随着现代控制系统的规模日趋大型化、复杂化，系统发生故障的可能性也随之增加，为了提高控制系统的安全性，对控制系统进行故障检测和诊断是非常必要的。 为了提高故障检测的正确率，本文研究了主元分析故障检测方法并对其进行了改进，提出了一种改进后的故障检测指标(D指标)。接着针对传统PCA单尺度建模的局限性，结合改进主元分析方法和小波理论，研究出了改进多尺度主元分析方法(MSPCA)；然后将MSPCA方法的数据从两维矩阵推广到三维的立体数据块，结合改进MSPCA方法和多向主元分析方法的理论，并应用动态时间错位(DTW)算法，研究出了改进多尺度多向主元分析方法(MSMPCA)；最后将改进MSMPCA方法从线性化的建模方法推广到非线性化，结合改进MSMPCA方法和滑动窗口的理论，研究出改进多尺度滑动窗口多向主元分析方法(MSGWMPCA)。在这三种改进方法中都用到了改进后的故障检测指标(D指标)，并且适用范围逐步增广，同时对过程变化的分析与诊断能力也逐步提高。 最后，将上述基于改进多尺度主元分析方法应用于TE过程的故障检测中，结果表明其在故障检测中的检出率逐渐增高，同时误报率逐渐减小，取得了较好的检测效果。