因為系統(tǒng)的工作條件（含零部件）不正常而產(chǎn)生的。通過參數(shù)調(diào)節(jié)，或修復(fù)零部件，又可恢復(fù)正常功能二是功能失效。是指系統(tǒng)連續(xù)偏離正常功能，且其程度不斷加劇，使設(shè)備基本功能不能保證系統(tǒng)監(jiān)測與故障診斷概述診斷技術(shù)可以說幾乎是與機器的發(fā)明同時產(chǎn)生的本世紀(jì)60年代，起源于工業(yè)發(fā)達的歐美國家和亞洲的日本70年代中期進入蓬勃發(fā)展的階段進入80年代以后，已經(jīng)形成了集眾多現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)于一體的，一門既注重理論研究，又注重實際應(yīng)用的新興交叉學(xué)科引言系統(tǒng)監(jiān)測與故障診斷概述2.1故障診斷技術(shù)基本概念2.2故障分類2.3故障診斷的分類2.4性能指標(biāo)2.5故障診斷方法的分類2.故障診斷技術(shù)的基本問題故障(fault)：系統(tǒng)至少一個特性或參數(shù)出現(xiàn)較大偏差，超出了可接受的范圍。此時系統(tǒng)的性能明顯低于其正常水平，所以已難以完成其預(yù)期的功能失靈(malfunction)：在系統(tǒng)完成特定的任務(wù)時，出現(xiàn)了間斷性的不規(guī)則現(xiàn)象失效(failure，又稱嚴(yán)重故障)：是指系統(tǒng)連續(xù)偏離正常功能（由于故障），且其程度不斷加劇，使系統(tǒng)持續(xù)喪失了完成給定任務(wù)的能力殘差(residual)：故障指示器，由測量值與模型計算值的差得到征兆(symptom)：由故障引起的系統(tǒng)可觀測的特性與其正常的特性相比所出現(xiàn)的異常變化2.1故障診斷技術(shù)的基本概念監(jiān)視(monitoring)：通過記錄信息、識別與指示系統(tǒng)行為的異?，F(xiàn)象，連續(xù)與實時地確定某一物理系統(tǒng)的運行狀態(tài)。監(jiān)控(supervision)：對物理系統(tǒng)進行監(jiān)視，并且當(dāng)他發(fā)生故障時采取適當(dāng)?shù)拇胧?，以維持其運行。誤報(falsealarm)：系統(tǒng)沒有發(fā)生故障而報警?！罢`報率”是衡量故障診斷系統(tǒng)性能的基本指標(biāo)之一漏報(missingalarm)：系統(tǒng)發(fā)生了故障而沒有報警。“漏報率”是衡量故障診斷系統(tǒng)性能的又一個基本指標(biāo)2.1故障診斷技術(shù)的基本概念

冗余（redundancy）：指系統(tǒng)里重復(fù)配置的一些部件（自動備援），即當(dāng)某一部件（設(shè)備）發(fā)生損壞時,冗余配置的部件可以自動作為后備式部件替代故障部件（設(shè)備）的工作，由此減少系統(tǒng)的故障時間數(shù)據(jù)冗余（dateredundancy）：在一個數(shù)據(jù)集合中重復(fù)的數(shù)據(jù)，簡單說就是多余的數(shù)據(jù)。如果數(shù)據(jù)丟失、出錯、故障等可以用冗余恢復(fù)數(shù)據(jù)硬件冗余（hardwareredundancy）：用同樣的硬件重構(gòu)過程的元部件。特點是可靠性高、故障分離直接，但成本過高解析冗余(analyticalredundancy)：與硬件冗余相對應(yīng)，指通過用解析方式表示的系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型來產(chǎn)生冗余信號2.1故障診斷技術(shù)的基本概念Fig.2.1Schematicdescriptionofthehardwareredundancyscheme如果過程元部件的輸出不同于其硬件冗余的輸出，則過程元部件被檢測出有故障發(fā)生冗余信號的產(chǎn)生往往是成功實現(xiàn)故障診斷的一個關(guān)鍵2.1故障診斷技術(shù)的基本概念2.2故障分類

