Made available in DSpace on 2015-03-03T15:08:47Z (GMT). No. of bitstreams: 1 BrunoSJC_TESE.pdf: 2605632 bytes, checksum: cc7fdbd9d8d7dfe3adac23f17fab1ae2 (MD5) Previous issue date: 2014-05-13 / Coordena??o de Aperfei?oamento de Pessoal de N?vel Superior / In this work, we propose a two-stage algorithm for real-time fault detection and identification of industrial plants. Our proposal is based on the analysis of selected features using recursive density estimation and a new evolving classifier algorithm. More specifically, the proposed approach for the detection stage is based on the concept of density in the data space, which is not the same as probability density function, but is a very useful measure for abnormality/outliers detection. This density can be expressed by a Cauchy function and can be calculated recursively, which makes it memory and computational power efficient and, therefore, suitable for on-line applications. The identification/diagnosis stage is based on a self-developing (evolving) fuzzy rule-based classifier system proposed in this work, called AutoClass. An important property of AutoClass is that it can start learning from scratch". Not only do the fuzzy rules not need to be prespecified, but neither do the number of classes for AutoClass (the number may grow, with new class labels being added by the on-line learning process), in a fully unsupervised manner. In the event that an initial rule base exists, AutoClass can evolve/develop it further based on the newly arrived faulty state data. In order to validate our proposal, we present experimental results from a level control didactic process, where control and error signals are used as features for the fault detection and identification systems, but the approach is generic and the number of features can be significant due to the computationally lean methodology, since covariance or more complex calculations, as well as storage of old data, are not required. The obtained results are significantly better than the traditional approaches used for comparison / Este trabalho prop?e um algoritmo de dois estagios para detec??o e identifica??o de falhas, em tempo real, em plantas industriais. A proposta baseia-se na analise de caracter?sticas selecionadas utilizando estimativa de densidade recursiva e um novo algoritmo evolutivo de classifica??o. Mais especificamente, a abordagem proposta para detec??o e baseada no conceito de densidade no espa?o de dados, o que difere da tradicional fun??o densidade de probabilidade, porem, sendo uma medida bastante util na detec??o de anormalidades/outliers. Tal densidade pode ser expressa por uma fun??o de Cauchy e calculada recursivamente, o que torna o algoritmo computacionalmente eficiente, em termos de processamento e memoria, e, dessa maneira, apropriado para aplica??es on-line. O estagio de identifica??o/diagnostico e realizado por um classificador baseado em regras fuzzy capaz de se auto-desenvolver (evolutivo), chamado de AutoClass, e introduzido neste trabalho. Uma propriedade importante do AutoClass e que ele e capaz de aprender a partir do zero". Tanto as regras fuzzy, quanto o numero de classes para o algoritmo n?o necessitam de pre-especifica??o (o numero de classes pode crescer, com os rotulos de classe sendo adicionados pelo processo de aprendizagem on-line), de maneira n~ao-supervisionada. Nos casos em que uma base de regras inicial existe, AutoClass pode evoluir/desenvolver-se a partir dela, baseado nos dados adquiridos posteriormente. De modo a validar a proposta, o trabalho apresenta resultados experimentais de simula??o e de aplica??es industriais reais, onde o sinal de controle e erro s?o utilizados como caracter?sticas para os estagios de detec??o e identifica??o, porem a abordagem e generica, e o numero de caracter?sticas selecionadas pode ser significativamente maior, devido ? metodologia computacionalmente eficiente adotada, uma vez que calculos mais complexos e armazenamento de dados antigos n?o s?o necess?rios. Os resultados obtidos s?o signifificativamente melhores que os gerados pelas abordagens tradicionais utilizadas para compara??o

Neste trabalho, um novo enfoque para detecção e diagnóstico de falhas (DDF) em robôs manipuladores é apresentado. Um robô com falhas pode causar sérios danos e pode colocar em risco o pessoal presente no ambiente de trabalho. Geralmente, os pesquisadores têm proposto esquemas de DDF baseados no modelo matemático do sistema. Contudo, erros de modelagem podem ocultar os efeitos das falhas e podem ser uma fonte de alarmes falsos. Aqui, duas redes neurais artificiais são utilizadas em um sistema de DDF para robôs manipuladores. Um perceptron multicamadas treinado por retropropagação do erro é usado para reproduzir o comportamento dinâmico do manipulador. As saídas do perceptron são comparadas com as variáveis medidas, gerando o vetor de resíduos. Em seguida, uma rede com função de base radial é usada para classificar os resíduos, gerando a isolação das falhas. Quatro algoritmos diferentes são empregados para treinar esta rede. O primeiro utiliza regularização para reduzir a flexibilidade do modelo. O segundo emprega regularização também, mas ao invés de um único termo de penalidade, cada unidade radial tem um regularização individual. O terceiro algoritmo emprega seleção de subconjuntos para selecionar as unidades radiais a partir dos padrões de treinamento. O quarto emprega o mapa auto-organizável de Kohonen para fixar os centros das unidades radiais próximos aos centros dos aglomerados de