基于事件觸發(fā)的故障診斷綜述

摘要：在當(dāng)今工業(yè)發(fā)展領(lǐng)域，安全性和可靠性尤為重要。傳統(tǒng)工業(yè)采取周期性采樣的方式，選取固定的時間間隔來傳輸數(shù)據(jù)，這不僅會導(dǎo)致計算和能量資源的浪費，而且還存在工業(yè)安全上的隱患?；谑录|發(fā)技術(shù)的故障診斷就很好彌補了這一點，它可以在設(shè)備達(dá)到某種不良情況下通過傳感器及時傳輸當(dāng)前采樣數(shù)據(jù)，不僅降低了能量和通信損耗，還大大提高故障診斷的效率。最后展望了幾個值得進(jìn)一步研究的具有挑戰(zhàn)性的問題。

關(guān)鍵詞：安全性;可靠性;事件觸發(fā);故障診斷

1 研究背景及意義

隨著系統(tǒng)性能、成本約束和低能耗要求的提高，現(xiàn)代工程系統(tǒng)正朝著大型化、復(fù)雜化、網(wǎng)絡(luò)化、分布式方向發(fā)展。然而，系統(tǒng)越復(fù)雜、規(guī)模越大，系統(tǒng)各組成部分，在運行中發(fā)生各種故障的可能性就越高。系統(tǒng)中的各種故障不能及時檢測和排除。一旦發(fā)生，極有可能對人員和財產(chǎn)造成巨大損失。

故障檢測技術(shù)有很多種失效過程中的現(xiàn)象。例如，飛機上的一個傳感器部件損壞了，導(dǎo)致整個系統(tǒng)無法穩(wěn)定運行。2015年5月，浙江省義烏市飛往福建省福州市的新舟60客機（JR1529）降落不平衡，原因是著陸裝置壞了，飛出了正常的跑道。三名乘客因此而受傷。2019年1月14日，波音707貨機在伊朗首都德黑蘭附近，在飛行過程中遭遇故障失控導(dǎo)致墜毀，貨機上當(dāng)時有乘客16人，15人不幸身亡，僅有1人幸存。由此可見，在交通領(lǐng)域、航空領(lǐng)域，由于故障的發(fā)生，給人們的生命財產(chǎn)造成的后果難以挽救，而在其他領(lǐng)域，也有因為設(shè)備故障而引起的多起事故[1]。

從實例可以看出，為了保護(hù)人民的生命財產(chǎn)安全，設(shè)備和控制系統(tǒng)的安全性和可靠性尤為重要。當(dāng)檢測到系統(tǒng)處于非正常工作模式時，可以立即有效地重構(gòu)控制律，使損失最小化。因此，如何快速、準(zhǔn)確地進(jìn)行故障診斷和容錯控制，保證系統(tǒng)的連續(xù)、穩(wěn)定、安全運行，是當(dāng)前控制系統(tǒng)必須解決的關(guān)鍵問題[2]。故障診斷的任務(wù)是對系統(tǒng)故障的特征進(jìn)行描述，并利用這種描述去檢測和隔離系統(tǒng)的故障，發(fā)現(xiàn)異常情況后，來確定故障的類型、位置、大小和時間，故障分析包括故障特征提取、故障估值和故障決策等幾個部分[3]。

2 國內(nèi)外研究

2.1 故障診斷技術(shù)的發(fā)展

20世紀(jì)70年代， MIT的Beard最先提出用解析冗余的方法，標(biāo)志著故障診斷的大門被打開。

20世紀(jì)90年代以來，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)、信號處理等理論不斷發(fā)展，各種技術(shù)相互滲透、相互融合。就我國而言，我國從事控制系統(tǒng)故障診斷技術(shù)研究的時間不長，只有30多年的歷史，但是我國在這方面已經(jīng)取得了豐富的研究成果，提出了許多新的方法和技術(shù)方案，中國自動化學(xué)會成立了故障診斷與安全專門委員會，并定期召開全國性故障診斷學(xué)術(shù)會議，表明我國高度重視動態(tài)系統(tǒng)故障診斷技術(shù)的發(fā)展[4]。

2.2 事件觸發(fā)技術(shù)的發(fā)展

我們知道當(dāng)信息出現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸時，通信的可靠性將會降低，因此，研究人對故障診斷，容錯控制的研究很多，針對數(shù)據(jù)傳輸過程中的延遲和丟包等現(xiàn)象進(jìn)行了故障診斷和容錯控制設(shè)，目前，取得了一定的成果[5]。

初期，在工業(yè)過程中，監(jiān)控系統(tǒng)的方式通常采用采樣和傳輸周期性的信息來實現(xiàn)。但是這種周期采樣方式的缺點也很明顯。一方面，通信損耗會增加，另一方面許多計算和能量資源被浪費。正是因為考慮到了周期采樣的缺陷，事件觸發(fā)技術(shù)開始逐漸被提出。發(fā)生事件觸發(fā)條件時，只有在某些預(yù)指定條件達(dá)到時才會觸發(fā)，這樣的話，系統(tǒng)檢測的精度以及系統(tǒng)性能的控制也更加有準(zhǔn)確性[6]。近年來，許多學(xué)者對連續(xù)控制系統(tǒng)和離散控制系統(tǒng)中的每一個事件觸發(fā)控制問題進(jìn)行了不同的研究，并取得了許多成果。例如，一些文獻(xiàn)利用ISS技術(shù)，一種連續(xù)非線性系統(tǒng)的事件觸發(fā)機制被逐漸開始提及，并基于該機制實現(xiàn)了控制任務(wù)的實時調(diào)度，根據(jù)L2穩(wěn)定性的意義，Dr. Wang 和Dr.Lemmon提出了連續(xù)線性系統(tǒng)低維事件觸發(fā)條件，給出了控制任務(wù)執(zhí)行周期、截止時間與系統(tǒng)狀態(tài)之間的顯式關(guān)系[7]。與循環(huán)觸發(fā)控制相比，事件觸發(fā)控制具有更多的優(yōu)點。雖然事件觸發(fā)控制技術(shù)非常優(yōu)秀，但到目前為止，學(xué)術(shù)界和工業(yè)界對事件觸發(fā)控制的研究和應(yīng)用還很少。主要原因是非周期觸發(fā)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)分析比周期觸發(fā)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)分析復(fù)雜，這可能是一種新的認(rèn)識和發(fā)展途徑。

