故障診斷技術(shù)的回顧與展望2

1、系統(tǒng)龐大的規(guī)模與高度的復(fù)雜程度系統(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(shí)檢測(cè)并排除，就系統(tǒng)中出現(xiàn)的某些微小故障若不能及時(shí)檢測(cè)并排除，就有可能造成整個(gè)系統(tǒng)的失效、癱瘓，甚至導(dǎo)致巨大的災(zāi)有可能造成整個(gè)系統(tǒng)的失效、癱瘓，甚至導(dǎo)致巨大的災(zāi)難性后果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)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(yùn)行的故障的發(fā)生和發(fā)展正常運(yùn)行的故障的發(fā)生和發(fā)展就成為一個(gè)重要的有待解就成為一個(gè)重要的有待解決的問(wèn)題決的問(wèn)題提高系統(tǒng)安全性、可靠性的方法有多種，其中一個(gè)重要提高系統(tǒng)安全性、可靠性的方法有多種，其中一個(gè)重要的方法就是采用故障檢測(cè)與診斷

2、技術(shù)的方法就是采用故障檢測(cè)與診斷技術(shù)1. IntroductionHunan University of Technology 故障診斷技術(shù)的回顧與展望故障診斷技術(shù)的回顧與展望故障包括兩層含義：故障包括兩層含義： l一是系統(tǒng)偏離正常功能一是系統(tǒng)偏離正常功能。其形成原因主要是因。其形成原因主要是因?yàn)橄到y(tǒng)的工作條件（含零部件）不正常而產(chǎn)生為系統(tǒng)的工作條件（含零部件）不正常而產(chǎn)生的。通過(guò)參數(shù)調(diào)節(jié)，或修復(fù)零部件，又可恢復(fù)的。通過(guò)參數(shù)調(diào)節(jié)，或修復(fù)零部件，又可恢復(fù)正常功能正常功能l二是功能失效二是功能失效。是指系統(tǒng)連續(xù)偏離正常功能，。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且其程

3、度不斷加劇，使設(shè)備基本功能不能保證 1. IntroductionHunan University of Technology l診斷技術(shù)可以說(shuō)幾乎是與機(jī)器的發(fā)明同時(shí)產(chǎn)生的診斷技術(shù)可以說(shuō)幾乎是與機(jī)器的發(fā)明同時(shí)產(chǎn)生的 l本世紀(jì)本世紀(jì)60年代，起源于工業(yè)發(fā)達(dá)的歐美國(guó)家和亞洲的年代，起源于工業(yè)發(fā)達(dá)的歐美國(guó)家和亞洲的日本日本 l70年代中期進(jìn)入蓬勃發(fā)展的階段年代中期進(jìn)入蓬勃發(fā)展的階段 l進(jìn)入進(jìn)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(shí)際應(yīng)用的新一體的，一門既注重理論研究，又注重實(shí)際應(yīng)用的新興交叉學(xué)科興交叉學(xué)科1. Intr

4、oductionHunan University of Technology 2.1 Basic concepts of fault diagnosis Technique 2.2 Faults Classification2.3 Basic tasks of fault diagnosis 2.4 Performance indices2.5 Classification of fault diagnosis methodsHunan University of Technology 2. Some Problems of FD Technique故障診斷技術(shù)的回顧與展望故障診斷技術(shù)的回顧與

5、展望l故障故障(fault)：系統(tǒng)至少一個(gè)特性或參數(shù)出現(xiàn)較大偏差，超出了：系統(tǒng)至少一個(gè)特性或參數(shù)出現(xiàn)較大偏差，超出了可接受的范圍。此時(shí)系統(tǒng)的性能明顯低于其正常水平，所以已可接受的范圍。此時(shí)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)期的功能難以完成其預(yù)期的功能l失靈失靈(malfunction)：在系統(tǒng)完成特定的任務(wù)時(shí)，出現(xiàn)了間斷性：在系統(tǒng)完成特定的任務(wù)時(shí)，出現(xiàn)了間斷性的不規(guī)則現(xiàn)象的不規(guī)則現(xiàn)象l失效失效(failure，又稱嚴(yán)重故障又稱嚴(yán)重故障)：是指系統(tǒng)連續(xù)偏離正常功能：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（由于故障），且其程度不斷加劇，使系統(tǒng)持

6、續(xù)喪失了完成給定任務(wù)的能力定任務(wù)的能力l殘差殘差(residual)：故障指示器，由測(cè)量值與模型計(jì)算值的差得到：故障指示器，由測(cè)量值與模型計(jì)算值的差得到l征兆征兆(symptom)：由故障引起的系統(tǒng)可觀測(cè)的特性與其正常的：由故障引起的系統(tǒng)可觀測(cè)的特性與其正常的特性相比所出現(xiàn)的異常變化特性相比所出現(xiàn)的異常變化2.1 Basic Concepts of Fault Diagnosis TechniqueHunan University of Technology 2. Some Problems of FD Techniquel監(jiān)視監(jiān)視(monitoring)：通過(guò)記錄信息、識(shí)別與指示系統(tǒng)行為的：

7、通過(guò)記錄信息、識(shí)別與指示系統(tǒng)行為的異?，F(xiàn)象，連續(xù)與實(shí)時(shí)地確定某一物理系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。異?，F(xiàn)象，連續(xù)與實(shí)時(shí)地確定某一物理系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。l監(jiān)控監(jiān)控(supervision)：對(duì)物理系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)視，并且當(dāng)他發(fā)生故：對(duì)物理系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)視，并且當(dāng)他發(fā)生故障時(shí)采取適當(dāng)?shù)拇胧?，以維持其運(yùn)行。障時(shí)采取適當(dāng)?shù)拇胧?，以維持其運(yùn)行。l誤報(bào)誤報(bào)(false alarm)：系統(tǒng)沒(méi)有發(fā)生故障而報(bào)警。：系統(tǒng)沒(méi)有發(fā)生故障而報(bào)警?！罢`報(bào)率誤報(bào)率”是衡量故障診斷系統(tǒng)性能的基本指標(biāo)之一是衡量故障診斷系統(tǒng)性能的基本指標(biāo)之一l漏報(bào)漏報(bào)(missing alarm)：系統(tǒng)發(fā)生了故障而沒(méi)有報(bào)警。：系統(tǒng)發(fā)生了故障而沒(méi)有報(bào)警?！奥﹫?bào)漏報(bào)率率”是

