復(fù)雜工業(yè)系統(tǒng)的過(guò)程監(jiān)測(cè)與故障診斷XXXX

復(fù)雜工業(yè)系統(tǒng)的過(guò)程監(jiān)測(cè)與故障診斷彭開(kāi)香北京科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院◆概要◆自動(dòng)化專業(yè)認(rèn)識(shí)工業(yè)背景及故障診斷的一些技術(shù)問(wèn)題基于模型故障診斷基本原理基于知識(shí)的故障診斷基于數(shù)據(jù)的故障診斷技術(shù)0.對(duì)自動(dòng)化的認(rèn)識(shí)

自動(dòng)化與工業(yè)化的關(guān)系

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

實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，就完成工業(yè)化目前來(lái)說(shuō)：自動(dòng)化是工業(yè)化的最重要標(biāo)志（國(guó)內(nèi)總體來(lái)說(shuō)，已機(jī)械化、電氣化）

自動(dòng)化與信息化的關(guān)系信息化特點(diǎn)：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(jì)算機(jī)化（大規(guī)模使用數(shù)字計(jì)算機(jī)）網(wǎng)絡(luò)化（實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)）先進(jìn)自動(dòng)化（綜合集成了系統(tǒng)、管理）

實(shí)現(xiàn)先進(jìn)自動(dòng)化，就完成（工業(yè)）信息化先進(jìn)自動(dòng)化是信息化的最重要標(biāo)志（國(guó)內(nèi)總體，數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化已有一定規(guī)模）機(jī)械化（應(yīng)用機(jī)器系統(tǒng)）電氣化（加入電機(jī)、網(wǎng)絡(luò)）自動(dòng)化（加入自動(dòng)控制器）計(jì)算機(jī)化（應(yīng)用數(shù)字計(jì)算機(jī)）網(wǎng)絡(luò)化（實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)）先進(jìn)自動(dòng)化（系統(tǒng)、管理）智能化（引入智能）知識(shí)化（處理知識(shí)）工業(yè)化信息化知識(shí)化社會(huì)總發(fā)展（基礎(chǔ)）自動(dòng)化（核心是控制）是工業(yè)化完成與否的標(biāo)志自動(dòng)化技術(shù)是工業(yè)化的核心技術(shù)先進(jìn)自動(dòng)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(jìn)自動(dòng)化技術(shù)是信息化的核心技術(shù)

對(duì)自動(dòng)化科學(xué)與技術(shù)的認(rèn)識(shí)

自動(dòng)化科學(xué)解決什么科學(xué)問(wèn)題？

自動(dòng)化技術(shù)研究針對(duì)什么技術(shù)？

傳統(tǒng)意義上如何？

當(dāng)前又如何？傳統(tǒng)意義上上，自動(dòng)化化科學(xué)研究的焦點(diǎn)點(diǎn)——系統(tǒng)的物理學(xué)特性性需要解決的的基本問(wèn)題題——給定值控制制問(wèn)題、跟跟蹤問(wèn)題和和自主問(wèn)題題其其基本本科科學(xué)學(xué)問(wèn)問(wèn)題題———建模模問(wèn)問(wèn)題題、、穩(wěn)穩(wěn)定定性性問(wèn)問(wèn)題題、、動(dòng)動(dòng)態(tài)態(tài)特特性性問(wèn)問(wèn)題題適適應(yīng)應(yīng)性性（（魯魯棒棒性性））問(wèn)問(wèn)題題和和自自主主性性問(wèn)問(wèn)題題自動(dòng)化技術(shù)研究的針對(duì)性性工程應(yīng)用技技術(shù)——模型技術(shù)、檢檢測(cè)技術(shù)、執(zhí)執(zhí)行技術(shù)、控控制制（計(jì)算）技技術(shù)。當(dāng)前自動(dòng)化科學(xué)與與技術(shù)焦點(diǎn)和難點(diǎn)在在哪？自動(dòng)化科學(xué)與與技術(shù)的發(fā)展展特點(diǎn)之一最初——處理系統(tǒng)的物物理特性，基礎(chǔ)自動(dòng)化，物質(zhì)、能量量當(dāng)當(dāng)前——處理系統(tǒng)的復(fù)復(fù)雜性，先進(jìn)自動(dòng)化，主要是信息息當(dāng)前，自動(dòng)化化科學(xué)研究的的焦點(diǎn)和難點(diǎn)點(diǎn)——系統(tǒng)的復(fù)雜性性，需要解決的基基本問(wèn)題或基基本科學(xué)問(wèn)題題——復(fù)雜系統(tǒng)的建建模問(wèn)題綜綜合合集成問(wèn)題（（包括人）整整體優(yōu)化問(wèn)問(wèn)題、失效容容錯(cuò)問(wèn)題和和系統(tǒng)智智能問(wèn)題自動(dòng)化技術(shù)主主要包括——模型技術(shù)、仿仿真技術(shù)、集集成技術(shù)、優(yōu)優(yōu)化化技術(shù)、可靠靠性技術(shù)和運(yùn)運(yùn)行技術(shù)。對(duì)自動(dòng)化專業(yè)業(yè)的認(rèn)識(shí)*自動(dòng)化專專業(yè)的知識(shí)體體系；*自動(dòng)化專專業(yè)的課程體體系；*自動(dòng)化專專業(yè)的特點(diǎn)；；

