基于键合图的混合动态系统故障诊断的方法--控制网



基于键合图的混合动态系统故障诊断的方法
企业：控制网 日期：2009-06-08
领域：电源 点击数：1164









张健 （1985-）
女，山西交城人，新疆大学电气工程学院硕士研究生，主要研究方向为智能控制与系统开发。

摘要：本文首先概述了控制系统故障诊断的概念，分析了国内外对于这一领域的研究水平和发展状况，并且分基于和不依赖于控制系统数学模型两大类介绍了一些主要的故障诊断方法。此外，本文针对当前应用较多的一种动态系统——混合系统，提出了一种基于键合图模型的故障诊断方法。介绍了混合键合图基本原理，通过混合键合图对混合动态系统建模，为进一步进行MBD故障检测和追踪直至故障隔离和鉴别提供基础模型。

关键词：控制系统；故障诊断；基于模型诊断；混合键合图；混合系统建模

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

    控制系统的故障诊断理论从70年代产生到现在已经得到了迅速的发展，已经在航天、航空、核反应堆、热电厂、机器人以及众多的工业过程中得到了广泛的应用，并取得了巨大的经济效益。控制系统的故障诊断问题具有广阔的前景，有着重大的理论和实用价值。本文在分析已有的故障诊断方法的同时，还针对混合系统提出了一种基于模型的诊断方法（Model-based Diagnosis），即基于键合图模型的故障诊断方法。主要论述了混合键合图基本原理，通过混合键合图对混合动态系统建模过程以及此方法的优缺点等。

2 故障诊断的概念和研究状况

2.1 控制系统故障诊断的概念

    所谓控制系统故障诊断，就是利用软件或硬件的方法对控制系统的运转进行监视，实时检测出系统发生的故障并对故障进行隔离，对是什么原因引起故障、故障的程度有多大等问题也需要进行相应的分析。

    故障诊断的任务从低级到高级可分为四个方面的内容：

    （1）故障建模。建立系统故障的模型，作为故障检测与诊断的依据。

    （2）故障检测。判断运行的系统是否发生故障，一旦系统发生意外变化，应发出报警。

    （3）故障的隔离与估计。如果系统发生了故障，给出故障源的位置；故障估计是在弄清楚故障性质的同时，计算故障的程度、大小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，以及故障对系统的影响和发展趋势。

2.2 国内外研究状况

    1971年美国麻省理工学院的Beard博士首先提出了用解析冗余代替硬件冗余，并通过系统自组织使系统闭环稳定，通过比较器的输出得到系统故障信息的思想，标志着这门技术的开端。70年代是控制系统故障诊断发展的初级阶段。这一期间故障诊断理论还不太成熟，理论的应用实例也很少。一些简单的故障算法诸如检测滤波器、广义似然比、极大似然比等都是在这一阶段提出的。

    80年代是控制系统故障诊断技术蓬勃发展的一个阶段。在这期间有很多种新的理论方法被提出，理论的实际应用也得到了发展。不过，这一阶段的故障诊断技术应用面比较狭窄，主要集中在航天、船舶、发电厂、核电厂等一些专门领域，普通的工业控制领域涉及并不多。使用的故障诊断方法主要是基于观测器/滤波器方案或是系统辨识和参数估计方案。

    进入90年代以后，人们对于控制系统故障诊断理论的研究更加深入，各种方法己经不再完全孤立，而且随着其理论的发展相互渗透和融合。另外理论应用的领域也有了很大的扩展。虽然参数估计和观测器/滤波器方案仍然是使用得最多的故障诊断方法，但近年来使用神经网络、模糊逻辑及组合方法的故障诊断在明显的增加。对于非线性系统的故障诊断也有了更多的研究。

    我国对控制系统故障诊断的研究起始于80年代初，基本上一直是处于跟踪学习国外理论的水平上，自己独特的见解很少。从收集的资料来看，国内对于这一领域的研究是进入90年代以后才真正活跃起来。与国外研究水平相比我们还有很大的差距。

3 控制系统故障诊断的主要方法

    对于控制系统的故障诊断人们最初采取的方法是硬件冗余方法。它主要采用m/n表决方式。这种方法的缺陷是要增加更多的测试设备，使系统复杂。因此，现在讨论故障诊断主要指的是软件冗余的方法。软件冗余方法可分为两大类，即基于控制系统动态模型的方法和不依赖控制系统动态模型的方法。本文根据近年来故障诊断技术的新发展，给出了一个更为合理和完善的故障诊断方法分类图，如图1所示。

