This thesis presents a practical implementation of fault detection scheme in a real system by using residuals signals. These residuals have been generated applying the method of a model-based fault diagnosis. Different approaches have been studied and the corresponding algorithms developed. The object of the investigation is the three tank system in which different kind of methods of fault detection were performed. Various scenarios in which faults are simulated in actuators, sensors or components are analyzed considering also the presence of noise. Due to the inherent system characteristics it presents four possible work regions which are usually not taken into account in literature, but studied in this thesis. Also special cases, when the system goes from one region to another through critical points in which the system presents singularities, are shown. Faults will be performed around the time when the system states lie in the neighborhood of the critical points and the main task is now to overcome these singularities and achieve successfully a fault detection. / Tesis

El interés por el desarrollo de nuevos materiales más livianos y con mayor resistencia mecánica ha ido aumentando considerablemente. Esto fomenta la investigación en materiales biológicos y naturales, dado que estos han existido por cientos de años y han ido evolucionando de acuerdo a sus requerimientos y necesidades. Por lo tanto, el enfoque de las investigaciones se centra en el estudio de la estructura interna de diversos materiales y la relación con las propiedades mecánicas que posee. El objetivo del presente trabajo es investigar la estructura y las propiedades mecánicas de las púas del erizo de mar. Se realizó un análisis de falla frente al colapso de las púas sometidas a compresión para diferentes condiciones, conociendo la relación que existe entre la estructura interna de estas y las propiedades mecánicas que presentan. Asimismo, se analizó el efecto que tiene la degradación natural y la degradación por rayos ultravioleta en las púas en las propiedades mecánicas y estructura interna. Las muestras utilizadas para este trabajo fueron obtenidas del erizo Loxechinus albus, retirando cuidadosamente las púas. Estas fueron medidas y limpiadas de cualquier impuridad. Más aún, se realizó una microscopía de barrido y un análisis de difracción de rayos X para observar la microestructura de la púa y su composición química. Las púas fueron sometidas a distintas condiciones de degradación. Por lo tanto, se tenía un grupo de púas frescas, púas con degradación natural de 5, 10 y 15 días, que estaban en contacto con el medio ambiente, y púas con degradación ultravioleta por 1, 3 y 6 horas, que estaban expuestas a la luz UV directa de una lámpara. Los ensayos de compresión se realizaron para 5 púas de cada condición de degradación, obteniendo su curva de esfuerzo-deformación junto con la resistencia a la compresión máxima. Asimismo, se realizó una microscopía de barrido a las púas, observando la falla a nivel microestructural. Las púas del erizo Loxechinus albus tienen una resistencia a la compresión de 139,57 MPa +/- 44,34 MPa en su estado fresco. Esta resistencia se debe a la estructura interna, que presenta una organización radial y concéntrica con diferentes concentraciones de porosidades. La resistencia de la púa se reduce hasta 97,84 MPa +/- 20,14 MPa debido a la degradación natural de 15 días y hasta 78,16 MPa +/- 34,10 MPa debido a la degradación ultravioleta por 6 horas de exposición. / Tesis

Se presenta el desarrollo de un sistema de diagnóstico de fallos (SDF) aplicado a un proceso hidráulico con tanques interconectados, mediante el Esquema de los Observadores Dedicados (DOS) y el enfoque de estimación paramétrica. La tesis incluye el modelamiento del proceso, el análisis de las fallas de mayor criticidad que se podrán presentar y el diseño de un regulador LQG que permite estabilizar el sistema. En el proceso de diseño del SDF en sensores, se introdujo el Filtro de Rápido Seguimiento (STF), una variante adaptativa del Filtro Extendido de Kalman (EKF), el cual resultó muy útil al aumentar la disponibilidad y estabilidad del SDF, mediante la reducción notable del tiempo de convergencia en los estados estimados de las variables no medidas y la capacidad para eliminar el sesgo originado por el método de discretización empleado. El Algoritmo STF es empleado en la construcción del banco de observadores, necesario para la implementación del enfoque DOS. Adicionalmente, con el objetivo de dar un diagnóstico detallado, se diseño un algoritmo de identificación de fallos basado en umbrales estáticos. Los resultados obtenidos mediante simulación lograron detectar, aislar e identificar fallos individuales en todos los sensores, llegando inclusive a identificar fallos simultáneos hasta en tres sensores a la vez. En la tarea de diagnóstico en componentes (actuadores, tuberías y tanques), se vio por conveniente usar el enfoque de estimación paramétrica mediante la técnica de Estados Aumentados, obteniendo resultados satisfactorios. Se demostró como el algoritmo STF representa una sencilla solución a los problemas de divergencia del EKF, logrando la convergencia de los parámetros estimados a sus valores nominales en presencia de incertidumbres en el modelo y ruido de medición. En general, se evidenció que el STF puede proporcionar una estimación de parámetros rápida, estable y libre de sesgos para el Sistema Hidráulico, aun cuando ocurren cambios paramétricos simultáneos en la planta. / Tesis

