Model-based fault diagnosis and fault-tolerant control for a nonlinear electro-hydraulic system

Modellbasierte Fehlerdiagnose und fehlertolerante Regelung f¨ur ein nichtlineares elektrohydraulisches System

  • The work presented in this thesis discusses the model-based fault diagnosis and fault-tolerant control with application to a nonlinear electro-hydraulic system. High performance control with guaranteed safety and reliability for electro-hydraulic systems is a challenging task due to the high nonlinearity and system uncertainties. This thesis developed a diagnosis integrated fault-tolerant control (FTC) strategy for the electro-hydraulic system. In fault free case the nominal controller is in operation for achieving the best performance. If the fault occurs, the controller will be automatically reconfigured based on the fault information provided by the diagnosis system. Fault diagnosis and reconfigurable controller are the key parts for the proposed methodology. The system and sensor faults both are studied in the thesis. Fault diagnosis consists of fault detection and isolation (FDI). A model-base residual generating is realized by calculating the redundant information from the system model and available signal. In this thesis differential-geometric approach is employed, which gives a general formulation of FDI problem and is more compact and transparent among various model-based approaches. The principle of residual construction with differential-geometric method is to find an unobservable distribution. It indicates the existence of a system transformation, with which the unknown system disturbance can be decoupled. With the observability codistribution algorithm the local weak observability of transformed system is ensured. A Fault detection observer for the transformed system can be constructed to generate the residual. This method cannot isolated sensor faults. In the thesis the special decision making logic (DML) is designed based on the individual signal analysis of the residuals to isolate the fault. The reconfigurable controller is designed with the backstepping technique. Backstepping method is a recursive Lyapunov-based approach and can deal with nonlinear systems. Some system variables are considered as ``virtual controls'' during the design procedure. Then the feedback control laws and the associate Lyapunov function can be constructed by following step-by-step routine. For the electro-hydraulic system adaptive backstepping controller is employed for compensate the impact of the unknown external load in the fault free case. As soon as the fault is identified, the controller can be reconfigured according to the new modeling of faulty system. The system fault is modeled as the uncertainty of system and can be tolerated by parameter adaption. The senor fault acts to the system via controller. It can be modeled as parameter uncertainty of controller. All parameters coupled with the faulty measurement are replaced by its approximation. After the reconfiguration the pre-specified control performance can be recovered. FDI integrated FTC based on backstepping technique is implemented successfully on the electro-hydraulic testbed. The on-line robust FDI and controller reconfiguration can be achieved. The tracking performance of the controlled system is guaranteed and the considered faults can be tolerated. But the problem of theoretical robustness analysis for the time delay caused by the fault diagnosis is still open.
  • Die presentierte Dissertation behandelt die modellbasierte Fehlerdiagnose und fehlertolerante Regelung mit Anwendung für ein nichtlineares elektrohydraulisches Systems. Die hochperformante Regelung elektrohydraulischer Systeme mit garantierter Sicherheit und Zuverlaessigkeit ist aufgrund starker Nichtlinearitäten, unbekannter äußerer Störungen und komplexen Strömungseigenschaften eine herausfordernde Aufgabe. In dieser Dissertation wird eine fehlertolerante Regelung mit integrierter Fehlerdiagnose fuer das untersuchte elektrohydraulische System entwickelt. Im fehlerfreien Fall wird der Regler Regelung angewendet. Im Fehlerfall wird der Regler automatisch rekonfiguriert basierend auf der Fehlerinformation, die aus der Fehlerdiagnose verfügbar sind. Die Fehlerdiagnose und der rekonfigurierbare Regler sind somit integrale Bestandteile der vorgeschlagenen Methodik. Die Fehlerdiagnose umfasst die Fehlererkennung und Fehlerisolation (Fault Detection and Isolation (FDI)). Eine modellbasierte Residuengenerierung wird realisiert durch Berechnung der redundanten Information aus dem Systemmodell und den verfügbaren Messgrößen. In dieser Dissertation wird ein differentialgeometrischer Ansatz verwendet, der auf eine allgemeine Formulierung des FDI-Problems führt sowie kompakter und transparenter als andere bekannte modellbasierte Ansätze ist. Das zentrale Problem der Residuengenerierung basierend auf dem differentialgeometrischen Ansatz besteht in der Bestimmung einer unbeobachtbaren Distribution. Diese zeigt die Existenz einer Systemtransformation an, durch die die unbekannten Systemstörungen entkoppelt werden koennen und der gesuchte Fehler isoliert werden kann. Mit dem Observability Codistribution Algorithm wird die lokale schwache Beobachtbarkeit des transformierten Systems sichergestellt. Ein Beobachter zur Fehlererkennung kann für das transformierte System entworfen werden, um das Residuum zu generieren. Eine Fehlerisolation ist mit dieser Methode nicht möglich. In dieser Dissertation wird eine Entscheidungslogik (Decision Making Logic (DMI)) basierte auf der individualen Signalanalyse des Residiuums entwickelt. Der rekonfigurierbare Regler wird mit dem Backstepping-Verfahren entworfen. Das Backstepping-Verfahren ist ein rekursiver Lyapunov-basierter Ansatz, der gut für nichtlineare Systeme geeignet ist. Das Regelgesetz und die zugehörige Lyapunov-Funktion können durch folgendes schrittweise Verfahren konstruiert werden: Für das elektrohydraulische System wird ein adaptiver Backstepping-Regler angewendet, um den Einfluss der unbekannten äußeren Last im fehlerfreien Fall zu kompensieren. Sobald ein Fehler erkannt wird, wird der Regler rekonfiguriert basierend auf dem Modell des fehlerbehafteten Systems. Der Systemfehler wird als Parameterfehler des Systemes modeliert und durch eine weitere Paramteradaption toleriert. Der Sensorfehler kann durch Regler das System beeinflußen. Dann wird der Sensorfehler als Parameterfehler des Reglers behandelt. Die Paraemter koppelt mit der fehlerhaften Messung wurde durch ihre Approximation ersetzt. Nach der Rekonfiguration des Reglers war die Performaz wieder verbessert. Im kritischen Fall muss die Adaption ausgesetzt werden aufgrund des Informationsverlusts im fehlerbehafteten System, z.B. wegen einem Sensorausfall. Der Performanzverlust ist jedoch akzeptabel mit dem rekonfigurierten Regler. Die fehlertolerante Regelung mit integrierter Fehlerdiagnose basierend auf Backstepping wurde erfolgreich an einem elektrohydraulischen Pruefstand mit künstliche herbeigefuehrten Fehlern implementiert. Eine echtzeitfähige robuste Fehlerdiagnose und Rekonfiguation des Reglers konnte erreicht werden. Die Performanz des geregelten Systems bezüglich der Führungsgeröße wurde garantiert und die betrachteten Fehler konnten toleriert werden. Eine theoretische Robustheitsanalyse hinsichtlich der Totzeit, die durch die Fehlerdiagnose verursacht wird, ist offen und sollte in weiteren Untersuchungen betrachtet werden.

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Metadaten
Author:Liang Chen
URN (permanent link):urn:nbn:de:hbz:386-kluedo-24943
Advisor:Steven Liu
Document Type:Doctoral Thesis
Language of publication:English
Year of Completion:2010
Year of Publication:2010
Publishing Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Granting Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Acceptance Date of the Thesis:2010/03/26
Tag:Elektrohydraulik; Modellbasierte Fehlerdiagnose ; fehlertolerante Regelung
electro-hydraulic systems; fault-tolerant control ; model-based fault diagnosis
Faculties / Organisational entities:Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik
DDC-Cassification:620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten

$Rev: 12793 $