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故障诊断技术研究及其应用

1引言
以故障为研究对象是新一代系统可靠性理论研究的重要特色，也是过程系统自动化技术从实验室走向工程的重要一环。最近二十多年来，以故障检测、故障定位、故障分离、故障辨识、故障模式识别、故障决策和容错处理为主要内容的故障诊断与处理技术，已成为机械设备维护、控制系统系统可靠性研究、复杂系统系统自动化、遥科学、复杂过程的异变分析、工程监控和容错信号处理等领域重点关注和广泛研究的问题。

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和判断的一项技术活动[1]。故障诊断学则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。它是诊断技术与具体工程学科相结合的产物，是一门新兴交叉学科。故障诊断与处理技术，作为一门新兴技术学科，可划分为如下三个不同的研究层次：
(1)以设备或部件为研究对象，重点分析和诊断设备的缺陷、部件的缺损或机械运转失灵，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。

概而言之，故障诊断研究的是对象故障或其功能异常、动作失败等问题，寻求发现故障和甄别故障的理论与方法。无论是设备故障诊断、系统故障诊断还是过程故障诊断，都有着广泛的研究对象、实在的问题背景和丰富的研究内容。本文将从故障诊断与处理技术的研究内容、典型方法和应用情况等三个方面，对故障诊断及相关技术的发展状况做一综述，同时简要指出本研究方向的若干前沿。
2故障诊断与处理的主要研究内容
故障诊断与处理是一项系统工程，它包括故障分析、故障建模、故障检测、故障推断、故障决策和故障处理等五个方面的研究内容。

2.1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几率，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。

2.2故障建模
模型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重要的。现代故障诊断技术，特别是下文将提到的各种基于解析冗余的故障检测与诊断技术都离不开准确科学的故障模型。

常用的带故障故障对象模型有“加性（additive）”模型、“新息（innovation）”模型和复合型模型；故障分量模型有脉冲型故障模型、阶跃型故障模型和过程渐变型故障模型等。

2.3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，辨别其是否超出预定或技术规范规定的无故障工作门限[2]。显然，这是故障诊断的首要任务。

根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。在航天器跟踪测量和飞行控制系统研究中，在线检测被称为实时检测，离线检测也被称为事后检测。其中，故障实时检测是运载火箭安全控制系统的核心。

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，主要目的是对设备状况或系统功能进行及时观测，一旦发现异常征兆出现则及时报警，承担“监控系统”的主要任务。

2.4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，包括如下几个方面：
(1)故障定位与故障分离
对结构复杂的机械设备或工程系统而言，仅检测出是否发生了故障往往只完成了任务的一半，更重要的是必须告知故障发生在哪个部件或子系统上，即必须指明已发生故障的材料、结构、组成部分、过程或系统，这就是故障定位。
当多个部位都发生了故障时，必须分离出所有故障源，即所谓的故障分离。故障分离是对故障进行深入研究的基础，在航天故障的分析与处理过程中有重要的价值。

(2)故障时间确定
对工程系统而言，系统运行过程实质上是系统状态随时间演化的过程，故障总是发生在系统运行过程的某个时间点（或时间区间）上。有时，确定故障发生的时刻或时间区间对于分析故障，尤其