Todos los procesos en la industria son susceptibles a fallas, debido a varios factores como, tiempo de vida de cada elemento del proceso, mala fabricación, etc. Estas fallas afectan el buen funcionamiento del sistema, produciendo ineficiencia en su desempeño, pérdidas económicas y en el peor de los casos desastres ambientales y humanos. La detección oportuna de la presencia de fallas evita paradas no planeadas, ayuda a tomar acciones correctivas y de mantenimiento y, como consecuencia de ello, reduce el daño potencial que estas ocasionan. El diseño de sistemas de diagnóstico es, por lo tanto, un paso importante y necesario en el proceso de desarrollo de estos sistemas para una infinidad de aplicaciones industriales. Los circuitos de molienda de procesos mineros (CMPM), tienen la función principal de reducir el tamaño de las partículas que vienen de la etapa de chancado, los CMPM dependen del buen funcionamiento de todos los sensores y actuadores para mantener el sistema estable y operando en condiciones óptimas. Esta tesis presenta el diseñó de un sistema de diagnóstico de fallas (SDF) basado en modelos que sigue la metodología Fault Detection and Isolation (FDI) de la teoría de control, que tiene la capacidad de detectar fallas en los sensores y actuadores del CMPM, haciendo uso de la redundancia analítica de los componentes del proceso que redundan físicamente, para beneficio económico y ahorro de espacio. Se utiliza la herramienta de Análisis Estructural (AE), que permite analizar la monitoreabilidad, detectabilidad y aislabilidad del proceso y hallar las relaciones de redundancia analítica. Para el diseño del sistema de diagnóstico de fallas, primero se desarrolló la emulación del circuito de molienda, utilizando valores reales de operación de uno de los circuitos de molienda húmeda de la concentradora de cobre Toquepala, Perú, operada por la compañía Southern Copper; el mencionado circuito de molienda cuenta con un molino de bolas, un cajón de pulpa (depósito de la mezcla de masa mineral y agua), una bomba de pulpa y un nido de Hidrociclones (clasificadores de partículas). Se halla los residuos a partir de las relaciones de redundancia analítica y luego se determina las fallas más representativas del CMPM. Se realizan pruebas y analizan resultados que da el SDF y se desarrolla una interfaz gráfica para facilitar la visualización de la presencia de fallas. / Tesis

This thesis presents a practical implementation of fault detection scheme in a real system by using residuals signals. These residuals have been generated applying the method of a model-based fault diagnosis. Different approaches have been studied and the corresponding algorithms developed. The object of the investigation is the three tank system in which different kind of methods of fault detection were performed. Various scenarios in which faults are simulated in actuators, sensors or components are analyzed considering also the presence of noise. Due to the inherent system characteristics it presents four possible work regions which are usually not taken into account in literature, but studied in this thesis. Also special cases, when the system goes from one region to another through critical points in which the system presents singularities, are shown. Faults will be performed around the time when the system states lie in the neighborhood of the critical points and the main task is now to overcome these singularities and achieve successfully a fault detection. / Tesis

