Das Hauptmerkmal eines fehlertoleranten Regelungssystems ist die Aufrechterhaltung der Gesamtsystemstabilität und einer akzeptablen Leistung angesichts von Fehlern und Ausfällen innerhalb des Systems. In dieser Arbeit wird ein Verfahren zur Fehlererkennung und Ansätze der fehlertoleranten Regelung (FTR) mit einer Anwendung gegen Aktorfehler von Regelungssystemen, die aus sowohl einem einzelnen Aktor als auch mehreren Aktoren (z.B. Softrobotik) bestehen, vorgestellt. Diese Methode beruht hauptsächlich auf einem Index, genannt Fitnessindex (FI. Der FI wird durch den Vergleich der aktuellen Parameter des Aktors und die im Normalzustand mittels eines Modells geschätzt. Die Ergebnisse des Fitnessindex werden mit Hilfe des Performanceindex verwendet zur Bewertung des Schweregrades eines Aktorfehlers während des Betriebes in einem geschlossenen Regelkreis und sind die entscheidende Grundlage zur automatischen Fehlerdetektion, Fehlerdiagnose und der anschließenden FTR. Diese Methode wird in einem Simulationsmodell getestet, das dem Versuchsaufbau eines Formgedächtnislegierungs-Aktors entspricht. Die Simulationsergebnisse zeigen die Berechnungsergebnisse über den FI und anschließend die Verwendung der Ergebnisse des FIs zur Durchführung der FTR, um die Leistung zu gewährleisten und die Zuverlässigkeit der Regelungssysteme zu verbessern, wenn ein Fehler im Aktor auftritt. / The main feature of a fault tolerant control system is to maintain overall system stability and acceptable performance in the face of errors and failures within the system. In this thesis, a method for fault detection and approaches of the fault tolerant control (FTC) with an application against actuator errors of control systems, which consist of a single actuator as well as several actuators (soft robotics), is presented. This method is mainly based on an index called the fitness index (FI). The FI is estimated by comparing the current parameters of the actuator and in the normal state, based on a model. The results of the fitness index are used with the help of the performance index to evaluate the severity of an actuator fault during an operation in a control loop and are the decisive basis for automatic fault detection, fault diagnosis and subsequent the FTC. This method is tested in a simulation model that corresponds to the experimental setup of a shape memory alloy actuator. The simulation results show the calculation results about the FI and in addition the use the results of the FI to perform the FTC in order to ensure the performance and improve the reliability of the control systems when a fault occurs in the actuator.

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Networked control over wireless networks is of growing importance in many application domains such as industrial control, building automation and transportation systems. Wide deployment however, requires systematic design tools to enable efficient resource usage while guaranteeing close-loop control performance. The control system may be greatly affected by the inherent imperfections and limitations of the wireless medium and malfunction of system components. In this thesis, we make five important contributions that address these issues.  In the first contribution, we consider event- and self-triggered control and investigate how to efficiently tune and execute these paradigms for appropriate control performance. Communication strategies for aperiodic control are devised, where we jointly address the selection of medium-access control and scheduling policies. Experimental results show that the best trade-off is obtained by a hybrid scheme, combining event- and self-triggered control together with contention-based and contention-free medium access control. The second contribution proposes an event-based method to select between fast and slow periodic sampling rates. The approach is based on linear quadratic control and the event condition is a quadratic function of the system state. Numerical and experimental results show that this hybrid controller is able to reduce the average sampling rate in comparison to a traditional periodic controller, while achieving the same closed-loop control performance. In the third contribution, we develop compensation methods for out-of-order communications and time-varying delays using a game-theoretic minimax control framework. We devise a linear temporal coding strategy where the sensor combines the current and previous measurements into a single packet to be transmitted. An experimental evaluation is performed in a multi-hop networked control scenario with a routing