一、網(wǎng)絡控制系統(tǒng)

近年來，網(wǎng)絡控制系統(tǒng)（NCS）己成為學術界和工業(yè)界的研究熱點之一。將網(wǎng)絡集成到控制系統(tǒng)中取代傳統(tǒng)的計算機控制系統(tǒng)中的點對點連線具有很多優(yōu)點，如：布線成本的降低，電纜重量的減少，安裝過程的簡化以及可靠性的提高等。網(wǎng)絡控制系統(tǒng)（NCS）便于實現(xiàn)系統(tǒng)的診斷和維護，同時也可提高系統(tǒng)的柔性。但是，在反饋控制回路中加入通信網(wǎng)絡的同時，也增加了控制系統(tǒng)分析和設計的復雜性。因此，網(wǎng)絡控制系統(tǒng)必須解決的關鍵問題之一，就是在網(wǎng)絡帶寬有限的情況下如何保證控制系統(tǒng)的實時性與穩(wěn)定性。

（一）網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的概述

圖1.1網(wǎng)絡控制系統(tǒng)結構圖

網(wǎng)絡控制系統(tǒng)涵蓋了兩方面的內容：系統(tǒng)節(jié)點的分布化和控制回路的網(wǎng)絡化。而通過網(wǎng)絡形成控制回路是NCS最大的一個特點。網(wǎng)絡控制系統(tǒng)結構圖，見圖1.1。

（二）典型的網(wǎng)絡控制系統(tǒng)

目前應用于控制領域中的網(wǎng)絡控制系統(tǒng)有現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FieldbusSystem)、工業(yè)以太網(wǎng)(IndustrialEthernet)控制系統(tǒng)以及無線網(wǎng)控制系統(tǒng)(WirelessNCS)等。典型網(wǎng)絡控制系統(tǒng)結構圖見圖1.2。分類：1.現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)；2.工業(yè)以太網(wǎng)(IE)控制系統(tǒng)；3.無線局域網(wǎng)控制系統(tǒng)。

圖1.2典型網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的結構圖

（三）網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的基本問題

一般控制系統(tǒng)的研究內容，如控制算法、可靠性、實時性、互操作性、安全性等仍然屬于網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的研究內容，但由于網(wǎng)絡技術的應用，呈現(xiàn)出新特性，便產生了新問題，以下是網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的主要研究內容：1.控制時延；2.網(wǎng)絡控制系統(tǒng)體系結構；3.網(wǎng)絡控制系統(tǒng)通信協(xié)議與企業(yè)信息集成；4.抖動；5.網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性；6.網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的控制算法與調度優(yōu)化方法；7.網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的互操作性；8.網(wǎng)絡控制系統(tǒng)容錯控制；9.數(shù)據(jù)包丟失；10.數(shù)據(jù)包的時序錯亂；11.結點驅動方式；12.網(wǎng)絡安全改進。

隨著控制系統(tǒng)向大型化和網(wǎng)絡化發(fā)展，網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的故障診斷己成為一個新的研究課題。在工程實現(xiàn)中，NCS對安全性和可靠性要求很高，如果某些微小故障不能及時排出將造成巨大的災難和損失。

二、網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的故障診斷技術

（一）故障診斷的基本概念與基本方法

1.基本概念

所謂故障診斷,就是利用被診斷系統(tǒng)的各種狀態(tài)信息和已有的各種知識,進行信息的綜合處理,最終得到關于系統(tǒng)運行和故障狀況綜合評價的過程。其基本目標是確定診斷對象有無故障,若有,則進一步確定故障的性質、原因、類型,以及發(fā)生的部位等。

2.基本方法

從不同的角度出發(fā)有多種故障診斷分類方法，概括的講可以分為兩大類：基于數(shù)學模型的方法和基于人工智能的方法。如圖2.1所示。

圖2.1故障診斷方法分類示意圖

（二）故障診斷方法的研究

1.基于數(shù)學模型的方法

⑴基于直接測量系統(tǒng)輸入輸出及信號處理的方法

該診斷方法是直接測量被診斷對象有關的輸出量，如果輸出超出正常變化范圍，則可以認為對象已經(jīng)或將要發(fā)生故障。這種方法簡單，但容易出現(xiàn)故障的誤判和漏判。另一種較為可行的方法是用一定的數(shù)學手段描述輸出在幅值、相位、頻率及相關性上與故障源之間的聯(lián)系，通過分析與處理這些量，來判斷故障的位置。常用的方法有譜分析法、概率密度法、相關分析法等。