8、衡量故障診斷系統(tǒng)性能的又一個(gè)基本指標(biāo)是衡量故障診斷系統(tǒng)性能的又一個(gè)基本指標(biāo)Hunan University of Technology 2.1 Basic Concepts of Fault Diagnosis Techniquel 冗余（冗余（redundancy）：）： 指系統(tǒng)里重復(fù)配置的一些部件指系統(tǒng)里重復(fù)配置的一些部件 （自動(dòng)（自動(dòng) 備援），備援）， 即當(dāng)某一部件（設(shè)備）發(fā)生損壞時(shí)即當(dāng)某一部件（設(shè)備）發(fā)生損壞時(shí), 冗余配置的部件冗余配置的部件 可以自動(dòng)作為后備式部件替代故障部件（設(shè)備）的工作，由此可以自動(dòng)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(shí)間減少系統(tǒng)的故障時(shí)

9、間l 數(shù)據(jù)冗余（數(shù)據(jù)冗余（date redundancy ）：在一個(gè)數(shù)據(jù)集合中重復(fù)的數(shù)：在一個(gè)數(shù)據(jù)集合中重復(fù)的數(shù) 據(jù)，簡(jiǎn)單說(shuō)就是多余的數(shù)據(jù)。如果數(shù)據(jù)丟失、出錯(cuò)、故障等可據(jù)，簡(jiǎn)單說(shuō)就是多余的數(shù)據(jù)。如果數(shù)據(jù)丟失、出錯(cuò)、故障等可 以用冗余恢復(fù)數(shù)據(jù)以用冗余恢復(fù)數(shù)據(jù)l 硬件冗余（硬件冗余（hardware redundancy）：）：用同樣的硬件重構(gòu)過(guò)程用同樣的硬件重構(gòu)過(guò)程 的元部件。特點(diǎn)是可靠性高、故障分離直接，但成本過(guò)高的元部件。特點(diǎn)是可靠性高、故障分離直接，但成本過(guò)高l 解析冗余解析冗余(analytical redundancy)：與硬件冗余相對(duì)應(yīng)，指通過(guò)：與硬件冗余相對(duì)應(yīng)，指通過(guò) 用解析方式表

10、示的系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型來(lái)產(chǎn)生冗余信號(hào)用解析方式表示的系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型來(lái)產(chǎn)生冗余信號(hào)Hunan University of Technology 2.1 Basic Concepts of Fault Diagnosis Technique2.1 Basic Concepts of Fault Diagnosis TechniqueHunan University of Technology Component(hardware)Redundantcomponent0: fault=0: fault-freeFig. 2.1 Schematic description of the hardware re

11、dundancy scheme如果過(guò)程元部件的輸出不同于其硬件冗余的輸出，則過(guò)程元部如果過(guò)程元部件的輸出不同于其硬件冗余的輸出，則過(guò)程元部件被檢測(cè)出有故障發(fā)生件被檢測(cè)出有故障發(fā)生冗余信號(hào)的產(chǎn)生往往是成功實(shí)現(xiàn)故障診斷的一個(gè)關(guān)鍵冗余信號(hào)的產(chǎn)生往往是成功實(shí)現(xiàn)故障診斷的一個(gè)關(guān)鍵 按照發(fā)生部位的不同可分為按照發(fā)生部位的不同可分為 過(guò)程（元部件）故障過(guò)程（元部件）故障 (process/component faults) 傳感器故障傳感器故障 (sensor faults) 執(zhí)行器故障執(zhí)行器故障 (actuator faults) 按照時(shí)間特性的不同可分為按照時(shí)間特性的不同可分為 突變故障突變故障(abr

12、upt faults) 緩變故障緩變故障(incipient faults) 間隙故障間隙故障(intermittent faults) 按照發(fā)生形式的不同可分為按照發(fā)生形式的不同可分為 加性故障加性故障(additive faults) 乘性故障乘性故障(multiplicative faults)Hunan University of Technology 2. Some Problems of FD Technique 按照發(fā)生部位的不同劃分按照發(fā)生部位的不同劃分l 過(guò)程故障（過(guò)程故障（process faults）：）：被控對(duì)象中的某些元部件甚被控對(duì)象中的某些元部件甚 至是至是子系統(tǒng)發(fā)

13、生異常子系統(tǒng)發(fā)生異常 l 傳感器故障（傳感器故障（sensor faults）：）：控制回路中用于檢測(cè)被測(cè)量的傳控制回路中用于檢測(cè)被測(cè)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(cè)量信息，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(cè)量信息，具體表現(xiàn)為對(duì)象變量的測(cè)量值與其實(shí)際值之間的差別具體表現(xiàn)為對(duì)象變量的測(cè)量值與其實(shí)際值之間的差別 l 執(zhí)行器故障（執(zhí)行器故障（actuator faults）：）：控制回路中用于執(zhí)行控制命令控制回路中用于執(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

14、的輸入命令和它的實(shí)際輸出之間的差別令，具體表現(xiàn)為執(zhí)行器的輸入命令和它的實(shí)際輸出之間的差別 Hunan University of Technology 按照時(shí)間特性的不同劃分按照時(shí)間特性的不同劃分l突變故障突變故障(abrupt faults)：參數(shù)值突然出現(xiàn)很大偏差，事先：參數(shù)值突然出現(xiàn)很大偏差，事先不可監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)的故障不可監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)的故障l緩變故障緩變故障(incipient faults)：又稱為軟故障，指參數(shù)隨時(shí)間：又稱為軟故障，指參數(shù)隨時(shí)間的推移和環(huán)境的變化而緩慢變化的故障的推移和環(huán)境的變化而緩慢變化的故障l間隙故障間隙故障(intermittent faults)：由于老化、容差不