☆按照發(fā)生部位的不同可分為過程（元部件）故障(process/componentfaults)

傳感器故障(sensorfaults)

執(zhí)行器故障(actuatorfaults)

☆按照時間特性的不同可分為突變故障(abruptfaults)

緩變故障(incipientfaults)

間隙故障(intermittentfaults)

☆按照發(fā)生形式的不同可分為加性故障(additivefaults)

乘性故障(multiplicativefaults)☆按照發(fā)生部位的不同劃分過程故障（processfaults）：被控對象中的某些元部件甚至是子系統(tǒng)發(fā)生異常傳感器故障（sensorfaults）：控制回路中用于檢測被測量的傳感器發(fā)生卡死、恒增益變化或恒偏差而不能準(zhǔn)確獲取被測量信息，具體表現(xiàn)為對象變量的測量值與其實際值之間的差別執(zhí)行器故障（actuatorfaults）：控制回路中用于執(zhí)行控制命令的執(zhí)行器發(fā)生卡死、恒增益變化或恒偏差而不能正確執(zhí)行控制命令，具體表現(xiàn)為執(zhí)行器的輸入命令和它的實際輸出之間的差別2.2故障分類

☆按照時間特性的不同劃分突變故障(abruptfaults)：參數(shù)值突然出現(xiàn)很大偏差，事先不可監(jiān)測和預(yù)測的故障緩變故障(incipientfaults)：又稱為軟故障，指參數(shù)隨時間的推移和環(huán)境的變化而緩慢變化的故障間隙故障(intermittentfaults)：由于老化、容差不足或接觸不良引起的時隱時現(xiàn)的故障2.2故障分類

☆按照發(fā)生形式的不同劃分加性故障(additivefault)：作用在系統(tǒng)上的未知輸入，在系統(tǒng)正常運行時為零。它的出現(xiàn)會導(dǎo)致系統(tǒng)輸出發(fā)生獨立于已知輸入的改變乘性故障(multiplicativefault)：系統(tǒng)的某些參數(shù)的變化。它們能引起系統(tǒng)輸出的變化，這些變化同時也受已知輸入的影響2.2故障分類2.3故障診斷基本任務(wù)故障診斷是一門綜合性技術(shù)，其研究涉及到多門學(xué)科，如控制理論（經(jīng)典、現(xiàn)代、魯棒、自適應(yīng)）、可靠性理論、數(shù)理統(tǒng)計、模糊集理論、信息處理、模式識別人工智能等學(xué)科理論

故障建模（faultmodeling）故障檢測（faultdetection）故障分離（faultisolation）故障識別（identification）故障診斷（diagnosis）故障檢測與分離（識別）－－FDI故障檢測與診斷－－FDD故障的評價與決策－－FED,FaultEvaluationandDecision2.3故障診斷基本任務(wù)Fig.2.2Thebasictasksofthesupervisionsystem

2.3故障診斷基本任務(wù)◆檢測性能指標(biāo)（DetectionPerformanceIndex）

﹡早期檢測的靈敏度

﹡故障檢測的及時性

﹡故障的誤報率和漏報率◆診斷性能指標(biāo)（DiagnosisPerformanceIndex）

﹡故障分離能力

﹡故障辨識的準(zhǔn)確性◆綜合性能指標(biāo)（ComprehensivePerformanceIndex）

﹡魯棒性

﹡自適應(yīng)能力

﹡安全性

﹡可靠性2.4故障診斷性能指標(biāo)2.5故障診斷方法的分類診斷方法的研究在于：尋找征兆與故障之間的有效對應(yīng)關(guān)系最簡單的故障檢測方法就是所謂界限判別法也即判別兩類過程狀態(tài)(正常和異常狀態(tài))

