張健 （1985-）
女，山西交城人，新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院碩士研究生，主要研究方向?yàn)橹悄芸刂婆c系統(tǒng)開發(fā)。

摘要：本文首先概述了控制系統(tǒng)故障診斷的概念，分析了國(guó)內(nèi)外對(duì)于這一領(lǐng)域的研究水平和發(fā)展?fàn)顩r，并且分基于和不依賴于控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型兩大類介紹了一些主要的故障診斷方法。此外，本文針對(duì)當(dāng)前應(yīng)用較多的一種動(dòng)態(tài)系統(tǒng)——混合系統(tǒng)，提出了一種基于鍵合圖模型的故障診斷方法。介紹了混合鍵合圖基本原理，通過(guò)混合鍵合圖對(duì)混合動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模，為進(jìn)一步進(jìn)行MBD故障檢測(cè)和追蹤直至故障隔離和鑒別提供基礎(chǔ)模型。

關(guān)鍵詞：控制系統(tǒng)；故障診斷；基于模型診斷；混合鍵合圖；混合系統(tǒng)建模

Abstract: This paper presents firstly the basic principles of the fault diagnosis about
 control system, and then analyzes the situation of research and the development in this
 topic. Finally, the fault diagnosis techniques which are based on the model or independent
 of the model are discussed in detail. In addition, in view of the more applications of a 
dynamic system  hybrid system, a bond graph modelbased fault diagnosis method is proposed,
 and its basic principle is also explained in this paper. Modeling by hybrid bond graph 
provides a basic method to further carry on the MBD failure detection and tracking.

Key words: Control System; Fault diagnosis; Model-based diagnosis; Hybrid bond graph; Hybrid
 system modeling

1 引言

    控制系統(tǒng)的故障診斷理論從70年代產(chǎn)生到現(xiàn)在已經(jīng)得到了迅速的發(fā)展，已經(jīng)在航天、航空、核反應(yīng)堆、熱電廠、機(jī)器人以及眾多的工業(yè)過(guò)程中得到了廣泛的應(yīng)用，并取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。控制系統(tǒng)的故障診斷問(wèn)題具有廣闊的前景，有著重大的理論和實(shí)用價(jià)值。本文在分析已有的故障診斷方法的同時(shí)，還針對(duì)混合系統(tǒng)提出了一種基于模型的診斷方法（Model-based Diagnosis），即基于鍵合圖模型的故障診斷方法。主要論述了混合鍵合圖基本原理，通過(guò)混合鍵合圖對(duì)混合動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模過(guò)程以及此方法的優(yōu)缺點(diǎn)等。

2 故障診斷的概念和研究狀況

2.1 控制系統(tǒng)故障診斷的概念

    所謂控制系統(tǒng)故障診斷，就是利用軟件或硬件的方法對(duì)控制系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)行監(jiān)視，實(shí)時(shí)檢測(cè)出系統(tǒng)發(fā)生的故障并對(duì)故障進(jìn)行隔離，對(duì)是什么原因引起故障、故障的程度有多大等問(wèn)題也需要進(jìn)行相應(yīng)的分析。

    故障診斷的任務(wù)從低級(jí)到高級(jí)可分為四個(gè)方面的內(nèi)容：

    （1）故障建模。建立系統(tǒng)故障的模型，作為故障檢測(cè)與診斷的依據(jù)。

    （2）故障檢測(cè)。判斷運(yùn)行的系統(tǒng)是否發(fā)生故障，一旦系統(tǒng)發(fā)生意外變化，應(yīng)發(fā)出報(bào)警。

    （3）故障的隔離與估計(jì)。如果系統(tǒng)發(fā)生了故障，給出故障源的位置；故障估計(jì)是在弄清楚故障性質(zhì)的同時(shí)，計(jì)算故障的程度、大小及故障發(fā)生的時(shí)間等參數(shù)。

