《机I【l技术》2007年第2期 计算机技术应用 基于随机混合自动机的混合系统故障诊断方法 郑玉英 (福矬新福达汽 T业有限公州,福建福州350001) 摘要:使用随机混合自动机对町能flI现某种突变故障的混合系统矬模,将其状态瓶测与故障诊断结合起米, 并使用粒予滤波算法估汁混合系统的运行模式和连续状态,实现了混合系统的状态监测与故障诊断。文中给{lj所使 用的模型描述与分析方法,混含估计算法的设计方法。经仿真结果证I儿所提}JJ的方法足适用于混合系统的状态腑测 与诊断。 关键词:随机混合自动机混合估计粒了滤波算法故障诊断 巾图分类号:0231.3文献标识码;A文章编号;1672—4801(2007)02—024—05 1引言 控制恒定流量 (r),系统流出量是从罐l流 缘丁对生产过稗监督、设备安全乃至人员生 出量fo (,)。系统连续状态变量为两罐的液位高 命的重要性,故障诊断是混合系统研究一个备受 度h, I厅,,阀门启关川{D, }表示,即 关注的研究课题【I_引。与传统状态监测与故障诊断 , , ∈{D,,}。通常地,系统中不同的系统动态 相比,冈需要同时估计连续状态与离散状态,混 特性称为系统模式,系统特性的变化称模式迁移, 合系统状态监测与诊断显然复杂很多。一般地, 其影响因素有两类:一是外部离散控制命令(如 混合系统连续状态特性取决于离散状态,而离散 阀门 的闭、通)由此引起的运行模式变化或者 状态不但与控制(系统运行模式)相关,还与连 迁移,称为受控迁移;另一类是系统内部连续状 续状态变化有关。在已提出的混合系统状态监测 态变量满足某种关系时系统动态特性(系统模式) 与诊断方法中,Basseville等使川部分随机Petri 会发生变化,称为自治迁移(Autonomous 网建模以实现故障诊断与分离方法ll J,Mignone Transition)。 是利刚混合整数规划方法米完成估计状态 I故障 诊断【2】.Koutsoukos使川混合自动机米描述混合 系统实现嵌入式系统的故障诊断[31;Balluchi使 川龙伯格观测器实现混合系统状态估计l4J; Hofbaur提山使川概率自动机(probabilistic hybrid h automata)描述 I卡尔曼滤波器完成模式估计与 故障诊断pJ。 混合自动机是一种被广泛接受的混合系统模 图1混合系统例子 型,在引入随机事件后更适合于以故障诊断为目 本文只考虑突变故障,即该突变故障(事件) 的的建模。由于适川于非线性对象利非高斯噪声 会引起系统动态特性变化到可川特定模式米描述 环境,粒子滤波器算法近年受到广泛关注,通过 特性,此模式可看作系统的一个离散状态,显然 Rao.Blackwellised简化后适川于混合状态估计。 该故障的诊断就可纳入混合状态估计问题中。这 因此,本文提出使川随机混合自动机建模将故障 类故障在 1 程中是普遍存在的,例如当某个阀门 纳入模型,并使川粒子滤波算法对其进行状态监 在开启状态下突然堵塞或者阀门开启时发生卡 测与诊断。 死。故障是一种本质随机的事件,并与系统所处 2混合系统及其故障诊断 正常模式相关,如阀门只有在由开启变为关闭时 一个简单的混合系统例子如图1所示,两个 才可能发生“卡死”故障。混合系统的故障诊断 罐之间有两个通道相连接,而流入量是通过阀门 需要一种可同时处理离散事件 I连续变量的解决 24 维普资讯 http://www.cqvip.com
汁算机技术应用 《机l 技术》2007年第2期 方案最终达到故障诊断目的。混合系统故障诊断 定义如下: (先验概率0.5%)。例中随机混合自动机模型见图 2,S∈{0,1,…,7}表示该系统的8种模式,每一模 式下有不同的动态特性。 [混合系统故障诊断]已知混合系统的故障 集合{ 7,J}n/ ,其中faulto表示正常,给定观 测序列 =(yo,Y,'…, )和连续控制输入 =(Uo,U』,…,Ut)以及控制事俐:记录 (cr,,<).2,…),混合系统故障诊断就是要确定故障 集合中最可能发生的一个。 3随机混合自动机模型及其分析 3.1随机混合自动机 混合自动机模型是将混合系统离散部分表示 为一有限的有向图 ,与每一离散状态相伴的系 统连续部分.}=}I微分方程组描述。显然,要解决混 围2陋机混合目动机梗型 3.2随机混合自动机的分析 合系统故障诊断问题,需要引入故障这一类随机 事件。在混合自动机基础上加入概率迁移概念得 剑随机混合自动机。 [随机混合自动机SHA(Stochastic Hybrid 随机混合白动机包含混合系统中各种迁移(受 控制迁移、自治迁移 I故障事件等),以及每一模 式的连续动态特性。根据该模型和当前模式可得 到下一时刻的可能迁移的模式集。例如系统当前 模式S=5,则可得可能模式如图3。 Automata)]包含随机特性的混合系统,可J{j (s, ,u,,,1.v,F,G,T)米表示。其中,有限集s 表示自动机的模式Si∈S; R 为系统连续状 态空间:输入变 u: UUd UVc被划分为连 续控制变量z, ,连续外部变量 .和离散控制变量 Ud:/nv:S 2 是与每一模式相关的不变量 (Invariant):集合F、G与每一模式S∈S相联 系,而每一模式S中控制连续动态特性函数 和 g多》-另0是x(k+1)=f( (七),z,(七),v(七))希I (七)= ( (七),v(七)):T对每一个模式 (七)确定 一组迁移函数T ={ 』,…,Tin)。每一迁移函数 r ,有一对应警戒条什(Guard Condition) G (x (★),u‘,(★))确定在目标模式 (七+ )概率分 。,布以及对x (川,)的重置。随机混合自动机在时间 。k的混合状态通过二元组( ★),Xc)米确定,其 (★)中 )∈M确定系统模式,而 变量值。 假没上述例中阀门 候选故障集合是 .(★)表示连续状态 {faul ̄,fault』,fault2,stuck),其中:faul ̄表 示无故障, ,,,为堵塞(先验概率0.5%),fault, 是完全泄漏(先验概率为0.5%),stuck为“卡死” 图3可能模式集 25 维普资讯 http://www.cqvip.com
《机I【i技术》2007年第2期 计算机技术应用 图3.1给出无外部控制条什下的模式集合 量也可相似地得到,实现了混合系统的混合估计。 {SI S , , },包括两个自治迁移、故障 ult,引 故障诊断算法在系统输出预测与实际测量值 起迁移到模式S,以及模式5(维持); 3-2是执 的误差越过了设定的闽值时启动,在一定时间范 行关闭阀门时的可能模式变化。通常需要两种条 件下的模式迁移概率矩阵:存在外部离散控制的 同,∈[d,d+ 】内,根据模式估计进行诊断。 模式迁移矩阵(含故障概率利系统正常概率) ., 具体估计与诊断算法如下: 该值相对 定;在无外部离散控制条件下的模式 初始化:假设此时状态是在 附近以某种形 迁移概率矩阵(含故障利自治迁移) 。例如, 式分布(如正态)p( ),从该分布抽样等加权的粒 由状态5迁移到4的概率可计算如下: 子集合{ ’, ’,1/NI ̄,,而系统模式是按系统 r ( 一1)=I. p( 一l I —l, —J St—l=5)ax,一J 连续状态米随机确定; 其中G5-÷ :h,<H而 =Ih,。 2I 。 序贯重要性抽样:使用自治迁移矩阵 显然,由于相关的系统状态变量是时变的, p( I s,一,)= 由{ ”) ,抽样离散状态 系统模式迁移概率需要随时更新,这与传统的模 { ”} ,,而J=}j ¨( ?, (f— ))计算对应的连 式迁移概率J矧定的假定(如Markov Chain等)有显 续状态估计;计算每一样本的重要性加权 著的不同。 ’=p( I( ¨, ’)),并归一化得到具有不 4基于粒子滤波算法的混合系统状态估计 与故障诊断 同加权值的样本集合{ ¨, ¨, ”}; 受Koutsoukos估计算法所启发I7],对这里得 重新抽样:根据每一粒子的加权,从 到的随机混合自动机模型使用粒子滤波算法进行 { ¨, ¨, ”}重新采样Ⅳ个粒子 模式估计与诊断。在近似推理算法研究中,粒子滤 { , ¨,l/NIT.,,即根据加权米复制或者抛弃 波器备受关注I 引,状态的分布概率是通过有限样 粒子; 本集合米近似,在得到观测值后根据状态的信任程 混合状态估计:系统的模式估计使用每一步 度米修正样本集合,如此反复递推计算状态后验分 中最为可能的粒子表示,而连续状态仅利用最为 可能模式米计算,即 布,并可利川模型的某些解析结构简化算法。 =argmax模式) ,, 一般地,首先得到一组离散状态变量(和连续状态变量 的初始粒子集合{ , ,, 然后根据迁移矩阵 I 一,)抽样并J}_=J系统各模式 暑=E( ”I ¨= ) ’ r ” ¨/v4; ”’=ji, ¨ 更新迁移矩阵:使用前面所给出的公式计算 微分方程得到一组混合状态集合{ 2,, : 『)= ,, 离散状态迁移矩阵 ,置, ,+J『回到序贯重要 此集合中每一样本具有等加权值1/N;根据所得测 量值对样本进行评估,得到赋予与之相称的加权值 性采样。 (信任度)并归一化的样本集{ “, ”, “1"1 根 退出与故障判断算法:在 时刻,判断系 据这些加权值进行重新抽样(Resampling),即根据 统所处的模式以及在该段时间中占多数的模式比 例,若与应该所处的模式相违则推断发生了故障, 与测量相似的程度增加或减少对应粒子得到一组 否则没有进入正常的算法中。 新的等加权值样本集合{ n, ,,作为下一循 5仿真实验与结果分析 环的起始样本集。重复该递推过程,使得该集合 这里使用前面的例子进行仿真米验证本文所 的近似分布逐步接近真实分布。样本集合中数目 提出的混合系统监控与故障诊断算法。首先给出 最多的模式就可视为系统模式估计,连续状态变 例子中的具体参数:H=0.4m,A.=0.5m , 26 维普资讯 http://www.cqvip.com
计算机技术 用 UdLIE技术》2007年第2期 =0.6 , 2=0.6, =0.4,P=0.6, =O.O03m , ,:0.003m。, ,:O.O01m 和 厶(,)=0.0068m /sec, 此时输出方程为 =lO00 ̄psD ̄[ghl+ (1/seeond),其中噪声为 口(O,0.1),实验中所使川的数据由Matlab 产生。这里对有故障的情形下算法的表现进行分 析。采川的参数是粒子数为8O,系统的初始状态 为 (O)=【0.3 O.2】 ,估计算法中的初始状态为 (O)=[0 O】 ,仿真时间长度为7200秒,采样 图6系统模式的估计及故障诊断结果 周期为1秒, =15, =35。 5.2仿真结果分析与讨论 5.1仿真实验结果 这里考虑的阀门 的堵塞故障,故障山现时 由仿真例子可看到粒子滤波器能同时跟踪 间为220秒,利用本文所提出的算法,其中估计 混合系统的运行模式和连续状态,可混合系统 误差闽值为O.5,仿真结果见图4--.6。 故障诊断中发挥了应有的作用。粒子滤波算法 突出可进行混合估计的特点,且算法收敛性已 经有了初步保障l8】,其的缺点是(与粒子数成 正比)计算量较大,随着CPU能力的不断增强 会逐渐弱化。 6结论 本文使川随机混合自动机对存在某一类故障 ●I一 圈4连续状态的估计结果 的混合系统进行建模,对这种随机混合自动机的 混合估计,井使用粒子滤波器算法对系统的运行 模式进行跟踪并同时估计系统的连续状态。虽然 存在某些缺点特别是计算量的问题,但粒子滤波 器还不失为解决混合系统的混合估计和诊断问题 的有效方法。文中的仿真结果表明所提出的方法 _=二二二[[ 。 l-。-_.-____._●-________JL____J_____-_・_是可行的,是可以应用于混合系统的监控与故障 -J_0,・__- 一 圈5系统输出的估计结果 诊断中。 参考文献: 【I】M.Basseville,A.Benveniste,and L.Tromp.Diagnosing hybrid dynamical systems:Fault graphs,statistical residuals and Viterbi algorithms.In Proc.ofthe 37th IEEE CDC,P 3757-3762,1998. 【2】D.Mignone,A.Bemporad,and M.Morari,A farmework for control,fault detection,state estimation and veriifcation of hybrid systems American ControI Conference,P.1 34-I 38.June I 999 . 【31 X.Koutsoukos,F.Zhao,H.Haussecker,J.Reich,and P.Cheung Fault Modeling for Monitoring and Diagnosis of Sensor-Rich Hybrid Systems,Proceedings ofthe 40th IEEE Conference on Decision nad Control,PP.793-801,Orlando,FL, December 200I. 