Doğrusal kontrolcü donanımlarında sinüs sinyaliyle aktif hata tespiti
Active fault detection in linear controller hardware with sine signal
Yazar: MUTLUHAN ÖZKAN
Danışman: PROF. DR. COŞKU KASNAKOĞLU
TOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol = Computer Engineering and Computer Science and Control ; Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Doğrusal kontrolcüler dinamik sistemlerin kontrolünde yaygın olarak kullanılmaktadır. Kontrolcü donanımında oluşabilecek bir hata dinamik sistemin yanlış sürülmesine neden olabilir. Bu durum iş güvenliği riski oluşturabilir. Kontrolcü donanımlarında aşırı ısınma, güç kaynağı bozuklukları, radyasyon gibi etkilerden dolayı hata meydana gelebilir. Hali hazırda kontrolcü donanımlarında hata tespit metotları kullanılmaktadır. Bu metotlar pasif hata tespiti metodu olan karşılaştırma yöntemine dayanmaktadır. Aktif hata tespiti ise dinamik sistemlerde
hata tespiti yapmak için yaygın olarak kullanılmaktadır. Aktif hata tespitinin en önemli iki avantajı daha hızlı ve güvenilir olmasıdır. Bu çalışma kapsamında doğrusal kontrolcü donanımlarında aktif hata tespiti yapılması amaçlanmıştır. Aktif hata tespitindeki yardımcı sinyal olarak sinüs sinyali seçilmiştir. Doğrusal kontrolcüde aktif hata tespiti yapılmasının en büyük zorluğu hata tespitinin kontrolcü cevabını etkilemeyecek şekilde yapılmasıdır. Çünkü kontrolcü cevabındaki en ufak bir değişiklik dinamik sistemin yanlış sürülmesine neden olabilir. Bu çalışma kapsamında kontrolcü cevabıyla yardımcı sinyal çıkışının birbirlerinden veri kaybı
olmadan ayrılması için ikizlenmiş kontrolcü tasarımı önerilmiştir. İkizlenmiş kontrolcü tasarımında kontrolcü donanımı içerisindeki doğrusal kontrolcü ikizlenir. Doğrusal kontrolcülerden ilki pozitif sinüs sinyaliyle ikincisi negatif sinüs sinyaliyle hata tespiti yapar. İkizlenmiş kontrolcülerin çıkışları toplanarak kontrolcü cevabı elde edilir. Aynı şekilde ikizlenmiş kontrolcü çıkışları birbirlerinden çıkarılarak yardımcı çıkış sinyali elde edilir. İkizlenmiş kontrolcü tasarımı yapıldıktan sonra yardımcı sinüs sinyalinin seçilme kriterleri belirlenmiştir. Yardımcı sinüs sinyalinin frekansı doğrusal kontrolcünün frekans cevabı incelenerek seçilir. Yardımcı sinyal için belirlenen frekansta doğrusal kontrolcünün frekans cevabı büyüklüğü gözlemlenebilir olmalıdır. Yardımcı sinyalin büyüklüğü doğrusal kontrolcü donanımın dijital&analog giriş-çıkış limitlerine göre seçilmelidir. Yardımcı sinyal ve yardımcı çıkış sinyali kontrolcü donanımının giriş-çıkış limitlerine uygun
olmalıdır. Yardımcı sinyalin seçilme kıstasları belirlendikten sonra aktif hata tespitinin simülasyon ortamında gerçeklenmesi yapılmıştır. Simülasyon ortamında aktif hata tespitinin gerçeklenmesi için manyetik yükseltici sistemi ve bu sistem için tasarlanmış doğrusal kontrolcü kullanılmıştır. Simülasyon sonucunda aktif hata
tespitinin daha önceden tasarlanmış doğrusal kontrolcünün performansını etkilemediği gözlemlenmiştir. Simülasyon ortamında aktif hata tespiti tasarımı dış etmen hatası, örnekleme zamanı hatası ve bit değişimi hatası senaryolarında test edilmiştir ve sonuçlar kaydedilmiştir. Simülasyon testleri yapıldıktan sonra aktif hata
tespiti tasarımının deneysel testi yapılmıştır. Deneysel test kapsamında aktif hata tespiti tasarımı Atmega328P kontrolcü donanımına gömülmüştür. Gömülü tasarım dış etmen , örnekleme zamanı ve bit değişimi hatası senaryolarında test edilmiştir ve sonuçlar kaydedilmiştir. Simülasyon ve deneysel testlerden sonra aktif hata tespitiyle hata maskelenmesi yapılmıştır. Hata maskelenmesi için sıcak bekleme dinamik yedekleme tasarımı önerilmiştir ve hata tespit mekanizması oluşturulmuştur. Hata tespit mekanizması yardımcı sinyalin rms değerini kontrol ederek rms değerinin belirtilen sınırların dışarı çıkması durumunda hata tespiti yapar. Hata tespiti
