异常检测和基于异常的控制制造技术

设备控制系统包括设备系统和控制所述设备系统的控制系统。接收设备控制系统的操作点的运行时条件。运行时条件包括设备系统的运行时状态、设备系统的运行时输出以及应用于设备系统的运行时控制动作。确定对应于操作点的参考点的参考条件。计算状态差异、输出差异和控制动作差异的稳定性半径度量。基于输出差异的稳定性半径度量、状态差异的稳定性半径度量和控制动作差异的稳定性半径度量中的两个之间的相应频谱相关性，确定可观察性异常指标、健康可观察性指标、跟踪性能异常指标、跟踪性能健康指标、可控性异常指标和可控性健康指标中的一个或多个。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】异常检测和基于异常的控制优先权声明本申请要求于2018年2月27日提交的美国专利申请第15/906,924号的优先权，特此将该美国专利申请的全部内容通过引用并入。
技术介绍
典型地，控制器综合和分析工作是在对控制器进行编程之前提前完成的。要求典型地包括以下各项中一项或多项的规范：操作包络、操作条件、传感器不确定性、致动器不确定性、设备动态、稳定性和性能（跟踪）、稳定性和性能鲁棒性、计算负担（以拟合目标硬件）、冗余、指定故障的检测和避免。典型地，在综合和分析之后，执行各种测试，诸如硬件在回路（HiL）、软件在回路（SiL）、模型在回路（MiL）、X在回路（XiL）（其中X是将在回路中测试的系统的任何部分的通用表示）测试，以验证控制器和被控制的装备正确地工作、继之以现场评估。一旦产品发布并操作，控制器的架构典型地就是固定的（或在预定的架构之间切换），这可能是不够的。例如，由控制器控制的涡轮燃料阀可能在现场中表现出鲁棒性问题，从而引起涡轮停机，或者引起操作者将故障阀返回给制造商进行检查。制造商在受控条件下进行检查时，阀可能没有示出任何异常，并且通过生产线末端（EOL）合格测试，表面看起来返回的阀没有任何问题。该问题后来可能被发现是由摩擦引起的，在阀的设计期间，该摩擦的值远在正常的预期范围之外。初始控制算法可以假设特定的摩擦值在预期范围的中间。然而，当摩擦变得非常低或非常高时，控制器实际上倾向于激发机械共振模式，并实际上成为问题的一部分，而不是继续使阀稳定。这是当设备或装备物理特性显著偏离标准或假设范围时的控制器问题的示例。鲁棒控制理论可以通过不假设标称设备来修正上述问题，使得不要求设备（或装备）在操作期间保持接近标称。为了修正上述问题，一种非常严格的算法被设计成尽可能对摩擦干扰不敏感。使用鲁棒控制方法的特定工业实现方式，允许摩擦范围是从零到阀的最大扭矩能力。尽管鲁棒控制器很好，但如果阀（或其它装备）的基本机电物理特性由于例如未检测到的定位传感器失灵、未检测到的熔断电子组件或网络攻击而改变或看起来改变，则与所有其它控制器一样，鲁棒控制器可能混淆（例如，难以提供稳定性和控制）。存在一长列可能使控制器混淆的事件。混淆的控制器是不再作为稳定和跟踪解决方案的一部分的一个控制器。混淆的控制器也可能经常成为问题的一部分——即在控制动作实际上造成不稳定性的情况下。混淆的控制器在运行时很难标识，直到存在主要的可见或明显的损坏。混淆的控制器典型地无法对其混淆进行自我检查。它们可以检测到的是I/O中的模式或代码段是否与已知的已标识模式或模型匹配或失配。然而，该经典故障检测方法不能防范未预料到或未检测到的失灵，包括由网络攻击引起的那些失灵。
技术实现思路
