控制系统故障诊断与容错控制的分析和设计

第一章 概述

1.1 问题的提出

1.2 故障诊断

1.2.1 故障诊断的任务及其研究的内容

1.2.2 系统故障的特征量及其获取

1.2.3 故障的决策与分离方法

1.2.4 故障诊断的方法

1.3 容错控制

1.3.1 鲁棒容错控制

1.3.2 重构容错控制

1.4 容错控制和故障诊断技术中存在的问题及其发展趋势

参考文献

第二章 基于观测器的故障诊断

2.1 引言

2.2 故障检测观测器的特征结构配置方法

2.3 基于矩阵奇异值分解的鲁棒故障检测观测器和基于鲁棒观测器的故障诊断

2.3.1 问题的描述

2.3.2 基于矩阵奇异值分解的鲁棒观测器设计

2.3.3 基于多重模型假设下的并行鲁棒观测器残差输出的故障分离

参考文献

第三章 基于参数估计的故障诊断

3.1 引言

3.2 基于模参一物参关联方程灵敏度分析的故障模式识别

3.3 变结构变参数系统参数估计

3.4 变结构变参数系统辨识的自适应算法

3.5 基于参数估计和人工神经网络的动态测试与故障诊断的原理

3.5.1 基于参数估计和人工神经网络的动态测试与故障诊断的原理

3.5.2 应用实例——基于参数估计和人工神经网络的某导弹姿态控制系统动态测试与故障诊断系统

参考文献

第四章 基于人工神经网络的故障诊断

4.1 引言

4.2 多层前向神经网络和一种改进的多层前向网络快速学习算法

4.2.1 多层前向网络的结构及数学描述

4.2.2 一种多层前向神经网络的结构自调整算法

4.2.3 误差的后向传播原理及BP学习算法

4.2.4 一种改进的快速误差后向传播学习算法（FI弹）

4.3 基于BP和FBP学习算法的多层前向网络在故障诊断中的应用

参考文献

第五章自适应模糊逻辑系统和基于自适应模糊逻辑系统的故障诊断

5.1 引言

5.2 模糊逻辑的数学基础

5.3 自适应模糊逻辑系统及基于自适应模糊逻辑系统的故障诊断

5.3.1 自适应模糊逻辑系统的数学描述

5.3.2 自适应模糊逻辑系统的函数逼近能力分析

5.3.3 自适应模糊逻辑系统的梯度下降学习算法

5.3.4 基于模拟退火的自适应模糊逻辑系统学习算法

5.3.5 自适应模糊逻辑系统的最近邻学习算法

5.3.6 自适应模糊逻辑系统的竞争学习算法

5.3.7 基于自适应模糊逻辑系统的建模与故障诊断实验研究

参考文献

第六章 基于专家系统的故障诊断方法

6.1 引言

6.2 专家系统的建造

6.3 知识的表示与获取

6.3.1 知识的表示

6.3.2 知识的获取

6.4 推理机

6.4.1 推理策略

6.4.2 推理控制策略

6.5 应用实例

6.5.1 系统的结构

6.5.2 基于SM智能检测的某运载火箭实时在线监测

6.5.3 基于STD实时在线监测的故障诊断专家系统

6.5.4 系统的功能特点、应用情况及结论

参考文献

第七章 逻辑诊断与故障树分析

7.1 逻辑诊断

7.1.1 逻辑代数

7.1.2 故障诊断中的逻辑问题

7.1.3 故障的逻辑诊断

7.2 故障的故障树分析方法

7.2.1 故障树的建造与数学描述

7.2.2 敌障树的定性分析

7.2.3 故障树的定量计算

参考文献

第八章 应用信息量确定最佳检测步骤和最佳故障特征集

8.1 引言

8.2 信息及其度量与计算