Hoy en día, las industrias son cada vez más activas, más aún en nuestro país se está produciendo grandes avances en distintos rubros industriales gracias a las inversiones que se han realizado. Se genera entonces la necesidad de tener un control correcto y efectivo en estos procesos para hacerlos óptimos, es así que aparecen los sistemas de diagnósticos de fallas para mejorar las capacidades de los sistemas de control. Para lograr que los sistemas de diagnósticos de fallas sean adecuados para cada proceso y cumplan su propósito se desarrollan sistemas de emulación de falla, que permiten evaluar y de ser necesario corregir, los sistemas de diagnóstico de falla. En el presente trabajo de tesis se presenta el diseño e implementación de un sistema de emulación de fallas para una planta intercambiadora de calor, específicamente en las bombas centrífugas y válvulas que se encuentran en esta. La emulación de fallas para bombas centrífugas se basó en el método de detección por análisis de vibraciones y en el caso de las válvulas en la falla de fricción estática. Los trabajos realizados incluyen, el estudio de los requisitos de condición de falla que aparecen en los instrumentos de una planta intercambiadora de calor (bombas centrifugas y válvulas), el diseño de circuitos para generación de señales de falla y de dos canales de generación de fallas (uno para bomba centrifugas y otro para válvulas). El sistema de emulación de fallas desarrollado funciona de manera correcta, emula de manera correcta las fallas de desequilibrio, desalineación y falla eléctrica en el caso de las bombas centrífugas y genera la señal adecuada para válvulas. / Tesis

El presente trabajo tiene como propósito el diseño de un sistema que permita realizar el diagnóstico de fallas en los sensores destinados a mejorar el desempeño de la suspensión semi-activa de un vehículo terrestre, como también diagnosticar fugas del líquido magneto-reológico del amortiguador. Para detectar las fallas en los sensores, se planteó el diseño de un banco de observadores de entradas desconocidas ya que estos tienen la capacidad de lidiar con el desconocimiento del perfil de la carretera, el cual representa una entrada de perturbación no medible para el sistema. La fuga del líquido magneto-reológico del amortiguador se considera como una variación del coeficiente que lo representa, y para detectar esta falla se propuso desarrollar un sistema de estimación paramétrica. Las fallas ocurridas presentan patrones característicos que mediante una red neuronal serán reconocidos y, de esta manera, se puedan aislar las fallas presentes. Los resultados de simulaciones demuestran que el sistema propuesto posee un buen desempeño de diagnóstico incluso ante la presencia de incertidumbres paramétricas. / Tesis

Se presenta el diseño de un esquema para la detección, aislamiento y estimación de fallas basados en observadores de entrada desconocida (UIO, por sus siglas en inglés) y observadores proporcionales integrales (PIO, por sus siglas en inglés). Para sistemas no lineales usando representaciones politópicas de sistemas lineales variables (LPV, por sus siglas en inglés), aplicados a un proceso hidráulico de cuatro tanques. Para la obtener la representación LPV polítopica del proceso hidráulico se considera 2 parámetros variables (válvulas de ingreso de flujo de agua a los tanques del proceso). Estos valores son conocidos ya que se contará con sensores de flujo de en la planta que se instalara en el Laboratorio de Control Avanzado del Departamento de Ingeniería de la PUCP. Al utilizar observadores para los esquemas de diagnóstico de fallas, conlleva a que se deba tener una buena convergencia de estados estimados y que el error de estimación tienda a cero, ya que caso contrario se pude dar falsas alarmas. Esto se puede lograr con los observadores: de entrada desconocida que desacopla a las incertidumbres y los observadores proporcionales integrales que estiman a la perturbación que acompaña al proceso. La estabilidad de los observadores politópicos estará garantizada por la asignación de polos establecida a través de la matriz de desigualdades lineales (LMI, por sus siglas en inglés). El aislamiento de las fallas se realizó gracias al esquema de bancos de observadores generalizado; mientras que la estimación se realizó de manera simultánea a la estimación de estados, con ayuda de los observadores aumentados. Se implementó un algoritmo de Diagnóstico de Fallas en sensores y actuadores en el software RSlogix5000, este algoritmo fue descargado en un PLC virtual. Se elaboró también una interfaz gráfica en el software Factory Talk View que permite monitorear las variables controladas y diagnosticar de forma visual. / Tesis