如使用一個傳感器信號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

國際故障診斷權(quán)威，德國的教授認(rèn)為故障診斷方法可以分為

※

基于模型的方法(model-based)

※

基于知識的方法(knowledge-based)

※

基于信號處理的方法(Signal-processing-based)2.5故障診斷方法的分類3.1基本模型故障診斷基本過程3.2故障建模3.3基于觀測器的方法3.4等價空間方法3.5參數(shù)估計方法3基于模型的故障診斷基本原理基本思想

校驗由相同的過程輸入信號驅(qū)動的過程解析模型的輸出與實際系統(tǒng)的測量輸出之間的一致或不一致性。3.1基于觀測器故障診斷基本過程

Fig.3.1Schematicdescriptionofthemodel-basedfaultdiagnosisscheme3.1基于觀測器故障診斷基本過程通常所采用的過程解析模型有兩種不同的策略◆模擬名義的或無故障的特性模型

(Nominalmodel/Fault-freemodel)◆對于某個特定的預(yù)知故障建立其故障特性模型

(Faultymodel)3.1基于觀測器故障診斷基本過程

故障診斷任務(wù)分兩步完成殘差（征兆）生成(Residual/SymptomGeneration)殘差（征兆）評價(Residual/SymptomEvaluation)

基于解析模型的殘差生成方法主要有三種基于觀測器方法(Observer-based)

等價空間方法(ParitySpace)

（或奇偶方程、奇偶關(guān)系、奇偶空間）方法參數(shù)估計方法(ParameterEstimation)3.1基于觀測器故障診斷基本過程故障診斷系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵抑制信號中不感興趣部分而加強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)計的目標(biāo)使FDIA系統(tǒng)對故障具有盡可能大的靈敏度，而同時對不感興趣信號的影響具有盡可能大的魯棒性3.1基于觀測器故障診斷基本過程FD系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)包括如下任務(wù)◆設(shè)計一個殘差生成器，對故障具有高的靈敏度而對模型不確定具有強的魯棒性◆通過選擇殘差評價函數(shù)定義征兆，以保證所檢測的關(guān)于故障的信息不被丟失◆進一步分析殘差或開發(fā)征兆，獲得更多的關(guān)于故障的知識，以便指導(dǎo)決策或?qū)嵤┤蒎e控制3.1基于觀測器故障診斷基本過程3.2故障建模在基于模型故障診斷中使用開環(huán)系統(tǒng)模型，雖然我們認(rèn)為這個系統(tǒng)是在控制回路中Fig.3.2故障診斷與控制回路Fig.3.3Strctureofastandardcontrolloopwithfault3.2故障建模這一開環(huán)系統(tǒng)分為執(zhí)行器、系統(tǒng)動態(tài)和傳感器三個部分。按照發(fā)生形式的不同主要研究過程元部件故障(processfaults)、傳感器故障(sensorfaults)以及執(zhí)行器故障(actuatorfaults)開環(huán)系統(tǒng)模型系統(tǒng)動態(tài)可用狀態(tài)空間模型描述3.2故障建模當(dāng)(過程）元部件發(fā)生故障時元部件有故障時系統(tǒng)動態(tài)圖（過程）元部件故障可以視為系統(tǒng)中一些條件的改變而使動態(tài)關(guān)系變?yōu)闊o效的情形，如在三容器中一個水容器出現(xiàn)漏洞。在一些情形下，故障可以表達為系統(tǒng)中參數(shù)的變化當(dāng)傳感器發(fā)生故障時一般說來，系統(tǒng)的實際輸出yR(t)是不能直接得到的，通常用傳感器獲得系統(tǒng)測量輸出。通過正確選擇向量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，測量向量y(t)=0，故障向量Fig.3.6傳感器有故障時系統(tǒng)動態(tài)圖當(dāng)執(zhí)行器發(fā)生故障時事實上，系統(tǒng)的實際執(zhí)行通常也是不能直接獲得的。對于一個受控系統(tǒng)來說，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似，不同的執(zhí)行器故障情況可以由一個合適的故障函數(shù)fa(t)來表示Fig.3.7執(zhí)行器有故障時系統(tǒng)動態(tài)圖考慮系統(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：通常寫成如下狀態(tài)空間描述的一般形式：輸入－輸出描述形式為：如果把建模不確定性考慮進去，那么用于殘差生成器完整的狀態(tài)空間模型就變成：其輸入-輸出一致性模型變?yōu)椋?.3基于觀測器的方法Fig.3.8基于觀測器方法的殘差生成器原理