【4】A.Balluchi,L.Benvenuti,M.D.Di Benedetto,and A.L.Sangiovanni-Vincentelli.Design of observers ofr hybrid systems.In C.Tomlin and M.R.Greenstreet,editors,Hybrid Systems:Computation and Contro1.LNCS,volume 2289,pages 76-89. Springer-Verlag,2002. 【5 Mi5】chael Hofbaur,Brian C.Williams Mode Estimation of Probabilistic Hybrid Systems.HSCC 2002:253-266. 【6 Thoma6】s Henzinger The Theory of Hybrid Automata Proceedings of the I I th Annual I EEE Symposium on Logic jn Computer Science LICS’96,I 996,New Brunswick,New Jersey,p278.292 (转23页) 27 维普资讯 http://www.cqvip.com
计算机技术应用 《机IU技术》2007年第2期 并预先确定一个非常接近于1的阂值(例如 “次要的”(称为次奇异值),从而将P确定为矩阵 0.995)。于是,当P是v(k)大于或等于该阂值的 A的有效值。利川归一化比值v(k)确定上述矩阵 最小整数时,就可以认为前面P个奇异值是“主要 的有效秩,即可得到模型的AR阶数的估计。 的”(称为主奇异值),而后面的所有奇异值则是 ' O矗 O T, 图3修正奇异值分解法定阶 幽4修正奇异值分解法 双 图3为结合电流为1A时的数据采川修正奇 .4结束语 异值分解法定阶的情况,其中可以看到,当P=8 一 高阶谱的定阶问题目前尚无定论,本文讨论 时,逼近误差非常小,因此可以判定系统的阶次 了目前较为常用的几种定阶方式,发现在Matlab 为8,这与一般的处理方法吻合。在实验过程中, 里高阶谱定阶函数并不适合进行定阶,其原因在 通过对上百组实验数据拟合比较发现,采川这种 于既与经验方法差距较大,同时表达出来的双谱 算法拟合出来的阶次正好在8~10阶之间。图4 不能全面地反映系统的特征。在此基础上,提出 为结合电流为1A时的数据采川修正奇异值分解 了一种修正的奇异值分解方法,它能满足实验数 法画出的双谱。相对图2,峰谷适当,能够比较好 的提取信号的特征。 参考文献: 瓣一 据分析的需要。[1]张旭东,陆明泉.离散随机信号处理[M],北京:清华人学出版社.2005:282-301. [2]张贤达.现代信号处理[M].北京:清华火学出版社.2002:65-157. [3]Horn R A,Johnson C R.n1.Matrix Analysis[J],London:Cambridge Oniv.press.1985. 作者简介:郑叫辉,(1971年一),男,福建工程学院机也系讲师,主要研究液压与气动技术教学。 (接27页) 【7】Koutsoukos,X.D.;Kurien,J.A.;Zhao,E Monitoring and diagnosis of hybrid systems using particle filtering methods. Fifteenth International Symposium on Mathematical Theory ofNetworks and Systems(MTNS 2002);2002 August 12-16; Notre Dame;IN;USA 【8】V Vcrma,J Langford,and R Simmons.Nonparametric fault identiifcation for space rovers.In International Symposium on Art ̄cial Intelligence and Robotics in Space(mAimS),June 2001 [9 Mo Yi9】wei,Xiao Deyun,Hybrid System Monitoring and Diagnosing Based on Particle Filter Algorithm In ACTA AUTOMATICA SINICA,2003,29(5):641-648. 作者简介:郑玉英,(1966年~),女,中级职称,主要从事企业设备管理与设备技术改造工作。 23
因篇幅问题不能全部显示,请点此查看更多更全内容