Centre de Recerca en Supervisió, Seguretat i Control Automàtic

Comparteix:

ITECOTOFA

Desarrollo e Integración de Técnicas de Control Tolerante a Fallos de Procesos Complejos, CICYT ref. DPI2002-03500.

Resum

En aquest projecte s'han desenvolupat tècniques per a la detecció, diagnòstic i control tolerant a fallades utilitzant models incerts i s'han aplicat a un actuador neumàtic, a un sistema de laboratori de tipus físico-químic i a la xarxa de clavegueram de Barcelona. Per a la seva implementació s'han desenvolupat eines de control tolerant a fallades que permeten avaluar la situació, el grau de recuperabilitat i les accions correctores davant l'aparició de fallades al sistema.

En el camp de la detecció de fallades s'han utilitzat diverses tècniques: equacions de paritat, observadors i identificació. Les dues primeres es podrien considerar tècniques de detecció de la imatge directa, és a dir, avaluació de si la predicció o simulació del model concideix amb l'esperat. La tercera, identificació, consistiria a avaluar quin conjunt de paràmetres poden conduir el sistema a unes determinades condicions de funcionament i avaluar si aquests paràmetres coincideixen amb els esperats, anomenat també imatge inversa. L'ús de totes dues tècniques de forma independent i aplicada al cas de models incerts, comporta avantatges i inconvenients depenent en gran mesura del tipus de sistema, del tipus de fallada i del tipus d'incertesa, no podent generalitzar-se els resultats. Com a solucions contemplades en el projecte, s'està treballant amb ambdues tècniques simultàniament, amb l'objectiu d'aconseguir la complementació de les dues i obtenir millors resultats de detecció.

El control tolerant a fallades és una disciplina emergent en la qual no existeix encara una teoria general i a la literatura només es troben contribucions parcials als diferents problemes que s'han de resoldre per afegir tolerància a un sistema de control. En aquest projecte s'ha intentat emmarcar el problema de control tolerant dins del camp del control predictiu amb restriccions, la qual cosa ha permès utilitzar les eines existents en aquest camp per a l'avaluació de la degradació de les prestacions davant les fallades així com per decidir quines accions correctores prendre. Així mateix, un sistema de control tolerant es pot modelar de manera molt natural com un sistema híbrid que permet representar les fallades com a modes diferents d'operació. Actualment, existeix tota una línia d'investigació que permet integrar de manera molt fàcil els sistemes híbrids amb els sistemes de control predictiu, la qual cosa permetrà realitzar una anàlisi dels sistemes de control tolerant amb totes les eines analítiques que s'estan desenvolupant per a aquests sistemes i algoritmes de control.

Objectius assolits

Objectiu 1. Anàlisi de l'observabilitat i grau d'aïllabilitat

  • S'ha desenvolupat un algorisme per caracteritzar i determinar el mínim nombre de sensors necessaris per aconseguir aïllar el màxim nombre de fallades presents en un procés dinàmic. La metodologia utilitzada per a aquest anàlisi es basa en un anàlisi estructural del sistema.
  • Amb l'objectiu d'analitzar el grau d'aïllabilitat, s'ha realitzat un estudi comparatiu entre la tècnica basada en l'anàlisi estructural amb una altra tècnica que utilitza la representació en espai d'estat de sistemes quasi-estacionaris. S'han analitzat les avantatges i inconvenients en la utilització de cadascuna d'elles i es proposa un nou camp de treball dedicat a la integració de les dues.

Objectiu 2. Anàlisi de la propagació de fallades i avaluació de la recuperabilitat i accions correctores per al control tolerant.

  • S'han desenvolupat algorismes basats en la satisfacció de restriccions que permeten avaluar la recuperabilitat de controladors predictius amb restriccions i decidir quin tipus d'accions correctores (acomodació/reconfiguració) són les més adequades per afrontar l'efecte d'una fallada en un actuador.

Objectiu 3. Millora de les tècniques de detecció robusta i la seva integració amb tècniques de diagnòstic.

  • S'han desenvolupat algorismes de detecció i diagnòstic robust basats en observadors intervalars per a sistemes lineals i no lineals utilitzant tècniques d'optimització.
  • Millora de la integració de les tècniques de detecció i aïllament de fallades. Actualment, els algorismes de detecció i l'aïllament de fallades es desenvolupen de manera separada, sent necessari el seu desenvolupament integrat per millorar el seu funcionament.
  • Millora de la detecció robusta utilitzant mètodes intervalars que combinen la imatge directa amb la imatge inversa. Tradicionalment aquests mètodes han utilitzat la imatge directa del model intervalar per realitzar la detecció. El càlcul d'aquesta imatge inversa és molt costós (optimització global, propagació de la incertesa, ...). La proposta realitzada en el marc del projecte consisteix a complementar aquesta imatge amb la imatge inversa utilitzant tècniques basades en consistència molt eficients per detectar inconsistències entre el model i les dades experimentals.
  • Finalment, s'ha estudiat com el sistema de diagnòstic es veu afectat davant de fallades consecutives en els sensors utilitzats així com com s'ha de dissenyar la seva ubicació per aconseguir que la capacitat d'aïllament es vegi el mínim afectada.

Objectiu 4. Disseny robust de controladors per a tolerància

  • Utilització de les tècniques Quantitative Feedback Theory (QFT) per dissenyar controladors robustos en el cas d'incertesa en els paràmetres del model.

Publicacions més destacades

    • Travè-Massuyès, L., Escobet, T. Olive X., “Diagnosability Analysis Based on Component-Supported Analytical Redundancy Relations”, Systems, Man and Cybernetics, Part A: Systems and Humans, IEEE Transactions on , vol.36 (6): 1146-1160, <doi:10.1109/TSMCA.2006.878984>,2006
    • Nejjari, F., Perez, R., Escobet, T., Travé-Massuyès, L. , “Fault diagnosability utilizing quasi-static and structural modelling”, Mathematical and Computer Modelling, vol. 45 (5-6): 606-616, <doi:doi:10.1016/j.mcm.2006.06.008>, 2007
    • V. Puig, A. Stancua, T. Escobet, F. Nejjara, J. Queveda and R.J. Patton. “Passive robust fault detection using interval observers: Application to the DAMADICS benchmark problem”, Control Engineering Practice, vol. 14(6):621-633, <doi:10.1016/j.conengprac.2005.03.016>, 2006
    • Puig, V., Quevedo, J., Escobet, T., Pulido, B. “On the integration of fault detection and isolation in model based fault diagnosis”. 15th International Workshop on Principles of Diangosis (DX’04). França. 2004. http://spiderman-2.laas.fr/DX04/Proceedings-DX04/Articles/129.pdf.
    • Puig, V., Schmid, F., Quevedo, J., Pulido, B. “A new fault diagnosis algorithm that improves the integration of fault detection and isolation”. Enviat a ECC-CDC’05. Sevilla. Espanya.
    • Puig, V., Mrugalski, M., Nejjari, F., Quevedo, J., Korbicz, J. “A GMDH neural network-based approach to passive robust fault detection using a constraint satisfaction backward test", Engineering Applications of Artificial Intelligence, vol. 20(7):886-897, <doi:doi:10.1016/j.engappai.2006.12.005>, 2007.