padrões. Simulações usando um manipulador com dois graus de liberdade e um Puma 560 são apresentadas, demostrando que o sistema consegue detectar e diagnosticar corretamente falhas que ocorrem em conjuntos de padrões não-treinados. / In this work, a new approach for fault detection and diagnosis in robotic manipulators is presented. A faulty robot could cause serious damages and put in risk the people involved. Usually, researchers have proposed fault detection and diagnosis schemes based on the mathematical model of the system. However, modeling errors could obscure the fault effects and could be a false alarm source. In this work, two artificial neural networks are employed in a fault detection and diagnosis system to robotic manipulators. A multilayer perceptron trained with backpropagation algorithm is employed to reproduce the robotic manipulator dynamical behavior. The perceptron outputs are compared with the real measurements, generating the residual vector. A radial basis function network is utilized to classify the residual vector, generating the fault isolation. Four different algorithms have been employed to train this network. The first utilizes regularization to reduce the flexibility of the model. The second employs regularization too, but instead of only one penalty term, each radial unit has a individual penalty term. The third employs subset selection to choose the radial units from the training patterns. The forth algorithm employs the Kohonen’s self-organizing map to fix the radial unit center near to the cluster centers. Simulations employing a two link manipulator and a Puma 560 manipulator are presented, demonstrating that the system can detect and isolate correctly faults that occur in nontrained pattern sets.

The awareness of the human responsibility in global warming has led to various private and public initiatives to reduce the emission of greenhouse gases, up to international level. In this context the development of renewable technologies in two sectors having an important ecological footprint, i.e. production of electricity and transportation, is targeted.In the firstly mentioned sector, the progression of wind energy is at present the most rapid among all renewable energies. But wind turbines still suffer from a global lack of reliability and accessibility compared to classical power plants, leading to potentially important production losses and repair costs. The first part of the present work focuses on the improvement of the electrical chain reliability by the combination of an estimator and a fault-detection algorithm to achieve sensor-fault tolerance, taking benefit from the already available measurement redundancies on doubly-fed-induction-machine (DFIG) drives.Estimators and sensor-fault detection and isolation (FDI) in DFIGs have been the object of many research papers. However, most of them only consider one unique type of measurement and only a few works consider magnetic saturation. A new combination of a closed-loop observer with a cumulative-sum-based FDI technique, considering magnetic saturation and using limited computational resources is proposed here to estimate electromagnetic torque, rotor currents and position for sensor-fault detection and tolerance. This algorithm is then validated in steady state and in case of moderate transients, unbalanced conditions and misestimation of DFIG parameters. The estimator can also start on the fly during the start-up process of the generator.In the transportation sector, new hybrid and full-electric vehicles start to be visible on the roads, but still need important technological improvements in terms of autonomy, performances, but also produced noise and vibrations. The objectives of the second part of this doctoral thesis are related to this last challenge and consist of the experimental investigation of noise, vibration and harshness (NVH) aspects of an 8/6 switched-reluctance machine (SRM) designed for an electrical vehicle (EV).The NVH issues of SRMs, limiting their usage in automotive and other domains, have been the subject of various papers. However, most of them focus on modal analysis or detailed phenomena, while a global evaluation of NVH aspects of SRMs in normal working conditions is rarely made, as well as the use of reproducible sound metrics. A global and relatively fast experimental method to assess the evolution of noise and vibration is proposed. Tests are performed in transient regime, using continuously varying working conditions when possible, for the excitation of a large band of frequencies. The resulting current, radial vibration and acoustic noise are presented as spectrograms for an easy distinction of affected and unaffected frequencies and compared with the associated loudness and sharpness.Furthermore, the implementation of a new faster-sampled current-hysteresis controller has allowed to improve the quality of the control and of the acoustic noise by reducing the current-ripple amplitude and the excitation of resonances. The various tests show that the switching frequency has to be high enough to avoid exciting the ovalization mode of the SRM, but not too high to avoid producing a too sharp noise. The ripple amplitude also has to be considered to limit the loudness. Therefore, soft chopping, or a reduced DC-bus voltage at low speeds, has to be preferred with a relative small hysteresis bandwidth. Finally, the case of an open-phase fault has been investigated showing amplified even current orders in the vibration and acoustic-noise