yapıldığında hatalı kontrolcüyü basit anahtarlama mekanizmasıyla sistemden izole edilir ve sistem yedek kontrolcüyle sürülür. Hata maskelemesi tasarımı simülasyon ortamında dış etmen, örnekleme zamanı ve bit değişimi hatası senaryolarında test edilmiştir ve sonuçlar kaydedilmiştir

Abstract:
Linear controller is used commonly to control dynamic system. In case of any failure in controller hardware, dynamic system could be misdirect. This case would be risky for human and work safety. The failure could occur in controller hardware due to over heating, power source malfunction, radiation and other effects. There are
currently fault detection methods for controller hardware. This fault detection methods are passive and based on comparison approach. Active fault detection methods are used in dynamic system already. Active fault detection has two main advantage such as reliability and high speed. In this thesis, active fault detection is used in linear controller hardware and auxiliary signal is selected as sine signal. Active fault detection in controller hardware has challenge. The challenge is that controller output which goes dynamic system must not been affected by fault
detection process. Because any small change in controller output could mislead dynamic system and cause risky for work safety. This thesis propose duplicated controller in the same hardware design. The design aim to separate controller output and auxiliary output signal without losing any signal data. In dublicated controller design, there are two duplicated controller. First controller use positive sine signal and second controller use negative sine signal for fault detection. Controller output is obtained by adding two duplicated controller output and auxiliary output signal is obtained by subtracting controller outputs. After constructing duplicated control
design, auxiliary signal selections criteria are declared. Frequency of auxiliary signal is selected according to bode plot of linear controller. The criteria for frequency is that magnitude of linear controller response at selected frequency must be observable. The magnitude of auxiliary signal is chosen according to controller
hardware restriction. Controller hardware has digital&analog input-output limit such as 5 volt. Thus magnitude of auxiliary signal and auxiliary output signal must be proper to hardware input-output limit. After declaring auxiliary signal selection criteria, active fault detection method is constructed in simulation. Active fault
detection method is applied on magnetic levitation system and its predesigned linear controller in simulation. Simulation result show that active fault detection process does not affect predesigned controller performance. Also active fault detection is tested in simulation with external factor, loop cycle time and bit change faults
scenarios. After saving simulation result, active fault detection methods is embed into Atmega328P microcontroller. Embedded fault detection software is also tested with external factor , loop cycle time, bit change fault scenarios. After saving experimental test results, thesis aim to make fault masking based on active fault detection. Hot standby dynamic redundancy design is proposed to fault masking process. Fault detection mechanism use rms value of auxiliary output signal. Mechanism check rms value. If rms value exceed faulty boundary values, mechanism activate fault indicator signal. After activating fault indicator, simple switch mechanism isolate faulty controller and drive dynamic system by redundant controller. Fault masking design is constructed in simulation. The fault masking design is tested with external factor fault, loop cycle time fault and bit change fault scenarios