*自自動(dòng)化專業(yè)的的發(fā)展前景。?；镜呢?fù)反饋饋閉環(huán)控制結(jié)結(jié)構(gòu)自動(dòng)化專業(yè)的的知識(shí)體系由三層知識(shí)構(gòu)構(gòu)成，包括八八個(gè)知識(shí)領(lǐng)域域反映自動(dòng)化專專業(yè)特點(diǎn)的五五個(gè)知識(shí)領(lǐng)域域控制與智能、、傳感與檢測(cè)測(cè)執(zhí)執(zhí)行行與驅(qū)動(dòng)、模模型與仿真、、系系統(tǒng)與工程程；自動(dòng)化專業(yè)知知識(shí)體系的核核心知識(shí)是控制與智能、、模型與仿真真系統(tǒng)與工程等三個(gè)知識(shí)領(lǐng)領(lǐng)域也也是自動(dòng)化專專業(yè)與其它專專業(yè)的最大區(qū)區(qū)別。研究背景212022/12/23現(xiàn)代化復(fù)雜工工程系統(tǒng)規(guī)模模越來(lái)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頻發(fā)221997年北北京東方化工工廠發(fā)生乙烯烯裝置起火爆爆炸事故，8人遇難，直直接經(jīng)濟(jì)損失失達(dá)十億元人人民幣，間接接損失無(wú)法估估量。人員生命受到到威脅232007年4月18日，遼寧鐵嶺嶺市清河特殊殊鋼有限公司司發(fā)生鋼水包包整體脫落事事故，共造成成32人死亡經(jīng)濟(jì)損損失巨巨大242022/12/232009年云天天化股股份有有限公公司合合成氨氨裝置置合成成塔出出口管管道發(fā)發(fā)生斷斷裂，，導(dǎo)致致高溫溫、高高壓氣氣體外外泄，，經(jīng)濟(jì)濟(jì)損失失巨大大。企業(yè)信信息化化系統(tǒng)統(tǒng)結(jié)構(gòu)構(gòu)決策層層管理層層調(diào)度層層經(jīng)營(yíng)決決策系系統(tǒng)產(chǎn)品策策略管理信信息系系統(tǒng)生產(chǎn)計(jì)計(jì)劃生產(chǎn)調(diào)調(diào)度系系統(tǒng)調(diào)度指指令過(guò)程監(jiān)監(jiān)控系系統(tǒng)系統(tǒng)優(yōu)優(yōu)化過(guò)程控控制系系統(tǒng)控制信信息生產(chǎn)過(guò)過(guò)程監(jiān)控層層控制層層關(guān)系數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)庫(kù)實(shí)時(shí)數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)庫(kù)企業(yè)信信息化化系統(tǒng)統(tǒng)三層層結(jié)構(gòu)構(gòu)ERPEnterpriseResourcePlanningPCSProcessControlSystemMESManufacturingExecutionSystem企業(yè)資源計(jì)劃過(guò)程控制系統(tǒng)制造執(zhí)行系統(tǒng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)龐龐大的的規(guī)模模與高高度的的復(fù)雜雜程度度系統(tǒng)中中出現(xiàn)現(xiàn)的某某些微微小故故障若若不能能及時(shí)時(shí)檢測(cè)測(cè)并排排除，，就有有可能能造成成整個(gè)個(gè)系統(tǒng)統(tǒng)的失失效、、癱瘓瘓，甚甚至導(dǎo)導(dǎo)致巨巨大的的災(zāi)難難性后后果如何提提高系系統(tǒng)的的安全全性、、可靠靠性，，防止止和杜杜絕影影響系系統(tǒng)正正常運(yùn)運(yùn)行的的故障障的發(fā)發(fā)生和和發(fā)展展就成為為一個(gè)個(gè)重要要的有有待解解決的的問(wèn)題題提高系系統(tǒng)安安全性性、可可靠性性的方方法有有多種種，其其中一一個(gè)重重要的的方法法就是是采用用故障障檢測(cè)測(cè)與診診斷技技術(shù)系統(tǒng)監(jiān)監(jiān)測(cè)與與故障障診斷斷概述述故障包包括兩兩層含含義：：一是系系統(tǒng)偏偏離正正常功功能。其形形成原原因主主要是是因?yàn)闉橄到y(tǒng)統(tǒng)的工工作條條件（（含零零部件件）不不正常常而產(chǎn)產(chǎn)生的的。通通過(guò)參參數(shù)調(diào)調(diào)節(jié)，，或修修復(fù)零零部件件，又又可恢恢復(fù)正正常功功能二是功功能失失效。