Observer based fault diagnosis and fault tolerant control of nonlinear systems
Diagnostic basé sur les observateurs et commande tolérante aux fautes des systèmes non linéaires
Résumé
Due to the increasing demand for higher safety and reliability of the dynamic system, fault detection and diagnosis (FDD), as well as fault tolerant control (FTC) are becoming effective methods to avoid breakdowns and disasters of major systems. Therefore, this thesis focuses on developing observer based fault diagnosis and fault tolerant control strategies for complex nonlinear systems. A case study on an intensified heat exchanger/reactor (HEX reactor) is proposed to illustrate and demonstrate the proposed fault tolerant control techniques.In chemical engineering field, an intensified HEX reactor is a multifunctional device that combines heat exchanger and chemical reactor in one hybrid unit. Thanks to its remarkable thermal and hydrodynamic performance, the intensified HEX reactor is a promising way to meet the increasing requirements for safer operating conditions and lower cost as well as energy waste in the chemical engineering field. However, undesirable failures, such as thermal runaway, and fouling in channels, still pose a great threat to such intensified process. To solve this, FDD and FTC schemes are needed to make it have a satisfactory performance even under the faulty situation.To start, a mathematical model of the HEX reactor is proposed. The effectiveness of the proposed modelling is proved by comparing its performances obtained by simulation with the experimental data. After that, classic observers are applied to the considered HEX reactor to find out a suitable observer for further fault diagnosis use. The maximum overshoot and settling time of the estimation error system are chosen as the criteria to compare the state estimation performance of each observer. Finally, adaptive observer presents a better performance with minimum overshoot and shortest settling time between the observer considered.To design a fault tolerant control strategy for the considered HEX reactor, a nominal control law based on the backstepping technique has been proposed firstly to guarantee the temperature of process fluid follows the desired value. And then, a fault is introduced. A bank of adaptive observers is used for fault detection, isolation and identification. Once the fault is isolated, and identified, the control law is reconstructed to make the system still satisfy the expected performance under the faulty case. Both dynamic fault and sensor fault are considered in this thesis. Moreover, an interval observer based FTC strategy is also proposed in the thesis. The main idea of the FTC scheme is the same as we used in the adaptive observer based FTC scheme, controller reconfiguration.After applying the proposed FTC strategies to the considered HEX reactor, their effectiveness has been demonstrated. Even though the system is influenced by a dynamic fault or sensor fault, the temperature of process fluid still provides a satisfactory tracking performance. Besides, the interval observer based FTC strategy has a faster fault isolation speed after comparing the performances of the proposed FTC strategies.
En raison de la demande croissante de sécurité et de fiabilité accrues des systèmes dynamiques, la détection et le diagnostic des défauts, ainsi que la commande tolérante aux défauts (FTC) deviennent des méthodes efficaces pour éviter les pannes et les catastrophes des grands systèmes. Par conséquent, cette thèse se concentre sur le développement de stratégies de diagnostic des défauts basées sur les observateurs et de la commande tolérante aux fautes pour les systèmes non linéaires complexes. Une étude de cas sur un réacteur/échangeur de chaleur (réacteur HEX) intensif est proposée pour illustrer et démontrer l'efficacité des algorithmes de commande tolérant aux fautes proposés.Dans le domaine du génie chimique, un réacteur HEX intensif est un dispositif multifonctionnel qui combine un échangeur de chaleur et un réacteur chimique dans une unité hybride. Grâce à ses remarquables performances thermiques et hydrodynamiques, le réacteur HEX intensif est un moyen prometteur de répondre aux exigences croissantes en matière de sécurité, de réduction des coûts, ainsi que de déchets énergétiques dans le domaine du génie chimique. Cependant, des défaillances indésirables, telles que l'emballement thermique et l'encrassement des canaux, constituent toujours une grande menace pour ce processus intensif. Pour résoudre ces problèmes, il est nécessaire de mettre en place des systèmes de diagnostic et de commande tolérante aux fautes afin de garantir des performances satisfaisantes, même en cas de défaillance.Un modèle mathématique du réacteur HEX est proposé. L'efficacité de la modélisation proposée est prouvée en comparant ses performances obtenues par simulation avec les données expérimentales. Ensuite, les observateurs developpés sont appliqués au réacteur HEX considéré afin de trouver un observateur approprié pour develpper un système de diagnostic des défauts. Le dépassement maximal et le temps de stabilisation du système d'erreur d'estimation sont choisis comme critères pour comparer les performances d'estimation de l'état de chaque observateur. Enfin, l'observateur adaptatif présente une meilleure performance avec un dépassement minimum et un temps de stabilisation le plus court parmi les observateurs considérés.Pour concevoir une stratégie de commande tolérante aux fautes pour le réacteur HEX considéré, une loi de contrôle nominale basée sur la technique Backstepping a été proposée en premier lieu pour garantir que la température du fluide du procédé suive la valeur souhaitée. Ensuite, une faute est introduite. Une banque d'observateurs adaptatifs est utilisée pour la détection, l'isolation et l'identification des défauts. Une fois le défaut isolé et identifié, la loi de commande est reconstruite pour que le système continue à satisfaire les performances attendues dans le cas de défaut. La défaillance dynamique et la défaillance des capteurs sont considérées. De plus, une stratégie de FTC basée sur un observateur d'intervalle est également proposée. L'idée principale du schéma FTC est la même que celle que nous avons utilisée dans le schéma FTC basé sur un observateur adaptatif : la reconfiguration de la commande.Après avoir appliqué les stratégies FTC proposées au réacteur HEX considéré, leur efficacité a été démontrée. Dans les deux cas, défaut dynamique ou défaut capteur, les résultats obtenus sont satisfaisants. On peut noter que la stratégie FTC utilisant l'observateur par intervalles présente une vitesse d'isolation de défaut plus rapid.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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