(1)

(2)

3.3基于觀測器的方法.

(3).

(4)

(5)

(6)3.3基于觀測器的方法殘差生成器設(shè)計的主要目標(biāo)即為設(shè)法達到使FD系統(tǒng)對故障更加靈敏，而同時對不感興趣信號的影響更加魯棒之間的最佳平衡3.3基于觀測器的方法3.4等價空間方法等價空間方法的基本思想是提供一個合適的被監(jiān)控系統(tǒng)的測量一致性(奇偶性)校驗對于硬件(直接)冗余，應(yīng)多于傳感器最小數(shù)，也就是說，y(k)的維數(shù)應(yīng)大于x(k)的維數(shù)首先考慮使用m個傳感器，n維向量的測量問題，其測量方程為：系統(tǒng)動態(tài)傳感器C殘差生成器V殘差r

Fig.3.9基于硬件（直接）冗余的殘差生成結(jié)構(gòu)3.4等價空間方法故障檢測決策函數(shù)（faultdetectiondecisionfunction）故障分離決策函數(shù)（faultisolationdecisionfunction）對于一個特定的r(k)，可以通過計算DFIi(k)的m個值來識別不正常工作的傳感器。如果DFIi(k)是這些值中的最大數(shù)，那么與之相對應(yīng)的傳感器就是最有可能發(fā)生故障的傳感器。3.4等價空間方法直接冗余/硬件冗余關(guān)系不存在為實現(xiàn)最優(yōu)的故障分離，vi應(yīng)滿足3.4等價空間方法從等價空間的觀點來看，V的列定義了m個不同的故障表征方向（Ii,i=1,2,…m），在指示有一個故障發(fā)生后，通過將等價向量方向與每一個故障表征方向相比較，可以進行故障分離。實際上，故障分離函數(shù)DFIi(k)是對一個殘差向量與故障表征方向之間相互關(guān)系的測量。為可靠分離故障，故障表征方向間的夾角應(yīng)“盡可能地大”，也即，應(yīng)“盡可能小”3.4等價空間方法直接冗余/硬件冗余關(guān)系不存在為實現(xiàn)最優(yōu)的故障分離，vi應(yīng)滿足3.4等價空間方法Fig.3.10基于等價空間方法的殘差生成器原理通過在一定時間間隔，即數(shù)據(jù)窗：內(nèi)采集傳感器的輸出來構(gòu)建冗余關(guān)系，即時間冗余(temporalredundancy)或連續(xù)冗余(serialredundancy)3.4等價空間方法考慮系統(tǒng)由線性離散狀態(tài)空間方程給出：3.4等價空間方法引入如下符號表示3.4等價空間方法或或3.4等價空間方法3.5參數(shù)估計的方法Fig.3.11基于參數(shù)估計方法的殘差生成器原理基于參數(shù)估計的檢測方法基本思想是用熟知的參數(shù)估計方法重復(fù)不斷地對實際過程的參數(shù)進行在線估計，將估計結(jié)果與無故障參考模型所獲得的參數(shù)進行比較－－任何實際差異即指示為故障?；诩僭O(shè)：故障是反映在物理系統(tǒng)參數(shù)中的，如磨擦，質(zhì)量，膠粘性、抵抗性、感應(yīng)系數(shù)、容量等。3.5參數(shù)估計的方法

采用參數(shù)估計法實現(xiàn)FDI的基本步驟