是指指系統(tǒng)統(tǒng)連續(xù)續(xù)偏離離正常常功能能，且且其程程度不不斷加加劇，，使設(shè)設(shè)備基基本功功能不不能保保證系統(tǒng)監(jiān)監(jiān)測(cè)與與故障障診斷斷概述述診斷技技術(shù)可可以說(shuō)說(shuō)幾乎乎是與與機(jī)器器的發(fā)發(fā)明同同時(shí)產(chǎn)產(chǎn)生的的本世紀(jì)紀(jì)60年代，，起源源于工工業(yè)發(fā)發(fā)達(dá)的的歐美美國(guó)家家和亞亞洲的的日本本70年代中中期進(jìn)進(jìn)入蓬蓬勃發(fā)發(fā)展的的階段段進(jìn)入80年代以以后，，已經(jīng)經(jīng)形成成了集集眾多多現(xiàn)代代科學(xué)學(xué)技術(shù)術(shù)于一一體的的，一一門既既注重重理論論研究究，又又注重重實(shí)際際應(yīng)用用的新新興交交叉學(xué)學(xué)科引言言系統(tǒng)監(jiān)監(jiān)測(cè)與與故障障診斷斷概述述2.1故障診診斷技技術(shù)基基本概概念2.2故障分分類2.3故障診診斷的的分類類2.4性能指指標(biāo)2.5故障診診斷方方法的的分類類2.故障診診斷技技術(shù)的的基本本問(wèn)題題故障(fault)：系統(tǒng)統(tǒng)至少少一個(gè)個(gè)特性性或參參數(shù)出出現(xiàn)較較大偏偏差，，超出出了可可接受受的范范圍。。此時(shí)時(shí)系統(tǒng)統(tǒng)的性性能明明顯低低于其其正常常水平平，所所以已已難以以完成成其預(yù)預(yù)期的的功能能失靈(malfunction)：在系統(tǒng)完完成特定的的任務(wù)時(shí)，，出現(xiàn)了間間斷性的不不規(guī)則現(xiàn)象象失效(failure，又稱嚴(yán)重重故障)：是指系統(tǒng)統(tǒng)連續(xù)偏離離正常功能能（由于故故障），且且其程度不不斷加劇，，使系統(tǒng)持持續(xù)喪失了了完成給定定任務(wù)的能能力殘差(residual)：故障指示示器，由測(cè)測(cè)量值與模模型計(jì)算值值的差得到到征兆(symptom)：由故障引引起的系統(tǒng)統(tǒng)可觀測(cè)的的特性與其其正常的特特性相比所所出現(xiàn)的異異常變化2.1故障診斷技技術(shù)的基本本概念監(jiān)視(monitoring)：通過(guò)記錄錄信息、識(shí)識(shí)別與指示示系統(tǒng)行為為的異?，F(xiàn)現(xiàn)象，連續(xù)續(xù)與實(shí)時(shí)地地確定某一一物理系統(tǒng)統(tǒng)的運(yùn)行狀狀態(tài)。監(jiān)控(supervision)：對(duì)物理系系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)監(jiān)視，并且且當(dāng)他發(fā)生生故障時(shí)采采取適當(dāng)?shù)牡拇胧?，以以維持其運(yùn)運(yùn)行。誤報(bào)(falsealarm)：系統(tǒng)沒(méi)有有發(fā)生故障障而報(bào)警。。“誤報(bào)率”是衡量故障障診斷系統(tǒng)統(tǒng)性能的基基本指標(biāo)之之一漏報(bào)(missingalarm)：系統(tǒng)發(fā)生生了故障而而沒(méi)有報(bào)警警。“漏報(bào)率”是衡量故障障診斷系統(tǒng)統(tǒng)性能的又又一個(gè)基本本指標(biāo)2.1故障診斷技技術(shù)的基本本概念冗余（redundancy）：指系統(tǒng)里重重復(fù)配置的的一些部件件（自動(dòng)動(dòng)備援），即即當(dāng)某一一部件（設(shè)設(shè)備）發(fā)生生損壞時(shí),冗余配置的的部件可以自動(dòng)作作為后備式式部件替代代故障部件件（設(shè)備））的工作，，由此減少系統(tǒng)的的故障時(shí)間間數(shù)據(jù)冗余（（dateredundancy）：在一個(gè)數(shù)數(shù)據(jù)集合中中重復(fù)的數(shù)數(shù)據(jù)，簡(jiǎn)單說(shuō)說(shuō)就是多余余的數(shù)據(jù)。。如果數(shù)據(jù)據(jù)丟失、出出錯(cuò)、故障障等可以用冗余恢恢復(fù)數(shù)據(jù)硬件冗余（（hardwareredundancy）：用同樣的硬硬件重構(gòu)過(guò)過(guò)程的元部件。。