本公开描述了用于控制器的异常检测以及对系统（例如，网络物理系统）的基于异常的控制。在一种实现方式中，例如，在第一实现方式中，设备控制系统包括：包括一件或多件装备的设备系统；和控制所述设备系统的控制系统。所述控制系统包括一个或多个计算机和一个或多个计算机存储器装置，所述一个或多个计算机存储器装置与所述一个或多个计算机可互操作地耦合并且具有存储一个或多个指令的有形的、非暂时性的机器可读介质，所述一个或多个指令当由所述一个或多个计算机执行时，执行一个或多个以下操作。接收设备控制系统的操作点的运行时条件。操作点的运行时条件包括设备系统的运行时状态、设备系统的运行时输出以及应用于设备系统的运行时控制动作。确定对应于操作点的参考点的参考条件。参考点的参考条件包括设备系统的参考状态、设备系统的参考输出以及应用于设备系统的参考控制动作。参考点与操作点之间的差异是基于参考条件和运行时条件计算的。所述差异包括：设备系统的运行时状态与参考状态之间的状态差异，设备系统的运行时输出与参考输出之间的输出差异，以及应用于设备系统的运行时控制动作与参考控制动作之间的控制动作差异。计算状态差异的稳定性半径度量、输出差异的稳定性半径度量和控制动作差异的稳定性半径度量。基于输出差异的稳定性半径度量与状态差异的稳定性半径度量之间的第一频谱相关性来确定可观察性异常指标。在第一频率范围之上计算第一频谱相关性。可观察性异常指标指示在设备控制系统中在可观察性方面出现异常的可能性。可观察性指示控制系统基于设备系统的测量输出来估计设备系统的状态的能力。基于输出差异的稳定性半径度量与状态差异的稳定性半径度量之间的第二频谱相关性来确定可观察性健康指标。在第二频率范围之上计算第二频谱相关性。可观察性健康指标指示设备控制系统在可观察性方面正常操作的可能性。第二频率范围不同于第一频率范围。基于输出差异的稳定性半径度量与控制动作差异的稳定性半径度量之间的第三频谱相关性来确定跟踪性能异常指标。在第三频率范围之上计算第三频谱相关性。跟踪性能异常指标指示在设备控制系统中在跟踪性能方面出现异常的可能性。跟踪性能测量控制系统跟踪设定点的能力。基于输出差异的稳定性半径度量与控制动作差异的稳定性半径度量之间的第四频谱相关性来确定跟踪性能健康指标。在第四频率范围之上计算第四频谱相关性。跟踪性能健康指标指示设备控制系统在跟踪性能方面正常操作的可能性。第四频率范围不同于第三频率范围。基于控制动作差异的稳定性半径度量与状态差异的稳定性半径之间的第五频谱关系来确定可控性异常指标。第五频谱相关性是在第五频率范围之内计算的，其中可控性异常指标指示在设备控制系统中在可控性方面出现异常的可能性。可控性指示控制系统影响设备系统状态的能力。可控性健康指标是基于控制动作差异的稳定性半径度量与状态差异的稳定性半径之间的第六频谱关系来确定的。在第六频率范围之上计算第六频谱相关性。可控性健康指标指示设备控制系统在可控性方面正常操作的可能性。第五频率范围不同于第六频率范围。所描述的主题的实现方式、包括先前描述的实现方式可以使用如下各项来实现：计算机实现的方法；存储计算机可读指令以执行计算机实现的方法的非暂时性计算机可读介质；以及包括一个或多个计算机存储器装置的计算机实现的系统，所述一个或多个计算机存储器装置与一个或多个计算机可互操作地耦合，并且具有存储指令的有形的、非暂时性的机器可读介质，所述指令当由所述一个或多个计算机执行时，执行存储在非暂时性计算机可读介质上的计算机实现的方法/计算机可读指令。本说明书中描述的主题可以以特定实现方式来实现，以便实现以下优点中的一个或多个。首先，所公开的技术可以防范未预料到或未检测到的失灵，同时仅要求运行时实况数据。例如，无需承担从机群进行收集、整合和深度学习的成本。这与例如向监控系统提供数据相比，有利于试图通过向其装置添加智能功能性来捕获值的装置制造商和供应商，所述监控系统不允许他们捕获从这样的数据中生成的许多值。第二，所公开的技术可以允许所有学习、甚至人工学习在每个智能系统、子系统或系统分区内部实况发生。这与分布式控制、产品和系统兼容。第三，所公开的技术可以降低计算复杂性，尤其是对于具有许多组件、组件间具有显著非线性关系的复杂系统。