8.2.1 熵函数

8.2.2 信息及其度量

8.3 用信息量的方法确定最佳故障特征集和最佳诊断步骤

参考文献

第九章 系统动态行为的Petri网描述及基于Petri网的故障诊断

9.1 Petri网的基本概念

9.2 逻辑运算的Petri网建模

9.3 Petri网的简化

9.4 基于Petri网模型的系统分析

9.4.1 由Petri打网模型求系统失效率

9.4.2 由Petri网模型求系统的最小路集与最小割集

9.5 基于Petri网的系统状态动态变迁的描述与求解

9.5.1 基于Petri网的系统状态动态变迁的关联矩阵求解法

9.5.2 基于Petri网的系统状态动态变迁的梯形图求解法

9.6 基于Petri网的故障诊断

参考文献

第十章 基于同时稳定的容错控制

10.1 引言

10.2 基于互质分解的多重系统同时稳定容错控制设计

10.2.1 基于互质分解的同时稳定问题的数学描述

10.2.2 基于稳定的互质分解的同时稳定控制器设计

10.3 基于Hunwitz稳定性理论和非线性优化的容错控制

10.4 应用仿真

10.4.1 某导弹姿态控制系统数学模型描述

10.4.2 同时稳定控制器设计

参考文献

……

第十一章 基于H。。控制的多变量系统完整性设计

附录

参考文献

《控制系统故障诊断与容错控制的分析和设计》一书讲的是随着人们认识世界的深人，改造世界的拓展，出现了一些大型复杂系统。这些系统规模大，造价高，一旦出现故障，其后果往往是灾难性的，因此要求这种系统具有极高的安全性和可靠性。如何及时发现系统中的故障并加以定位，当系统出现故障时能否使系统仍然安全可靠地工作且维持一定的性能，客观生产实践向人们提出了故障诊断与容错控制的问题。

故障诊断和容错控制技术作为提高系统的安全性、可靠性的重要手段，日益引起人们的重视，成为控制理论继分析与综合技术之后的又一主要内容。国内外每年都有大量的文献报道这方面的研究，且已经取得了许多有价值的成果，但由于问题的复杂性，故障诊断和容错控制是一门涉及自动控制理论、计算机科学、信号处理、数理统计、优化理论、人工智能等多学科的新型边缘学科，仍然存在许多有待进一步研究的问题。笔者一直从事故障诊断与容错控制的学术、科研和研究生教学工作，感到有必要对过去的工作加以总结，为相关的学习研究提供一些参考。因此我们总结了十余年来在控制系统故障诊断与容错控制领域的学术、科研和教学工作，写成此书，并经两届研究生试用，深得学生好评。现承蒙国防科技图书出版基金资助，使得此书能得以正式出版。我们深信，《控制系统故障诊断与容错控制的分析和设计》的出版对我国控制系统故障诊断与容错控制的研究必将起一定的推动作用。

《故障诊断与容错控制系统的数据驱动设计》介绍了基本的统计过程监控、故障诊断和控制方法，并介绍了适应动态工业过程需求的故障诊断与容错控制系统的先进数据驱动设计方案。随着对技术过程和资产的可靠性、可用性以及安全性的要求不断提高，过程监控和容错已成为自动化控制系统设计中的重要环节。

《故障诊断与容错控制系统的数据驱动设计》向读者展示了目前由于信息技术的迅猛发展，数据驱动和统计过程监控与控制的关键技术如何广泛应用于工业实践中来解决这些问题。

为了便于自主研究和实际应用，《故障诊断与容错控制系统的数据驱动设计》包含了重要的数学与控制理论知识以及相关工具。主要方案以算法形式给出，并在工业案例的系统中演示。