layer vulnerability exploited by a malicious application. The experimental and numerical results show the advantages of the proposed compensation schemes. The fourth contribution proposes a distributed reconfiguration method for sensor and actuator networks. We consider systems where sensors and actuators cooperate to recover from faults. Reconfiguration is performed to achieve model-matching, while minimizing the steady-state estimation error covariance and a linear quadratic control cost. The reconfiguration scheme is implemented in a room heating testbed, and experimental results demonstrate the method's ability to automatically reconfigure the faulty system in a distributed and fast manner. The final contribution is a co-simulator, which combines the control system simulator Simulink with the wireless network simulator COOJA. The co-simulator integrates physical plant dynamics with realistic wireless network models and the actual embedded software running on the networked devices. Hence, it allows for the validation of the complete wireless networked control system, including the study of the interactions between software and hardware components. / <p>QC 20140929</p>

Les principaux défis pour le déploiement de systèmes de conversion de l'énergie éolienne est de maximiser la puissance électrique produite, malgré les variations des conditions météorologiques, tout en minimisant les coûts de fabrication et de maintenance du système. L'efficacité de la turbine éolienne est fortement dépendante des perturbations de l'environnement et des paramètres variables du système, tels que la vitesse du vent et l'angle de tangage. Les incertitudes sur le système sont difficiles à modéliser avec précision alors qu'ils affectent sa stabilité.Afin d'assurer un état de fonctionnement optimal, malgré les perturbations, le commande adaptative peut jouer un rôle déterminant. D'autre part, la synthèse de commandes tolérantes aux défauts, capables de maintenir les éoliennes connectées au réseau après la survenance de certains défauts est indispensable pour le bon fonctionnement du réseau. Le travail de cette thèse porte sur la mise en place de lois de commande adaptatives et tolérantes aux défauts appliqués aux systèmes de conversion de l'énergie éolienne. Après un état de l'art, les contributions de la thèse sont :Dans la première partie de la thèse, un modèle incertain non linéaire du système de conversion d'énergie éolienne avec un générateur à induction à double alimentation est proposé. Une nouvelles approches de commande adaptative par mode glissant est synthétisée et ensuite appliquée pour optimiser l'énergie issue de l'éolienne.Dans la deuxième partie, une nouvelle commande par modes glissants tolérante aux défauts et basée sur les modes glissants intégrales est présentée. Puis, cette méthode est appliquée afin de forcer la vitesse de la turbine éolienne à sa valeur optimale en prenant en compte des défauts qui surviennent sur l'actionneur. / The main challenges for the deployment of wind energy conversion systems (WECS) are to maximize the amount of good quality electrical power extracted from wind energy over a significantly wide range of weather conditions and minimize both manufacturing and maintenance costs. Wind turbine's efficiency is highly dependent on environmental disturbances and varying parameters for operating conditions, such as wind speed, pitch angle, tip-speed ratio, sensitive resistor and inductance. Uncertainties on the system are hard to model exactly while it affects the stability of the system. In order to ensure an optimal operating condition, with unknown perturbations, adaptive control can play an important role. On the other hand, a Fault Tolerant Control (FTC) with control allocation that is able to maintain the WECS connected after the occurrence of certain faults can avoid major economic losses. The thesis work concerns the establishment of an adaptive control and fault diagnosis and tolerant control of WECS. After a literature review, the contributions of the thesis are:In the first part of the thesis, a nonlinear uncertain model of the wind energy conversion system with a doubly fed induction generator (DFIG) is proposed. A novel Lyapunov-based adaptive Sliding Mode (HOSM) controller is designed to optimize the generated power.In the second part, a new output integral sliding mode methodology for fault tolerant control with control allocation of linear time varying systems is presented. Then, this methodology has been applied in order to force the wind turbine speed to its optimal value the presence of faults in the actuator.