所公开的技术允许系统检测异本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种设备控制系统，包括：/n包括一件或多件装备的设备系统；和/n控制所述设备系统的控制系统，所述控制系统包括一个或多个计算机和一个或多个计算机存储器装置，所述一个或多个计算机存储器装置与所述一个或多个计算机可互操作地耦合并且具有存储一个或多个指令的有形的、非暂时性的机器可读介质，所述一个或多个指令当由所述一个或多个计算机执行时，执行包括以下各项的操作：/n接收设备控制系统的操作点的运行时条件，操作点的运行时条件包括设备系统的运行时状态、设备系统的运行时输出和应用于设备系统的运行时控制动作；/n确定对应于操作点的参考点的参考条件，参考点的参考条件包括设备系统的参考状态、设备系统的参考输出和应用于设备系统的参考控制动作；/n基于参考条件和运行时条件计算参考点与操作点之间的差异，所述差异包括：/n设备系统的运行时状态与参考状态之间的状态差异，/n设备系统的运行时输出与参考输出之间的输出差异，以及/n应用于设备系统的运行时控制动作与参考控制动作之间的控制动作差异；/n计算状态差异的稳定性半径度量、输出差异的稳定性半径度量和控制动作差异的稳定性半径度量；/n基于输出差异的稳定性半径度量与状态差异的稳定性半径度量之间的第一频谱相关性来确定可观察性异常指标，其中第一频谱相关性是在第一频率范围之上计算的，其中可观察性异常指标指示在设备控制系统中在可观察性方面出现异常的可能性，其中可观察性指示控制系统基于设备系统的所测量的输出来估计设备系统的状态的能力；/n基于输出差异的稳定性半径度量与状态差异的稳定性半径度量之间的第二频谱相关性来确定可观察性健康指标，其中第二频谱相关性是在第二频率范围之上计算的，其中可观察性健康指标指示设备控制系统在可观察性方面正常操作的可能性，并且其中第二频率范围不同于第一频率范围；以及/n基于输出差异的稳定性半径度量与控制动作差异的稳定性半径度量之间的第三频谱相关性来确定跟踪性能异常指标，其中第三频谱相关性是在第三频率范围之上计算的，其中跟踪性能异常指标指示在设备控制系统中在跟踪性能方面出现异常的可能性，并且其中跟踪性能测量控制系统跟踪设定点的能力。/n...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180227 US 15/9069241.一种设备控制系统，包括：
包括一件或多件装备的设备系统；和
控制所述设备系统的控制系统，所述控制系统包括一个或多个计算机和一个或多个计算机存储器装置，所述一个或多个计算机存储器装置与所述一个或多个计算机可互操作地耦合并且具有存储一个或多个指令的有形的、非暂时性的机器可读介质，所述一个或多个指令当由所述一个或多个计算机执行时，执行包括以下各项的操作：
接收设备控制系统的操作点的运行时条件，操作点的运行时条件包括设备系统的运行时状态、设备系统的运行时输出和应用于设备系统的运行时控制动作；
确定对应于操作点的参考点的参考条件，参考点的参考条件包括设备系统的参考状态、设备系统的参考输出和应用于设备系统的参考控制动作；
基于参考条件和运行时条件计算参考点与操作点之间的差异，所述差异包括：
设备系统的运行时状态与参考状态之间的状态差异，
设备系统的运行时输出与参考输出之间的输出差异，以及
应用于设备系统的运行时控制动作与参考控制动作之间的控制动作差异；
计算状态差异的稳定性半径度量、输出差异的稳定性半径度量和控制动作差异的稳定性半径度量；
基于输出差异的稳定性半径度量与状态差异的稳定性半径度量之间的第一频谱相关性来确定可观察性异常指标，其中第一频谱相关性是在第一频率范围之上计算的，其中可观察性异常指标指示在设备控制系统中在可观察性方面出现异常的可能性，其中可观察性指示控制系统基于设备系统的所测量的输出来估计设备系统的状态的能力；
基于输出差异的稳定性半径度量与状态差异的稳定性半径度量之间的第二频谱相关性来确定可观察性健康指标，其中第二频谱相关性是在第二频率范围之上计算的，其中可观察性健康指标指示设备控制系统在可观察性方面正常操作的可能性，并且其中第二频率范围不同于第一频率范围；以及
基于输出差异的稳定性半径度量与控制动作差异的稳定性半径度量之间的第三频谱相关性来确定跟踪性能异常指标，其中第三频谱相关性是在第三频率范围之上计算的，其中跟踪性能异常指标指示在设备控制系统中在跟踪性能方面出现异常的可能性，并且其中跟踪性能测量控制系统跟踪设定点的能力。