15、足或接觸：由于老化、容差不足或接觸不良引起的時(shí)隱時(shí)現(xiàn)的故障不良引起的時(shí)隱時(shí)現(xiàn)的故障Hunan University of Technology 按照發(fā)生形式的不同劃分按照發(fā)生形式的不同劃分l加性故障加性故障(additive fault)：作用在系統(tǒng)上的未知輸入，在：作用在系統(tǒng)上的未知輸入，在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)為零。它的出現(xiàn)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)輸出發(fā)生獨(dú)立系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)為零。它的出現(xiàn)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)輸出發(fā)生獨(dú)立于已知輸入的改變于已知輸入的改變l乘性故障乘性故障(multiplicative fault)：系統(tǒng)的某些參數(shù)的變化。：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(shí)也受已知輸入它們能引起系統(tǒng)

16、輸出的變化，這些變化同時(shí)也受已知輸入的影響的影響Hunan University of Technology 故障診斷是一門綜合性技術(shù)，其研究涉及到故障診斷是一門綜合性技術(shù)，其研究涉及到多門學(xué)科，如控制理論多門學(xué)科，如控制理論 （經(jīng)典、現(xiàn)代、魯棒、（經(jīng)典、現(xiàn)代、魯棒、自適應(yīng)）、可靠性理論、數(shù)理統(tǒng)計(jì)、模糊集自適應(yīng)）、可靠性理論、數(shù)理統(tǒng)計(jì)、模糊集理論、信息處理、模式識(shí)別人工智能等學(xué)科理論、信息處理、模式識(shí)別人工智能等學(xué)科理論理論 Hunan University of Technology 2. Some Problems of FD Technique u 故障建模（故障建模（fault mod

17、eling）u 故障檢測(cè)（故障檢測(cè)（fault detection）u 故障分離（故障分離（fault isolation） 故障識(shí)別（故障識(shí)別（identification） 故障診斷（故障診斷（diagnosis） Hunan University of Technology 故障檢測(cè)與分離故障檢測(cè)與分離（識(shí)別）（識(shí)別）FDI故障檢測(cè)與診斷故障檢測(cè)與診斷FDD故障的評(píng)價(jià)與決策故障的評(píng)價(jià)與決策FED, Fault Evaluation and DecisionThe basic tasks of the supervision system Equipmentsand ProcessSens

18、orSensorSensor信號(hào)處理FaultDiagnosisEvaluationandDecisionSignalProcessingOutputSignal Acquisition Hunan University of Technology 檢測(cè)性能指標(biāo)（檢測(cè)性能指標(biāo)（Detection Performance Index） 早期檢測(cè)的靈敏度早期檢測(cè)的靈敏度 故障檢測(cè)的及時(shí)性故障檢測(cè)的及時(shí)性 故障的誤報(bào)率和漏報(bào)率故障的誤報(bào)率和漏報(bào)率 診斷性能指標(biāo)（診斷性能指標(biāo)（Diagnosis Performance Index） 故障分離能力故障分離能力 故障辨識(shí)的準(zhǔn)確性故障辨識(shí)的準(zhǔn)確性 綜合性能

19、指標(biāo)（綜合性能指標(biāo)（Comprehensive Performance Index） 魯棒性魯棒性 自適應(yīng)能力自適應(yīng)能力 安全性安全性 可靠性可靠性 Hunan University of Technology 2. Some Problems of FD Technique2. Some Problems of FD TechniqueHunan University of Technology 診斷方法的研究在于：尋找征兆與故障之間的有效對(duì)應(yīng)關(guān)系診斷方法的研究在于：尋找征兆與故障之間的有效對(duì)應(yīng)關(guān)系 最簡(jiǎn)單的故障檢測(cè)方法就是所謂界限判別法最簡(jiǎn)單的故障檢測(cè)方法就是所謂界限判別法也即判別兩類過(guò)程

20、狀態(tài)也即判別兩類過(guò)程狀態(tài)(正常和異常狀態(tài)正常和異常狀態(tài)) 如使用一個(gè)傳感器信號(hào)如使用一個(gè)傳感器信號(hào)x，可按如下條件描述：，可按如下條件描述： 如果如果xHth，那么狀態(tài)正常，否則狀態(tài)異常，那么狀態(tài)正常，否則狀態(tài)異常 Hunan University of Technology 國(guó)際故障診斷權(quán)威，德國(guó)的國(guó)際故障診斷權(quán)威，德國(guó)的P.M.Frank教授認(rèn)為教授認(rèn)為 故障診斷方法可以分為故障診斷方法可以分為 基于模型的方法基于模型的方法 (model-based) 基于知識(shí)的方法基于知識(shí)的方法 (knowledge-based) 基于信號(hào)處理的方法基于信號(hào)處理的方法 (Signal-processin

21、g-based)基于知識(shí)的方法基于解析模型的方法基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法故 障 診 斷 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)方法模糊推理模式最小二乘法濾波器方法參數(shù)估計(jì)方法基于觀測(cè)器方法等價(jià)空間方法信號(hào)處理方法機(jī)器學(xué)習(xí)信息融合/粗糙集譜分析小波變換主元分析法Fisher判別分析法偏最小二乘方法神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有向圖故障樹(shù)支持向量機(jī)多元統(tǒng)計(jì)分析相關(guān)分析/子空間法3.1 The General Procedure of Model-based FD3.2 Modeling of Faults3.3 Observer-based Approac

