2基于解析模型的故障诊断方法汇总

执行器故障（阀门故障）的描述
1. 阀门装置的基本结构 在讨论阀门故障现象和建立合理数学描述模型之 前，必须首先掌握阀门的基本结构。阀门由执行 机构、调节机构和阀门定位器组成，如图2所示。 执行机构将控制器输出信号转换成控制阀的推力， 由推力力矩进一步转化为角位移信号；调解机构 将位移信号转换为流通面积的变化，从而影响流 体流量。阀门定位器可改善控制系统功能，与阀 杆位移量组成副回路控制，克服摩擦力、不平衡 力和回差干扰。
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传感器故障的合理描述
Bias Fault 8 8
shifting Fault
hight(cm)
7
hight(cm)
0 20 30 40 time(second) Precision degradation fault 10 50
7.5
7.5
7
6.5
6.5
0
10
20 30 time(second) complete fault
40
50
8
10 9
hight(cm)
hight(cm)
0 10 20 30 time(second) 40 50
7.5
8 7 6
7
6.5
0
10
20 30 time(second)
40
50
实际值
故障测量值
图1 传感器故障类型描述
执行器故障（阀门故障）的描述
执行器位于控制回路的最终端，控制系统的控制性能与执 行器的性能和正确选用有着直接的十分重要的关系。阀门 是流程工业最常用的执行器，其使用不当或阀门故障引起 的生产不能正常进行甚至造成事故的情况不胜枚举。另一 方面在一个装置中阀门的数量众多，一些关键部位的阀门 价值昂贵且难于更换。本节研究对象采用欧洲网络训练基 金会在2002-2006年研究开发的一个动态执行器基准平 台——DAMADICS（Development and Application of Methods for Actuator Diagnosis in Industrial Control Systems）。DAMADICS基准平台是根据柏林一个糖生产 工业数据和实验测试数据，利用解析描述方法建立的执行 器故障基准仿真平台。
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基于解析模型的故障诊断
Contents
1 2 3
故障现象的合理描述
基于模型的鲁棒故障检测 在线故障容错控制
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三水箱系统故障的仿真研究 多重执行器故障的仿真研究
故障现象的合理描述
工业过程目前绝大部分已采用了计算机控制系统，且以计 算机为核心的控制器的可靠性可以达到较高水平，随之而 来的问题是执行器和传感器可靠性的不足。实际上，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， 据统计，80 %控制系统失效，起因于传感器和执行器故障。 然而，传统的控制理论的研究大多都是基于传感器和执行 器工作正常的假设。因此，研究传感器和执行器的故障检 测和容错控制间题有重要的理论和应用价值。 大部分故障容错控制研究中广泛采用了“二状态故障模 型”，尽管这种描述可以简化故障诊断和容错控制的研究， 但这种描述不能很好的反映实际的工程系统中所发生的故 障现象。因此，如何建立合理的实际故障的解析模型是非 常必要的。
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Байду номын сангаас
传感器故障的合理描述
4) 完全故障：完全故障时测量值不随实际变化而变化，始 终保持某一读数。通常这一恒定值一般是仪表量程的最大 或最小值。该类故障可以表示成为： F ( x, u, t ) c 表示仪表量程的最大或最小值 (9) 这类故障的发生往往是一个衰减过程，可以表示为： (t T ) ( 10) F (x,u,t ) (1 e )U (t T )c 其表现形式如图1(d)所示，此类故障检测的关键是早期检 测，防止故障进一步的扩大。
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传感器故障的合理描述
2.传感器故障分类及其特性描述 传感器故障：偏差故障、漂移故障、精度下降故障和完全 故障。前三种故障被称为“软故障”，而后一种故障被称为 “硬故障”。软故障由于故障现象不明显，难于被检测，使 得软故障在某种程度上比硬故障危害更大。 1) 偏差故障：是指故障测量值与正确测量值相差某一恒定 常数的一类故障，即： F ( x, u, t ) b b为常数 (6) 该类故障的表现形式如图1 所示。从图中可以看出，有故 障的测量与无故障的测量是平行的只是两者之间相差一个 常数 b。
传感器故障的合理描述
1. 传感器故障问题的描述 对于一个实际的多输入多输出的非线性动态系统，其带有 传感器故障数学模型可用描述为： (t ) f ( x, u) (t T ) x (1) y(t ) g ( x, u) (t ) B(t T ) F ( x, u, t ) (2) 故障发生的时间可以被描述为： B(t T ) diag{1 (t T1 ),, n (t Tn )} (3) 这里 (t T )(i 1,2,n) 表示一个时变增益的常数矩阵，可以描 述突变故障、衰减故障和间隙故障。 (t T ) U (t T ) （突变故障 ） (4) (t T ) 2 )U (t T ) （衰减故障 ） (5) (t T ) (1 e 2 2 2 是衰减系数，代表单位阶跃响应。
传感器故障的合理描述
2)漂移故障：是指故障大小随时间发生线性变化的一类故障,其形式为 F ( x, u, t ) d (t T0 ) 为常数，为的故障起始时刻 (7)
该类故障的表现形式如图1b所示，从图中可以看出，有故障测量值与 无故障测量值之间的差距随时间的推移而不断加大。 3) 精度下降故障：发生精度下降故障时，测量的平均值并没有变化， 而是测量的方差发生了变化。具体表示形式为： (8) F(x,u, t) ~ N (0, 22 ) 这里,N (0, ) 表示高斯白噪声, 表示方差。精度下降故障类似于自由噪声 的方差增大的情况。其表现形式如图1c所示，从图中可以看出，有故 障测量与无故障测量混杂在一起。正是由于这一点，使得该类故障的 检测较其他三类故障更难。