Fault Diagnosis and Performance Recovery Based on the Dynamic Safety Margin


Abdel-Geliel, Mostafa


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URL: https://ub-madoc.bib.uni-mannheim.de/1380
URN: urn:nbn:de:bsz:180-madoc-13808
Document Type: Doctoral dissertation
Year of publication: 2006
Publishing house: Universität Mannheim
Evaluator: Badreddin, Essameddin
Date of oral examination: 20 December 2006
Publication language: English
Institution: School of Business Informatics and Mathematics > Automation (Badreddin -2008)
Subject: 004 Computer science, internet
Subject headings (SWD): Fehler
Individual keywords (German): fehlertoleranter
Keywords (English): Fault Tolerant
Abstract: The complexity of modern industrial processes makes high dependability an essential demand for reducing production loss, avoiding equipment damage, and increasing human safety. A more dependable system is a system that has the ability to: 1) detect faults as fast as possible; 2) diagnose them accurately; 3) recover the system to the nominal performance as much as possible. Therefore, a robust Fault Detection and Isolation (FDI) and a Fault Tolerant Control (FTC) system design have attained increased attention during the last decades. This thesis focuses on the design of a robust model-based FDI system and a performance recovery controller based on a new performance index called Dynamic Safety Margin (DSM). The DSM index is used to measure the distance between a predefined safety boundary in the state space and the system state trajectory as it evolves. The DSM concept, its computation methods, and its relationship to the state constraints are addressed. The DSM can be used in different control system applications; some of them are highlighted in this work. Controller design based on DSM is especially useful for safety-critical systems to maintain a predefined margin of safety during the transient and in the presence of large disturbances. As a result, the application of DSM to controller design and adaptation is discussed in particular for model predictive control (MPC) and PID controller. Moreover, an FDI scheme based on the analysis of the DSM is proposed. Since it is difficult to isolate different types of faults using a single model, a multi-model approach is employed in this FDI scheme. The proposed FDI scheme is not restricted to a special type of fault. In some faulty situations, recovering the system performance to the nominal one cannot be fulfilled. As a result, reducing the output performance is necessary in order to increase the system availability. A framework of FTC system is proposed that combines the proposed FDI and the controllers design based on DSM, in particular MPC, with accepted degraded performance in order to generate a reliable FTC system. The DSM concept and its applications are illustrated using simulation examples. Finally, these applications are implemented in real-time for an experimental two-tank system. The results demonstrate the fruitfulness of the introduced approaches.
Translation of the title: LWH unter Verwendung des DSM-Verfahren (German)
Translation of the abstract: Die Komplexität moderner Industrieanlagen macht hohe Verlässlichkeit zu einer notwendigen Anforderung um Produktausfall, Beschädigung der Anlage und Sicherheit zu gewährleisten. Ein verlässliches System kann: 1) Fehler so schnell wie möglich detektieren; 2) Die Ursache des Fehlers genau diagnostizieren; 3) Die Systemleistung so nah wie möglich am Nominalverhalten wiederherstellen. Deswegen wuchs das Interesse an robuster Fehlerdetektion und Isolierung (Fault Detection and Isolation FDI) und fehlertoleranter Regelung (Fault Tolerant Control FTC) in den letzten Jahren erheblich. In dieser Dissertation wird, basierend auf einem neuen Gütekriterium der "Dynamic Safety Margin" (DSM), der Entwurf eines robusten modellbasierten FDI-Systems und eines Reglers zur Systemwiederherstellung entwickelt. Das DSM-Gütekriterium wird benutzt um die Entfernung zwischen dem Rand vordefinierten Sicherheitsgebietes im Zustandsraum und der sich entwickelnden Systemtrajektorie zu bewerten. Es werden das DMS-Konzept, seine Berechnung und die Beziehung zu den Zustandsbeschränkungen behandelt. DSM kann für verschiedene regelungstechnische Anwendungen eingesetzt werden. Einige dieser Anwendungen werden in dieser Arbeit vorgestellt. Ein Reglerentwurf mit Hilfe von DSM ist speziell nützlich für sicherheitskritische Systeme um einen vordefinierten Sicherheitsabstand sowohl während des Transientenverhaltens als auch während großer Störungen einzuhalten. Aus diesem Grund wird die Anwendung des DSM bei Reglerentwurf und Regleranpassung speziell für modellbasierte prädiktive Regelung und PID-Regler betrachtet. Zusätzlich wird ein FDI-Schema anhand der Analyse des DSMs vorgeschlagen. Da es schwierig ist, verschiedene Fehler unter Verwendung eines einzelnen Modells zu isolieren, wird ein Multi-Modell Ansatz in diesem Schema eingesetzt. Die Anwendung des DSMs um Fehler zu entdecken und zu isolieren verringert die Anzahl der Diagnosevariablen, die der gemessene Zustand oder Ausgangsvektoren der anderen Methoden sind. Dazu ist das vorgeschlagene FDI-Schema nicht auf spezielle Fehlertypen beschränkt. In einigen fehlerverursachten Situationen kann es unmöglich werden, die Systemleistung vollständig wiederherzustellen. Deswegen muss die Ausgangsleistung verringert werden um die Verfügbarkeit des Systems zu steigern. Die beiden auf dem DSM basierenden Verfahren zur FDI und FTC, speziell die für den MPC, werden in einem Framework kombiniert um ein zuverlässiges FTC-System mit einer akzeptablen Leistungsminderung zu erhalten. Das DSM-Konzept und seine Anwendungen werden anhand von Simulationsbeispielen erklärt. Schließlich werden diese Anwendungen in Echtzeit auf einer Zwei-Tank-Laboranlage implementiert. Die Ergebnisse zeigen die Leitungsfähigkeit der eingeführten Ansätze auf. (German)
Additional information:

Das Dokument wird vom Publikationsserver der Universitätsbibliothek Mannheim bereitgestellt.




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Abdel-Geliel, Mostafa (2006) Fault Diagnosis and Performance Recovery Based on the Dynamic Safety Margin. Open Access [Doctoral dissertation]
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