随着科学技术的快速发展,现代工业设备朝着大规模、智能化、集成化、复杂化和自动化等方面发展,因而对设备的安全运行和稳定运行提出了更高的要求。若系统中某个部分发生故障,将会导致整个系统运行出错、甚至崩溃,从而造成严重的经济损失或重大的人员伤亡。因此及时有效的检测与隔离这些故障,是防止其扩散和扩大、确保系统安全可靠运行的前提。本文从能量流动的角度出发,以键合图理论为基础,探讨基于模型的故障检测、定位和容错控制方法。首先,阐述了基于键合图理论的能控性和能观性分析法。该方法是利用键合图理论的基本原理,对系统结构的能控性和能观性展开分析,并采用大量实例验证了该方法的有效性和可行性。其次,考虑到随着控制系统复杂性的增加,提出利用键合图中各键合图元间的因果关系得到系统的符号有向图模型,再根据模型变量间的定性状态生成定性冗余关系,进而提取系统的定性故障特征,通过分析相关元件的状态与观测到的异常行为定位故障源。与基于键合图的解析冗余关系故障诊断算法相比,该方法降低了模型的复杂性、减少了冗余关系数和计算量。最后,为提高控制系统的鲁棒性,设计了系统鲁棒诊断观测器,将线性分式变化的键合图和比例积分观测器结合实现鲁棒故障诊断和故障估计,并用自适应阈值评价残差。该观测器能实时跟踪系统变量的动态行为、调整和更新阈值,有效地降低了误报率和漏报率,提高了故障诊断精度。接着,提出了基于状态估计及残差反馈的主动容错控制算法,当系统元部件发生故障时,确保系统性能指标在允许的范围内或者略低于该范围时稳定运行。