《故障诊断与容错控制系统的数据驱动设计》将引起过程与控制工程师、工程专业的学生和控制工程研究人员的兴趣。

《故障诊断与容错控制系统的数据驱动设计》旨在报告和鼓励控制工程技术的传播。控制技术的飞速发展对控制学科的各个领域产生影响。

《故障诊断与容错控制系统的数据驱动设计》为研究人员提供了一个机会，让他们在工业控制的各个方面展示新的工作成果。

第一部分 引言、基本概念和预备知识

第1章 引言

1．1 基本概念

1．2 写作动机

1．2．1 数据驱动和基于模型的故障检测与诊断

1．2．2 容错控制与寿命管理

1．2．3 信息基础设施

1．3 内容大纲

1．4 注释和参考文献

参考文献

第2章 案例研究和应用实例

2．1 三容系统

2．1．1 过程动力学及其描述

2．1．2 典型故障的描述

2．1．3 闭环动力学

2．2 全混流加热器

2．2．1 设备动力学及其描述

2．2．2 所考虑的故障

2．3 工业实例：田纳西过程

2．3．1 过程描述和仿真

2．3．2 TEP中的模拟故障

2．4 注释和参考文献

参考文献

第3章 故障的统计检测

3．1 基本概念

3．1．1 一个简单的检测问题及其直观的解决方案

3．1．2 故障检测的基本概念

3．1．3 问题公式化

3．2 基本方法与算法

3．2．1 直觉解决方案

3．2．2 检验统计量T2

3．2．3 似然比和广义似然比

3．2．4 广义似然比的向量值

3．3 检测问题中的数据驱动解决方案

3．3．1 有足够大N的故障检测

3．3．2 用霍特林的T2检验统计进行故障检测

3．3．3 用Q统计进行故障检测

3．4 案例：三容系统的故障检测

3．4．1 系统设置和仿真参数

3．4．2 操作结果和阈值设置

3．4．3 故障检测结果

3．5 基本故障检测问题的变化

3．5．1 变化1

3．5．2 变化2

3．6 注释和参考文献

参考文献

第4章 确定性扰动过程的故障检测

4．1 优化配置和基本概念

4．1．1 简单的检测问题与其直观的解决方案

4．1．2 基本概念

4．1．3 问题的表述

4．2 基本方法和算法

4．2．1 一个直觉策略

4．2．2 一种替代方案

4．2．3 对比研究

4．2．4 基于未知输入估计的检测方案

4．2．5 通用解决方案

……

第二部分 多元分析方法在静态过程故障诊断中的应用

第5章 主元分析在故障诊断中的应用

第6章 偏最小二乘回归在故障诊断中的应用

第7章 基于过程监测和故障诊断的典型变量分析

第三部分 动态过程中故障诊断系统的数据驱动设计

第8章 简介、预备知识与I/O数据集模型

第9章 数据驱动的故障诊断方案

第10章 基于观测器的故障诊断系统数据驱动设计

第四部分 数据驱动故障诊断中的自适应迭代优化技术

第11章 自适应故障诊断方案

第12章 过程监测与故障检测系统的迭代优化

第五部分 容错控制系统的数据驱动设计与寿命管理

第13章 容错控制架构和设计研究

第14章 基于观测器的控制系统数据驱动设计

第15章 自动控制系统寿命管理的实现

第1章 绪论

1.1 智能故障诊断与容错控制的有关概念

1.2 智能故障诊断与容错控制的目的和意义

1.3 智能故障诊断与容错控制的研究内容

1.4 智能故障诊断与容错控制的研究方法

1.5 智能故障诊断与容错控制的国内外研究概况

1.6 本书的结构体系和特色

1.7 小结

参考文献

第2章 智能故障诊断与容错控制的构成

2.1 智能故障诊断与容错控制的基本结构

2.2 智能故障诊断与容错控制的构成原理

2.3 智能故障诊断与容错控制的构成方法

2.4 智能故障诊断与容错控制的评价指标

2.5 小结

参考文献

第3章 智能故障诊断与容错控制方案

3.1 基于状态反馈的故障诊断与容错控制

3.2 基于故障补偿的故障诊断与容错控制

3.3 基于多模冗余的故障诊断与容错控制

3.4 基于功能模块的故障诊断与容错控制

3.5 基于神经网络的故障诊断与容错控制

3.6 基于专家系统的故障诊断与容错控制

3.7 小结

参考文献

第4章 智能故障诊断与容借控制策略

4.1 瞬时故障的消除

4.2 多模块并行诊断决策

4.3 故障自适应学习控制

4.4 故障自适应补偿控制

4.5 故障自适应重构控制

4.6 小结

参考文献

第5章 智能故障诊断与容错控制的实现方法

5.1 故障信号检测

5.2 故障特征识别

5.3 故障状态预测

5.4 故障维修决策

5.5 故障容错控制

5.6 小结

参考文献

第6章 模糊故障诊断与容错控制

6.1 模糊故障诊断原理

6.2 模糊故障诊断方法

6.3 模糊故障容错控制

6.4 几个问题的处理方法

6.5 小结

参考文献

第7章 专家系统故障诊断与容错控制

7.1 专家系统概述

7.2 专家系统故障诊断原理

7.3 专家系统故障诊断方法

7.4 专家系统故障容错控制

7.5 翼型风不洞运行过程故障诊断与容错控制

7.6 小结

参考文献

第8章 神经网络故障诊断与容错控制

……

第9章 信息融合故障诊断与容错控制

第10章 智能故障诊断与容错控制

第11章 智能结构故障诊断与容错控制

第12章 BIT故障诊断与容错控制

第13章 集成化妆故障诊断与容错控制

第14章 网络化故障诊断与容错控制