3 研究問題

隨著網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的發(fā)展，像丟包、時延、網(wǎng)絡(luò)擁塞等現(xiàn)象出現(xiàn)的頻率越來越高。網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)在通信過程中主要面臨兩大問題，一是網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)元件，二是由于大量數(shù)據(jù)傳輸而造成的網(wǎng)絡(luò)擁塞。事件觸發(fā)機制從降低網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的優(yōu)勢出發(fā)，應(yīng)用到各種系統(tǒng)中。有學(xué)者研究了給定區(qū)間上下界已知的隨機網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時延網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)（NCS），魯棒穩(wěn)定性分析和狀態(tài)反饋控制器設(shè)計，研究了時延、丟包和通信約束等故障檢測問題。目前事件觸發(fā)主動容錯效率不高，而且事件觸發(fā)技術(shù)應(yīng)用在傳感器端比較好，較高的通訊損耗仍然存在控制器到執(zhí)行器端。

4 研究思路

以不確定性理論為基礎(chǔ)，一種非均勻采樣系統(tǒng)的離散時間故障估計與監(jiān)測設(shè)計方案被研究人員們提出。首先，用凸多項式方法將非均勻采樣系統(tǒng)等效為具有范數(shù)不確定性的事件觸發(fā)故障診斷。在此基礎(chǔ)上發(fā)展一種基于故障診斷和故障調(diào)節(jié)集成的設(shè)計方案。希望達(dá)到既保障系統(tǒng)發(fā)生故障的性能，又盡可能減少傳感器和控制，執(zhí)行器之間的損耗。通過修正和補償控制率，使得故障系統(tǒng)盡量保持無故障時的性能水平。與傳統(tǒng)的基于連續(xù)時間線的故障估計器相比，該方法具有更高的估計精度和更大的采樣允許間隔，有助于數(shù)字實現(xiàn)。

5 總結(jié)和展望

通過對基于事件觸發(fā)的故障診斷技術(shù)的概述，對國內(nèi)外的研究成果進(jìn)行了分類和分析。目前基于事件觸發(fā)的故障診斷技術(shù)研究還不夠充分，在許多領(lǐng)域尚未提出有效的故障診斷技術(shù)，如基于事件觸發(fā)時變系統(tǒng)的故障診斷技術(shù)及動態(tài)事件觸發(fā)機制的研究。在對基于事件觸發(fā)的故障診斷研究中，存在著一些亟待解決的問題例如目前針對基于事件觸發(fā)的網(wǎng)絡(luò)化環(huán)境下故障診斷問題，討論的由網(wǎng)絡(luò)化引起的不完全信息描述還不夠準(zhǔn)確，所建立的丟包、通信時滯等模型有很大的局限性，不能有效反映實際情況，另外在事件觸發(fā)機制下，為了保證資源的合理配置，通常有部分系統(tǒng)性能損失，如何設(shè)計比較好的方法一方面保證故障診斷的性能和通信資源的占用，另一方面協(xié)同地對事件觸發(fā)機制和故障診斷方法進(jìn)行設(shè)計，是基于事件觸發(fā)的故障診斷問題的一大挑戰(zhàn)。

參考文獻(xiàn)

[1]現(xiàn)代故障診斷與容錯控制[M]. 清華大學(xué)出版社 ， 周東華，葉銀忠著， 2000

[2]姜斌，目澤慧，楊浩，張友民.控制系統(tǒng)的故障診斷與故障調(diào)節(jié)（MI）.北京：國防工業(yè)出版社，2019.

[3]王德軍. 故障診斷與容錯控制方法研究[D].吉林大學(xué)，2004.

[4]張靜. 基于事件觸發(fā)采樣的故障診斷與容錯控制[D].南通大學(xué)，2017.

[5]王燕鋒，王培良，蔡志端.時延轉(zhuǎn)移概率部分未知的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)魯棒H_∞故障檢測[J].控制理論與應(yīng)用，2017，34（02）：273-279.

[6]邱愛兵，胡賢，邱衛(wèi)東，季勝藍(lán).基于事件觸發(fā)的故障診斷與動態(tài)調(diào)節(jié)集成設(shè)計[J].控制理論與應(yīng)用，2018，35（08）：1159-1166.

[7]Dr. Wang and Dr.Lemmon， Zhang J， etal.Real-time fault detection method based on belief rule base for aircraft navigation system[J]. Chinese Journal of Aeronautics，2013，26（3）：717-729.

作者簡介：

唐海鵬（1996 .11-）籍貫： 江蘇如皋，性別 ：男 最高學(xué)歷：碩士研究生（在讀），研究方向： 電子信息 單位：湖州師范學(xué)院