摘要　回顧狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷的發(fā)展歷史。歸納和總結(jié)目前故障診斷的主要理論和方法及其存在的問(wèn)題和解決途徑。闡明現(xiàn)代故障診斷的主要內(nèi)容。從解析余度管理、可信性系統(tǒng)設(shè)計(jì)和魯棒故障診斷3方面論述現(xiàn)代故障診斷的發(fā)展趨勢(shì)。提出故障診斷領(lǐng)域目前和將來(lái)的研究方向以及重點(diǎn)和難點(diǎn)。
　　關(guān)鍵詞　狀態(tài)監(jiān)測(cè)　故障診斷　可信性系統(tǒng)　機(jī)電控制系統(tǒng)
　　1　故障診斷技術(shù)的發(fā)展歷史
　　故障診斷(FD)始于(機(jī)械)設(shè)備故障診斷，其全名是狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷(CMFD)。它包含兩方面內(nèi)容：一是對(duì)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)；二是在發(fā)現(xiàn)異常情況后對(duì)設(shè)備的故障進(jìn)行分析、診斷。設(shè)備故障診斷是隨設(shè)備管理和設(shè)備維修發(fā)展起來(lái)的。歐洲各國(guó)在歐洲維修團(tuán)體聯(lián)盟(FENMS)推動(dòng)下，主要以英國(guó)倡導(dǎo)的設(shè)備綜合工程學(xué)(Terotechnology)為指導(dǎo)；美國(guó)以后勤學(xué)(Logistics)為指導(dǎo)；日本吸收二者特點(diǎn)，提出了全員生產(chǎn)維修(TPM)的觀點(diǎn)。美國(guó)自1961年開(kāi)始執(zhí)行阿波羅計(jì)劃后，出現(xiàn)一系列因設(shè)備故障造成的事故，導(dǎo)致1967年在美國(guó)宇航局(NASA)倡導(dǎo)下，由美國(guó)海軍研究室(ONR)主持成立了美國(guó)機(jī)械故障預(yù)防小組(MFPG)，并積極從事技術(shù)診斷的開(kāi)發(fā)。美國(guó)診斷技術(shù)在航空、航天、軍事、核能等尖端部門(mén)仍處于世界領(lǐng)先地位。英國(guó)在60～70年代，以Collacott為首的英國(guó)機(jī)器保健和狀態(tài)監(jiān)測(cè)協(xié)會(huì)(MHMG & CMA)最先開(kāi)始研究故障診斷技術(shù)。英國(guó)在摩擦磨損、汽車(chē)和飛機(jī)發(fā)電機(jī)監(jiān)測(cè)和診斷方面具領(lǐng)先地位。日本的新日鐵自1971年開(kāi)發(fā)診斷技術(shù)，1976年達(dá)到實(shí)用化。日本診斷技術(shù)在鋼鐵、化工和鐵路等部門(mén)處領(lǐng)先地位。我國(guó)在故障診斷技術(shù)方面起步較晚，1979年才初步接觸設(shè)備診斷技術(shù)。目前我國(guó)診斷技術(shù)在化工、冶金、電力等行業(yè)應(yīng)用較好。故障診斷技術(shù)經(jīng)過(guò)30多年的研究與發(fā)展，已應(yīng)用于飛機(jī)自動(dòng)駕駛、人造衛(wèi)星、航天飛機(jī)、核反應(yīng)堆、汽輪發(fā)電機(jī)組、大型電網(wǎng)系統(tǒng)、石油化工過(guò)程和設(shè)備、飛機(jī)和船舶發(fā)動(dòng)機(jī)、汽車(chē)、冶金設(shè)備、礦山設(shè)備和機(jī)床等領(lǐng)域。
　　2　故障診斷的主要理論和方法
　　故障診斷技術(shù)已有30多年的發(fā)展歷史，但作為一門(mén)綜合性新學(xué)科――故障診斷學(xué)――還是近些年發(fā)展起來(lái)的。從不同的角度出發(fā)有多種故障診斷分類(lèi)方法，這些方法各有特點(diǎn)。從學(xué)科整體可歸納以下理論和方法。
