Robust fault tolerant detection and isolation techniques for actuator failures in dynamical systems
Authors: Ταντούρης Νικόλαος 
Published: September 2021

Η παρούσα διδακτορική διατριβή διαπραγματεύεται το ζήτημα εντοπισμού σφαλμάτων στις ήδη υπάρχοντες τεχνικές «Ανίχνευσης και Απομόνωσης Σφαλμάτων» (FDI), παρουσιάζοντας σύγχρονους αλγόριθμους που μπορούν να διαχειριστούν αποτελεσματικότερα ένα ευρύτερο φάσμα σεναρίων σφάλματος συγκριτικά με τις ήδη υπάρχουσες. Πρωταρχικός στόχος αυτής της διατριβής είναι η ανάπτυξη εναλλακτικών μεθόδων τελευταίας τεχνολογίας που μπορούν να είναι απλές στην εφαρμογή αλλά παράλληλα ικανές να λειτουργούν αξιόπιστα, σε πραγματικό χρόνο και σε συνεχή βάση. Τρεις καινοτόμοι αλγόριθμοι που πληρούν όλες τις προαναφερθείσες προϋποθέσεις αναπτύσσονται βήμα- βήμα και παρουσιάζονται σ αυτή τη διατριβή. Οι αλγόριθμοι έχουν εφαρμοστεί σε συστήματα πλοήγησης, ελέγχου και προσανατολισμού αυτόνομων διαστημικών οχημάτων και επιβεβαιώθηκαν μέσω του πραγματικού μοντέλου του δορυφόρου Lisa Pathfinder (LPF), σε περιβάλλον προσομοίωσης που παρέχει ο Ευρωπαϊκός Οργανισμός Διαστήματος (ESA). Οι παρουσιαζόμενες τεχνικές, εν ονόματι Diagnosis, Euresis and Euphoria Filter, παράγονται σε δύο μεμονωμένες φάσεις. Μετά από μια αρχική βιβλιογραφική ανασκόπηση του θέματος, δύο διαφορετικές προσεγγίσεις βασισμένες σε μοντέλα θεμελιώνονται, αντικατοπτρίζοντας τις δύο κύριες τάσεις ανάλογων υφιστάμενων μεθόδων: τη γεωμετρική προσέγγιση και την προσέγγιση πολλαπλών μοντέλων. Η καινοτομία του Diagnosis Filter (γεωμετρική προσέγγιση) έγκειται στο ότι, σε αντίθεση με τις συμβατικές μεθόδους, δεν παράγει μόνο διαρθρωτικά υπόλοιπα, αλλά χρησιμοποιεί την πληροφορία της κατεύθυνσης και σε συνδυασμό με το μέγεθος των υπολοίπων ως διαγνωστικό εργαλείο σφάλματος (ντετερμινιστική προσέγγιση). Σαν αποτέλεσμα, αυτό το φίλτρο παρουσιάζει εξαιρετικά αποτελεσματική εφαρμογή, ανεξαρτήτου πιθανότητας βλάβης του μικροκινητήρα προώθησης. Παρόμοια, το Euresis FIlter (προσέγγιση πολλαπλών μοντέλων) παρουσιάζει το ίδιο αποτελεσματική εφαρμογή, αν και μόνο για συνολικές βλάβες. Ωστόσο, έχει το πλεονέκτημα ότι μπορεί να εφαρμοστεί και σε μη γραμμικά μοντέλα σχεδιασμού σε αντίθεση με το Diagnosis Filter. Κατά τη διάρκεια της δεύτερης φάσης, η πληροφορία της ροπής ενσωματώνεται σε μια άλλη γεωμετρική προσέγγιση βελτιστοποίησης, το Euphoria Filter. Σε αυτή την περίπτωση, η πληροφορία της κατεύθυνσης ανακτάται από μια παράπλευρη λειτουργία στα υπόλοιπα ενός H2 filter (βέλτιστη στοχαστική προσέγγιση). Το Euphoria Filter υπερτερεί των υπολοίπων δύο φίλτρων στα περισσότερα κριτήρια αξιολόγησης και μπορεί να εφαρμοστεί τόσο σε γραμμικά όσο και σε μη γραμμικά σενάρια «Ανίχνευσης και Απομόνωσης Σφαλμάτων». Συνοπτικά, η παρούσα εργασία αναλύει τις αδυναμίες των μέχρι τώρα εφαρμοζόμενων τεχνικών «Ανίχνευσης και Απομόνωσης Σφαλμάτων» και παρουσιάζει τρεις νέες μεθόδους «Ανίχνευσης και Απομόνωσης Σφαλμάτων», εκτενώς δοκιμασμένες μέσω προσομοιώσεων Monte Carlo και επιβεβαιωμένες στο μοντέλο LPF . Η διατριβή ολοκληρώνεται με προτάσεις για μελλοντική έρευνα επί του θέματος, πιθανές βελτιώσεις καθώς και εναλλακτικές εφαρμογές των αναπτυσσόμενων τεχνικών σε άλλους τομείς όπως το δίκτυο των πραγμάτων και άλλα κυβερνο-φυσικά συστήματα.