    （4）故障的分類、評(píng)價(jià)與決策。判斷故障的嚴(yán)重程度，以及故障對(duì)系統(tǒng)的影響和發(fā)展趨勢(shì)。

2.2 國(guó)內(nèi)外研究狀況

    1971年美國(guó)麻省理工學(xué)院的Beard博士首先提出了用解析冗余代替硬件冗余，并通過(guò)系統(tǒng)自組織使系統(tǒng)閉環(huán)穩(wěn)定，通過(guò)比較器的輸出得到系統(tǒng)故障信息的思想，標(biāo)志著這門技術(shù)的開端。70年代是控制系統(tǒng)故障診斷發(fā)展的初級(jí)階段。這一期間故障診斷理論還不太成熟，理論的應(yīng)用實(shí)例也很少。一些簡(jiǎn)單的故障算法諸如檢測(cè)濾波器、廣義似然比、極大似然比等都是在這一階段提出的。

    80年代是控制系統(tǒng)故障診斷技術(shù)蓬勃發(fā)展的一個(gè)階段。在這期間有很多種新的理論方法被提出，理論的實(shí)際應(yīng)用也得到了發(fā)展。不過(guò)，這一階段的故障診斷技術(shù)應(yīng)用面比較狹窄，主要集中在航天、船舶、發(fā)電廠、核電廠等一些專門領(lǐng)域，普通的工業(yè)控制領(lǐng)域涉及并不多。使用的故障診斷方法主要是基于觀測(cè)器/濾波器方案或是系統(tǒng)辨識(shí)和參數(shù)估計(jì)方案。

    進(jìn)入90年代以后，人們對(duì)于控制系統(tǒng)故障診斷理論的研究更加深入，各種方法己經(jīng)不再完全孤立，而且隨著其理論的發(fā)展相互滲透和融合。另外理論應(yīng)用的領(lǐng)域也有了很大的擴(kuò)展。雖然參數(shù)估計(jì)和觀測(cè)器/濾波器方案仍然是使用得最多的故障診斷方法，但近年來(lái)使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯及組合方法的故障診斷在明顯的增加。對(duì)于非線性系統(tǒng)的故障診斷也有了更多的研究。

    我國(guó)對(duì)控制系統(tǒng)故障診斷的研究起始于80年代初，基本上一直是處于跟蹤學(xué)習(xí)國(guó)外理論的水平上，自己獨(dú)特的見解很少。從收集的資料來(lái)看，國(guó)內(nèi)對(duì)于這一領(lǐng)域的研究是進(jìn)入90年代以后才真正活躍起來(lái)。與國(guó)外研究水平相比我們還有很大的差距。

3 控制系統(tǒng)故障診斷的主要方法

    對(duì)于控制系統(tǒng)的故障診斷人們最初采取的方法是硬件冗余方法。它主要采用m/n表決方式。這種方法的缺陷是要增加更多的測(cè)試設(shè)備，使系統(tǒng)復(fù)雜。因此，現(xiàn)在討論故障診斷主要指的是軟件冗余的方法。軟件冗余方法可分為兩大類，即基于控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型的方法和不依賴控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型的方法。本文根據(jù)近年來(lái)故障診斷技術(shù)的新發(fā)展，給出了一個(gè)更為合理和完善的故障診斷方法分類圖，如圖1所示。

                                  圖1   故障診斷方法分類

3.1 基于控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的故障診斷方法

    該方法又稱解析冗余方法，這種方法的診斷思路是利用觀測(cè)器或?yàn)V波器對(duì)控制系統(tǒng)的狀態(tài)或參數(shù)進(jìn)行重構(gòu)，并構(gòu)成殘差序列，然后根據(jù)一些措施來(lái)增強(qiáng)殘差序列中包含的故障信息，抑制干擾、模型誤差等非故障信息，通過(guò)對(duì)殘差序列的統(tǒng)計(jì)分析就可以檢測(cè)出故障的發(fā)生并對(duì)故障進(jìn)行診斷。這類故障診斷方法是目前研究得最多的方法。如：基于觀測(cè)器/濾波器的故障診斷方法、參數(shù)估計(jì)方法、等價(jià)空間方法等都是屬于此類方法。

3.2 不依賴于控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的故障診斷方法

    由于控制系統(tǒng)的復(fù)雜性，使得許多控制系統(tǒng)的建模是非常困難的、不完善的、或不精確的，因此，基于模型的故障診斷方法在這里就不太適用，不依賴控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的故障診斷方法不使用數(shù)學(xué)模型，主要方法有：直接測(cè)量系統(tǒng)輸入輸出的診斷方法；基于信息融合的診斷方法；基于模式識(shí)別的方法；基于專家系統(tǒng)的方法；基于模糊數(shù)學(xué)的方法；基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法；基于小波變換的方法等。

