应用故障诊断学 基于模型的故障诊断方法及其应用
作者： （德）罗尔夫·艾思曼（Rolf Isermann） 著
出版时间： 2017年版
内容简介
本书是一部全面介绍基于模型的故障检测与诊断技术原理、方法及其工程应用的专著。作者Rolf Isermann工作于达姆施塔特工业大学自动化控制学院，曾任控制工程实验室主任。作者的研究方向主要包括非线性工业过程辨识、数字控制、自适应控制和故障诊断技术等，在基于模型的工业过程故障诊断及其应用技术领域具有极高的造诣。本书是作者对其40年来在故障检测与诊断技术领域工作成果的总结。本书采用一种循序渐进、深入浅出的方式，向读者全面介绍了基于模型的现代故障检测与诊断技术的概念、理论、方法以及在多个领域中的具体应用技术。对于航天、航空、兵器等军工领域，故障检测和诊断技术是核心技术之一。对于高科技武器系统，在系统中增加故障检测和诊断功能可以明显地提高系统可靠性和有效性。对于运载火箭等由几十个核心子系统和几十万个零部件组成的极端复杂产品，必须使用先进的故障检测、诊断和重构技术才能满足极高的可靠性指标要求。因而对先进故障诊断技术开展研究，对提高我国国防装备的总体技术水平具有重要意义。希望本书的出版可以帮助读者解决工程研制中遇到的故障检测、诊断和容错设计的实际技术问题，并激发读者对故障诊断技术的研究兴趣，在未来工作中实际使用先进故障检测与诊断技术。
目录
第一部分监督、故障检测和诊断
第1章绪论2
1.1自动控制系统及其过程监督/状态监测2
1.2产品生命周期和故障管理（资产管理）4
1.3主要内容7
第2章监督、故障检测和诊断方法简介9
2.1监督的基本任务9
2.2术语14
2.2.1故障、失效和失灵14
2.2.2可靠性、安全性、有效性16
2.2.3容错和冗余17
2.3基于知识的故障检测和诊断方法18
2.3.1解析式故障征兆生成18
2.3.2启发式故障征兆生成20
2.3.3故障诊断20
2.4基于信号的故障检测方法20
2.4.1阈值校验方法21
2.4.2趋势校验方法21
2.4.3使用二元阈值的特征值变化检测方法22
2.4.4自适应阈值方法23
2.4.5似真校验方法23
2.4.6信号分析方法24
2.5基于过程模型的故障检测方法25
2.5.1过程模型和故障建模26
2.5.2使用参数估计的故障检测方法28
2.5.3使用状态观测器和状态估计的故障检测方法29
2.5.4使用一致性方程的故障检测方法32
2.5.5非测量变量的直接重构33
2.6故障诊断方法34
2.6.1分类方法34
2.6.2推理方法35
2.7闭环系统中的故障检测及诊断35
2.8监督（条件监控）的数据流结构37
2.9小结38
第二部分驱动与执行器
第3章电动机的故障诊断42
3.1直流电动机42
3.1.1直流电动机结构和模型42
3.1.2使用一致性方程的故障检测方法45
3.1.3使用参数估计的故障检测方法47
3.1.4故障检测试验结果47
3.1.5使用自学习故障征兆树方法的故障诊断试验结果49
3.1.6小结54
3.2交流电动机55
3.2.1感应电动机的结构和模型（异步电动机）55
3.2.2基于信号的功率电子故障检测57
3.2.3基于模型的交流电动机故障检测61
3.2.4小结67
第4章电动执行器的故障诊断70
4.1电磁执行器71
4.1.1位置控制71
4.1.2使用参数估计的故障检测方法74
4.2汽车电子节气门执行器75
4.2.1执行器结构和模型76
4.2.2质量控制的测试循环78
4.2.3使用参数估计的故障检测78
4.2.4使用一致性方程的故障检测81
4.2.5故障诊断82
4.2.6故障诊断设备83
4.2.7小结84
4.3无刷电动机和飞机机舱压力控制阀85
4.3.1结构和模型85
4.3.2使用参数估计的故障检测87
4.3.3使用一致性方程的故障检测87
4.3.4小结89
第5章流体执行器故障诊断90
5.1线性液压伺服执行器90
5.1.1线性液压伺服执行器结构91
5.1.2线性液压伺服执行器故障92
