Supervisão e controlo de sistemas dinâmicos com tolerância a falhas : contribuição para uma abordagem estruturada e robusta

Abstract

O trabalho de investigação que resultou nesta Dissertação teve como principais objectivos o desenvolvimento de sistemas de supervisão e controlo de sistemas dinâmicos com tolerância a falhas e a sua aplicação em processos laboratoriais. Estes processos apresentam características não lineares e são representativos de sistemas de maior dimensão e complexidade, existentes, por exemplo, em processos industriais, sistemas de protecção ambiental ou equipamentos médicos. Este trabalho pretende contribuir para a formulação estruturada de todo o sistema de supervisão e controlo tolerante a falhas, englobando os projectos do controlador robusto com tolerância passiva a falhas, do módulo de diagnóstico de falhas, do módulo de reconfiguração do sistema de controlo com tolerância activa a falhas e do módulo de supervisão. Os sistemas de supervisão e controlo tolerantes a falhas são sistemas de controlo em malha fechada que podem tolerar falhas, ou mesmo avarias, em sensores, actuadores e em componentes do processo, garantindo fundamentalmente a estabilidade do sistema e um certo grau de desempenho, podendo apresentar alguma degradação dentro de limites aceitáveis. Estes sistemas podem ser classificados como passivos ou activos. No primeiro caso, o sistema de controlo é projectado de forma a atenuar o efeito das falhas de menor dimensão e que não determinem a avaria do componente. No caso dos sistemas activos, usando a informação obtida pelo módulo de diagnóstico de falhas, o sistema de supervisão é responsável pela activação de mecanismos de acomodação da falha, da reconfiguração do sistema ou mesmo da interrupção do funcionamento do processo, dependendo da gravidade da falha. A abordagem proposta neste trabalho considera que o processo dinâmico sujeito a falhas é descrito por um modelo global não linear e que o projecto do sistema de supervisão e controlo tolerante a falhas pode ser baseado num ou mais modelos lineares com incertezas que englobam os erros de modelização e de linearização em torno de um ou mais modos de funcionamento. Estes podem resultar de características do processo significativamente não lineares e/ou de modos de funcionamento do processo em situação de falha. Para o projecto do controlador com tolerância passiva a falhas e do sistema de diagnóstico de falhas é considerada uma abordagem baseada no modelo do processo considerando uma extensão da especificação tradicional de um problema de controlo robusto, em que as especificações e as incertezas são formuladas em Hoo e a síntese é efectuada usando o valor singular estruturado, fi. O sistema de supervisão e controlo com tolerância activa a falhas proposto, utiliza um módulo supervisor que gera as decisões necessárias para garantir a estabilidade, o desempenho e a tolerância a falhas do sistema em malha fechada. A abordagem considera, essencialmente, um mecanismo baseado em lógica difusa para gerir a informação recebida do processo, do módulo de diagnóstico e do supervisor humano. O sistema inclui um módulo de identificação de falhas que, usando os resíduos resultantes da detecção e isolamento de falhas e da validação das saídas medidas, produz a informação necessária à localização do componente em falha e à avaliação do seu grau de severidade. Para concretizar as decisões do supervisor, o módulo executor gera as acções correctivas para a acomodação das falhas. Explorando as redundâncias analíticas e físicas do processo, propõe-se um mecanismo de reconfiguração baseado em sensores e actuadores virtuais, para as situações em que ocorram falhas graves. O sistema de controlo é constituído por um conjunto de controladores projectados para cada modo de funcionamento. Uma das tarefas do supervisor consiste em seleccionar o controlador adequado ao modo de funcionamento identificado. Os resultados obtidos pela aplicação das metodologias passivas e activas em processos reais (o "Pêndulo Invertido", o Campo de Colectores Solares da Plataforma Solar de Almería e o processo "Três-Tanques") perspectivam a sua aplicabilidade em processos mais complexos.

The main purposes of the work presented in this Thesis are the development of a mode based Fault- Tolerant Control System (FTCS) for dynamical processes and it: implementation on nonlinear laboratory processes, representative of systems of highe dimension and complexity, integrated in industrial process, environmental protectiOl systems or in medical equipments. This work aims to give a contribution for a structured formulation of a fault-toleran control system, including the design of a fault detection and diagnosis module, a robus controller with passive fault tolerance, a control reconfiguration module with active faul tolerance and a supervisor module. The fault tolerant supervisory control systems are feedback control systems with the property of tolerance to faults, or even failures, in sensors, actuators or proces: components, assuring fundamentally the system stability and a certain performance degree showing possibly some performance degradation within acceptable limits. These system: are usually classified as passives or actives. In the former case, the control system i: designed in order to attenuate the effects of faults with small magnitude and without ai evolution to a failure of the component. In active systems, the supervisory system make: use ofthe information from the fault diagnosis module to activate the fault accommodatiOl mechanisms, to reconfigure the system or even to switch off the process, depending on th< fault severity. The proposed approach considers a nonlinear global model to describe the proces: dynamics and the design of the supervisory control system based linear models witl uncertainty describing the errors of modelization and linearization around one or more nominal operation modes. These operation modes may result from significantly nonlinea process' characteristics and/or from operation modes in faulty cases. In the passive case, a model-based approach is used to estimate the system's outputs am to synthesise the robust controller. The design objectives and the system's uncertainties ar< formulated in terms of Hoo specifications and the problem is solved using the structure< singular value, 11. In the active case, the fault tolerant control system uses a supervisor subsystem to select the suitable actions in order to preserve the system's stability and performance and to assure fault tolerance for the closed loop system. The proposed approach considers a fuzzy-Iogic implementation to handle the information received from the process, the fault diagnosis subsystem and from the human supervisor. The system inc\udes another subsystem for fault identification based on residuais generated by the fault detection and isolation module. An executor is considered to carry out the remedial actions in order to achieve fault accommodation. The supervisor exploits also the physical and analytical redundancies to reconfigure the control system whenever severe faults are identified, using virtual sensors and virtual actuators. Concerning the control system, it is defined by a set of controllers designed for each operation mode. One of the supervisor's tasks is to identify the operation mode and to select the suitable controller, accordingly. The results obtained with the application of the proposed passive and active approaches in nonlinear real processes (the Inverted Pendulum apparatus, the Oistributed Solar Collector (OSC) field of the Plataforma Solar de Almería and the Three- Tank benchmark plant) give good perspectives for its usability in more complex plants.