特點(diǎn)是可可靠性高、、故障分離離直接，但但成本過(guò)高高解析冗余(analyticalredundancy)：與硬件冗冗余相對(duì)應(yīng)應(yīng)，指通過(guò)過(guò)用解析方式式表示的系系統(tǒng)數(shù)學(xué)模模型來(lái)產(chǎn)生生冗余信號(hào)號(hào)2.1故障診斷技技術(shù)的基本本概念如果過(guò)過(guò)程元元部件件的輸輸出不不同于于其硬硬件冗冗余的的輸出出，則則過(guò)程程元部部件被被檢測(cè)測(cè)出有有故障障發(fā)生生冗余信信號(hào)的的產(chǎn)生生往往往是成成功實(shí)實(shí)現(xiàn)故故障診診斷的的一個(gè)個(gè)關(guān)鍵鍵2.1故障診診斷技技術(shù)的的基本本概念念2.2故障分分類☆按照發(fā)發(fā)生部部位的的不同同可分分為過(guò)程（（元部部件））故障障(process/componentfaults)傳感器器故障障(sensorfaults)執(zhí)行器器故障障(actuatorfaults)☆按照時(shí)間間特性的的不同可可分為突變故障障(abruptfaults)緩變故障障(incipientfaults)間隙故障障(intermittentfaults)☆按照發(fā)生生形式的的不同可可分為加性故障障(additivefaults)乘性故障障(multiplicativefaults)☆按照發(fā)生生部位的的不同劃劃分過(guò)程故障障（processfaults）：被控對(duì)象象中的某某些元部部件甚至至是子子系統(tǒng)發(fā)發(fā)生異常常傳感器故故障（sensorfaults）：控制回路路中用于于檢測(cè)被被測(cè)量的的傳感器器發(fā)生卡卡死、恒恒增益變變化或恒恒偏差而而不能準(zhǔn)準(zhǔn)確獲取取被測(cè)量量信息，，具體表表現(xiàn)為對(duì)對(duì)象變量量的測(cè)量量值與其其實(shí)際值值之間的的差別執(zhí)行器故故障（actuatorfaults）：控制回路路中用于于執(zhí)行控控制命令令的執(zhí)行行器發(fā)生生卡死、、恒增益益變化或或恒偏差差而不能能正確執(zhí)執(zhí)行控制制命令，，具體表表現(xiàn)為執(zhí)執(zhí)行器的的輸入命命令和它它的實(shí)際際輸出之之間的差差別2.2故障分類類☆按照時(shí)間間特性的的不同劃劃分突變故障障(abruptfaults)：參數(shù)值值突然出出現(xiàn)很大大偏差，，事先不不可監(jiān)測(cè)測(cè)和預(yù)測(cè)測(cè)的故障障緩變故障障(incipientfaults)：又稱為為軟故障障，指參參數(shù)隨時(shí)時(shí)間的推推移和環(huán)環(huán)境的變變化而緩緩慢變化化的故障障間隙故障障(intermittentfaults)：由于老老化、容容差不足足或接觸觸不良引引起的時(shí)時(shí)隱時(shí)現(xiàn)現(xiàn)的故障障2.2故障分類類☆按照發(fā)生生形式的的不同劃劃分加性故障障(additivefault)：作用在在系統(tǒng)上上的未知知輸入，，在系統(tǒng)統(tǒng)正常運(yùn)運(yùn)行時(shí)為為零。它它的出現(xiàn)現(xiàn)會(huì)導(dǎo)致致系統(tǒng)輸輸出發(fā)生生獨(dú)立于于已知輸輸入的改改變乘性故障障(multiplicativefault)：系統(tǒng)的的某些參參數(shù)的變變化。它它們能引引起系統(tǒng)統(tǒng)輸出的的變化，，這些變變化同時(shí)時(shí)也受已已知輸入入的影響響2.2故障分類類2.3故障診斷斷基本任任務(wù)故障診斷斷是一門門綜合性性技術(shù)，，其研究究涉及到到多門學(xué)學(xué)科，如如控制理理論（（經(jīng)典、、現(xiàn)代、、魯棒、、自適應(yīng)應(yīng)）、可可靠性理理論、數(shù)數(shù)理統(tǒng)計(jì)計(jì)、模糊糊集理論論、信息息處理、、模式識(shí)識(shí)別人工工智能等等學(xué)科理理論故障建模模（faultmodeling）故障檢測(cè)測(cè)（faultdetection）故障分離離（faultisolation）故障識(shí)別別（identification）故障診斷斷（diagnosis）故障檢測(cè)測(cè)與分離離（識(shí)別））－－FDI故障檢測(cè)測(cè)與診斷斷－－FDD故障的評(píng)評(píng)價(jià)與決決策－－－FED,FaultEvaluationandDecision2.3故障診斷斷基本任任務(wù)Thebasictasksofthesupervisionsystem2.3故障診斷斷基本任任務(wù)◆檢測(cè)性能能指標(biāo)（（DetectionPerformanceIndex）﹡早期檢測(cè)測(cè)的靈敏敏度﹡故障檢測(cè)測(cè)的及時(shí)時(shí)性﹡故障的誤誤報(bào)率和和漏報(bào)率率◆診斷性能能指標(biāo)（（DiagnosisPerformanceIndex）﹡故障分離離能力﹡故障辨識(shí)識(shí)的準(zhǔn)確確性◆綜合性能能指標(biāo)（（ComprehensivePerformanceIndex）﹡魯棒性﹡自適應(yīng)能能力﹡安全性﹡可靠性2.4故障診斷斷性能指指標(biāo)2.5故障診斷斷方法的的分類診斷方法法的研究究在于：：尋找征征兆與故故障之間間的有效效對(duì)應(yīng)關(guān)關(guān)系最簡(jiǎn)單的的故障檢檢測(cè)方法法就是所所謂界限限判別法法也即即判判別別兩兩類類過(guò)過(guò)程程狀狀態(tài)態(tài)(正常常和和異異常常狀狀態(tài)態(tài))如使使用用一一個(gè)個(gè)傳傳感感器器信信號(hào)號(hào)x，可可按按如如下下條條件件描描述述：：如果果x＜Hth，那那么么狀狀態(tài)態(tài)正正常常，，否否則則狀狀態(tài)態(tài)異異常常國(guó)際際故故障障診診斷斷權(quán)權(quán)威威，，德德國(guó)國(guó)的的教授認(rèn)為為故障診斷斷方法可可以分為為※基于模型型的方法法(model-based)※基于知識(shí)識(shí)的方法法(knowledge-based)※基于信號(hào)號(hào)處理的的方法(Signal-processing-based)2.5故障診斷斷方法的的分類3.1基本模型型故障診診斷基本本過(guò)程3.2故障建模模3.3基于觀測(cè)測(cè)器的方方法3.4等價(jià)空間間方法3.5參數(shù)估計(jì)計(jì)方法3基于模型型的故障障診斷基基本原理理基本思想想校驗(yàn)由相相同的過(guò)過(guò)程輸入入信號(hào)驅(qū)驅(qū)動(dòng)的過(guò)過(guò)程解析析模型的的輸出與與實(shí)際系系統(tǒng)的測(cè)測(cè)量輸出出之間的的一致或或不一致致性。3.1基于觀測(cè)測(cè)器故障障診斷基基本過(guò)程程Fig.3.1Schematicdescriptionofthemodel-basedfaultdiagnosisscheme3.1基于觀測(cè)測(cè)器故障障診斷基基本過(guò)程程通常所采采用的過(guò)過(guò)程解析析模型有有兩種不不同的策策略◆模擬名義義的或無(wú)無(wú)故障的的特性模模型(Nominalmodel/Fault-freemodel)◆對(duì)于某個(gè)個(gè)特定的的預(yù)知故故障建立立其故障障特性模模型(Faultymodel)3.1基于觀測(cè)測(cè)器故障障診斷基基本過(guò)程程故障診斷斷任務(wù)分分兩步完完成殘差（征征兆）生生成(Residual/SymptomGeneration)殘差（征征兆）評(píng)評(píng)價(jià)(Residual/SymptomEvaluation)基于解析析模型的的殘差生生成方法法主要有有三種基于觀測(cè)測(cè)器方法法(Observer-based)等價(jià)空間間方法(ParitySpace)（或奇偶偶方程、、奇偶關(guān)關(guān)系、奇奇偶空間間）方法法參數(shù)數(shù)估估計(jì)計(jì)方方法法(ParameterEstimation)3.1基于于觀觀測(cè)測(cè)器器故故障障診診斷斷基基本本過(guò)過(guò)程程故障障診診斷斷系系統(tǒng)統(tǒng)設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)的的關(guān)關(guān)鍵鍵抑制制信信號(hào)號(hào)中中不不感感興興趣趣部部分分而而加加強(qiáng)強(qiáng)其其中中反反映映故故障障的的部部分分，，以以區(qū)區(qū)分分故故障障與與模模型型不不確確定定性性和和未未知知輸輸入入的的影影響響基于于模模型型故故障障診診斷斷系系統(tǒng)統(tǒng)設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)的的目目標(biāo)標(biāo)使FDIA系統(tǒng)統(tǒng)對(duì)對(duì)故故障障具具有有盡盡可可能能大大的的靈靈敏敏度度，，而而同同時(shí)時(shí)對(duì)對(duì)不不感感興興趣趣信信號(hào)號(hào)的的影影響響具具有有盡盡可可能能大大的的魯魯棒棒性性3.1基于于觀觀測(cè)測(cè)器器故故障障診診斷斷