                                  图1   故障诊断方法分类

3.1 基于控制系统数学模型的故障诊断方法

    该方法又称解析冗余方法，这种方法的诊断思路是利用观测器或滤波器对控制系统的状态或参数进行重构，并构成残差序列，然后根据一些措施来增强残差序列中包含的故障信息，抑制干扰、模型误差等非故障信息，通过对残差序列的统计分析就可以检测出故障的发生并对故障进行诊断。这类故障诊断方法是目前研究得最多的方法。如：基于观测器/滤波器的故障诊断方法、参数估计方法、等价空间方法等都是属于此类方法。

3.2 不依赖于控制系统数学模型的故障诊断方法

    由于控制系统的复杂性，使得许多控制系统的建模是非常困难的、不完善的、或不精确的，因此，基于模型的故障诊断方法在这里就不太适用，不依赖控制系统数学模型的故障诊断方法不使用数学模型，主要方法有：直接测量系统输入输出的诊断方法；基于信息融合的诊断方法；基于模式识别的方法；基于专家系统的方法；基于模糊数学的方法；基于神经网络的方法；基于小波变换的方法等。

4 MBD中通过混合键合图对混合系统建模

4.1 混合系统

    混合动态系统(hybrid dynamical systems）体现了计算机科学与控制理论的交叉。“混合”意味着连续与离散部分的组合，混合动态系统意味着系统动态行为由相互影响的连续动态和离散动态来决定，因此到目前为止，混合动态系统被初步定义为：包含离散动态子系统和连续动态子系统，两者又相互作用的系统称为混合动态系统，简称混合系统。

    一个简单的混合系统举例如图2所示，两个罐之间有一个通道相连接，流入量是通过阀门Vc控制恒定流量fin(t)，系统流出量是从罐1流出的量f1out(t)和罐2的流出量f2out(t)。系统连续状态变量为两罐的液位高度h1和h2。阀门启关用{0，1}表示，即V1、V2、V3、Vc∈{0,1}。通常地，系统中不同的系统动态特性称为系统模式，系统特性的变化称模式迁移，其影响因素有两类：一是外部离散控制命令（如阀门V2的闭、通），由此引起的运行模式变化或者迁移称为受控迁移；另一类是系统内部连续状态变量满足某种关系时系统动态特性（系统模式）会发生变化，称为自治迁移。

                                     图2   混合系统例子

    下面给出阀门V2在开启和关闭两种状态下系统的键合图模型。

                                     图3   双容水箱的键合图模型

                            

                                     图4   受控连接点建立开关模式行为
                              
 
                                      图5   受控连接点的操作运行

4.2 基于模型的故障诊断

    混合系统是当前应用较多的动态系统之一，其故障诊断问题是当前研究领域的热门。混合系统中离散事件和连续动态行为间相互作用的特性使得系统开发的复杂性增加，开发结果的正确性也难以保证。尤其对于安全攸关的系统如航天系统、电力系统和化工系统等，对系统安全性的要求很高，系统的错误运行将造成重大损失。而基于模型诊断技术是为了克服传统故障诊断方法的缺点而兴起的一项新型的智能诊断推理技术，本文提出采用基于模型诊断方法即Model-based Diagnosis（MBD）对混合系统进行诊断，MBD使用模型和系统的测量观测值之间的不一致来进行诊断。

                                     图6   MBD诊断过程示意图

    基于模型诊断的主要思想如图6所示。使用设备内部结构与行为的知识诊断该设备。动态系统基于模型诊断的基本过程可表示为：（1）监视系统运行；（2）产生故障假设；（3）系统建模；（4）模型预测；（5）将观测与预测比较，产生诊断并逐步修正优化。

    本课题研究通过混合键合图对混合系统进行建模的过程，即上述MBD动态系统诊断过程中的第三步，也是最重要的一步。它为诊断过程的进一步进行提供模型基础，模型建立的优劣直接影响诊断过程的成败。
 
    混合系统的故障诊断需要一种可同时处理离散事件和连续变量的解决方案最终达到故障诊断目的。P.Mosterman等将能量的观点引入Bond Graph中，将事件的发生视为能量的变化，结合离散事件的理想开关和控制结点及相应的有限自动机来描述系统中复杂的多模态行为，并讨论在此基础上的故障诊断方法。   

