论文部分内容阅读
摘要：在当今工业发展领域，安全性和可靠性尤为重要。传统工业采取周期性采样的方式，选取固定的时间间隔来传输数据，这不仅会导致计算和能量资源的浪费，而且还存在工业安全上的隐患。基于事件触发技术的故障诊断就很好弥补了这一点，它可以在设备达到某种不良情况下通过传感器及时传输当前采样数据，不仅降低了能量和通信损耗，还大大提高故障诊断的效率。最后展望了几个值得进一步研究的具有挑战性的问题。
关键词：安全性;可靠性;事件触发;故障诊断
1 研究背景及意义
随着系统性能、成本约束和低能耗要求的提高，现代工程系统正朝着大型化、复杂化、网络化、分布式方向发展。然而，系统越复杂、规模越大，系统各组成部分，在运行中发生各种故障的可能性就越高。系统中的各种故障不能及时检测和排除。一旦发生，极有可能对人员和财产造成巨大损失。
故障检测技术有很多种失效过程中的现象。例如，飞机上的一个传感器部件损坏了，导致整个系统无法稳定运行。2015年5月，浙江省义乌市飞往福建省福州市的新舟60客机（JR1529）降落不平衡，原因是着陆装置坏了，飞出了正常的跑道。三名乘客因此而受伤。2019年1月14日，波音707货机在伊朗首都德黑兰附近，在飞行过程中遭遇故障失控导致坠毁，货机上当时有乘客16人，15人不幸身亡，仅有1人幸存。由此可见，在交通领域、航空领域，由于故障的发生，给人们的生命财产造成的后果难以挽救，而在其他领域，也有因为设备故障而引起的多起事故[1]。
从实例可以看出，为了保护人民的生命财产安全，设备和控制系统的安全性和可靠性尤为重要。当检测到系统处于非正常工作模式时，可以立即有效地重构控制律，使损失最小化。因此，如何快速、准确地进行故障诊断和容错控制，保证系统的连续、稳定、安全运行，是当前控制系统必须解决的关键问题[2]。故障诊断的任务是对系统故障的特征进行描述，并利用这种描述去检测和隔离系统的故障，发现异常情况后，来确定故障的类型、位置、大小和时间，故障分析包括故障特征提取、故障估值和故障决策等几个部分[3]。
2 国内外研究
2.1 故障诊断技术的发展
20世纪70年代， MIT的Beard最先提出用解析冗余的方法，标志着故障诊断的大门被打开。
20世纪90年代以来，神经网络、专家系统、信号处理等理论不断发展，各种技术相互渗透、相互融合。就我国而言，我国从事控制系统故障诊断技术研究的时间不长，只有30多年的历史，但是我国在这方面已经取得了丰富的研究成果，提出了许多新的方法和技术方案，中国自动化学会成立了故障诊断与安全专门委员会，并定期召开全国性故障诊断学术会议，表明我国高度重视动态系统故障诊断技术的发展[4]。
2.2 事件触发技术的发展
我们知道当信息出现远距离传输时，通信的可靠性将会降低，因此，研究人对故障诊断，容错控制的研究很多，针对数据传输过程中的延迟和丢包等现象进行了故障诊断和容错控制设，目前，取得了一定的成果[5]。
初期，在工业过程中，监控系统的方式通常采用采样和传输周期性的信息来实现。但是这种周期采样方式的缺点也很明显。一方面，通信损耗会增加，另一方面许多计算和能量资源被浪费。正是因为考虑到了周期采样的缺陷，事件触发技术开始逐渐被提出。发生事件触发条件时，只有在某些预指定条件达到时才会触发，这样的话，系统检测的精度以及系统性能的控制也更加有准确性[6]。近年来，许多学者对连续控制系统和离散控制系统中的每一个事件触发控制问题进行了不同的研究，并取得了许多成果。例如，一些文献利用ISS技术，一种连续非线性系统的事件触发机制被逐渐开始提及，并基于该机制实现了控制任务的实时调度，根据L2稳定性的意义，Dr. Wang 和Dr.Lemmon提出了连续线性系统低维事件触发条件，给出了控制任务执行周期、截止时间与系统状态之间的显式关系[7]。与循环触发控制相比，事件触发控制具有更多的优点。虽然事件触发控制技术非常优秀，但到目前为止，学术界和工业界对事件触发控制的研究和应用还很少。主要原因是非周期触发控制系统的数学分析比周期触发控制系统的数学分析复杂，这可能是一种新的认识和发展途径。
3 研究问题
随着网络控制系统的发展，像丢包、时延、网络拥塞等现象出现的频率越来越高。网络控制系统在通信过程中主要面临兩大问题，一是网络诱导元件，二是由于大量数据传输而造成的网络拥塞。事件触发机制从降低网络负载的优势出发，应用到各种系统中。有学者研究了给定区间上下界已知的随机网络诱导时延网络控制系统（NCS），鲁棒稳定性分析和状态反馈控制器设计，研究了时延、丢包和通信约束等故障检测问题。目前事件触发主动容错效率不高，而且事件触发技术应用在传感器端比较好，较高的通讯损耗仍然存在控制器到执行器端。