22、h3.4 Parity Space Approach3.5 Parameter Estimation ApproachHunan University of Technology 3 Basic Principles Model-based Fault Diagnosis故障診斷技術(shù)的回顧與展望故障診斷技術(shù)的回顧與展望基本思想基本思想校驗(yàn)由相同的過(guò)程輸入信號(hào)驅(qū)動(dòng)的過(guò)程解校驗(yàn)由相同的過(guò)程輸入信號(hào)驅(qū)動(dòng)的過(guò)程解析模型的輸出與實(shí)際系統(tǒng)的測(cè)量輸出之間析模型的輸出與實(shí)際系統(tǒng)的測(cè)量輸出之間的一致或不一致性的一致或不一致性3.1 The General Procedure of Model-based FDH

23、unan University of Technology 3 Basic Principles Model-based Fault Diagnosis 過(guò) 程過(guò)程名義模型殘差處理決策邏輯故障的知識(shí)過(guò)程輸入過(guò)程輸出殘 差 生 成殘 差 評(píng) 價(jià)殘 差故障診斷Hunan University of Technology 3.1 The General Procedure of Model-based FDFig.3.1 Schematic description of the model-based fault diagnosis scheme通常所采用的過(guò)程解析模型有兩種不同的策略通常所采用的過(guò)

24、程解析模型有兩種不同的策略 模擬名義的或無(wú)故障的特性模型模擬名義的或無(wú)故障的特性模型 (Nominal model/ Fault-free model) 對(duì)于某個(gè)特定的預(yù)知故障建立其故障特性模型對(duì)于某個(gè)特定的預(yù)知故障建立其故障特性模型 (Faulty model)Hunan University of Technology 3.1 The General Procedure of Model-based FD FD任務(wù)分兩步完成任務(wù)分兩步完成l殘差（征兆）生成殘差（征兆）生成 (Residual/Symptom Generation)l殘差（征兆）評(píng)價(jià)殘差（征兆）評(píng)價(jià) (Residual /S

25、ymptom Evaluation) Hunan University of Technology 3.1 The General Procedure of Model-based FD 基于解析模型的殘差生成方法主要有三種基于解析模型的殘差生成方法主要有三種u 基于觀測(cè)器方法基于觀測(cè)器方法 (Observer-based)u 等價(jià)空間方法等價(jià)空間方法 (Parity Space) （或奇偶方程、奇偶關(guān)系、奇偶空間）方法（或奇偶方程、奇偶關(guān)系、奇偶空間）方法u 參數(shù)估計(jì)方法參數(shù)估計(jì)方法 (Parameter Estimation) FDIA系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵抑制信號(hào)中不感興趣部分而加

26、強(qiáng)其中反映故障的部分，以抑制信號(hào)中不感興趣部分而加強(qiáng)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區(qū)分故障與模型不確定性和未知輸入的影響基于模型基于模型FDIA系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)使使FDIA系統(tǒng)對(duì)故障具有盡可能大的靈敏度，而同時(shí)對(duì)不感系統(tǒng)對(duì)故障具有盡可能大的靈敏度，而同時(shí)對(duì)不感興趣信號(hào)的影響具有盡可能大的魯棒性興趣信號(hào)的影響具有盡可能大的魯棒性 Hunan University of Technology 3.1 The General Procedure of Model-based FD FD系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)包括如下任務(wù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)包括如下任務(wù) 設(shè)計(jì)一個(gè)殘差生成器，對(duì)故

27、障具有高的靈敏度而對(duì)模型設(shè)計(jì)一個(gè)殘差生成器，對(duì)故障具有高的靈敏度而對(duì)模型 不確定具有強(qiáng)的魯棒性不確定具有強(qiáng)的魯棒性 通過(guò)選擇殘差評(píng)價(jià)函數(shù)定義征兆，以保證所檢測(cè)的關(guān)于通過(guò)選擇殘差評(píng)價(jià)函數(shù)定義征兆，以保證所檢測(cè)的關(guān)于 故障的信息不被丟失故障的信息不被丟失 進(jìn)一步分析殘差或開(kāi)發(fā)征兆，獲得更多的關(guān)于故障的知進(jìn)一步分析殘差或開(kāi)發(fā)征兆，獲得更多的關(guān)于故障的知 識(shí)，以便指導(dǎo)決策或?qū)嵤┤蒎e(cuò)控制識(shí)，以便指導(dǎo)決策或?qū)嵤┤蒎e(cuò)控制Hunan University of Technology 3.1 The General Procedure of Model-based FDHunan University of T

28、echnology 3.2 Modeling of Fault3 Basic Principles Model-based Fault Diagnosis控制器執(zhí)行器系統(tǒng)動(dòng)態(tài)傳感器故障診斷監(jiān)控控制命令輸出測(cè)量輸出y(t)開(kāi)環(huán)系統(tǒng)u(t)uC(t)在基于模型故障診斷中使用開(kāi)環(huán)系統(tǒng)模型，雖然我們認(rèn)為這個(gè)在基于模型故障診斷中使用開(kāi)環(huán)系統(tǒng)模型，雖然我們認(rèn)為這個(gè)系統(tǒng)是在控制回路中系統(tǒng)是在控制回路中 Fig.3.2 故障診斷與控制回路 3.2 Modeling of FaultHunan University of Technology Fig.3.3 Strcture of a standard con

29、trol loop with faultHunan University of Technology 3.2 Modeling of FaultHunan University of Technology 3.2 Modeling of Fault這一開(kāi)環(huán)系統(tǒng)分為執(zhí)行器、系統(tǒng)動(dòng)態(tài)和傳感器三個(gè)部分。按這一開(kāi)環(huán)系統(tǒng)分為執(zhí)行器、系統(tǒng)動(dòng)態(tài)和傳感器三個(gè)部分。按照發(fā)生形式的不同主要研究過(guò)程元部件故障照發(fā)生形式的不同主要研究過(guò)程元部件故障(process faults)、 傳感器故障傳感器故障(sensor faults) 以及執(zhí)行器故障以及執(zhí)行器故障(actuator faults) u(t)uR(t)y