基基本本過(guò)過(guò)程程FD系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)應(yīng)包括如下任任務(wù)◆設(shè)計(jì)一個(gè)殘差差生成器，對(duì)對(duì)故障具有高高的靈敏度而而對(duì)模型不確定具有強(qiáng)強(qiáng)的魯棒性◆通過(guò)選擇殘差差評(píng)價(jià)函數(shù)定定義征兆，以以保證所檢測(cè)測(cè)的關(guān)于故障的信息不不被丟失◆進(jìn)一步分析殘殘差或開(kāi)發(fā)征征兆，獲得更更多的關(guān)于故故障的知識(shí)，以便指導(dǎo)導(dǎo)決策或?qū)嵤┦┤蒎e(cuò)控制3.1基于觀測(cè)器故故障診斷基本本過(guò)程3.2故障建模在基于模型故故障診斷中使使用開(kāi)環(huán)系統(tǒng)統(tǒng)模型，雖然然我們認(rèn)為這這個(gè)系統(tǒng)是在在控制回路中中故障診斷與與控制回路路Fig.3.3Strctureofastandardcontrolloopwithfault3.2故障建模這一開(kāi)環(huán)系系統(tǒng)分為執(zhí)執(zhí)行器、系系統(tǒng)動(dòng)態(tài)和和傳感器三三個(gè)部分。。按照發(fā)生生形式的不不同主要研研究過(guò)程元元部件故障障(processfaults)、傳感器器故障(sensorfaults)以及執(zhí)行器器故障(actuatorfaults)開(kāi)環(huán)系統(tǒng)模模型系統(tǒng)統(tǒng)動(dòng)動(dòng)態(tài)態(tài)可可用用狀狀態(tài)態(tài)空空間間模模型型描描述述3.2故障障建建模模當(dāng)(過(guò)程程））元元部部件件發(fā)發(fā)生生故故障障時(shí)時(shí)元部部件件有有故故障障時(shí)時(shí)系系統(tǒng)統(tǒng)動(dòng)動(dòng)態(tài)態(tài)圖圖（過(guò)過(guò)程程））元元部部件件故故障障可可以以視視為為系系統(tǒng)統(tǒng)中中一一些些條條件件的的改改變變而而使使動(dòng)動(dòng)態(tài)態(tài)關(guān)關(guān)系系變變?yōu)闉闊o(wú)無(wú)效效的的情情形形，，如如在在三三容容器器中中一一個(gè)個(gè)水水容容器器出出現(xiàn)現(xiàn)漏漏洞洞。。在在一一些些情情形形下下，，故故障障可可以以表表達(dá)達(dá)為為系系統(tǒng)統(tǒng)中中參參數(shù)數(shù)的的變變化化當(dāng)傳傳感感器器發(fā)發(fā)生生故故障障時(shí)時(shí)一般般說(shuō)說(shuō)來(lái)來(lái)，，系系統(tǒng)統(tǒng)的的實(shí)實(shí)際際輸輸出出yR(t)是不不能能直直接接得得到到的的，，通通常常用用傳傳感感器器獲獲得得系系統(tǒng)統(tǒng)測(cè)測(cè)量量輸輸出出。。通通過(guò)過(guò)正正確確選選擇擇向向量量fs，可可以以描描述述所所有有的的傳傳感感器器故故障障情情形形。。如如當(dāng)當(dāng)傳傳感感器器被被““固固定定在在零零值值上上””時(shí)時(shí)，，測(cè)測(cè)量量向向量量y(t)=0，故障向向量傳感器有有故障時(shí)時(shí)系統(tǒng)動(dòng)動(dòng)態(tài)圖當(dāng)執(zhí)行器器發(fā)生故故障時(shí)事實(shí)上，，系統(tǒng)的的實(shí)際執(zhí)執(zhí)行通常常也是不不能直接接獲得的的。對(duì)于于一個(gè)受受控系統(tǒng)統(tǒng)來(lái)說(shuō)，，uR是已知執(zhí)執(zhí)行器控控制命令令u(t)的執(zhí)行器器響應(yīng)。。與傳感感器故障障情況類類似，不不同的執(zhí)執(zhí)行器故故障情況況可以由由一個(gè)合合適的故故障函數(shù)數(shù)fa(t)來(lái)表示執(zhí)行器有有故障時(shí)時(shí)系統(tǒng)動(dòng)動(dòng)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(xiě)成如下?tīng)顟B(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(jìn)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(cè)測(cè)器的方方法基于觀測(cè)測(cè)器方法法的殘差差生成器器原理