4 研究思路
以不确定性理论为基础，一种非均匀采样系统的离散时间故障估计与监测设计方案被研究人员们提出。首先，用凸多项式方法将非均匀采样系统等效为具有范数不确定性的事件触发故障诊断。在此基础上发展一种基于故障诊断和故障调节集成的设计方案。希望达到既保障系统发生故障的性能，又尽可能减少传感器和控制，执行器之间的损耗。通过修正和补偿控制率，使得故障系统尽量保持无故障时的性能水平。与传统的基于连续时间线的故障估计器相比，该方法具有更高的估计精度和更大的采样允许间隔，有助于数字实现。
5 总结和展望
通过对基于事件触发的故障诊断技术的概述，对国内外的研究成果进行了分类和分析。目前基于事件触发的故障诊断技术研究还不够充分，在许多领域尚未提出有效的故障诊断技术，如基于事件触发时变系统的故障诊断技术及动态事件触发机制的研究。在对基于事件触发的故障诊断研究中，存在着一些亟待解决的问题例如目前针对基于事件触发的网络化环境下故障诊断问题，讨论的由网络化引起的不完全信息描述还不够准确，所建立的丢包、通信时滞等模型有很大的局限性，不能有效反映实际情况，另外在事件触发机制下，为了保证资源的合理配置，通常有部分系统性能损失，如何设计比较好的方法一方面保证故障诊断的性能和通信资源的占用，另一方面协同地对事件触发机制和故障诊断方法进行设计，是基于事件触发的故障诊断问题的一大挑战。
参考文献
[1]现代故障诊断与容错控制[M]. 清华大学出版社 ， 周东华，叶银忠著， 2000
[2]姜斌，目泽慧，杨浩，张友民.控制系统的故障诊断与故障调节（MI）.北京：国防工业出版社，2019.
[3]王德军. 故障诊断与容错控制方法研究[D].吉林大学，2004.
[4]张静. 基于事件触发采样的故障诊断与容错控制[D].南通大学，2017.
[5]王燕锋，王培良，蔡志端.时延转移概率部分未知的网络控制系统鲁棒H_∞故障检测[J].控制理论与应用，2017，34（02）：273-279.
[6]邱爱兵，胡贤，邱卫东，季胜蓝.基于事件触发的故障诊断与动态调节集成设计[J].控制理论与应用，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.
作者简介：
唐海鹏（1996 .11-）籍贯： 江苏如皋，性别 ：男 最高学历：硕士研究生（在读），研究方向： 电子信息 单位：湖州师范学院
关键词：安全性;可靠性;事件触发;故障诊断
1 研究背景及意义
随着系统性能、成本约束和低能耗要求的提高，现代工程系统正朝着大型化、复杂化、网络化、分布式方向发展。然而，系统越复杂、规模越大，系统各组成部分，在运行中发生各种故障的可能性就越高。系统中的各种故障不能及时检测和排除。一旦发生，极有可能对人员和财产造成巨大损失。
故障检测技术有很多种失效过程中的现象。例如，飞机上的一个传感器部件损坏了，导致整个系统无法稳定运行。2015年5月，浙江省义乌市飞往福建省福州市的新舟60客机（JR1529）降落不平衡，原因是着陆装置坏了，飞出了正常的跑道。三名乘客因此而受伤。2019年1月14日，波音707货机在伊朗首都德黑兰附近，在飞行过程中遭遇故障失控导致坠毁，货机上当时有乘客16人，15人不幸身亡，仅有1人幸存。由此可见，在交通领域、航空领域，由于故障的发生，给人们的生命财产造成的后果难以挽救，而在其他领域，也有因为设备故障而引起的多起事故[1]。
从实例可以看出，为了保护人民的生命财产安全，设备和控制系统的安全性和可靠性尤为重要。当检测到系统处于非正常工作模式时，可以立即有效地重构控制律，使损失最小化。因此，如何快速、准确地进行故障诊断和容错控制，保证系统的连续、稳定、安全运行，是当前控制系统必须解决的关键问题[2]。故障诊断的任务是对系统故障的特征进行描述，并利用这种描述去检测和隔离系统的故障，发现异常情况后，来确定故障的类型、位置、大小和时间，故障分析包括故障特征提取、故障估值和故障决策等几个部分[3]。
2 国内外研究
2.1 故障诊断技术的发展
20世纪70年代， MIT的Beard最先提出用解析冗余的方法，标志着故障诊断的大门被打开。
20世纪90年代以来，神经网络、专家系统、信号处理等理论不断发展，各种技术相互渗透、相互融合。就我国而言，我国从事控制系统故障诊断技术研究的时间不长，只有30多年的历史，但是我国在这方面已经取得了丰富的研究成果，提出了许多新的方法和技术方案，中国自动化学会成立了故障诊断与安全专门委员会，并定期召开全国性故障诊断学术会议，表明我国高度重视动态系统故障诊断技术的发展[4]。