5.1.3滑阀和液压缸模型95
5.1.4阀和液压缸的故障检测和诊断98
5.1.5小结103
5.2气动执行器104
5.2.1气动执行器组成105
5.2.2气动阀门故障107
5.2.3气动阀门模型107
5.2.4使用阀位特性的故障检测109
5.2.5使用气动位置控制器的流量控制阀门故障检测111
5.2.6具有电子位置控制器的流量控制阀门故障检测118
5.2.7小结119
第三部分机械与设备
第6章泵的故障诊断122
6.1离心泵122
6.1.1泵的监督和故障诊断技术现状122
6.1.2离心泵和管路系统模型124
6.1.3使用参数估计的故障检测128
6.1.4使用非线性一致性方程和参数估计的故障检测135
6.1.5使用振动传感器的故障检测142
6.1.6小结144
6.2往复式泵145
6.2.1往复式隔膜泵结构145
6.2.2往复式隔膜泵模型146
6.2.3液压泵的故障检测和诊断148
6.2.4泵传动系统的故障检测151
6.2.5小结153
第7章管路泄漏检测154
7.1管路监督技术发展现状154
7.2管路模型155
7.3基于模型的泄漏检测159
7.3.1使用状态观测器的泄漏检测160
7.3.2使用质量平衡和相关性分析的液体管路泄漏检测162
7.3.3气体管路的泄漏检测166
7.4试验结果171
7.4.1汽油管路171
7.4.2气体管路173
7.4.3小结173
第8章工业机器人故障诊断174
8.1六轴工业机器人结构174
8.2机器人关节模型及参数估计方法175
8.3解析和启发式诊断知识176
8.3.1故障征兆表示176
8.3.2诊断知识表示177
8.3.3机器人的故障、启发式故障征兆和事件178
8.4试验结果179
8.4.1使用解析知识的故障诊断180
8.4.2使用解析和启发式知识的故障诊断181
8.5小结182
第9章机床的故障诊断183
9.1机床结构183
9.2机床监督技术现状185
9.3主传动187
9.3.1双质量模型187
9.3.2参数估计188
9.3.3使用参数估计的故障检测方法190
9.4进给传动190
9.4.1双/三质量模型190
9.4.2进给传动系统辨识192
9.4.3进给传动故障检测方法台架试验195
9.5钻床198
9.5.1钻削过程模型198
9.5.2钻床的故障检测199
9.6铣床201
9.6.1铣削加工过程模型201
9.6.2刀具的故障检测206
9.7磨床212
9.7.1磨削加工模型212
9.7.2使用参数估计的故障检测214
9.7.3使用信号分析方法的故障检测215
9.8小结216
第10章热交换器的故障检测217
10.1热交换器及其模型217
10.1.1热交换器类型217
10.1.2热交换器稳态模型219
10.1.3热管的动态模型221
10.2针对静态特性的故障检测226
10.2.1热交换器静态特性226
10.2.2故障检测方法227
10.3使用动态模型和参数估计的蒸汽/水热交换器故障检测229
10.3.1使用线性动态模型和参数估计的故障检测230
10.3.2使用局部线性化动态模型的故障检测232
10.4小结235
第四部分冗错系统
第11章冗错系统-简介238
11.1基本冗余结构238
11.2余度降级240
第12章冗错系统应用242
12.1冗错控制系统242
12.2电动驱动系统的故障冗错245
12.2.1一种具有冗错功能的双联交流电动机245
12.2.2逆变器故障冗错249
12.2.3多相电动机251
12.3故障冗错执行器251
12.3.1故障冗错液压执行器252
12.3.2故障冗错直流机电执行器257
12.4故障冗错传感器259
12.4.1传感器硬件冗余259
12.4.2传感器解析冗余260
12.4.3方向盘角度传感器26212.4.4故障冗错流量传感器262
12.4.5故障冗错电子节气门263
12.4.6基于模型的解析冗余虚拟驾驶动态传感器265
第五部分附录
第13章故障检测及诊断术语268