30、R(t)輸 出執(zhí) 行 器系 統(tǒng) 動(dòng) 態(tài)傳 感 器輸 出測(cè) 量 輸 出執(zhí) 行Fig.3.4開(kāi)環(huán)系統(tǒng)模型( )( )( )( )( )( )RRRx tAx tButytCx tDut系統(tǒng)動(dòng)態(tài)可用狀態(tài)空間模型描述 Hunan University of Technology 3.2 Modeling of Fault當(dāng)當(dāng)(過(guò)程）元部件發(fā)生故障時(shí)過(guò)程）元部件發(fā)生故障時(shí) 執(zhí)行u (t)f (t)元部件故障參數(shù)故障輸出系統(tǒng)動(dòng)態(tài)cy (t)RRFig.3.5元部件有故障時(shí)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)圖 （過(guò)程）元部件故障可以（過(guò)程）元部件故障可以視為系統(tǒng)中一些條件的改視為系統(tǒng)中一些條件的改變而使動(dòng)態(tài)關(guān)系變?yōu)闊o(wú)效變而使動(dòng)態(tài)關(guān)系

31、變?yōu)闊o(wú)效的情形，如在三容器中一的情形，如在三容器中一個(gè)水容器出現(xiàn)漏洞。在一個(gè)水容器出現(xiàn)漏洞。在一些情形下，故障可以表達(dá)些情形下，故障可以表達(dá)為系統(tǒng)中參數(shù)的變化為系統(tǒng)中參數(shù)的變化 ( )( )( )( )Rpx tAx tButftHunan University of Technology 3.2 Modeling of Fault當(dāng)傳感器發(fā)生故障時(shí)當(dāng)傳感器發(fā)生故障時(shí) 一般說(shuō)來(lái)，系統(tǒng)的實(shí)際輸一般說(shuō)來(lái)，系統(tǒng)的實(shí)際輸出出yR(t)是不能直接得到的，是不能直接得到的，通常用傳感器獲得系統(tǒng)測(cè)通常用傳感器獲得系統(tǒng)測(cè)量輸出。通過(guò)正確選擇向量輸出。通過(guò)正確選擇向量量fs，可以描述所有的傳感，可以描述所有的傳

32、感器故障情形。如當(dāng)傳感器器故障情形。如當(dāng)傳感器被被“固定在零值上固定在零值上”時(shí)，時(shí)，測(cè)量向量測(cè)量向量y(t)=0，故障向量，故障向量 ( )( )sRf tyt y (t)f (t)傳 感 器 故 障y(t)傳 感 器測(cè) 量 輸 出輸 出sRFig.3.6 傳感器有故障時(shí)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)圖 ( )( )( )Rsy tytf tHunan University of Technology 3.2 Modeling of Fault當(dāng)執(zhí)行器發(fā)生故障時(shí)當(dāng)執(zhí)行器發(fā)生故障時(shí) 事實(shí)上，系統(tǒng)的實(shí)際執(zhí)行事實(shí)上，系統(tǒng)的實(shí)際執(zhí)行通常也是不能直接獲得的。通常也是不能直接獲得的。對(duì)于一個(gè)受控系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，對(duì)于一個(gè)受控系統(tǒng)來(lái)說(shuō)

33、，uR是已知執(zhí)行器控制命令是已知執(zhí)行器控制命令u(t)的執(zhí)行器響應(yīng)。與傳感的執(zhí)行器響應(yīng)。與傳感器故障情況類似，不同的器故障情況類似，不同的執(zhí)行器故障情況可以由一執(zhí)行器故障情況可以由一個(gè)合適的故障函數(shù)個(gè)合適的故障函數(shù)fa(t)來(lái)表來(lái)表示示 u (t)f (t)執(zhí) 行 器 故 障u(t)執(zhí) 行 器執(zhí) 行輸 出aRFig.3.7 執(zhí)行器有故障時(shí)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)圖 ( )( )( )Rautu tf tHunan University of Technology 3.2 Modeling of Fault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

34、統(tǒng)模型可描述為：障，系統(tǒng)模型可描述為：( )( )( ( )( )( )( )( )( ( )( )( )( )adppadsppx tAx tB u tf tE dE fty tCx tD u tf tF df tF ft( )( )( )( )( )( )( )( )( )( )dfdfx tAx tBu tE d tE f ty tCx tDu tF d tF f t通常寫成如下?tīng)顟B(tài)空間描述的一般形式：通常寫成如下?tīng)顟B(tài)空間描述的一般形式：輸入輸出描述形式為：輸入輸出描述形式為： ( )( ) ( )( ) ( )ufy pGp u pGp f pHunan University of T

35、echnology 3.2 Modeling of Fault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：的狀態(tài)空間模型就變成： ( )() ( )() ( )( )( )( )() ( )() ( )( )( )dfffx tAA x tBB u tE d tE f ty tCC x tDD u tE d tF f t其輸入其輸入-輸出一致性模型變?yōu)椋狠敵鲆恢滦阅Ｐ妥優(yōu)椋? ) ( )( ) ( )( ) ( )( ) ( )uudfy pG pG p u pG p d pG p f pHunan Universi

36、ty of Technology 3.3 Observer-based Approach3 Basic Principles Model-based Fault Diagnosis系 統(tǒng)模 型濾 波 器ufyrH觀測(cè)器 yyFig.3.8 基于觀測(cè)器方法的殘差生成器原理 3.3 Observer-based ApproachHunan University of Technology Hunan University of Technology ( )( )( )( )( )( )( )( )( )( )dfdfx tAx tBu tE d tE f ty tCx tDu tFd tF f t

37、 (1)( )( )( )( ( )( )( )( )( )( )( )( )( )( ) ( )bbx tAx tBu tL y ty tr ty ty ty tCx tDu tr sR s r s (2) 3.3 Observer-based ApproachHunan University of Technology . exx()dfbdfdfeA eEdEfrC eFdFfrVC eFdFf (3) , , dddfffAALCEELFEELF. ( )( ) ( )( )( )rdrfr sVGs d sVGs f s1( )()rdddGsC sIAEF1( )()rfffGsC