⑵基于狀態(tài)估計的方法

被診斷過程的狀態(tài)，通過估計出系統(tǒng)的狀態(tài)并結合適當模型則可進行故障診斷。首先重構被診斷過程的狀態(tài)，并構成殘差序列，殘差序列中包含各種故障信息。基于這個序列，通過構造適當?shù)哪Ｐ筒⒉捎媒y(tǒng)計檢驗法，才能把故障從中檢測出來并做進一步的分離、估計和決策。狀態(tài)估計的方法通常是狀態(tài)觀測器及濾波器。采用這個方法的前提條件是：①過程數(shù)學模型知識（結構及參數(shù)）；②噪聲的統(tǒng)計特征；③系統(tǒng)可觀測或部分可觀測；④方程解析應有一定精度；⑤在許多場合下將模型線性化并假設干擾為白噪聲。

⑶基于過程參數(shù)估計的方法

此方法與基于狀態(tài)估計的診斷方法不同，它不需要計算殘差序列，而是根據(jù)參數(shù)變化的統(tǒng)計特性來檢測故障的發(fā)生，而后進行故障分離、估計和分類。由于可以建立故障與過程參數(shù)的精確聯(lián)系，因此這種方法比基于狀態(tài)估計的方法更有利于分離故障。最小二乘法簡單實用，是參數(shù)估計的首選方案。采用此方法的前提條件是：①需建立精確的數(shù)學模型；②需要有效的參數(shù)估計方法；③被控過程的充分激勵；④選擇適當?shù)倪^程參數(shù)；⑤必要的統(tǒng)計決策方法。

基于數(shù)學模型的故障診斷方法，其優(yōu)點是能深入系統(tǒng)本質的動態(tài)性質和實現(xiàn)實時診斷，缺點是當系統(tǒng)模型未知、不確定或具有非線性時，這種方法不易實現(xiàn)。

2.基于人工智能的方法

⑴基于專家系統(tǒng)（ES）的方法

基于專家系統(tǒng)的診斷方法是故障診斷領域中最為引人注目的發(fā)展方向之一，也是研究最多，應用最廣的一類智能診斷技術。它大致經(jīng)歷了兩個發(fā)展階段：基于淺知識（領域專家的經(jīng)驗知識）的故障診斷系統(tǒng)和基于深知識（診斷對象的模型知識）的故障診斷系統(tǒng)。①基于淺知識的診斷方法。淺知識是指領域專家的經(jīng)驗知識。此診斷系統(tǒng)通過演繹推理或產生式推理來獲取診斷結果，其目的是尋找一個故障集合使之能對一個給定的征兆（包括存在的和缺席的）集合產生的原因做出最佳解釋。此方法具有知識表達直觀、形式統(tǒng)一、模塊性強、推理速度快等優(yōu)點，但也具有較大的局限性，如知識集不完備，對沒有考慮到的問題系統(tǒng)容易陷入困境；對診斷結果的解釋能力弱等。②基于深知識的診斷方法。深知識則是指診斷對象的結構、性能和功能的知識。此診斷系統(tǒng)要求對象的每一個環(huán)節(jié)具有明確的輸入輸出表達關系，診斷時首先通過診斷對象實際輸出與期望輸出之間的不一致，生成引起這種不一致的原因集合，然后根據(jù)診斷對象領域中的第一定律知識（具有明確科學依據(jù)的知識）及其他內部特定的約束關系，采用一定的算法，找出可能的故障源。這種方法具有知識獲取方便、維護簡單、完備性強等優(yōu)點，但搜索空間大，推理速度慢。近年來發(fā)展了基于經(jīng)驗知識和模型知識相結合的故障診斷方法。③基于淺知識和深知識的混合診斷方法。對于復雜設備系統(tǒng)而言，無論單獨使用淺知識還是深知識，都難以很好地完成診斷任務，只有將兩者結合起來，才能使診斷系統(tǒng)的性能得到優(yōu)化。因此，為了使故障智能診斷系統(tǒng)具備與人類專家能力相近的知識，研制者在建造智能診斷系統(tǒng)時，越來越強調不僅要重視領域專家的經(jīng)驗知識，更要注重診斷對象的結構、功能、原理等知識，研究的重點是淺知識與深知識的集成表示方法和使用方法。事實上，一個高水平的領域專家在進行診斷問題求解時，總是先將他具有的深知識和淺知識結合起來，完成診斷任務。一般優(yōu)先使用淺知識，找到診斷問題的解或者是近似解，必要時用深知識獲得診斷問題的精確解。

