1故障诊断与容错控制综述PPT资料.ppt
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00），载有7名宇航员的美国哥伦比亚号航天飞机在结束了为期16天的太空任务之后返回地球，但在着陆前发生意外，航天飞机解体坠毁。
三个案例,2002年4月15日，中国国际航空公司的一架波音767飞机在韩国的釜山坠毁，机上166名乘客和机组人员有128人遇难。
这是消防员在清理失事飞机残骸的画面。
2002年5月24日下午三点零三十三分，台湾中华航空公司一架从台北飞往香港的班机在澎湖马公外海坠落，机上乘客连同机组人员共有225人。
图为调查人员搭了一个架子，把收集来的碎片拼凑在一起。
1977年4月12日，美国三角（Delta）航空公司1080航班的一架DC-10飞机在芝加哥坠毁，事故调查结果表明就是因为左升降舵卡死在上偏19o的位置。
英国健康安全协会（theHealthandSafetyExecutive）分析了不同控制系统中出现的34起事故，结果发现大约44%的事故是由于设计不规范造成的。
国际故障诊断专家Isermann统计了19911995年间的165个动态系统的典型事故，结果发现有120起是由于系统的传感器或执行器故障引起的，有50.3%属于过程故障。
为了保证系统高效地运作，要求在对系统实施基本的控制之外，还能进行有效的监测。
在系统即将发生故障（工作异常）时能实现故障预报，做到防患于未然；
在系统发生故障时能及时检测并加以处理，将风险和损失降至最低。
由于传统的硬件冗余技术存在诸多缺陷，因此，基于软件冗余的动态系统的故障检测与诊断技术（FaultDetectionandDiagnosis，简称FDD）为实现这一目标开辟了一条新的途径。
我们的对策（问题解决的有效途径）：
经过40多年的发展，FDD技术取得了丰硕的成果，在各个领域得到广泛的应用。
故障（fault）：
使系统至少一个特性或参数出现较大的偏差，并超出了可接受的范围。
此时系统的性能明显低于正常水平，难以完成其预期的功能。
注意：
故障与扰动区别,故障预报（faultprediction）：
根据系统的残差和症状等动态信息，在故障尚未发生时对其运行状态趋势的估计。
软件冗余（analyticalredundancy）：
与硬件冗余相对应，狭义指通过被诊断对象的可测变量之间（如输入与输出间，输出与输出间，输入与输入间）存在的冗余的函数关系用解析方式建立系统的数学模型来产生冗余信号;
广义泛指利用非硬件冗余的方法得到冗余信息进行故障诊断。
冗余信息往往是成功进行故障诊断的关键。
故障检测与诊断,故障检测（faultdetection）：
确定系统或设备是否发生了故障。
故障诊断（faultdiagnosis）：
广义上它作为故障检测、分离和辩识的统称；
狭义上特指故障分离与故障辩识。
故障分离（faultisolation）：
在检测出故障后，确定故障的种类或发生的部位。
故障辨识（faultidentification）：
在故障发生后，确定故障的大小，发生时间、位置和故障性质，并对故障加以评价等。
FDD的应用背景,Nuclearfactory,目录,1.FDD研究的必要性；
5.FDD的研究现状；
2.1什么是FDD？
FDD是一门相对独立发展的理论与技术，同时又是一门应用型边缘学科，与容错控制、鲁棒控制、自适应控制、智能控制等有密切的联系。
由于基于软件冗余的FDD技术不需要增加额外的硬件设备，具有成本低、易于工程实现的优点，克服了基于硬件冗余FDD技术的诸多不足，成为当前该领域的主流。
控制界的FDD即常指以软冗余为主的FDD技术，这里也主要讨论软冗余的FDD技术。
Isermann在下文中对FDD的有关专业术语有专门的介绍。
IsermannR,BallP.Trendsintheapplicationofmodel-basedfaultdetection&
diagnosisoftechnicalprocesses.ControlEng.Practice,1997,5（5）:
709-719.,2.2故障的分类：
故障按照不同的标准有多种分类方法：
FDD发展简况：
1971年，Beard发表的博士论文以及Mehra与Peschon发表在Automatica上的文章，标志FDD技术的诞生。
1976年，Willsky发表了第一篇FDD方面的综述文章。
1978年，Himmelblau出版了国际上第一本FDD方面的学术著作。
1993年，IFAC（国际自动控制联合会）组织成立了“IFAC技术过程的故障诊断与安全性”技术委员会，并且每三年就举办一次国际会议专题讨论FDD。
1997年，中国自动化学会成立了“技术过程的故障诊断与安全性”专业委员会，以协调国内该学科的发展。
FDD发展简况（续）：
20世纪80年代末到90年代初基于观测器的LTI系统故障诊断的理论研究成为热点和重点。
80年代中后期，基于人工智能等非数学模型的FDD方法逐渐引起了人们的广泛关注。
90年代中期，关于LTI系统的FDD已形成相对较为完整的体系结构。
我国在20世纪80年代初开始了这方面的研究。
