故障可诊断性揭示了故障诊断深层次的内涵, 为从根本上提升控制系统对故障的诊断能力的研究提供了理论依据。对系统可诊断性进行分析，从系统层面对系统结构进行优化，可以提高系统对故障信息获取、分析的能力，从而更加有效地提升系统的安全性。因此，可诊断性评价与设计具有十分重要的理论意义与广阔的应用前景。

我们将以可诊断性在航天领域中的应用为例，简要地对可诊断性的内涵及其研究意义进行说明，并对综述所研究的内容进行概括。

为什么要提高航天器控制系统的故障应对能力？

根据空间安全的重大战略需求，如何大幅度地提升航天器运行质量，使其能够长期可靠、稳定地运行，已经成为研究人员研制新一代航天器时重点关注的问题。一方面，航天器的核心分系统之一——控制分系统的功能结构复杂且运行环境恶劣，大大提高了其在轨故障发生的概率；另一方面，由于该系统承担任务重大且不具备维修条件，若不能有效地、妥善地处理已发生的故障，往往会造成严重的后果。因此，控制系统必须具备较强的故障应对能力。

传统思路是否能满足需求？

提升航天器故障应对能力的传统思路主要有两点：1.提升单机可靠性；2.提升诊断算法性能, 如提高算法诊断精度和提高算法的适用性等。一方面，提升单机可靠性受加工、制造和装配等客观因素影响，提升零部件的能力有限，且提高零部件可靠性只能降低故障概率，无法有效地对已发生的系统故障进行处理；另一方面，随着系统结构的日益复杂，诊断算法的设计与改进变得更加困难，同时还受制于航天器资源，使得诊断算法在轨实施效果有限。可以看出，传统的思路无法从根本上提高航天器控制系统的故障应对能力，因此无法满足新一代航天装备的新需求。

传统思路的目的与存在的缺陷

什么是可诊断性？

由IEEE发布的1522标准可以得到可诊断性的定义: 系统故障能够被确定地、有效地识别的程度。其中，“确定地”要求每次系统发生故障时都能准确地对故障进行检测与隔离，实质上强调的是诊断系统完成诊断任务的能力；“有效地”则考虑的是诊断系统完成诊断任务的资源利用效率，即要求对隔离故障所需的资源进行优化。

通过对近年来可诊断性研究成果的分析可知，针对不同的研究需要，可诊断性研究考虑的因素也不尽相同。部分文献将可诊断性视为与故障大小和种类无关的内部属性，而有的文献则考虑了噪声以及故障大小等因素对可诊断性的影响。鉴于此，为了更深入地对可诊断性的内涵进行分析，我们将可诊断性分为固有可诊断性与实际可诊断性，并给出相关的定义。

固有可诊断性指的是由系统固有结构所决定的系统检测、隔离与辨识故障的能力；实际可诊断性指的是由系统固有结构与实际因素所决定的系统检测、隔离与辨识故障的能力。

故障可诊断性是一种表征控制系统诊断故障能力的属性，该属性从本质上揭示了故障诊断的内涵。可诊断性的分析结果可以回答“什么是诊断能力的本质？”，“是否具备诊断能力？”以及“具备多大的诊断能力？”等被长期忽略的关键问题，填补目前研究的空白，为故障应对提供新的思路。

全新的故障应对思路

通过分析系统可诊断性，在系统设计阶段对配置进行优化，使得系统“天生”具有较强的获取故障信息的能力，可以从根本上提高其故障应对能力。同时，将可诊断性评价纳入诊断方案的设计阶段，利用评价结果指导诊断方案设计，可以有效地对诊断代价与诊断性能进行权衡，并通过设计合适的残差，更有针对性地实现诊断方案优化。可以看出，将可诊断性分析纳入系统、诊断方案设计阶段，可以从“先天”和“后天”两个方面同时提高系统应对故障的能力。

除此之外，可诊断性研究还可以与传统的提升系统故障应对能力的方法相结合，即将已有的可靠性设计与可诊断性设计纳入系统设计环节，从提高故障诊断与处理能力和降低故障率两方面同时提升系统运行质量。

从“先天”和“后天”两个方面同时提高系统应对故障的能力

 可诊断性研究的优势

l  避免过冗余设计：减轻负载压力

l  识别系统薄弱环节：增强系统健壮性

l  优化冗余分配效率：善用有限资源

l  降低控制算法难度：节约计算资源

我们以航天器控制系统为例，对可诊断性研究的必要性进行了分析。通过分析可知，将可诊断性分析纳入控制系统与诊断方案的设计环节，可以从根本上提高系统对故障的应对能力。

值得一提的是，不仅限于航天领域，可诊断性设计还可以广泛应用于汽车工业，航海，航空以及电力生产等领域，具有较强的通用性。鉴于此，本综述将以一般控制系统为研究对象，分别从可诊断性的内涵、研究现状以及潜在发展趋势三个角度系统地对可诊断性进行分析。首先，从定义、影响因素、与已有概念的关系以及应用四个方面剖析了控制系统可诊断性的内涵和研究意义。其次，分别从可诊断性评价与设计两个方面对可诊断性的研究现状进行分析。最后，通过对可诊断性已有成果进行总结归纳，探讨了可诊断性研究存在的不足以及未来发展的趋势。

 引用格式：王大轶, 符方舟, 刘成瑞, 李文博, 刘文静, 何英姿, 邢琰. 控制系统可诊断性的内涵与研究综述. 自动化学报, 2018, 44(9): 1537-1553

链接：http://html.rhhz.net/ZDHXBZWB/html/2018-9-1537.htm

作者简介：

王大轶，北京空间飞行器总体设计部研究员。主要研究方向为航天器自主制导、导航与控制，故障诊断与容错控制。E-mail: dayiwang@163.com

符方舟 北京控制工程研究所博士研究生。2015 年在哈尔滨工业大学深圳研究生院获硕士学位。主要研究方向为控制系统的故障诊断，可诊断性评价。本文通信作者。E-mail: ffzssg@163.com

刘成瑞，北京控制工程研究所高级工程师。 2006年在北京航空航天大学获博士

学位。主要研究方向为卫星控制系统的故障诊断与容错控制。E-mail: liuchengrui@gmail.com

李文博，北京控制工程研究所高级工程师。2012年在哈尔滨工业大学获博士学位.主要研究方向为故障诊断与容错控制,卫星控制系统的可诊断性评价与设计。E-mail: liwenbo_bice@163.com

刘文静 北京控制工程研究所高级工程师。2009年在天津大学获博士学位。主要研究方向为故障诊断与容错控制，卫星控制系统的可诊断性评价与设计。E-mail: lwjingbice@163.com

何英姿，北京控制工程研究所研究员.主要研究方向为航天器制导与控制.E-mail: heyz1970@163.com

邢琰，北京控制工程研究所研究员。主要研究方向为航天器故障诊断与容错控制。E-mail: xingyan_bice@163.com