4 MBD中通過(guò)混合鍵合圖對(duì)混合系統(tǒng)建模

4.1 混合系統(tǒng)

    混合動(dòng)態(tài)系統(tǒng)(hybrid dynamical systems）體現(xiàn)了計(jì)算機(jī)科學(xué)與控制理論的交叉?！盎旌稀币馕吨B續(xù)與離散部分的組合，混合動(dòng)態(tài)系統(tǒng)意味著系統(tǒng)動(dòng)態(tài)行為由相互影響的連續(xù)動(dòng)態(tài)和離散動(dòng)態(tài)來(lái)決定，因此到目前為止，混合動(dòng)態(tài)系統(tǒng)被初步定義為：包含離散動(dòng)態(tài)子系統(tǒng)和連續(xù)動(dòng)態(tài)子系統(tǒng)，兩者又相互作用的系統(tǒng)稱為混合動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱混合系統(tǒng)。

    一個(gè)簡(jiǎn)單的混合系統(tǒng)舉例如圖2所示，兩個(gè)罐之間有一個(gè)通道相連接，流入量是通過(guò)閥門Vc控制恒定流量fin(t)，系統(tǒng)流出量是從罐1流出的量f1out(t)和罐2的流出量f2out(t)。系統(tǒng)連續(xù)狀態(tài)變量為兩罐的液位高度h1和h2。閥門啟關(guān)用{0，1}表示，即V1、V2、V3、Vc∈{0,1}。通常地，系統(tǒng)中不同的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性稱為系統(tǒng)模式，系統(tǒng)特性的變化稱模式遷移，其影響因素有兩類：一是外部離散控制命令（如閥門V2的閉、通），由此引起的運(yùn)行模式變化或者遷移稱為受控遷移；另一類是系統(tǒng)內(nèi)部連續(xù)狀態(tài)變量滿足某種關(guān)系時(shí)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性（系統(tǒng)模式）會(huì)發(fā)生變化，稱為自治遷移。

                                     圖2   混合系統(tǒng)例子

    下面給出閥門V2在開啟和關(guān)閉兩種狀態(tài)下系統(tǒng)的鍵合圖模型。

                                     圖3   雙容水箱的鍵合圖模型

                            

                                     圖4   受控連接點(diǎn)建立開關(guān)模式行為
                              
 
                                      圖5   受控連接點(diǎn)的操作運(yùn)行

4.2 基于模型的故障診斷

    混合系統(tǒng)是當(dāng)前應(yīng)用較多的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)之一，其故障診斷問(wèn)題是當(dāng)前研究領(lǐng)域的熱門?；旌舷到y(tǒng)中離散事件和連續(xù)動(dòng)態(tài)行為間相互作用的特性使得系統(tǒng)開發(fā)的復(fù)雜性增加，開發(fā)結(jié)果的正確性也難以保證。尤其對(duì)于安全攸關(guān)的系統(tǒng)如航天系統(tǒng)、電力系統(tǒng)和化工系統(tǒng)等，對(duì)系統(tǒng)安全性的要求很高，系統(tǒng)的錯(cuò)誤運(yùn)行將造成重大損失。而基于模型診斷技術(shù)是為了克服傳統(tǒng)故障診斷方法的缺點(diǎn)而興起的一項(xiàng)新型的智能診斷推理技術(shù)，本文提出采用基于模型診斷方法即Model-based Diagnosis（MBD）對(duì)混合系統(tǒng)進(jìn)行診斷，MBD使用模型和系統(tǒng)的測(cè)量觀測(cè)值之間的不一致來(lái)進(jìn)行診斷。

                                     圖6   MBD診斷過(guò)程示意圖

    基于模型診斷的主要思想如圖6所示。使用設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)與行為的知識(shí)診斷該設(shè)備。動(dòng)態(tài)系統(tǒng)基于模型診斷的基本過(guò)程可表示為：（1）監(jiān)視系統(tǒng)運(yùn)行；（2）產(chǎn)生故障假設(shè)；（3）系統(tǒng)建模；（4）模型預(yù)測(cè)；（5）將觀測(cè)與預(yù)測(cè)比較，產(chǎn)生診斷并逐步修正優(yōu)化。

