基于模型的故障诊断技术

　　第一部分重点介绍了故障诊断与辨识（FDI）技术的基本概念和发展历程中的相关问题；构建基于观测器FDI框架的基本思路、主要问题与解决方法；技术系统建模；（系统动力学）结构故障检测、分离与辨识性质。第二部分分别阐述了基本的残差产生方法；理想的未知输入解耦；对未知输入具有鲁棒性的残差产生；对模型不确定性具有鲁棒性的残差产生。第三部分论述了基于范数残差评价与阈值计算；基于统计方法残差评价与阈值计算；基于范数和统计方法的综合。第四部分专题讨论了故障检测系统的综合设计、故障分离方案和故障辨识。

　　郁军，海军工程大学管理工程系副教授，曾于潜艇部队担任部门长，后一直从事教学与科研工作，著有多部作品。 Steven X. Ding教授于1992年从德国杜伊斯堡大学获得电气工程博士学位，1992年至1994在德国莱茵金属有限公司担任研发工程师，1995年至2001年在德国森夫滕贝格的劳西茨应用科技大学担任控制工程教授，并于1998年至2000年担任该校副校长。自2001年以来，Steven X. Ding教授在杜伊斯堡-埃森大学担任控制工程教授和自动控制及复杂系统研究所所长，他的研究兴趣是基于模型和数据驱动的故障诊断、容错控制以及在工业过程中比如汽车系统、化学过程和可再生能源系统的应用。

第一篇 绪论、基本概念与预备知识
第 1 章 绪论 ............................................................................................... 1
1.1 故障诊断技术的基本概念 ........................................................... 2
1.2 历史发展和一些相关问题 ........................................................... 6
1.3 小结和参考文献 ........................................................................... 9
第 2 章 基于观测器 FDI 框架中的基本思想、主要论题及工具 .......... 11
2.1 关于基于观测器的残差生成器框架 ........................................... 11
2.2 未知输入解耦与故障隔离论题 ................................................. 12
2.3 基于观测器 FDI 框架中的鲁棒性论题 ..................................... 14
2.4 关于奇偶空间 FDI 框架 ............................................................. 15
2.5 残差评价与阈值计算 ................................................................. 16
2.6 FDI 系统综合与设计 .................................................................. 17
2.7 小结和参考文献 ......................................................................... 17
第 3 章 技术系统的建模 ......................................................................... 19
3.1 标称系统的行为描述 ................................................................. 20
3.2 互质分解技术 ............................................................................. 21
3.3 扰动系统的描述 ......................................................................... 23
3.4 包含模型不确定性的系统模型描述 .......................................... 24
3.5 故障建模 ..................................................................................... 25
3.6 闭环反馈控制系统中的故障建模 .............................................. 28
3.7 基准示例 ..................................................................................... 30
3.8 小结和参考文献 ......................................................................... 49
第 4 章 结构的故障可检测性、可隔离性和可辨识性 ........................... 51
4.1 结构的故障可检测性 ................................................................. 51
4.2 激励和充分激励系统 ................................................................. 57
4.3 结构的故障可隔离性 ................................................................. 58
4.4 结构的故障可辨识性 ................................................................. 66
4.5 小结和参考文献 ......................................................................... 68
第二篇 残差生成
第 5 章 基本的残差生成方法 .................................................................. 70
5.1 解析冗余 ..................................................................................... 71
5.2 残差与残差生成器的参数化 ..................................................... 74
5.3 残差生成器设计与运用的有关问题 .......................................... 78
5.4 故障检测滤波器 ......................................................................... 79
5.5 诊断观测器策略 ......................................................................... 81
5.6 奇偶空间方法 ............................................................................. 99
5.7 相互联系、比较和注释 ........................................................... 105
5.8 小结和参考文献 ....................................................................... 117
第 6 章 完美未知输入解耦 .................................................................... 119
6.1 问题数学描述 ........................................................................... 119
6.2 PUIDP 的存在条件 ................................................................... 121
6.3 频域方法 ................................................................................... 130
6.4 UIFDF 设计 .............................................................................. 133
6.5 UIDO 设计 ................................................................................ 146
6.6 未知输入奇偶空间方法 ........................................................... 160
6.7 替代策略 — 零矩阵方法 ........................................................ 160
6.8 最小阶残差生成器 ................................................................... 161
6.9 小结和参考文献 ....................................................................... 167
第 7 章 对未知输入具有增强鲁棒性的残差生成 ................................ 169
7.1 数学和控制理论预备知识 ....................................................... 170
7.2 基于 Kalman 滤波器的残差生成 ............................................. 184
7.3 UI—分布矩阵的逼近