基于定性推理的故障诊断综述

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1、基于定性推理的故障诊断综述0引言国外故障诊断技术的研究己有近40年历史。早在20世纪60年代末,美国宇航局(NASA)创导成立了美国机械故障预防小组。以后，各国政府机构和公司广泛成立组织，召开会议，开展研究工作；20世纪70年代末,由于电子测量技术和频谱分析技术的应用，故障诊断技术开始进入实际应用阶段；到了20世纪80年代中期，随着传感器技术、信号处理技术以及计算机技术的发展，现代故障诊断与预测技术逐步形成并发展起来；至20世纪80年代中期以后，机械设备的大型化、复杂化以及连续高速运行的需要，单靠信号处理和人工分析判断已难以实现在线的精确诊断。1故障诊断方法故障诊断就

2、是寻找故障原因的过程，包括对各种检测、测量得到的信息进行监视、分析和判别，并结合系统特性及历史数据对系统工作状态给出分析、评价的过程。故障检测与诊断技术为提高复杂系统的可靠性开辟了一条新的途径，是解决系统的可靠性、安全性、提供科学决策的关键技术之一。按照通行的分类方法，故障诊断方法可以分为基于数据驱动的方法、基于数学模型的方法、基于知识的方法等三种类型。(1)基于数学模型的方法利用观测器或滤波器对系统的状态和参数进行重构，并构成残差序列(或称新息序列)，然后采用一些措施來增强残差序列中包含的故障信息,抑制模型误差和扰动等非故障信息，最后通过对残差序列的统计分析来检测出

3、故障的发生并进行故障的识别。(1)不依赖数学模型的方法除了基于数学模型的方法以外，其它的诊断方法包括基于数据驱动和知识的方法都可认为是不依赖于数学模型的方法，如专家系统故障诊断方法、神经网络故障诊断方法和基于定性推理的方法等。这些方法种类繁多,每种方法中都有许多分支。2定性推理其中基于定性推理诊断设备故障，国内外学者已经进行了详细的研究，并提出了很多方法。(1)Dekleer的envision方法：将每个物理过程视为一个复杂的物理设备(device)由一些部件连接构成，约束条件由连接外的定性方程给出，求解所有可能的行为状态。(2)Forbus的定性进程方法：物理现象用

4、一些相关的进程描述，进程由个体，前提条件、量条件(quantityconditions)＞关系和影响(influences)构成，其工作过程是每个不同进程的激活(active)和停止(inactive)的过程。(3)Kuipers的定性仿真方法：用部件参量及相应的一组定义在数量空间的定性约朿描述系统结构，从某一出事状态出发，推衍各种可能的后继状态。(1)Iwasaki和Simon的因果顺序方法(theoryofcausalordering),他们讨论如何在非因果数学关系模型中进行因果推理。3基于定性推理故障诊断方法当一系统各变量值均为其正常期望值，其导数亦为零。此时系

5、统各变量的定性状态为qS（fl,t）=（正常期望值,稳定）,i：1,2,…，m,m为系统变量数。一旦系统出现故障，其状态变量的值将会发生变化，故障诊断任务山，状态变化的最重要定性特征为增大、减小或无变化这个重要的量化空问仅包含三个值：+、-和0。定性分析中，“x增大”披表示为[dx/dt]+,为表达简单起见将[dx/dt]记作Ax。研究故障与状态变化间的关系将是故障诊断的关键。一般而言，不同的故障将会造成不同的状态变化，系统状态的变化受变量问的约束限制，而表现出一定的规律性。据此我们可根据系统的定性模型，利用定性仿真技术，对每个预先设定的故障，确定其过程变量的定性状态

6、，井进一步构造故障决策表，由该衣即可容易地确怎故障的决策规则。4定性推理的应用为了说明定性推理的应用，举一个简单的例子。见图1所表示的水槽离心泵控制系统。该系统由一个开口水槽、一台离心泵、一个调节阀（VI）、一个手动阀（V2）、和若干管道组成。其屮，水槽的液位由一个单回路控制器（LTC）控制，LS是液位变送器，上游入口流量为F1,下游出口流量为F2,离心泵出口压力为P。图2是该系统的SDG模型，节点表示过程系统中的物理变量（如流量、液位、温度、压力和组成等）、操作变量（如阀门、开关等）及相关的仪表（如控制器、变送器等），实线表示增量影响，虚线表示减量影响。SDG中所有

7、节点在相同时刻状态观测值的集合称为一个瞬时样本(pattern),如果样本只包括“+”、或“0”三种状态符号，称为三级量空间SDG样本。在三级样木中，节点所表示的变量超过了上限阂值(threshold)取“+”号,超过了下限阐值取号，在上、下限之间为正常状态，取“0”符号。图1水槽离心泵控制系统流程图图2水槽离心泵控制系统SDG模型SDG模型看似简单，它却能够表达复杂的因果关系，并且具有包容人规模潜在信息的能力。以图2所表示的SDG模型为例，令图中的每丫个节点都表示一个物理变量，并且都按空间定义取“+”、“-”、“0”三种状态中的一种，其中某个节点取