机械设备的故障诊断方法的研究进展-ji.docVIP

控制系统的故障诊断方法的研究进展 吉元晖 （山东钢铁集团 山东 济南 250101） 摘要：综述了控制系统的故障诊断方法，具体介绍了的3大类故障诊断方法。重点阐述了这些方法的基本思想、研究进展以及成果。指出了故障检测值得进一步研究的方向。 关键词：控制系统、故障诊断、故障检测、诊断方法 A survey of fault diagnosis methods for control systems Ji Yuanhui ( shandong jinan250101) Abstract: The available fault diagnosis methods of control system are reviewed. First, the three categories fault diagnosis methods are introduced. The categories of fault diagnosis methods are expatiated, the new development recently and some typical application results of the categories of fault diagnosis methods are extensively reviewed. Finally, several development trends are pointed out. Key words: control system; fault diagnosis; fault detection; fault diagnosis method 0 引言 随着科学技术的发展，设备复杂程度和自动化水平越来越高，机器运行中发生的任何故障或失效不仅会造成重大的经济损失，甚至还可能导致人员伤亡。为了切实保障设备的可靠性、安全性和有效性，迫切需要建立一个监控系统来监督设备的运行状态，实时检测系统变化和故障信息，采取有效的措施，以防止重大事故的发生。自20世纪60年代末美国国家宇航局就创立了美国故障预防小组以来，故障诊断技术逐渐发展起来的一门以数学、物理、现代控制论、计算机工程、通讯技术、信号处理、模式识别、人工智能、人工神经网络以及相应的应用学科为基础的多学科综合交叉的新学科[1-5]。它通过获得机械设备在静止或运行中的状态信息，并参考设备过去的运行经历，来获得设备的实时状况，并推断未来的趋势，从而确定必要的维修策略。本研究主要针对控制系统的故障诊断方法进行综述。 1基于解析模型的方法 该方法是研究最早、最深入、最成熟的方法，需要建立被诊断对象的较精确的数学模型，包括状态估计方法、等价空间方法和参数估计方法。尽管这三种方法是独立发展起来的，但它们之间存在一定的联系。文献[6-7]讨论了它们间的关系，其中基于观测器的状态估计法和等价空间法是等价的。由于设计非线性系统的状态观测器较难，因此参数估计法比状态估计法更适合于非线性系统，而一般的等价空间法仅适用于线性系统。 1.1状态估计方法 状态估计方法的基本思想是利用系统的解析模型和可测信息，设计检测滤波器(观测器) ，重建系统某一可测变量，然后由滤波器的输出与真实系统的输出的差值构造残差，再对残差进行分析处理，以实现系统的故障诊断。在能够获得系统精确数学模型的情况下，状态估计方法是最直接有效的方法，然而在实际中，这一条件往往很难满足。所以目前对于状态估计方法的研究主要集中在提高检测系统对子建模误差、扰动、噪声等未知输入的鲁棒性及系统对于早期故障的灵敏度。近年来出现了许多基于状态估计的故障诊断新方法，如Luenberger鲁棒故障检测观测器方法[8]、线性矩阵不等式(Linear Matrix Inequalities，LMI)方法[9]、基于滑模鲁棒估计方法[10]、模糊模型的故障检测与分离(Fault Detection and Isolation，FDI)方法[11]、基于多模型估计的混合估计方法[12]等。 1.2等价空间法 等价空间法的基本思想是利用系统的输入/输出的实际测量值检验系统数学模型的等价性(即一致性)，以检测和分离故障。其在诊断时存在问题：低阶等价向量在线实现较简单但性能不佳，而高阶等价向量能带来较好的性能却计算量大，且漏报率高。因此，目前的研究普遍都采用改进过的等价空间法，如文献[13]提出基于全局滤波法的等价空间故障检测法，大大提高故障诊断的速度和精度。文献[14]在等价空间法引入平稳小波变换，能降低计算量，且漏报率较低。 1.3参数估计方法 参数估计方法的基本思想是根据模型参数及相应的物理参数的变化统计特性来检测和分离故障。与状态估计的方法相比，参数估计法更利于故障的分离。参数估计方法要