專家系統(tǒng)方法一直是基于知識的故障診斷中的研究重點，經(jīng)多年發(fā)展已比較成熟。它不需要一個人類問題求解的精確匹配，而能夠通過計算機提供一個復制問題求解的合理模型。圖2.2是一個基于知識的專家系統(tǒng)的工作模型，由知識庫、全局數(shù)據(jù)庫、推理機、知識獲取機制、解釋機制和用戶界面六個部分組成。分為專家系統(tǒng)運行和知識庫管理兩個功能模塊。專家系統(tǒng)運行模塊用來實現(xiàn)基于知識的故障診斷和故障碼的速查。知識庫管理模塊用來實現(xiàn)推理規(guī)則和故障碼的錄入、存儲、校驗以及知識庫的轉換。

圖2.2基于知識的專家系統(tǒng)工作模型

⑵基于案例的診斷方法

此方法能通過修訂相似問題的成功結果來求解新問題。它能通過將獲得新知識作為案例來進行學習，不需要詳細地診斷對象模型。在這種推理方法中，主要包括：案例表達和索引、案例的檢索、案例的修訂、從失敗中學習等。此方法的原理是，對于所診斷的對象，根據(jù)其特征從案例庫中檢索出與該對象的診斷問題最相似匹配的案例，然后對該案例的診斷結果進行修訂作為該對象的診斷結果。此方法適用于領域定理難以表示成規(guī)則形式，而易表示成案例形式并且已經(jīng)積累了豐富的案例的領域。它的局限性是：傳統(tǒng)的方法難以表示案例之間的聯(lián)系；對于大型案例庫進行檢索非常費時，并且難以決定應選擇那些癥狀及它們的權重；此方法難以處理案例修訂時的一致性檢索，難以對診斷結果加以解釋。

⑶基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡（ANN）的方法

神經(jīng)網(wǎng)絡在故障診斷領域的應用研究主要集中在兩個方面：一是從模式識別的角度，應用神經(jīng)網(wǎng)絡作為分類器進行故障診斷；二是將神經(jīng)網(wǎng)絡與其他診斷方法相結合而形成的復合故障診斷方法。

人工神經(jīng)元網(wǎng)絡用于故障診斷主要有四種方式：①用神經(jīng)元網(wǎng)絡產生殘差；②用神經(jīng)元網(wǎng)絡評價殘差；③用神經(jīng)元網(wǎng)絡做進一步診斷；④用神經(jīng)元網(wǎng)絡作自適應誤差補償。把模糊數(shù)學與神經(jīng)網(wǎng)絡相結合，可以在神經(jīng)網(wǎng)絡框架下引入定性知識，能得到更好的診斷性能，具有巨大的應用前景。聯(lián)合多個神經(jīng)網(wǎng)絡的診斷方法能提高故障診斷的可靠性。因為神經(jīng)網(wǎng)絡存在諸如：訓練樣本獲取困難、網(wǎng)絡權值表達方式難以理解、忽視了領域專家的經(jīng)驗知識等問題，所以通過與基于模型的方法、專家系統(tǒng)、信息融合等理論相結合，可以彌補其不足。

神經(jīng)網(wǎng)絡是由大量的神經(jīng)元廣泛互連而成的網(wǎng)絡。根據(jù)連接方式不同，可分為兩大類：沒有反饋的前向網(wǎng)絡和相互結合型網(wǎng)絡。ANN的工作過程有兩個階段組成。一個是學習期（自適應期或設計期），此時各計算單元狀態(tài)不變，各連接權值可修改（通過學習樣本或其它方法）。另一個階段是工作期，此時各連接權值固定，計算單元的狀態(tài)變化，以求達到穩(wěn)定狀態(tài)。神經(jīng)網(wǎng)絡的優(yōu)點是，具有復雜多模式及進行聯(lián)想、推理和記憶功能。目前有五種常用于故障診斷的神經(jīng)網(wǎng)絡模型種類，如圖2.6所示。文獻[10]對這五種模型作了詳細介紹。