    本課題研究通過(guò)混合鍵合圖對(duì)混合系統(tǒng)進(jìn)行建模的過(guò)程，即上述MBD動(dòng)態(tài)系統(tǒng)診斷過(guò)程中的第三步，也是最重要的一步。它為診斷過(guò)程的進(jìn)一步進(jìn)行提供模型基礎(chǔ)，模型建立的優(yōu)劣直接影響診斷過(guò)程的成敗。
 
    混合系統(tǒng)的故障診斷需要一種可同時(shí)處理離散事件和連續(xù)變量的解決方案最終達(dá)到故障診斷目的。P.Mosterman等將能量的觀點(diǎn)引入Bond Graph中，將事件的發(fā)生視為能量的變化，結(jié)合離散事件的理想開關(guān)和控制結(jié)點(diǎn)及相應(yīng)的有限自動(dòng)機(jī)來(lái)描述系統(tǒng)中復(fù)雜的多模態(tài)行為，并討論在此基礎(chǔ)上的故障診斷方法。   

4.3 混合鍵合圖對(duì)系統(tǒng)建模過(guò)程 

    在對(duì)混合動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行診斷的建模方法中有一種是基于帶符號(hào)的有向圖（SDG），它是一種由節(jié)點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)之間有方向的連線構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)圖。它看似簡(jiǎn)單，卻能夠表達(dá)復(fù)雜的因果關(guān)系，并且具有包容大規(guī)模潛在信息的能力。  

    本文使用帶符號(hào)有向圖中的鍵合圖又稱為鍵圖對(duì)系統(tǒng)建模，它是將多種物理量統(tǒng)一地歸納為4種狀態(tài)變量，即：勢(shì)、流、變位和動(dòng)量，從而統(tǒng)一地處理多種能量范疇的動(dòng)態(tài)分析方法。而在對(duì)連續(xù)和離散的系統(tǒng)行為進(jìn)行描述中有一種方法稱為混合鍵合圖（Hybrid Bond Graphs(HBGs)），它通過(guò)擴(kuò)展連續(xù)鍵合圖模型來(lái)提供一個(gè)對(duì)混合模型簡(jiǎn)潔的描述。Bond Graphs(BGs)鍵合圖是一個(gè)不受域約束的拓?fù)浣ＵZ(yǔ)言，在操作步驟中獲取基于能量交互，虛構(gòu)一個(gè)物理系統(tǒng)。在普通構(gòu)件處理過(guò)程中的能量交換。1-0鏈接點(diǎn)分別構(gòu)造串聯(lián)拓?fù)浜筒⒙?lián)拓?fù)涞仁?。HBGs通過(guò)合并轉(zhuǎn)換鏈結(jié)點(diǎn)來(lái)擴(kuò)展BGs，使它能夠在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中適用離散的改變。BG鏈結(jié)點(diǎn)能夠作為系統(tǒng)行為動(dòng)態(tài)的接通和關(guān)閉。一個(gè)活動(dòng)的鏈結(jié)點(diǎn)行為象一個(gè)普通的 BG鏈結(jié)點(diǎn)，但是在off狀態(tài)，所有的在鏈結(jié)點(diǎn)聯(lián)結(jié)事件都被設(shè)置為無(wú)效。因此一個(gè)不活躍的結(jié)點(diǎn)和連接結(jié)點(diǎn)不能扮演任何動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的決定。是活動(dòng)和使無(wú)效結(jié)點(diǎn)能夠影響相鄰的結(jié)點(diǎn)的行為?；旌湘I合圖(Hybrid Bond Graph)方法的鍵合圖作為工程領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用的一種模型，可將各種領(lǐng)域（電工、機(jī)械、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)等）的功率變量聯(lián)系在一起，統(tǒng)一表征為兩種變量：勢(shì)和流。  

