Integrated diagnosis synthesis of networked control systems with communications constraints
Synthèse intégrée du diagnostic de systèmes contrôlés en réseaux avec contraintes de communication
Résumé
Networked Control systems (NCSs) have been one of research focuses in academia and industrial applications during the last few years. The advantages of NCSs over conventional or hardwired control include reduction of system wiring and increase in maintenance and troubleshooting facilities. Because of these attractive benefits, many industrial companies and institutes have shown interest in applying networks for remote industrial control purposes and factory automation. As a result of extensive research and development, several network protocols for industrial control have been released. However, several problems arise when a control loop is closed via a communication network. No matter what network is used, some network problems (e.g. delay, packet dropout, medium access constraints) can be affected a feedback loop when it is closed via communication network. Fault diagnosis and fault-tolerant control are important issues for practical control systems, especially in safety-critical systems. The theory and application of classical approaches of fault diagnosis and fault tolerant control should be revised when dealing with NCSs. Objective of this thesis is proposing new approaches to design a fault detection and isolation (FDI) system with considering network-induced effects such as packet dropout and medium access constraints. In addition, proposed algorithms of scheduling and fault diagnosis are implemented in a mini helicopter. First, Since networked-induces effects such as packet dropout and communication constraints must be considered in FDI design, an extended model for taking into account all these limitations was used. Then a strategy to develop a set of structured residuals was proposed. It guarantees robustness to packet dropout and unknown disturbances. Regarding network access limitation, sometimes it is necessary to provide a pre-defined sequence (i.e. communication sequence) before designing FDI. It describes the instantaneous medium access status of the sensors and actuators. However, choice of a communication sequence is not trivial and that is depended on the structure of the system. In addition, in practice it is not easy to find a precise mathematical model. Proposed algorithm guarantees the generation of communication sequences which preserve some structural properties of the plant. Furthermore, this algorithm can be implemented on uncertain and large scale systems. Traditionally, applications of allocation and scheduling techniques are based on offline strategies. But under offline scheduling, performance of diagnostic system may not be guaranteed when the plant is subject to unpredictable disturbances. In addition, online scheduling needs a large computation which may not be always possible in case of embedded system. Thus, a semi-online scheduling which preserve advantages of online scheduling and prevent some limitations of offline scheduling can be considered a compromise solution. Miniature rotorcraft-based Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) are currently subject of a lot of research due to their usefulness in situations that require unmanned or self-piloted operations. They can be classified as fast dynamic systems. So, they may be ideal benchtest for studying effects of the network on performance of closed loop control of the system. The sixth chapter of this dissertation is dedicated to implementation of a fault tolerant control strategy and FDI approach proposed in previous chapters on a quadrotor application.
Les systèmes contrôlés en réseau (SCR) ont fait l'objet de nombreux travaux de recherche au cours des dernières années, principalement pour ce qui concerne la synthèse de lois de commande. Les systèmes contrôlés en réseau présentent de nombreux avantages, notamment en terme de flexibilité, mais différent problèmes se posent quand une boucle de contrôle est fermée par un réseau de communication. (ex. retards et des pertes, contraintes de communication). Diagnostic et tolérance aux défauts sont des enjeux importants pour les systèmes de contrôle, particulièrement dans les systèmes de sécurité fondamentaux. La théorie et l'application des approches classiques de diagnostic et tolérance aux défauts doivent être re-visités lorsqu'il s'agit de SCR. L'objectif de cette thèse est de proposer de nouvelles approches de diagnostic pour les systèmes contrôlés en réseau en considérant la perte de paquets et la contrainte de communication. De plus, les algorithmes de l'ordonnancement et de diagnostic proposés sont implémentés dans un mini hélicoptère. Nous considérons d'abord les problèmes de perte de paquets et de contrainte de communication pour ensuite adapter un modèle où la détection des défauts et l'allocation des ressources de communication sont fortement liés. En interprétant ce modèle comme un modèle périodique, nous formalisons et résolvons le problème de détection et localisation de défauts avec un ordonnancement périodique et hors-ligne. L'approche proposée garantit la robustesse des résidus aux perturbations ainsi que perte de paquets sur la commande du système. Il est parfois nécessaire de fournir une séquence de communication prédéfinie avant de concevoir le système de détection de défauts. IL spécifie l'ordre de l'accès des capteurs et des actionneurs au réseau. Cependant, le choix d'une séquence de communication dépend forcément à la structure du système. Un algorithme graphique proposé dans cette thèse garantit la génération de séquences de communication permettant de préserver certaines propriétés structurelles du système. En outre, cet algorithme peut être utilisé sur les systèmes incertains et assez grands. Traditionnellement, allocation des ressources et l'ordonnancement sont basés sur les stratégies hors ligne. Mais la performance du système de diagnostic ne peut pas être garantie sous l'ordonnancement hors-ligne, si le système est objet à des perturbations imprévisibles. En plus, L'ordonnancement en ligne nécessite une grande charge de calcul qui ne peut être toujours possible en cas de système embarqué. Par conséquent, un ordonnancement semi-en ligne qui permet de préserver les avantages de l'ordonnancement en ligne et évite certaines limitations d'ordonnancement hors ligne peut être considéré comme une solution de compromis. Les drones ou UAVs pour Unmanned Aerial Vehicules font actuellement l'objet de beaucoup de recherches en raison de leurs utilités dans des situations qui nécessitent des opérations autonomes ou autopiloté. Ils peuvent être classés comme des systèmes dynamiques rapides. Par conséquent, ils peuvent être banc d'essai idéal pour étudier les effets du réseau sur les performances de contrôle/diagnostique en boucle fermée. Le dernier chapitre de cette thèse est dédié à implémentation d'une stratégie de commande tolérante aux défauts et les approches de détection et localisation des défauts proposées dans les chapitres précédents sur le drone.
Loading...