　　(1)基于機(jī)理研究的診斷理論和方法　從動(dòng)力學(xué)角度出發(fā)研究故障原因及其狀態(tài)效應(yīng)。針對(duì)不同機(jī)械設(shè)備進(jìn)行的故障敏感參數(shù)及特征提取是重點(diǎn)。
　　(2)基于信號(hào)處理及特征提取的故障診斷方法　主要有時(shí)域特征參數(shù)及波形特征診斷法、時(shí)差域特征法、幅值域特征法、信息特征法、頻譜分析及頻譜特征再分析法、時(shí)間序列特征提取法、濾波及自適應(yīng)除噪法等。今后應(yīng)注重實(shí)時(shí)性、自動(dòng)化性、故障凝聚性、相位信息和引入人工智能方法，并相互結(jié)合。
　　(3)模糊診斷理論和方法　模糊診斷是根據(jù)模糊集合論征兆空間與故障狀態(tài)空間的某種映射關(guān)系，由征兆來(lái)診斷故障。由于模糊集合論尚未成熟，諸如模糊集合論中元素隸屬度的確定和兩模糊集合之間的映射關(guān)系規(guī)律的確定都還沒(méi)有統(tǒng)一的方法可循，通常只能憑經(jīng)驗(yàn)和大量試驗(yàn)來(lái)確定。另外因系統(tǒng)本身不確定的和模糊的信息(如相關(guān)性大且復(fù)雜)，以及要對(duì)每一個(gè)征兆和特征參數(shù)確定其上下限和合適的隸屬度函數(shù)，而使其應(yīng)用有局限性。但隨著模糊集合論的完善，相信該方法有較光明的前景。
　　(4)振動(dòng)信號(hào)診斷方法　該方法研究較早，理論和方法較多且比較完善。它是依據(jù)設(shè)備運(yùn)行或激振時(shí)的振動(dòng)信息，通過(guò)某種信息處理和特征提取方法來(lái)進(jìn)行故障診斷。在這方面應(yīng)注重引入非線(xiàn)性理論(如Volterra級(jí)數(shù))、新的信息處理理論和方法(如Wavelet理論、加窗FFT等)。
　　(5)故障樹(shù)分析診斷方法　它是一種圖形演繹法，把系統(tǒng)故障與導(dǎo)致該故障的各種因素形象地繪成故障圖表，能較直觀地反映故障、元部件、系統(tǒng)及因素、原因之間的相互關(guān)系，也能定量計(jì)算故障程度、概率、原因等。今后研究應(yīng)注重與多值邏輯、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)及專(zhuān)家系統(tǒng)相結(jié)合。
　　(6)故障診斷灰色系統(tǒng)理論和方法　該方法是從系統(tǒng)的角度來(lái)研究信息的關(guān)系，即利用已知的診斷信息去揭示未知的診斷信息。它有自學(xué)習(xí)和預(yù)測(cè)功能。它利用灰色系統(tǒng)的建模(灰色模型)、預(yù)測(cè)和灰色關(guān)聯(lián)分析等方法進(jìn)行故障診斷。由于灰色系統(tǒng)理論本身還不完善，如何利用已知信息更有效地推斷未知信息仍是一個(gè)難題。
　　(7)故障診斷專(zhuān)家系統(tǒng)理論和方法　該方法是近年來(lái)故障診斷領(lǐng)域最顯著的成就之一。它的內(nèi)容包括診斷知識(shí)的表達(dá)、診斷推理方法、不確定性推理以及診斷知識(shí)的獲取等。目前存在的主要問(wèn)題：缺乏有效的診斷知識(shí)表達(dá)方式，不確定性推理方法，知識(shí)獲取和在線(xiàn)故障診斷困難等。今后研究應(yīng)注重與模糊邏輯、多值邏輯、故障樹(shù)、機(jī)器學(xué)習(xí)和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等理論和方法的結(jié)合、集成。
　　(8)故障模式識(shí)別方法　該方法是一種十分有用的靜態(tài)故障診斷方法，它以已有30年發(fā)展歷史的模式識(shí)別技術(shù)為基礎(chǔ)。關(guān)鍵是故障模式特征量的選取和提取。現(xiàn)有許多模式分類(lèi)器，如線(xiàn)性分類(lèi)器、Bayes分類(lèi)器、最近鄰分類(lèi)器等。該方法的診斷效果在很大程度上依賴(lài)