2.根据权利要求1所述的设备控制系统，进一步包括：
基于输出差异的稳定性半径度量与控制动作差异的稳定性半径度量之间的第四频谱相关性来确定跟踪性能健康指标，其中第四频谱相关性是在第四频率范围之上计算的，其中跟踪性能健康指标指示设备控制系统在跟踪性能方面正常操作的可能性，并且其中第四频率范围不同于第三频率范围，
基于控制动作差异的稳定性半径度量与状态差异的稳定性半径之间的第五频谱关系来确定可控性异常指标，其中第五频谱相关性是在第五频率范围之内计算的，其中可控性异常指标指示在设备控制系统中在可控性方面出现异常的可能性，并且其中可控性指示控制系统影响设备系统的状态的能力；以及
基于控制动作差异的稳定性半径度量与状态差异的稳定性半径之间的第六频谱关系来确定可控性健康指标，其中第六频谱相关性是在第六频率范围之上计算的，其中可控性健康指标指示设备控制系统在可控性方面正常操作的可能性，并且其中第五频率范围不同于第六频率范围。


3.根据任一前述权利要求所述的设备控制系统，其中设备系统进一步包括可操作来改变一件或多件装备的操作的一个或多个致动器，并且所述操作进一步包括向所述一个或多个致动器发送指令，以基于可观察性异常指标、可观察性健康指标、跟踪性能异常指标、跟踪性能健康指标、可控性异常指标或可控性健康指标中的至少一个来动态地改变所述一件或多件装备的操作。


4.根据任一前述权利要求所述的设备控制系统，其中：
设备系统包括阀；
所述一个或多个致动器包括对阀进行致动的阀致动器；并且
向所述一个或多个致动器发送指令以动态地改变所述一件或多件装备的操作包括向设备系统的阀致动器发送指令以动态地改变设备系统的阀的定位。


5.根据任一前述权利要求所述的设备控制系统，其中状态差异的稳定性半径度量包括状态差异的稳定性半径和状态差异的稳定性半径的无因次改变率中的一个或两个，并且其中状态差异的稳定性半径包括状态差异的稳定性半径的一阶或多阶改变率。


6.根据任一前述权利要求所述的设备控制系统，其中输出差异的稳定性半径度量包括输出差异的稳定性半径和输出差异的稳定性半径的无因次改变率中的一个或两个，其中输出差异的稳定性半径包括输出差异的稳定性半径的一阶或多阶改变率。


7.根据任一前述权利要求所述的设备控制系统，其中控制动作差异的稳定性半径度量包括控制动作差异的稳定性半径和控制动作差异的稳定性半径的无因次改变率中的一个或两个，其中状态差异的稳定性半径包括控制动作差异的稳定性半径的一阶或多阶改变率。


8.根据任一前述权利要求所述的设备控制系统，其中频谱相关性包括相干性。


9.根据任一前述权利要求所述的设备控制系统，其中设备控制系统是具有分布式控制架构的全局系统的子系统，并且全局系统包括串联或并联的至少两个子系统，并且其中操作由所述至少两个子系统中的每一个在内部执行。


10.一种控制方法，包括：
由包括设备系统和控制所述设备系统的控制系统在内的设备控制系统的控制系统接收设备控制系统的操作点的运行时条件，操作点的运行时条件包括设备系统的运行时状态、设备系统的运行时输出和应用于设备系统的运行时控制动作；
由控制系统确定对应于操作点的参考点的参考条件，参考点的参考条件包括设备系统的参考状态、设备系统的参考输出和应用于设备系统的参考控制动作；
由控制系统基于参考条件和运行时条件计算参考点与操作点之间的差异，所述差异包括：
设备系统的运行时状态与参考状态之间的状态差异，和
设备系统的运行时输出与参考输出之间的输出差异；
计算状态差异的稳定性半径度量、输出差异的稳定性半径度量和控制动作差异的稳定性半径度量；
基于输出差异的稳定...

【专利技术属性】
技术研发人员：K·E·沙劳迪，
申请(专利权)人：伍德沃德有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US