    Mosterman等人首先提出基于混合鍵合圖的診斷方法，將連續(xù)和離散事件分別用傳統(tǒng)鍵合圖和有限狀態(tài)自動(dòng)機(jī)來(lái)建模。對(duì)時(shí)間的影響，采用時(shí)間因果圖（Temporal Causal Graphs）作為定性模型。該圖為一有向圖，節(jié)點(diǎn)代表變量，有向邊表示變量間的因果關(guān)系，邊上標(biāo)號(hào)確定了變量間(代數(shù)比例或時(shí)間)的關(guān)系。  

    該方法基本思想：首先，監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行，當(dāng)檢測(cè)到明顯的偏差時(shí)說(shuō)明有故障；其次，利用混合鍵合圖得到時(shí)間因果圖，向后傳播，定性推理，產(chǎn)生故障假設(shè)集，并對(duì)各故障假設(shè)模型進(jìn)行預(yù)測(cè)；然后，對(duì)系統(tǒng)漸進(jìn)監(jiān)控，用約束模型進(jìn)行模擬，對(duì)故障假設(shè)向前傳播以決定是否丟棄該假設(shè)。該方法可廣泛應(yīng)用在工程領(lǐng)域混合系統(tǒng)中的單故障診斷；但需要對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行原理有比較好的了解。該方法已經(jīng)成功地應(yīng)用于核反應(yīng)堆中一個(gè)液鈉制冷系統(tǒng)的非線性模型的動(dòng)態(tài)診斷中。 

4.4 基于混合鍵合圖（HBGs）建模的診斷技術(shù)存在的優(yōu)缺點(diǎn) 

4.4.1 MBD中通過(guò)混合鍵合圖進(jìn)行建模的優(yōu)點(diǎn) 

    基于帶符號(hào)有向圖(SDG)混合鍵合圖的診斷技術(shù)認(rèn)為故障診斷本質(zhì)上是確定過(guò)程擾動(dòng)的根本原因。采用帶符號(hào)有向圖描述系統(tǒng)，利用存儲(chǔ)在SDG圖上的信息搜尋擾動(dòng)可能的故障源，從而有效識(shí)別系統(tǒng)擾動(dòng)的原因。此方法的優(yōu)勢(shì)在于需要相對(duì)較少的信息來(lái)構(gòu)造帶符號(hào)有向圖及用于診斷。  

4.4.2 存在的不足 

    (1) SDG混合鍵合圖通常只支持兩種過(guò)程偏差(偏大或偏小)，這在有些場(chǎng)合是不夠精確的。

    (2) SDG混合鍵合圖沒(méi)有包含設(shè)備的狀態(tài)信息。因此，即使設(shè)備單元存在故障，SDG混合鍵合圖仍然把它當(dāng)作正常設(shè)備來(lái)使用，這就會(huì)造成誤差。

    (3) SDG混合鍵合圖對(duì)于故障序列處理得不好，僅能處理一些簡(jiǎn)單的線性事件鏈。

    (4) 使用SDG混合鍵合圖模型，有時(shí)候不能在很多事件中區(qū)分出哪些是可能的、哪些是不可能的。這是因?yàn)橛邢驁D沒(méi)有完全地與現(xiàn)實(shí)情況吻合，存在誤差。

    (5) 由于SDG混合鍵合圖模型沒(méi)能包含設(shè)備單元的所有信息，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)故障誤報(bào)。雖然誤報(bào)比漏報(bào)好，但是增加了用戶區(qū)分這些預(yù)報(bào)真假的工作量。

5 結(jié)語(yǔ)

    隨著現(xiàn)代控制系統(tǒng)規(guī)模日益龐大和復(fù)雜，對(duì)于混合動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的故障診斷顯得日益重要，在對(duì)混合系統(tǒng)進(jìn)行診斷的研究中，建模是最為關(guān)鍵的步驟之一，我們?cè)趯?duì)多種建模方法進(jìn)行研究后認(rèn)為混合鍵合圖方法較為適合基于模型診斷技術(shù)應(yīng)用到混合系統(tǒng)。此外，盡管目前故障診斷的理論研究取得了豐碩的成果，但大多數(shù)故障診斷方法僅停留在實(shí)驗(yàn)仿真階段，因此，將故障診斷方法應(yīng)用于實(shí)際的研究值得關(guān)注。


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