4.3 混合键合图对系统建模过程 

    在对混合动态系统进行诊断的建模方法中有一种是基于带符号的有向图（SDG），它是一种由节点和节点之间有方向的连线构成的网络图。它看似简单，却能够表达复杂的因果关系，并且具有包容大规模潜在信息的能力。  

    本文使用带符号有向图中的键合图又称为键图对系统建模，它是将多种物理量统一地归纳为4种状态变量，即：势、流、变位和动量，从而统一地处理多种能量范畴的动态分析方法。而在对连续和离散的系统行为进行描述中有一种方法称为混合键合图（Hybrid Bond Graphs(HBGs)），它通过扩展连续键合图模型来提供一个对混合模型简洁的描述。Bond Graphs(BGs)键合图是一个不受域约束的拓扑建模语言，在操作步骤中获取基于能量交互，虚构一个物理系统。在普通构件处理过程中的能量交换。1-0链接点分别构造串联拓扑和并联拓扑等式。HBGs通过合并转换链结点来扩展BGs，使它能够在系统结构中适用离散的改变。BG链结点能够作为系统行为动态的接通和关闭。一个活动的链结点行为象一个普通的 BG链结点，但是在off状态，所有的在链结点联结事件都被设置为无效。因此一个不活跃的结点和连接结点不能扮演任何动态系统的决定。是活动和使无效结点能够影响相邻的结点的行为。混合键合图(Hybrid Bond Graph)方法的键合图作为工程领域中广泛应用的一种模型，可将各种领域（电工、机械、系统动力学等）的功率变量联系在一起，统一表征为两种变量：势和流。  

    Mosterman等人首先提出基于混合键合图的诊断方法，将连续和离散事件分别用传统键合图和有限状态自动机来建模。对时间的影响，采用时间因果图（Temporal Causal Graphs）作为定性模型。该图为一有向图，节点代表变量，有向边表示变量间的因果关系，边上标号确定了变量间(代数比例或时间)的关系。  

    该方法基本思想：首先，监控系统运行，当检测到明显的偏差时说明有故障；其次，利用混合键合图得到时间因果图，向后传播，定性推理，产生故障假设集，并对各故障假设模型进行预测；然后，对系统渐进监控，用约束模型进行模拟，对故障假设向前传播以决定是否丢弃该假设。该方法可广泛应用在工程领域混合系统中的单故障诊断；但需要对系统的运行原理有比较好的了解。该方法已经成功地应用于核反应堆中一个液钠制冷系统的非线性模型的动态诊断中。 

4.4 基于混合键合图（HBGs）建模的诊断技术存在的优缺点 

4.4.1 MBD中通过混合键合图进行建模的优点 

    基于带符号有向图(SDG)混合键合图的诊断技术认为故障诊断本质上是确定过程扰动的根本原因。采用带符号有向图描述系统，利用存储在SDG图上的信息搜寻扰动可能的故障源，从而有效识别系统扰动的原因。此方法的优势在于需要相对较少的信息来构造带符号有向图及用于诊断。  

4.4.2 存在的不足 

    (1) SDG混合键合图通常只支持两种过程偏差(偏大或偏小)，这在有些场合是不够精确的。

    (2) SDG混合键合图没有包含设备的状态信息。因此，即使设备单元存在故障，SDG混合键合图仍然把它当作正常设备来使用，这就会造成误差。

    (3) SDG混合键合图对于故障序列处理得不好，仅能处理一些简单的线性事件链。

    (4) 使用SDG混合键合图模型，有时候不能在很多事件中区分出哪些是可能的、哪些是不可能的。这是因为有向图没有完全地与现实情况吻合，存在误差。

    (5) 由于SDG混合键合图模型没能包含设备单元的所有信息，经常会出现故障误报。虽然误报比漏报好，但是增加了用户区分这些预报真假的工作量。

5 结语

    随着现代控制系统规模日益庞大和复杂，对于混合动态系统的故障诊断显得日益重要，在对混合系统进行诊断的研究中，建模是最为关键的步骤之一，我们在对多种建模方法进行研究后认为混合键合图方法较为适合基于模型诊断技术应用到混合系统。此外，尽管目前故障诊断的理论研究取得了丰硕的成果，但大多数故障诊断方法仅停留在实验仿真阶段，因此，将故障诊断方法应用于实际的研究值得关注。


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