(1)

(2)

3.3基于觀測(cè)測(cè)器的方方法.

(3).

(4)

(5)

(6)3.3基于觀測(cè)測(cè)器的方方法殘差生成成器設(shè)計(jì)計(jì)的主要要目標(biāo)即即為設(shè)法法達(dá)到使使FD系統(tǒng)對(duì)故故障更加加靈敏，，而同時(shí)時(shí)對(duì)不感感興趣信信號(hào)的影影響更加加魯棒之之間的最最佳平衡衡3.3基于觀測(cè)測(cè)器的方方法3.4等價(jià)空間間方法等價(jià)空間間方法的的基本思思想是提提供一個(gè)個(gè)合適的的被監(jiān)控控系統(tǒng)的的測(cè)量一一致性(奇偶性)校驗(yàn)對(duì)于硬件(直接)冗余，應(yīng)多于傳感器最小數(shù)，也就是說(shuō)，y(k)的維數(shù)應(yīng)大于x(k)的維數(shù)首先考慮使用m個(gè)傳感器，n維向量的測(cè)量問(wèn)題，其測(cè)量方程為：系統(tǒng)動(dòng)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(jià)空間間方法故障檢測(cè)決策函數(shù)（faultdetectiondecisionfunction）故障分離決策函數(shù)（faultisolationdecisionfunction）對(duì)于一個(gè)特定的r(k)，可以通過(guò)計(jì)算DFIi(k)的m個(gè)值來(lái)識(shí)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(duì)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(jià)空間間方法直接冗余/硬件冗余關(guān)系不存在為實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的故障分離，vi應(yīng)滿足3.4等價(jià)空間間方法從等價(jià)空間的觀點(diǎn)來(lái)看，V的列定義了m個(gè)不同的故障表征方向（Ii,i=1,2,…m），在指示有一個(gè)故障發(fā)生后，通過(guò)將等價(jià)向量方向與每一個(gè)故障表征方向相比較，可以進(jìn)行故障分離。實(shí)際上，故障分離函數(shù)DFIi(k)是對(duì)一個(gè)殘差向量與故障表征方向之間相互關(guān)系的測(cè)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(jià)空間間方法直接冗余/硬件冗余關(guān)系不存在為實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的故障分離，vi應(yīng)滿足3.4等價(jià)空間間方法Fig.3.10基于等價(jià)空間方法的殘差生成器原理通過(guò)在一定時(shí)間間隔，即數(shù)據(jù)窗：內(nèi)采集傳感器的輸出來(lái)構(gòu)建冗余關(guān)系，即時(shí)間冗余(temporalredundancy)或連續(xù)冗余(serialredundancy)

