基于随机振动理论的故障诊断算法及其工程应用

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1、第1章绪论第1章绪论1.1故障诊断技术研究的起源及现实意义故障诊断技术(FaultDiagnosis)是起源于人们对于一系列重大的安全事故的反思，人们想寻找一种可以检测设备的运行状态，事先预测设备故障，诊断故障并提供解决方案的方法，于是故障诊断技术由此诞生。其实故障诊断技术是一把“双刃剑”，它可以通过无故障的传感器系统来诊断设备或结构的故障情况；也可以凭借正常状态的设备或结构来衡量传感器系统的故障情况。本文正是基于这一思想展开的。基于解析冗余的故障诊断技术被公认为起源于1971年Beard发表的博士论[1、2]文以及

2、Mehra和Peschon发表在Automatica上的论文。Beard提出的通过系统的自组织使系统闭环稳定、通过比较观测器的输出得到系统故障信息的新思想，标志着这门技术的诞生。1976年，Willsky在Automatica上发表了第一篇故障诊[3]断方面的综述文章。Himmelblau于1978年出版了国际上第一本故障诊断方面[4]的学术著作。诊断（Diagnostics）一词源于希腊文，含义为鉴别与判断，是指在对各种迹象和症状进行综合分析的基础上对研究对象及其所处状态进行鉴别[5]和判断的一项技术活动。故障诊断

3、学就是专门以考察和判断对象或系统是否存在缺陷或其运行过程中是否出现异常现象为主要研究对象的一门综合性技术学科。作为一门新兴的技术科学，其可划分为如下三个研究层次：（1）以设备或部件为研究对象，重点分析和诊断设备的缺陷、部件的缺陷或机械运转失灵，这通常属于设备故障诊断的研究范畴；（2）以系统为研究对象，重点检测和分析系统的功能不完善、功能异常或不能够完成预期功能，这属于系统故障检测与诊断的研究范畴；（3）以系统运行过程为研究对象，考察运行过程出现的异常变化或系统状态的非预期改变，这属于过程故障诊断的研究范畴。1.2故障

4、诊断的基本知识所谓故障诊断，就是利用被诊断系统的各种状态信息和已有的各种知识，-1-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文进行信息的综合处理，最终得到关于系统运行和故障状况综合评价的过程。1.2.1故障诊断的任务[6]故障诊断的任务，由低级到高级，可以分为以下四个方面的内容：（1）故障建模。按照先验信息和输入输出关系，建立系统故障的数学模型，作为故障检测与诊断的依据；（2）故障检测。从可测或不可测的估计变量中，判断运行的系统是否发生故障，一旦系统发生意外变化，应发出警报；（3）故障的分离与估计。如果系统发生了故障，给出故障源

5、的位置，区别故障原因是执行器、传感器、被控对象或是特大扰动。故障估计是在弄清故障性质的同时，计算故障的程度及故障发生的时间等参数；（4）故障的分类、评价与决策。判断故障的严重程度，以及对系统的影响和发展趋势，针对不同情况采取不同的措施，其中包括保护系统的启动。1.2.2故障诊断的主要研究内容故障诊断是一项系统工程，它包括故障分析、故障建模、故障检测、故障[7]诊断和故障决策等四个方面的研究内容，下面对各个内容分别加以介绍。故障分析。故障是对象或系统的病态或非常态。要诊断故障，首先必须对故障与带故障的设备、系统、过程都

6、有细致分析和深入研究，明确可能产生故障的环节，故障传播途径，了解故障的典型形式、表现方式、典型特征以及故障频度或发生机率，结合对象的物理背景了解故障产生的机理、故障关联性和故障危害性。常用的故障分析方法有对象和故障环节的机理分析法、模拟法、数值仿真或系统仿真法和借助数学模型的理论分析法等。故障建模。模拟分析是现代分析的基本方法，对复杂对象的故障诊断同样具有重要的应用价值。为了定量或定性地分析故障、诊断故障和处理故障，建立故障的模型和带故障对象的模型是十分必要的。常用的带故障对象模型有“加性（additive）”模型、

7、“新息（innovation）”模型和复合型模型；故障分量模型有脉冲模型、阶跃型故障模型和过程渐变型故障模型等。故障检测。简而言之，故障检测是判断并指明系统是否发生了故障，即对于某个正在运行的系统或正在按规定标准进行生产的设备，辨别其是否超出预[8]定或技术规范规定的无故障工作门限。显然，这是故障诊断的首要任务。根-2-第1章绪论据处理方式和要求的不同，故障检测可区分为在线检测和离线检测两大类。与故障检测相近的还有一个常用名词“故障监测”。所谓故障监测，实质上也是所谓的故障在线检测或实时检测，主要目的是对设备或系统功

8、能进行及时观测，一旦发现异常征兆则及时报警，承担“监控系统”的主要任务。故障推断。故障推断是通过足够的传感器（测量设备）检索出所有可能得到的，从故障发生之前到故障发生之时全部时间内的、与系统有关的信息，对故障部位、故障类型和故障幅度等进行系统分析和合理推断。故障推断是故障诊断技术研究的主体部分，包括以下几个方面：(1)故障定位与故障分离；(2)