Advances in gain-scheduling and fault tolerant control techniques
Authors:   , Rotondo Damiano 
Published: October 2023

This thesis presents some contributions to the state-of-the-art of the fields of gain-scheduling and fault tolerant control (FTC).
In the area of gain-scheduling, the connections between the linear parameter varying (LPV) and Takagi-Sugeno (TS) paradigms are analyzed, showing that the methods for the automated generation of models by nonlinear embedding and by sector nonlinearity, developed for one class of systems, can be easily extended to deal with the other class. Then, two measures, based on the notions of overboundedness and region of attraction estimates, are proposed in order to compare different models and choose which one can be considered the best one. Later, the problem of designing state-feedback controllers for LPV systems has been considered, providing two main contributions. First, robust LPV controllers that can guarantee some desired performances when applied to uncertain LPV systems are designed, by using a double-layer polytopic description that takes into account both the variability due to the varying parameter vector and the uncertainty. Then, the idea of designing the controller in such a way that the required performances are scheduled by the varying parameters is explored, which provides an elegant way to vary online the behavior of the closed-loop system. In both cases, the problem reduces to finding a solution to a finite number of linear matrix inequalities (LMIs), which can be done efficiently using the available solvers.
In the area of fault tolerant control, the thesis first shows that the aforementioned double-layer polytopic framework can be used for FTC, in such a way that different strategies (passive, active and hybrid) are obtained depending on the amount of available information. Later, an FTC strategy for LPV systems that involves a reconfigured reference model and virtual actuators is developed. It is shown that by including the saturations in the reference model equations, it is possible to design a model reference FTC system that automatically retunes the reference states whenever the system is affected by saturation nonlinearities. In this way, a graceful performance degradation in presence of actuator saturations is incorporated in an elegant way. Finally, the problem of FTC of unstable LPV systems subject to actuator saturations is considered. In this case, the design of the virtual actuator is performed in such a way that the convergence of the state trajectory to zero is assured despite the saturations and the appearance of faults. Also, it is shown that it is possible to obtain some guarantees about the tolerated delay between the fault occurrence and its isolation, and that the nominal controller can be designed so as to maximize the tolerated delay.

Aquesta tesi presenta diverses contribucions a l'estat de l'art del control per planificació del guany i del control tolerant a fallades (FTC). Pel que fa al control per planificació del guany, s'analitzen les connexions entre els paradigmes dels sistemes lineals a paràmetres variants en el temps (LPV) i de Takagi-Sugeno (TS). Es demostra que els mètodes per a la generació automàtica de models mitjançant encastament no lineal i mitjançant no linealitat sectorial, desenvolupats per una classe de sistemes, es poden estendre fàcilment per fer-los servir amb l'altra classe. Es proposen dues mesures basades en les nocions de sobrefitació i d'estimació de la regió d'atracció, per tal de comparar diferents models i triar quin d'ells pot ser considerat el millor. Després, es considera el problema de dissenyar controladors per realimentació d'estat per a sistemes LPV, proporcionant dues contribucions principals. En primer lloc, fent servir una descripció amb doble capa politòpica que té en compte tant la variabilitat deguda al vector de paràmetres variants i la deguda a la incertesa, es dissenyen controladors LPV robustos que puguin garantir unes especificacions desitjades quan s'apliquen a sistemes LPV incerts. En segon lloc, s'explora la idea de dissenyar el controlador de tal manera que les especificacions requerides siguin programades pels paràmetres variants. Això proporciona una manera elegant de variar en línia el comportament del sistema en llaç tancat. En tots dos casos, el problema es redueix a trobar una solució d'un nombre finit de desigualtats matricials lineals (LMIs), que es poden resoldre fent servir algorismes numèrics disponibles i molt eficients. En l'àrea del control tolerant a fallades, primerament la tesi mostra que la descripció amb doble capa politòpica abans esmentada es pot utilitzar per fer FTC, de tal manera que, en funció de la quantitat d'informació disponible, s'obtenen diferents estratègies (passiva, activa i híbrida). Després, es desenvolupa una estratègia de FTC per a sistemes LPV que fa servir un model de referència reconfigurat combinat amb la tècnica d'actuadors virtuals. Es mostra que mitjançant la inclusió de les saturacions en les equacions del model de referència, és possible dissenyar un sistema de control tolerant a fallades que resintonitza automàticament els estats de referència cada vegada que el sistema es veu afectat per les no linealitats de la saturació en els actuadors. D'aquesta manera s'incorpora una degradació elegant de les especificacions en presència de saturacions d'actuadors. Finalment, es considera el problema de FTC per sistemes LPV inestables afectats per saturacions d'actuadors. En aquest cas, es porta a terme el disseny de l'actuador virtual de tal manera que la convergència a zero de la trajectòria d'estat està assegurada tot i les saturacions i l'aparició de fallades. A més, es mostra que és possible obtenir garanties sobre el retard tolerat entre l'aparició d'una fallada i el seu aïllament, i que el controlador nominal es pot dissenyar maximitzant el retard tolerat.