Les travaux de recherches sur la commande, le diagnostic et la tolérance aux défauts appliqués aux drones deviennent de plus en plus populaires. Il est judicieux de concevoir des lois de commande qui garantissent la stabilité et les performances du drone, non seulement dans le cas nominal, mais également en présence de fortes perturbations et de défauts.Dans cette thèse, un nouvel algorithme bio-inspiré adapté pour la recherche de solutions dans des problèmes d’optimisation est développé. Cet algorithme est utilisé pour trouver les gains des différents contrôleurs conçus pour les drones. La commande par mode glissant est utilisée pour développer deux contrôleurs passifs tolérants aux défauts pour les quadrirotors: un contrôleur par mode glissant augmentée avec un intégrateur, et un contrôleur par mode glissant implémenté en cascade. Parce que les commandes passives ont une robustesse réduite, une commande active par mode glissant est développée. Pour traiter les défauts extrêmes, un contrôleur d’urgence basé sur la conversion du quadrirotor en trirotor est développé. Les commandes actives, passives, et le contrôleur d’urgences sont ensuite intégrés pour former un contrôleur tolérant aux défauts capable de gérer un grand nombre de défaillances tout en garantissant les ressources actionneur et en limitant la charge de calcul du processeur. Finalement, des contrôleurs tolérants aux défauts, actifs et passifs, basés sur des méthodes par mode glissant du premier et deuxième ordre sont développées pour les octorotors. La commande active utilise des méthodes d’allocation de contrôles pour redistribuer les efforts sur les actionneurs sains, réduisant ainsi l’effet du défaut. / Unmanned Aerial Vehicles (UAV) are more and more popular for their civil and military applications. Classical control laws usually show weaknesses in the presence of parameter uncertainties, environmental disturbances, and actuator and sensor faults. Therefore, it is judicious to design a control law capable of stabilizing the UAV not only in the fault-free nominal cases, but also in the presence of disturbances and faults. In this thesis, a new bio-inspired search algorithm called Ecological Systems Algorithm (ESA) suitable for engineering optimization problems is developed. The algorithm is used over the thesis to find optimal gains for the fault tolerant controllers. Sliding Mode Control theory is used to develop two Passive Fault Tolerant Controllers for quadrotor UAVs: Regular and Cascaded SMC. Because Passive Controllers handle a few numbers of faults, an Active Sliding Mode Fault Tolerant Controller using Kalman Filter is developed. To overcome severe faults and failures, an emergency controller based on the Quadrotor-to-Trirotor conversion maneuver is developed. The Controllers developed so far (Passive, Active, and emergency controllers) are then integrated to form the Integrated Fault Tolerant Controller (IFTC). The IFTC is a powerful controller that is able to handle a wide number of faults, and save actuator resources as well as processor computational effort. Finally, Passive and Active Fault Tolerant Controllers are designed for octorotor UAVs based on First Order and Second Order Sliding Mode Control. The AFTC uses Dynamic and Pseudo-Inverse Control Allocation methods to redistribute the control effort among healthy actuators reducing the effect of fault.

De nos jours, l’exploitation des énergies renouvelables afin de générer de l’électricité est en croissance soutenue puisqu’elles sont à ressource illimitée, gratuites et ne provoquent pas de déchets ou d’émissions polluantes. Dans cette thèse, on se propose d’étudier l’un de ces types d’énergie à savoir l’énergie issue des courants marins. Il s’agit plus particulièrement de s’intéresser à la commande tolérante aux défauts des systèmes de récupération de l’énergie des courants marins. Le potentiel de la production d'électricité à partir des courants marins est estimé à une production de 100 GW dans le monde. Cependant, ces chaînes de conversion d’énergie sont exposées et soumises à des contraintes fonctionnelles et environnementales importantes et sévères. Ces contraintes favorisent inévitablement la dégradation des performances des différents blocs fonctionnels de ces systèmes et l’accélération de leur processus de vieillissement, conduisant ainsi à l’apparition des défauts d’origines mécaniques et/ou électriques. Ainsi, la mise en place des techniques de commande tolérantes aux défauts de ces systèmes permettra d’améliorer la fiabilité, les performances et réduire les coûts relatifs au fonctionnement en mode dégradé et aux opérations de maintenance. Le but des travaux de cette thèse est l’étude, la modélisation et la simulation d’une chaîne de conversion hydrolienne à vitesse variable dans le cas sain et le cas d’un défaut (soit au niveau de la machine synchrone à aimants permanents (défaut de la désaimantation) ou au niveau du convertisseur statique (défaut d’un circuit ouvert d’un interrupteur). Il s’agira donc d’étudier les différentes commandes tolérantes aux défauts utilisées en cas d’un défaut au niveau de la génératrice ou au niveau de l’électronique de puissance associée. / Nowadays, the exploitation of renewable energies in order to generate electricity is growing steadily because they are unlimited resources, free and don’t cause waste or polluting emissions. In this context, it is proposed to study one of these types of energy, which is marine currents energy. In particular, we are interested in fault-tolerant control of tidal turbines. The potential for power generation from marine currents is estimated at 100GW in the world. However, tidal turbines are submitted to severe operational and environmental constraints. These constraints inevitably will lead to these systems performance degradation and the acceleration of their aging process, thus leading to the occurrence of mechanical and/or electrical faults. The implementation of fault-tolerant control techniques will improve the tidal turbines reliability, performance, and reduce costs relating to maintenance operations. The aim of this thesis is to study, model, and simulate a tidal turbine system in healthy and faulty conditions (either in the converter (switch open circuit) or in the permanent magnet synchronous generator (magnet failure). Various fault-tolerant control approaches are therefore evaluated and compared under these specific failure It will therefore be necessary to study the various fault-tolerant controls used in the event of a fault in the generator or in the associated power electronics.

Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI) / Yan, Jiaxiang. M.S.E.C.E., Purdue University, May 2013. Modeling, Monitoring and Optimization of Discrete Event Systems Using Petri Nets. Major Professor: Lingxi Li. In last decades, the research of discrete event systems (DESs) has attracts more and more attention because of the fast development of intelligent control strategies. Such control measures combine the conventional control strategies with discrete decision-making processes which simulate human decision-making processes. Due to the scale and complexity of common DESs, the dedicated models, monitoring methods and optimal control strategies for them are necessary. Among various DES models, Petri nets are famous for the advantage in dealing with asynchronous processes. They have been widely applied in intelligent transportation systems (ITS) and communication technology in recent years. With encoding of the Petri net state, we can also enable fault detection and identification capability in DESs and mitigate potential human errors. This thesis studies various problems in the context of DESs that can be modeled by Petri nets. In particular, we focus on systematic modeling, asynchronous monitoring and optimal control strategies design of Petri nets. This thesis starts by looking at the systematic modeling of ITS. A microscopic model of signalized intersection and its two-layer timed Petri net representation is proposed in this thesis, where the first layer is the representation of the intersection and the second layer is the representation of the traffic light system. Deterministic and stochastic transitions are both involved in such Petri net representation. The detailed operation process of such Petri net representation is stated. The improvement of such Petri net representation is also provided with comparison to previous models. Then we study the asynchronous monitoring of sensor networks. An event sequence reconstruction algorithm for a given sensor network based on asynchronous observations of its state changes is proposed in this thesis. We assume that the sensor network is modeled as a Petri net and the asynchronous observations are in the form of state (token) changes at different places in the Petri net. More specifically, the observed sequences of state changes are provided by local sensors and are asynchronous, i.e., they only contain partial information about the ordering of the state changes that occur. We propose an approach that is able to partition the given net into several subnets and reconstruct the event sequence for each subnet. Then we develop an algorithm that is able to reconstruct the event sequences for the entire net that are consistent with: 1) the asynchronous observations of state changes; 2) the event sequences of each subnet; and 3) the structure of the given Petri net. We discuss the algorithmic complexity. The final problem studied in this thesis is the optimal design method of Petri net controllers with fault-tolerant ability. In particular, we consider multiple faults detection and identification in Petri nets that have state machine structures (i.e., every transition in the net has only one input place and one output place). We develop the approximation algorithms to design the fault-tolerant Petri net controller which achieves the minimal number of connections with the original controller. A design example for an automated guided vehicle (AGV) system is also provided to illustrate our approaches.

Tato disertační práce se zabývá využitím programovatelných hradlových polí (FPGA) v diagnostice měničů, využívajících spínaných IGBT tranzistorů. Je zaměřena na budiče těchto výkonových tranzistorů a jejich struktury. Přechodné jevy veličin, jako jsou IG, VGE, VCE během procesu přepínání (zapnutí, vypnutí), mohou poukazovat na degradaci IGBT. Pro měření a monitorování těchto veličin byla navržena nová architektura budiče IGBT. Rychlé měření a monitorování během přepínacího děje vyžaduje vysokou vzorkovací frekvenci. Proto jsou navrhovány paralelní vysokorychlostní AD převodníky (> 50 MSPS). Práce je zaměřena převážně na návrh zařízení s FPGA včetně hardware a software. Byla navržena nová deska plošných spojů s FPGA, která plní požadované funkce, jako je řízení IGBT pomocí vícenásobných paralelních koncových stupňů, monitorování a diagnostiku, a propojení s řídicí jednotkou měniče.