38、 sIAEF (4) (5) (6) 3.3 Observer-based ApproachHunan University of Technology 1/220( ) ( ) )Terrr t r t dt1/221() ()2Terrrjr jd222,0sup( )sup( )( )( )supthddd fddJr sr sR s G sdalarm for faulttherJno faulttherJ200TTrdddTr r dtd ddt2,min00inf()rfttTTTrfffSTjr r dtffdt1,mindim( )maxdim( )ththD JJDdd3.3

39、 Observer-based ApproachHunan University of Technology 殘差生成器設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)即為設(shè)法達(dá)殘差生成器設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)即為設(shè)法達(dá)到使到使FD系統(tǒng)對(duì)故障更加靈敏，而同時(shí)系統(tǒng)對(duì)故障更加靈敏，而同時(shí)對(duì)不感興趣信號(hào)的影響更加魯棒之間的對(duì)不感興趣信號(hào)的影響更加魯棒之間的最佳平衡最佳平衡 Hunan University of Technology 3 Basic Principles Model-based Fault Diagnosis3.4 Parity Space Approach等價(jià)空間方法的基本思想是提供一個(gè)等價(jià)空間方法的基本思想是提供一個(gè)合適

40、的被監(jiān)控系統(tǒng)的測(cè)量一致性合適的被監(jiān)控系統(tǒng)的測(cè)量一致性(奇偶奇偶性性)校驗(yàn)校驗(yàn) Hunan University of Technology 3 Basic Principles Model-based Fault Diagnosis對(duì)于硬件對(duì)于硬件(直接直接)冗余，應(yīng)多于傳感器最小數(shù)，也就是說(shuō)，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)大于的維數(shù)應(yīng)大于x(k)的維數(shù)的維數(shù) 首先考慮使用首先考慮使用m個(gè)傳感器，個(gè)傳感器，n維向量的測(cè)量問(wèn)題，其測(cè)量維向量的測(cè)量問(wèn)題，其測(cè)量方程為：方程為：( )( )( )( )y kCx kf kd kmn系統(tǒng)動(dòng)態(tài)傳感器C殘差生成器V殘差rFig.3.9

41、 基于硬件（直接）冗余的殘差生成結(jié)構(gòu)()rank CnHunan University of Technology 3.4 Parity Space Approach為了檢測(cè)分離故障的目的，向量為了檢測(cè)分離故障的目的，向量y(k)可以組合成一組線性無(wú)可以組合成一組線性無(wú)關(guān)的等價(jià)等式來(lái)生成等價(jià)向量關(guān)的等價(jià)等式來(lái)生成等價(jià)向量(殘差殘差)： ( )( )r kVy k矩陣矩陣V必須滿足：必須滿足：0V C111( )( )( )( )( )mmmr kv f kd kvfkdk由由V的列所張成的的列所張成的空間空間 稱為稱為“等價(jià)空間等價(jià)空間” ，也就是說(shuō)，也就是說(shuō)，V的列構(gòu)成了這個(gè)空間的基。的列構(gòu)

42、成了這個(gè)空間的基。 V如果第如果第i個(gè)傳感器中發(fā)生了故障，意味著在方向上個(gè)傳感器中發(fā)生了故障，意味著在方向上的殘差范數(shù)的增大。的殘差范數(shù)的增大。ivHunan University of Technology 3.4 Parity Space Approach故障檢測(cè)決策函數(shù)（故障檢測(cè)決策函數(shù)（fault detection decision function） ( )( )( )TDFD kr kr k故障分離決策函數(shù)（故障分離決策函數(shù)（fault isolation decision function） ( )( ); 1,2,.,TiiDFIkv r kim對(duì)于一個(gè)特定的對(duì)于一個(gè)特定的r

43、(k)，可以通過(guò)計(jì)算，可以通過(guò)計(jì)算 DFIi(k)的的m個(gè)值來(lái)識(shí)別不個(gè)值來(lái)識(shí)別不正常工作的傳感器。如果正常工作的傳感器。如果DFIi(k)是這些值中的最大數(shù)，那么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 Hunan University of Technology 3.4 Parity Space Approach從等價(jià)空間的觀點(diǎn)來(lái)看，從等價(jià)空間的觀點(diǎn)來(lái)看，V的列定義了的列定義了m個(gè)不同的故障表征個(gè)不同的故障表征方向方向 （Ii, i=1,2,m），在指示有一個(gè)故障發(fā)生后，），在指示有一個(gè)故障發(fā)生后，通過(guò)將通過(guò)將等價(jià)向

44、量方向與每一個(gè)故障表征方向相比較等價(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，可以進(jìn)行故障分離。實(shí)際上，故障分離函數(shù)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，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)故障表征方向間的夾角應(yīng)“盡可能地大盡可能地大”，也即，也即， ()Tijv v vj應(yīng)應(yīng)“盡可能小盡可能小” Hunan University of Technology 3.4 Parity Space Approach()rank Cmn直接冗余直接冗余/硬件冗余關(guān)系不存在硬

45、件冗余關(guān)系不存在 為實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的故障分離，為實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的故障分離，vi應(yīng)滿足應(yīng)滿足 m in ; ; ,1, 2,.,m ax ; 1, 2,.,TijTiivvijijmvvim系 統(tǒng)模 型濾 波 器ufyr yyFig.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：通過(guò)在一定時(shí)間間隔，即數(shù)據(jù)窗： (), (1),( )y ks y ksy k 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(temporal redundancy)或連續(xù)冗余或連續(xù)冗余(serial redundancy) Hunan University o

46、f Technology 3.4 Parity Space Approach考慮系統(tǒng)由線性離散狀態(tài)空間方程給出：考慮系統(tǒng)由線性離散狀態(tài)空間方程給出：(1)( )( )( )( )( )( )( )( )( )dfdfx kAx kBu kE d kE f ky kCx kDu kF d kF f kHunan University of Technology 3.4 Parity Space Approach引入如下符號(hào)表示引入如下符號(hào)表示()()()(1)(1)(1)( ), ( ), ( )( )( )( )sssy ksu ksf ksy ksu ksf ksy ku kf ky ku

47、kf k ,1()00(1)( ), , 0( )sosusssd k sCDd k sCACBDd kHHd kCACA BCB D ,110000, 00fdffddf sd sssfffdddFFCEFCEFHHCAECEFCAECEF,( )( )( )ssu ssr kvykHuk,( )( )( )sd ssf sr kvHdkHf k(1)smsvR,0,1,0,ssso sssss sPv v Hvvvv,( )( )( )( )( )basissds sf s sds sf s sr kpNH d kH f kpH d kH f k3.4 Parity Space Appro

48、achHunan University of Technology ,0( ):sup( )sd ssdd sdspHdkRpHdk,0( ):sup( )sf ssff sfspHf kSpHf k,0( ):inf( )sf ssffspHfkSfk或或0,22,()supsup( )()sssthd ssd sddfdkJrpHdkpH1/ 20() ()sTdidki d ki mindR,maxfS,maxfS或或3.4 Parity Space ApproachHunan University of Technology Hunan University of Technology

49、 3.5 Parameter Estimation Approach3 Basic Principles Model-based Fault Diagnosis系 統(tǒng)參數(shù)估計(jì)ufyFig.3.11 基于參數(shù)估計(jì)方法的殘差生成器原理 基于參數(shù)估計(jì)的檢測(cè)方法基本思想基于參數(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)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。何實(shí)際差異即指示為故障。 基于假設(shè)基于假設(shè)：故障是反映在物理系統(tǒng)

50、參數(shù)中的，如磨擦，：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。質(zhì)量，膠粘性、抵抗性、感應(yīng)系數(shù)、容量等。Hunan University of Technology 3.5 Parameter Estimation Approach 采用參數(shù)估計(jì)法實(shí)現(xiàn)采用參數(shù)估計(jì)法實(shí)現(xiàn)FDI的基本步驟的基本步驟 建立過(guò)程的物理關(guān)系模型；建立過(guò)程的物理關(guān)系模型； 計(jì)算正常模型（無(wú)故障參考模型）的物理參數(shù)；計(jì)算正常模型（無(wú)故障參考模型）的物理參數(shù)； 確定模型系數(shù)與過(guò)程物理參數(shù)之間的關(guān)系；確定模型系數(shù)與過(guò)程物理參數(shù)之間的關(guān)系； 由可測(cè)量的輸入輸出信號(hào)，在線估計(jì)過(guò)程的模型系數(shù)；由可測(cè)

51、量的輸入輸出信號(hào)，在線估計(jì)過(guò)程的模型系數(shù)； 基于模型系數(shù)的標(biāo)稱值，建立系統(tǒng)的故障模型，即給出故基于模型系數(shù)的標(biāo)稱值，建立系統(tǒng)的故障模型，即給出故 障與模型系數(shù)之間的聯(lián)系；并基于模型系數(shù)的變化及故障障與模型系數(shù)之間的聯(lián)系；并基于模型系數(shù)的變化及故障 模型進(jìn)行故障的決策，判斷是否發(fā)生了故障；模型進(jìn)行故障的決策，判斷是否發(fā)生了故障； 進(jìn)行故障診斷，確定故障的類型、位置和大小。進(jìn)行故障診斷，確定故障的類型、位置和大小。Hunan University of Technology 3.5 Parameter Estimation Approach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

52、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. knowledge-based Fault DiagnosisHunan University of Technology 故障診斷技術(shù)的回顧與展望故障診斷技術(shù)的回顧與展望Hunan University of Technology 5. Data-based Control/Decision Making /Fault Diagnosis5.1 Data-driven Control Theory5.2 Data-based Decision Making5.3 Data-driven Fault Di

53、agnosis故障診斷技術(shù)的回顧與展望故障診斷技術(shù)的回顧與展望一、一、 數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)控制的定義數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)控制的定義Hunan University of Technology 數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)控制數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)控制(Data-driven Control) 最早來(lái)源于計(jì)算最早來(lái)源于計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域機(jī)科學(xué)領(lǐng)域,控制領(lǐng)域出現(xiàn)這個(gè)概念是近幾年的事情控制領(lǐng)域出現(xiàn)這個(gè)概念是近幾年的事情相關(guān)的少量研究相關(guān)的少量研究, 雖已存在但使用的名詞卻不盡相同雖已存在但使用的名詞卻不盡相同 Data-based control Modelless control Model-free control IFT(Iterative feedb

54、ack tuning) VRFT(Virtual reference feedback tuning) ILC(Iterative learning control)5.1 Data-driven control Theory5. Data-based Control/Decision Making/Fault Diagnosis5.1 Data-driven Control TheoryHunan University of Technology 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括：控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括：受控對(duì)象受控對(duì)象和和控制器控制器設(shè)計(jì)兩部分設(shè)計(jì)兩部分受控對(duì)象有四種可能情況：受控對(duì)象有四種可能情況： 有準(zhǔn)確的

55、機(jī)理模型有準(zhǔn)確的機(jī)理模型 有機(jī)理模型，但機(jī)理模型不準(zhǔn)確、不確定性較大有機(jī)理模型，但機(jī)理模型不準(zhǔn)確、不確定性較大 有機(jī)理模型，但機(jī)理模型太復(fù)雜、階數(shù)太高、非線性太強(qiáng)有機(jī)理模型，但機(jī)理模型太復(fù)雜、階數(shù)太高、非線性太強(qiáng) 很難建立機(jī)理模型或無(wú)模型很難建立機(jī)理模型或無(wú)模型控制器的設(shè)計(jì)分為：控制器的設(shè)計(jì)分為： 基于機(jī)理模型設(shè)計(jì)基于機(jī)理模型設(shè)計(jì) 基于數(shù)據(jù)模型或無(wú)模型設(shè)計(jì)基于數(shù)據(jù)模型或無(wú)模型設(shè)計(jì)5.1 Data-driven Control TheoryHunan University of Technology 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)有四種有意義的可能設(shè)計(jì)方案：控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)有四種有意義的可能設(shè)計(jì)方案： 模型是機(jī)理的，