2.2 事件触发技术的发展
我们知道当信息出现远距离传输时，通信的可靠性将会降低，因此，研究人对故障诊断，容错控制的研究很多，针对数据传输过程中的延迟和丢包等现象进行了故障诊断和容错控制设，目前，取得了一定的成果[5]。
初期，在工业过程中，监控系统的方式通常采用采样和传输周期性的信息来实现。但是这种周期采样方式的缺点也很明显。一方面，通信损耗会增加，另一方面许多计算和能量资源被浪费。正是因为考虑到了周期采样的缺陷，事件触发技术开始逐渐被提出。发生事件触发条件时，只有在某些预指定条件达到时才会触发，这样的话，系统检测的精度以及系统性能的控制也更加有准确性[6]。近年来，许多学者对连续控制系统和离散控制系统中的每一个事件触发控制问题进行了不同的研究，并取得了许多成果。例如，一些文献利用ISS技术，一种连续非线性系统的事件触发机制被逐渐开始提及，并基于该机制实现了控制任务的实时调度，根据L2稳定性的意义，Dr. Wang 和Dr.Lemmon提出了连续线性系统低维事件触发条件，给出了控制任务执行周期、截止时间与系统状态之间的显式关系[7]。与循环触发控制相比，事件触发控制具有更多的优点。虽然事件触发控制技术非常优秀，但到目前为止，学术界和工业界对事件触发控制的研究和应用还很少。主要原因是非周期触发控制系统的数学分析比周期触发控制系统的数学分析复杂，这可能是一种新的认识和发展途径。
3 研究问题
随着网络控制系统的发展，像丢包、时延、网络拥塞等现象出现的频率越来越高。网络控制系统在通信过程中主要面临兩大问题，一是网络诱导元件，二是由于大量数据传输而造成的网络拥塞。事件触发机制从降低网络负载的优势出发，应用到各种系统中。有学者研究了给定区间上下界已知的随机网络诱导时延网络控制系统（NCS），鲁棒稳定性分析和状态反馈控制器设计，研究了时延、丢包和通信约束等故障检测问题。目前事件触发主动容错效率不高，而且事件触发技术应用在传感器端比较好，较高的通讯损耗仍然存在控制器到执行器端。
4 研究思路
以不确定性理论为基础，一种非均匀采样系统的离散时间故障估计与监测设计方案被研究人员们提出。首先，用凸多项式方法将非均匀采样系统等效为具有范数不确定性的事件触发故障诊断。在此基础上发展一种基于故障诊断和故障调节集成的设计方案。希望达到既保障系统发生故障的性能，又尽可能减少传感器和控制，执行器之间的损耗。通过修正和补偿控制率，使得故障系统尽量保持无故障时的性能水平。与传统的基于连续时间线的故障估计器相比，该方法具有更高的估计精度和更大的采样允许间隔，有助于数字实现。
5 总结和展望
通过对基于事件触发的故障诊断技术的概述，对国内外的研究成果进行了分类和分析。目前基于事件触发的故障诊断技术研究还不够充分，在许多领域尚未提出有效的故障诊断技术，如基于事件触发时变系统的故障诊断技术及动态事件触发机制的研究。在对基于事件触发的故障诊断研究中，存在着一些亟待解决的问题例如目前针对基于事件触发的网络化环境下故障诊断问题，讨论的由网络化引起的不完全信息描述还不够准确，所建立的丢包、通信时滞等模型有很大的局限性，不能有效反映实际情况，另外在事件触发机制下，为了保证资源的合理配置，通常有部分系统性能损失，如何设计比较好的方法一方面保证故障诊断的性能和通信资源的占用，另一方面协同地对事件触发机制和故障诊断方法进行设计，是基于事件触发的故障诊断问题的一大挑战。
参考文献
[1]现代故障诊断与容错控制[M]. 清华大学出版社 ， 周东华，叶银忠著， 2000
[2]姜斌，目泽慧，杨浩，张友民.控制系统的故障诊断与故障调节（MI）.北京：国防工业出版社，2019.
[3]王德军. 故障诊断与容错控制方法研究[D].吉林大学，2004.
[4]张静. 基于事件触发采样的故障诊断与容错控制[D].南通大学，2017.
[5]王燕锋，王培良，蔡志端.时延转移概率部分未知的网络控制系统鲁棒H_∞故障检测[J].控制理论与应用，2017，34（02）：273-279.
[6]邱爱兵，胡贤，邱卫东，季胜蓝.基于事件触发的故障诊断与动态调节集成设计[J].控制理论与应用，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.
作者简介：
唐海鹏（1996 .11-）籍贯： 江苏如皋，性别 ：男 最高学历：硕士研究生（在读），研究方向： 电子信息 单位：湖州师范学院