3.4等價(jià)空間間方法考慮系統(tǒng)統(tǒng)由線性性離散狀狀態(tài)空間間方程給給出：3.4等價(jià)空間間方法引入如下下符號(hào)表表示3.4等價(jià)空間間方法或或3.4等價(jià)空間間方法3.5參數(shù)估計(jì)計(jì)的方法法基于參參數(shù)估估計(jì)方方法的的殘差差生成成器原原理基于參數(shù)估計(jì)的檢測(cè)方法基本思想是用熟知的參數(shù)估計(jì)方法重復(fù)不斷地對(duì)實(shí)際過(guò)程的參數(shù)進(jìn)行在線估計(jì)，將估計(jì)結(jié)果與無(wú)故障參考模型所獲得的參數(shù)進(jìn)行比較－－任何實(shí)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)估估計(jì)的的方法法采用參參數(shù)估估計(jì)法法實(shí)現(xiàn)現(xiàn)FDI的基本本步驟驟建立過(guò)過(guò)程的的物理理關(guān)系系模型型；計(jì)算正正常模模型（（無(wú)故故障參參考模模型））的物物理參參數(shù)；；確定模模型系系數(shù)與與過(guò)程程物理理參數(shù)數(shù)之間間的關(guān)關(guān)系；；由可測(cè)測(cè)量的的輸入入輸出出信號(hào)號(hào)，在在線估估計(jì)過(guò)過(guò)程的的模型型系數(shù)數(shù)；基于模模型系系數(shù)的的標(biāo)稱稱值，，建立立系統(tǒng)統(tǒng)的故故障模模型，，即給給出故故障與模模型系系數(shù)之之間的的聯(lián)系系；并并基于于模型型系數(shù)數(shù)的變變化及及故障障模型進(jìn)進(jìn)行故故障的的決策策，判判斷是是否發(fā)發(fā)生了了故障障；進(jìn)行故故障診診斷，，確定定故障障的類類型、、位置置和大大小。。3.5參數(shù)估估計(jì)的的方法法基于知識(shí)的方法基于癥狀的方法基于定性模型的方法專家系統(tǒng)方法模式識(shí)別方法神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法模糊推理模式模式識(shí)別方法神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法模糊推理模式有向圖故障樹(shù)4.基于知知識(shí)的的故障障診斷斷5.基于數(shù)數(shù)據(jù)的的故障障診斷斷81多元統(tǒng)統(tǒng)計(jì)過(guò)過(guò)程監(jiān)監(jiān)控方方法82多元統(tǒng)統(tǒng)計(jì)過(guò)過(guò)程監(jiān)監(jiān)測(cè)（（MSPM）基于多多元統(tǒng)統(tǒng)計(jì)分分析的的故障障診斷斷方法法是利用過(guò)過(guò)程多多個(gè)變變量之之間的的相關(guān)關(guān)性對(duì)對(duì)過(guò)程程進(jìn)行行故障障檢測(cè)測(cè)與診診斷。這類方方法根根據(jù)過(guò)過(guò)程變變量的的歷史史數(shù)據(jù)據(jù),利用多多元投投影方方法將將多變變量樣樣本空空間分分解成成由主主元變變量張張成的的較低低維的的投影子子空間間和一個(gè)個(gè)相應(yīng)應(yīng)的殘差子子空間間,并分別別在這這兩個(gè)個(gè)空間間中構(gòu)構(gòu)造能能夠反映空空間變變化的的統(tǒng)計(jì)計(jì)量,然后將將觀測(cè)測(cè)向量量分別別向兩兩個(gè)子子空間間進(jìn)行行投影影,并計(jì)算算相應(yīng)應(yīng)的統(tǒng)統(tǒng)計(jì)量量指標(biāo)標(biāo)用于于過(guò)程程監(jiān)測(cè)測(cè)。MSPM的應(yīng)用用背景景在現(xiàn)代代流程程工業(yè)業(yè)中，，隨著著測(cè)控控技術(shù)術(shù)的快快速發(fā)發(fā)展，，人們們已經(jīng)經(jīng)能夠夠?qū)υ皆絹?lái)越越多的的過(guò)程程變量量和產(chǎn)產(chǎn)品質(zhì)質(zhì)量指指標(biāo)進(jìn)進(jìn)行測(cè)測(cè)量；；同時(shí)時(shí)計(jì)算算機(jī)和和數(shù)據(jù)據(jù)庫(kù)技技術(shù)的的普及及，使使工廠廠擁有有了相相當(dāng)豐豐富的的生產(chǎn)產(chǎn)數(shù)據(jù)據(jù)資源源。工業(yè)過(guò)過(guò)程，，尤其其是流流程工工業(yè)，，在同同一過(guò)過(guò)程中中的不不同變變量間間往往往存在在相互互關(guān)聯(lián)聯(lián)的關(guān)關(guān)系。。從直直觀上上看，，這種種多變變量間間的變變化是是錯(cuò)綜綜復(fù)雜雜的。。多元統(tǒng)統(tǒng)計(jì)過(guò)過(guò)程監(jiān)監(jiān)測(cè)的的基本本目標(biāo)標(biāo)MSPM有以下幾個(gè)基基本目標(biāo):故障檢測(cè)故障辨識(shí)和診診斷故障估計(jì)和重重構(gòu)多元投影方法法主元分析（PCA）獨(dú)立主元分析析（ICA）潛結(jié)構(gòu)投影（（PLS）規(guī)范向量分析析（CVA/CCA）Fisher判別式分析（（FDA）其中應(yīng)用最廣廣，最簡(jiǎn)單易易懂的模型為為PCA和PLS熱連軋過(guò)過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)圖87熱連軋流流程圖及及裝置構(gòu)構(gòu)造88動(dòng)態(tài)質(zhì)量量相關(guān)的的檢測(cè)結(jié)結(jié)果89質(zhì)量無(wú)關(guān)關(guān)質(zhì)量相關(guān)關(guān)質(zhì)量相關(guān)關(guān)傳感器網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)臺(tái)計(jì)算機(jī)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)臺(tái)集成軟件件平臺(tái)數(shù)據(jù)平臺(tái)臺(tái)信息集成成PCS系統(tǒng)監(jiān)控控MESERP知識(shí)管理理一體化系系統(tǒng)的集集成環(huán)境境結(jié)束束9、靜靜夜夜四四無(wú)無(wú)鄰鄰，，荒荒居居舊舊業(yè)業(yè)貧貧。。。。12月月-2212月月-22Friday,December23,202210、雨雨中中黃黃葉葉樹(shù)樹(shù)，，燈燈下下白白頭頭人人。。。。07:58:5407:58:5407:5812/23/20227:58:54AM11、以我獨(dú)沈久久，愧君相見(jiàn)見(jiàn)頻。。12月-2207:58:5407:58Dec-2223-Dec-2212、故故人人江江海海別別，，幾幾度度隔隔山山川川。。。。07:58:5407:58:5407:58Friday,December23,202213、乍乍見(jiàn)見(jiàn)翻翻疑疑夢(mèng)夢(mèng)，，相相悲悲各各問(wèn)問(wèn)年年。。。。12月月-2212月月-2207:58:5407:58:54December23,202214、他他鄉(xiāng)鄉(xiāng)生生白白發(fā)發(fā)，，舊舊國(guó)國(guó)見(jiàn)見(jiàn)青青山山。。。。23十十二二月月20227:58:54上上午午07:58:5412月月-2215、比比不不了了得得就就不不比比，，得得不不到到的的就就不不要要。。。。。。十二二月月227:58上上午午12月月-2207:58December23,202216、行動(dòng)出成果果，工作出財(cái)財(cái)富。。2022/12/237:58:5407:58:5423December202217、做前，能夠夠環(huán)視四周；；做時(shí)，你只只能或者最好好沿著以腳為為起點(diǎn)的射線線向前。。7:58:54上午7:58上上午07:58:5412月-229、沒(méi)有有失敗敗，只只有暫暫時(shí)停停止成成功?。?。12月月-2212月月-22Friday,December23,202210、很多多事情情努力力了未未必有有結(jié)果果，但但是不不努力力卻什什么改改變也也