56、控制器也是機(jī)理的模型是機(jī)理的，控制器也是機(jī)理的 對(duì)建立了機(jī)理模型，但機(jī)理模型不準(zhǔn)確、不確定性較對(duì)建立了機(jī)理模型，但機(jī)理模型不準(zhǔn)確、不確定性較 大的系統(tǒng)，控制器設(shè)計(jì)既可以是基于機(jī)理模型，也可大的系統(tǒng)，控制器設(shè)計(jì)既可以是基于機(jī)理模型，也可 以考慮基于數(shù)據(jù)或無(wú)模型的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)以考慮基于數(shù)據(jù)或無(wú)模型的方法進(jìn)行設(shè)計(jì) 模型是機(jī)理的，但機(jī)理模型太復(fù)雜、階數(shù)太高、非線模型是機(jī)理的，但機(jī)理模型太復(fù)雜、階數(shù)太高、非線 性太強(qiáng)，很難分析和設(shè)計(jì)，實(shí)際應(yīng)用中需要進(jìn)行基于性太強(qiáng)，很難分析和設(shè)計(jì)，實(shí)際應(yīng)用中需要進(jìn)行基于 局部數(shù)據(jù)模型或無(wú)模型的控制器設(shè)計(jì)局部數(shù)據(jù)模型或無(wú)模型的控制器設(shè)計(jì) 對(duì)象無(wú)模型或很難建立機(jī)理模型，需要應(yīng)

57、用數(shù)據(jù)模型對(duì)象無(wú)模型或很難建立機(jī)理模型，需要應(yīng)用數(shù)據(jù)模型 或無(wú)模型控制方法或無(wú)模型控制方法5.1 Data-driven Control TheoryHunan University of Technology 數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)包括：數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)包括：數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)思想數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)思想和和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)控制數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)控制數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)思想：數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)思想：指利用受控系統(tǒng)的在線和離線數(shù)據(jù)，實(shí)指利用受控系統(tǒng)的在線和離線數(shù)據(jù)，實(shí) 現(xiàn)系統(tǒng)的基于數(shù)據(jù)的控制、預(yù)報(bào)、評(píng)價(jià)、現(xiàn)系統(tǒng)的基于數(shù)據(jù)的控制、預(yù)報(bào)、評(píng)價(jià)、 調(diào)度、監(jiān)控、診斷、決策和優(yōu)化等的各調(diào)度、監(jiān)控、診斷、決策和優(yōu)化等的各 種期望功能種期望功能數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)控制：數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)控制：指控制器設(shè)計(jì)不包含

58、受控過(guò)程數(shù)學(xué)模型指控制器設(shè)計(jì)不包含受控過(guò)程數(shù)學(xué)模型 信息，僅利用受控系統(tǒng)的在線和離線數(shù)信息，僅利用受控系統(tǒng)的在線和離線數(shù) 據(jù)以及經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理而得到的知識(shí)來(lái)設(shè)據(jù)以及經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理而得到的知識(shí)來(lái)設(shè) 計(jì)控制器，并在一定的假設(shè)下，有收斂計(jì)控制器，并在一定的假設(shè)下，有收斂 性、穩(wěn)定性保障和魯棒性結(jié)論的控制理性、穩(wěn)定性保障和魯棒性結(jié)論的控制理 論與方法論與方法5.1 Data-driven Control TheoryHunan University of Technology 值得注意的問(wèn)題值得注意的問(wèn)題u 機(jī)理模型和數(shù)據(jù)模型的本質(zhì)區(qū)別在于：系統(tǒng)時(shí)變性和不機(jī)理模型和數(shù)據(jù)模型的本質(zhì)區(qū)別在于：系統(tǒng)時(shí)變性和不

59、確定性在機(jī)理模型中是顯式表達(dá)的，而在數(shù)據(jù)模型中是確定性在機(jī)理模型中是顯式表達(dá)的，而在數(shù)據(jù)模型中是 非顯式和蘊(yùn)含的非顯式和蘊(yùn)含的u 理論上講，對(duì)受控對(duì)象的知識(shí)掌握越多，控制手段就應(yīng)理論上講，對(duì)受控對(duì)象的知識(shí)掌握越多，控制手段就應(yīng) 月豐富，控制效果就應(yīng)該越好，因此，與建立機(jī)理模型月豐富，控制效果就應(yīng)該越好，因此，與建立機(jī)理模型 一樣，建立好的基于數(shù)據(jù)的控制模型與設(shè)計(jì)好的控制一樣，建立好的基于數(shù)據(jù)的控制模型與設(shè)計(jì)好的控制 器，都需要對(duì)受控系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性和信息有比較深入器，都需要對(duì)受控系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性和信息有比較深入 的了解和利用的了解和利用u 基于模型的控制理論和方法，對(duì)離線數(shù)據(jù)是一次性使基于模型

60、的控制理論和方法，對(duì)離線數(shù)據(jù)是一次性使 用，當(dāng)模型建立后就棄之不用，但理想的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)控制用，當(dāng)模型建立后就棄之不用，但理想的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)控制 理論和方法則應(yīng)在控制過(guò)程的始終都進(jìn)行離線數(shù)據(jù)的不理論和方法則應(yīng)在控制過(guò)程的始終都進(jìn)行離線數(shù)據(jù)的不 同層面、不同尺度上的利用同層面、不同尺度上的利用u 數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)控制理論和方法不排斥已有的基于模型的控制數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)控制理論和方法不排斥已有的基于模型的控制 理論和方法，兩者不能互相取代理論和方法，兩者不能互相取代5.1 Data-driven Control TheoryHunan University of Technology 二、二、 數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)控制理論與方法的存