圖2.65種常用于故障診斷的神經(jīng)網(wǎng)絡模型

⑷基于模糊數(shù)學的方法

此方法不需要建立精確的數(shù)學模型，適當?shù)剡\用隸屬函數(shù)和模糊規(guī)則，進行模糊推理就可以實現(xiàn)模糊診斷的智能化。但對于復雜的診斷系統(tǒng)，要建立正確的模糊規(guī)則和隸屬函數(shù)是非常困難的，而且要花費很長的時間。對于更大的模糊規(guī)則和隸屬函數(shù)集合而言，難以找出規(guī)則與規(guī)則之間的關系，也就是說規(guī)則有“組合爆炸”現(xiàn)象發(fā)生。另外由于系統(tǒng)的復雜性、耦合性，由時域、頻域特征空間至故障模式特征空間的映射關系往往存在著較強的非線性，這時隸屬函數(shù)形狀不規(guī)則，只能用規(guī)范的加以代替處理，從而使得非線性系統(tǒng)的診斷結果不夠理想。

⑸基于故障樹的方法

故障樹方法是由計算機依據(jù)故障與原因的先驗知識和故障率知識自動輔助生成故障樹，并自動生成故障樹的搜索過程。診斷過程從系統(tǒng)的某一個故障開始，沿著故障樹不斷提問而逐級構成一個遞接故障樹，通過對此故障樹的啟發(fā)式搜索，最終查處故障的根本原因。

三、故障智能診斷發(fā)展的現(xiàn)狀

故障智能診斷系統(tǒng)的發(fā)展歷史雖然短暫，但在電路與數(shù)字電子設備、機電設備、軍事設備等方面已取得了令人矚目的成就。

在20世紀80年代，故障智能診斷系統(tǒng)被認為是診斷技術的重要發(fā)展方向，這是因為，一方面故障智能診斷具有傳統(tǒng)診斷方法無法比擬的優(yōu)點，另一方面，復雜的設備診斷在很大程度上需要依賴專家的經(jīng)驗知識。因此國內外專家學者陸續(xù)開發(fā)了一大批基于知識的故障診斷系統(tǒng)，各種診斷方法和技術也在診斷系統(tǒng)中得到了應用。但從已取得的研究成果來看，目前的故障智能診斷系統(tǒng)還存在許多尚需進一步解決的問題。下面從診斷知識的角度給予分析：①知識庫龐大；②解決問題能力的局限性；③深、淺知識結合能力差；④自動獲取知識能力差；⑤容錯能力差；⑥對不確定性知識的處理能力差。

總之，故障智能診斷系統(tǒng)無論在理論上還是在系統(tǒng)開發(fā)方面都已取得了很大進步，但真正投入使用并且功能完善的系統(tǒng)并不多，大多數(shù)研究成果仍然停留在實驗室階段。造成這種理論與實踐脫節(jié)有兩個方面的原因，一方面是由理論研究所限定的條件與實際應用時的情況相差甚遠，另一方面是由于對診斷對象缺乏深刻的認識和研究，而且作為人工智能技術本身也有待進一步發(fā)展和完善。

四、故障智能診斷系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

隨著知識工程的發(fā)展以及數(shù)據(jù)庫、神經(jīng)網(wǎng)絡等技術的日新月異，必然引起故障智能診斷系統(tǒng)的在各個方面的不斷發(fā)展。其發(fā)展趨勢可概括為以下幾點：1多種知識表示方法的結合；2經(jīng)驗知識與原理知識的緊密結合；3診斷系統(tǒng)與神經(jīng)網(wǎng)絡的結合

五、結論

本論文系統(tǒng)而深入的討論了ANN和ES。到目前為止，這兩種方法基本上還是分開研究的，不論哪種方法實現(xiàn)的系統(tǒng)都是有局限性的，兩種方法各有所長，傳統(tǒng)的ES擅長模擬人類的邏輯思維，而ANN方法擅長模擬人類的形象思維，兩種方法綜合在一起研究則是模擬智能必然的道路。

ANN和ES相結合的神經(jīng)網(wǎng)絡專家系統(tǒng)，其可預見的優(yōu)點是：它不但具有高度并行及容錯性、實時性和自適應性，還具有自組織、自學習、聯(lián)想記憶以及在工作中不斷創(chuàng)新等功能?？傊?，神經(jīng)網(wǎng)絡專家系統(tǒng)具有很大的潛力。未來智能計算機可能就是這兩者有機的、最佳的結合，ES或知識工程將更進一步沿著這條道路向縱深發(fā)展?？梢灶A言，ANN和ES的成功結合將推動故障診斷系統(tǒng)方法的研究進入一個新的時期，也將為其在復雜電子裝備系統(tǒng)中的應用提供新的領域。

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