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。

史蒂文·X.丁，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。
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。

第一篇 绪论、基本概念与预备知识第 1 章 绪论 ............................................................................................... 11.1 故障诊断技术的基本概念 ........................................................... 21.2 历史发展和一些相关问题 ........................................................... 61.3 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 .......... 112.1 关于基于观测器的残差生成器框架 ........................................... 112.2 未知输入解耦与故障隔离论题 ................................................. 122.3 基于观测器 FDI 框架中的鲁棒性论题 ..................................... 142.4 关于奇偶空间 FDI 框架 ............................................................. 152.5 残差评价与阈值计算 ................................................................. 162.6 FDI 系统综合与设计 .................................................................. 172.7 小结和参考文献 ......................................................................... 17第 3 章 技术系统的建模 ......................................................................... 193.1 标称系统的行为描述 ................................................................. 203.2 互质分解技术 ............................................................................. 213.3 扰动系统的描述 ......................................................................... 233.4 包含模型不确定性的系统模型描述 .......................................... 243.5 故障建模 ..................................................................................... 253.6 闭环反馈控制系统中的故障建模 .............................................. 283.7 基准示例 ..................................................................................... 303.8 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 ........................... 514.1 结构的故障可检测性 ................................................................. 514.2 激励和充分激励系统 ................................................................. 574.3 结构的故障可隔离性 ................................................................. 584.4 结构的故障可辨识性 ................................................................. 664.5 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 .................................................................. 705.1 解析冗余 ..................................................................................... 715.2 残差与残差生成器的参数化 ..................................................... 745.3 残差生成器设计与运用的有关问题 .......................................... 785.4 故障检测滤波器 ......................................................................... 795.5 诊断观测器策略 ......................................................................... 815.6 奇偶空间方法 ............................................................................. 995.7 相互联系、比较和注释 ........................................................... 1055.8 小结和参考文献 ....................................................................... 117第 6 章 完美未知输入解耦 .................................................................... 1196.1 问题数学描述 ........................................................................... 1196.2 PUIDP 的存在条件 ................................................................... 1216.3 频域方法 ................................................................................... 1306.4 UIFDF 设计 .............................................................................. 1336.5 UIDO 设计 ................................................................................ 1466.6 未知输入奇偶空间方法 ........................................................... 1606.7 替代策略 ― 零矩阵方法 ........................................................ 1606.8 最小阶残差生成器 ................................................................... 1616.9 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 ................................ 1697.1 数学和控制理论预备知识 ....................................................... 1707.2 基于 Kalman 滤波器的残差生成 ............................................. 1847.3 UI―分布矩阵的逼近 ........................................................... 1887.4 鲁棒性、故障灵敏性和性能指标 ............................................ 1947.5 奇偶矩阵与向量的最优选择 ................................................... 1977.6 H∞ 最优故障辨识策略 ............................................................. 2137.7 残差生成器的H2 / H2设计 ....................................................... 2147.8 H2 / H2设计与最优选择奇偶向量之间的关系 ....................... 2187.9 LMI 辅助设计 FDF .................................................................. 2257.10 统一解 ..................................................................................... 2487.11 一般形式的统一解 ................................................................. 2547.12 小结和参考文献 ..................................................................... 263第 8 章 对模型不确定性具有增强鲁棒性的残差生成 ......................... 2668.1 预备知识 ................................................................................... 2678.2 模型不确定性变换为未知输入 ............................................... 2698.3 参考模型策略 ........................................................................... 2718.4 凸多面体不确定性系统的残差生成 ........................................ 2798.5 随机不确定系统的残差生成 ................................................... 2868.6 小结和参考文献 ....................................................................... 300第三篇 残差评价和阈值计算第 9 章 基于范数的残差评价和阈值计算 ............................................ 3029.1 预备知识 ................................................................................... 3039.2 基本概念 ................................................................................... 3059.3 标准评价函数 ........................................................................... 3069.4 阈值设定的基本思想和问题构成 ............................................ 3099.5 J th, RMS ,2 的计算 ........................................................................... 3139.6 J th, peak,peak的计算 ........................................................................ 3209.7 J th, RMS ,2的计算 ........................................................................... 3269.8 阈值生成器 ............................................................................... 3329.9 小结和参考文献 ....................................................................... 335第 10 章 基于统计法的残差评价和阈值设定 ...................................... 33610.1 引言 ......................................................................................... 33610.2 统计方法的基本知识 ............................................................. 33610.3 阈值计算的准则 ..................................................................... 34610.4 GLR 检验法的应用 ................................................................ 35010.5 小结和参考文献 ..................................................................... 360第 11 章 基于范数与统计法的综合 ...................................................... 36211.1 具有确定性扰动随机系统中的残差评价 .............................. 36211.2 随机不确定系统的残差评价策略 .......................................... 37111.3 概率鲁棒性技术辅助的阈值计算 .......................................... 38411.4 小结和参考文献 ..................................................................... 393第四篇 故障检测、隔离与识别策略第 12 章 故障检测系统的综合设计 ...................................................... 39512.1 虚警率与故障检测率 ............................................................. 39612.2 给定虚警率的故障可检测性最大化 ...................................... 40012.3 给定故障检测率的虚警数量最小化 ...................................... 41512.4 随机系统的应用 ..................................................................... 42712.5 小结和参考文献 ..................................................................... 429第 13 章 故障隔离方案 ......................................................................... 43113.1 基本知识 ................................................................................. 43213.2 频域方法 ................................................................................. 43913.3 故障隔离滤波器设计 ............................................................. 44113.4 故障隔离的代数方法 ............................................................. 45713.5 利用残差生成器组的故障隔离 ............................................. 46313.6 小结和参考文献 ..................................................................... 471第 14 章 故障识别 ................................................................................. 47314.1 故障识别滤波器与完美故障识别 .......................................... 47414.2 具有附加信息的 FIF 设计 ...................................................... 47814.3 关于最优故障识别问题 ......................................................... 48114.4 对加权矩阵作用的研究 ......................................................... 48314.5 FIF 设计方法 .......................................................................... 48914.6 小结和参考文献 ..................................................................... 494参考文献 ................................................................................................... 496