En este trabajo se presentan los resultados en simulación de un sistema de control tolerante a fallas activo aplicado al proceso hidráulico de cuatro tanques acoplados. El sistema de control tiene el objetivo de mantener las propiedades de desempeño deseadas con y sin la presencia de fallas parciales en actuadores (bombas). El sistema de control tolerante se desarrolla a partir de un sistema de detección y diagnóstico de fallas empleando el observador de entrada desconocida para estimar los niveles de los tanques. Después, se generan los residuos y se evalúan mediante un método basado en la norma del vector. Para aislar las fallas en los dos actuadores se utilizan dos observadores de entrada desconocida. La ventaja de este observador es el permitir estimar la magnitud de la falla. El mecanismo de compensación consiste en calcular una nueva ley de control que se adiciona a la señal que envía el controlador. Este método se conoce como compensación aditiva de fallas. Dicho método se aplica a dos tipos de controladores: basado en realimentación de estados (con acción integral), y basado en matriz dinámica. La principal contribución de este trabajo es el sistema de control tolerante, el cual tiene la capacidad de mantener al sistema de control operando en presencia de una falla parcial en uno de los actuadores con un desempeño cercano al obtenido cuando no hay fallas. Se utiliza la integral del error cuadrático como ´índice de desempeño. Las pruebas de simulación en SIMULINK muestran que la estrategia de compensación permite que los niveles de los tanques sigan sus valores de referencia de manera adecuada incluso en presencia de fallas. La misma metodología se implementa en el software RSLogix 5000 y se descarga en un PLC virtual, obteniéndose resultados similares a SIMULINK. Las simulaciones en SIMULINK y RSLogix 5000 demuestran que el controlador tolerante a fallas tiene un rendimiento superior en comparación al controlador sin compensación de fallas. / Tesis

The recent development of technological systems implies a high complexity of behaviors for today’s systems. An answer to the increased systems’ complexity is to look at them as a multitude of heterogeneous subsystems and develop distributed techniques to control and manage them. This raises a number of problems. Firstly, as the size and number of components increase, so does the number of fault occurrences that may drive the system to undergo critical failures. Fault detection and isolation (FDI), maintenance and repair are an increasing part of the operational every day’s tasks and they impact drastically the total cost of final products. This thesis focuses on fault detection and isolation. Among the different methods to generate diagnosis tests by taking advantage of analytical redundancy, this thesis adopts the so-called parity space approach based on analytical redundancy relations (ARRs). Given a model of the system in the form of a set of differential equations, ARRs are relations that are obtained from the model by eliminating non measured variables. This can be performed in an analytical framework using elimination theory but another way of doing this is to use structural analysis. Structural analysis is based on a structural abstraction of the model that only retains a representation of which variables are involved in which equations. Despite the rusticity of the abstract model, structural analysis provides a set of powerful tools, relying on graph theory, to analyze and infer information about the system. Interestingly, it applies indifferently to linear or nonlinear systems. The goal of this thesis is to develop effective techniques based on structural analysis for diagnosis of distributed continuous systems. In this framework, the system is decomposed into a set of subsystems according to functional, geographical or privacy constraints. The thesis is organized in two parts, highlighting the redundancies that are built into the global structural model and that can be used to generate diagnosis tests starting from the redundancies existing in the subsystem’s models and formulating and solving the optimization problem linked to the choice of a subset of diagnosis tests at the subsystems level that can lead to a set of diagnosis tests achieving maximum diagnosability for the global system. The first part takes benefit of the concept of Fault-Driven Minimal Structurally Overdetermined Set (FMSO set) that is introduced in the thesis. An FMSO set determines a subset of equations of the model with minimal redundancy from which an ARR sensitive to a set of faults can be obtained. Two solutions for generating FMSOs for the global system are presented, in a decentralized framework with supervisors at each level of a hierarchy and in a totally distributed framework. These are based on the properties of the FMSO sets for the subsystems in relation to those of the global system derived in the thesis. The second part formulates the optimization problem in a heuristic search framework and proposes three solutions based on iterating an A* algorithm combined with a function able to assess whether a global FMSO set can be achieved from the selected local FMSO sets. The concepts introduced in the thesis and the results are applied to the case study of a Reverse Osmosis Desalination Plant and a Spacecraft Attitude Determination and Control System of a Low Earth-Orbit Satellite. / Tesis