清华大学、南京航空航天大学、西安交通大学、上海海运学院、北京航空航天大学、国防科技大学、浙江大学、华中科技大学、南京理工大学等单位的学者均长期从事这方面的研究，取得了丰富的成果。
2006年，第六届IFAC（国际自动控制联合会）技术过程的故障检测、监控和安全性国际会议将在北京清华大学举行，届时该领域的研究人员将分享和交流在技术过程的故障检测、监控和安全性等多方面研究和应用中取得的最新进展。
FDD的任务和主要研究内容,FDD的主要任务是：
当系统发生故障时，找出故障的特征描述，并利用它进行故障检测、预报、分离、辨识，进而实现对故障决策。
FDD的任务和主要研究内容,FDD的主要研究内容包括：
FDD系统的故障特征提取、故障建模、故障预报、故障检测、故障诊断和故障评价与决策、性能评价体系等几个方面。
故障检测、故障预报、故障分离与辨识可以包含在FDD方法的研究中。
故障诊断原理图如图所示：
4.1故障特征提取：
故障诊断的过程可以看作是一个模式识别的过程。
故障识别信息主要来自两方面：
故障模式信息：
故障类别属性构成的信息源。
故障特征信息源：
故障样本特征属性构成的信息源。
故障特征提取就是通过数据测量和一定的信息处理技术获取反映系统故障的特征描述的过程。
故障特征提取的主要方法有：
直接观察和测量；
参数、状态估计或滤波与重构；
利用FFT、谱分析、小波分析等信号处理、PCA分析、神经元网络（ANN）、粗糙集（RS）理论对测量值进行信息处理。
按照先验信息和输入输出关系，建立故障情形下的系统数学模型，作为故障诊断的依据。
同时它也包括故障树、有向图、定性推理等FDD方法中非解析数学模型的建立。
4.2故障建模：
判断故障的严重程度及其对被诊断对象的影响和发展趋势，进而针对不同的工况和故障采取不同的措施。
4.3故障的评价与决策：
故障决策方法主要有：
阈值法、模糊逻辑法、贝叶斯决策法、故障假设检验法、模式识别法、聚类分析等。
4.4FDD系统的性能评价体系：
在设计一个FDD系统时，必然涉及到系统的性能及其评估体系，这方面的研究工作目前比较滞后。
概括起来，已有的评价故障诊断系统的性能指标大体上可分为以下三个方面：
（1）检测性能指标（DetectionPerformanceindex）早期检测的灵敏度：
故障检测的及时性；
故障检测的误报率、错报率和漏报率；
（2）诊断性能指标（DiagnosisPerformanceindex）故障分离能力；
故障辨识的准确性；
新颖故障和多/组合故障的诊断能力；
（3）综合性能指标（comprehensiveperformanceindex）FDD的实时性；
FDD的鲁棒性；
FDD的自适应能力。
上述指标受各种因素的影响，相互之间密切联系，并存在着一定的制约：
故障检测的及时性早期性和正常运行下的容错性矛盾；
故障集合的完整性和可诊断的故障集合之间的折衷；
故障的可分离性和对模型干扰的消除之间的折衷；
鲁棒性与灵敏性/实时性间的平衡；
诊断系统的性能和计算复杂性之间的折衷。
这些制约关系至今仍是FDD面临的一大挑战。
4.4FDD系统的性能评价体系（续）：
早期检测的灵敏度：
是指一个故障检测系统对“小”故障信号的检测能力（灵敏性）。
故障检测的及时性:
是指当诊断对象发生故障后检测系统在尽可能短的时间内检测到故障发生的能力。
故障检测的误报率、错报率和漏报率：
误报率是指系统没有发生故障却被错误地判定出现了故障；
错报率是指系统发生了故障，诊断系统也检测到故障，但将故障发生的部位、时间或大小等判断错了；
漏报率则是指系统中出现了故障却没有被检测出来的情形。
故障分离能力：
是指诊断系统对不同故障的区分能力。
系统对于不同故障的区分能力越强，那么对故障的定位也就越准确。
故障辨识的准确性：
是指诊断系统对故障的大小及其时变特性的估计的准确程度。
新颖故障和多组合故障的诊断能力：
对新颖故障的诊断能力是指当有新颖的故障发生时，诊断系统对其正确判断为新故障，而非无故障或其它已知故障的能力。
对多组合故障的诊断是指诊断系统不单是可正确进行单故障的诊断，还应尽可能对多组合故障作出正确的诊断。
故障诊断的实时性：
是指当诊断对象发生故障后诊断系统在尽可能短的时间内检测到故障发生并完成故障诊断的能力。
实时性越好，说明从故障发生到被正确检测、分离和辨识之间的时间间隔越短。
故障诊断的鲁棒性：
是指故障诊断系统在存在噪声、干扰、建模误差等情况下正确完成故障诊断任务，同时保持满意的误报率、错报率和漏报率的能力。
一个故障诊断系统的鲁棒性越强，表明它受噪声、干扰、建模误差的影响越小，其可靠性也越高。
故障诊断的自适应能力：
是指故障诊断系统对于变化的被诊断对象具有自适应能力并且能够充分利用由于变化产生的新信息来改善自身。
4.5FDD方法：
通常在具体研究FDD方法时主要涉及故障预报、故障检测、故障分离、故障辩识和故障评价等内容。
这是FDD技术的主要研究内容，也是迄今FDD领域研究最多、最为活跃的分支。
这些方法目前取得的成果不论是在检测性能、
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