plots. / La prise de conscience de la responsabilité humaine dans le réchauffement climatique est à la source de nombreuses initiatives publiques et privées parfois internationales pour réduire les émissions de gaz à effet de serre. Dans ce contexte, le développement de technologies durables dans deux secteurs à forte empreinte écologique est visé: la production d'énergie électrique et les transports. Dans le premier secteur, la progression de l'éolien est à présent la plus rapide parmi toutes les énergies renouvelables. Cependant, les éoliennes souffrent d'un manque global de fiabilité et d'accessibilité par rapport aux centrales électriques classiques, ce qui conduit potentiellement à des pertes de production et des coûts de réparation importants. La première partie de ce travail se focalise sur l'amélioration de la chaîne électrique en la rendant tolérante aux défauts de capteurs au moyen de la combinaison d'un estimateur et d'un algorithme de détection de défauts, tirant avantage de la redondance de mesures déjà présente sur les entraînements à machines asynchrones à double alimentation (MADA). Les estimateurs et la détection et l'isolation de défauts de capteurs sur les MADA a fait l'objet de nombreuses publications scientifiques. Cependant, la plupart d'entre elles considèrent un seul type de mesure et peu de travaux prennent en compte la saturation magnétique. Une nouvelle combinaison d'un observateur et d'un algorithme de détection de défauts de type ‘CUSUM', considérant la saturation magnétique et nécessitant une puissance de calcul limitée, est proposée dans cette thèse pour l'estimation du couple électromagnétique, des courants et de la position rotoriques en vue d'obtenir la tolérance aux défauts de capteurs. Cet algorithme est validé en régime permanent et cas de transitoires modérés, de tensions du réseau déséquilibrées et d'erreurs d'estimation des paramètres de laMADA. L'estimateur est aussi capable de démarrer seul lors du démarrage de la génératrice. Dans le secteur des transports, des véhicules hybrides et électriques commencent à être visibles sur les routes, malgré que des progrès technologiques importants en termes d'autonomie, de performances, mais aussi de bruits et vibrations soient encore nécessaires pour une utilisation plus intensive. L'objectif de la deuxième partie de cette thèse se rapporte à ce dernier défi et consiste à analyser les aspects acoustiques et vibratoires d'une machine à réluctance variable 8/6 conçue pour propulser un véhicule électrique. Ces problèmes acoustiques et vibratoires, qui limitent notamment l'usage de telles machines dans des applications de propulsion, ont été l'objet de divers articles scientifiques. Cependant, la plupart d'entre eux sont focalisés sur des analyses modales ou de phénomènes particuliers, alors qu'une évaluation globale des problèmes de bruit et de vibration des machines à réluctance variable en conditions normales de fonctionnement est rarement proposée, de même que l'utilisation de critères de qualité sonore. Une méthode expérimentale globale et relativement rapide pour évaluer l'évolution du bruit et des vibrations est proposée dans ce travail. Les essais sont réalisés en régime transitoire pour exciter une large bande de fréquences et en faisant varier continuellement, quand cela est possible, les conditions de fonctionnement. Les courants, vibrations radiales et bruits acoustiques résultants sont présentés sous formes de cartographies couleur pour une distinction aisée des fréquences affectées et non-affectées et comparés aux niveaux calculés de bruyance et d'acuité correspondants. Par ailleurs, la mise en place d'un nouveau régulateur à hystérèse en courant à plus grande fréquence d'échantillonnage a permis d'améliorer la qualité de la commande et du bruit acoustique associé en réduisant l'amplitude des oscillations de courant et l'excitation des fréquences de résonance. Les essais montrent que la fréquence de commutation doit être suffisamment élevée pour éviter l'excitation du mode d'ovalisation de la machine, mais pas trop pour éviter une trop grande acuité du son produit. L'amplitude des oscillations doit aussi être considérée pour limiter la bruyance. En conséquence, une commande en ‘soft chopping', ou une tension réduite du bus continu à basse vitesse, doit être combinée à une bande d'hystérèse relativement faible. Enfin, le cas d'un défaut de phase ouverte a été étudié et a montré une amplification des ordres pairs du courant dans les spectres vibratoires et acoustiques. / De bewustwording van de menselijke verantwoordelijkheid in de opwarming van de aarde heeft tot verschillende private en publieke initiatieven geleid om de uitstoot van broeikasgassen te verminderen. In deze context is de ontwikkeling van hernieuwbare technologieën hoofdzakelijk gericht op twee sectoren met een belangrijke ecologische impact: elektriciteitsproductie en transport.In de eerste sector ontwikkelt windenergie zich op dit moment sneller dan alle andere hernieuwbare energieën. Maar windturbines lijden nog steeds aan een gebrek aan betrouwbaarheid en toegankelijkheid, en dus aan potentieel hogere productieverliezen en herstelkosten, als ze met klassieke krachtcentrales worden vergeleken. In het eerste deel van deze doctoraatsthesis wordt op de verbetering van de elektrische keten geconcentreerd door de combinatie van een schatter en een foutdetectie- en -isolatiealgoritme (FDI-algoritme) om sensorfouttolerantie te verkrijgen dankzij de reeds aanwezige meetovertolligheid op dubbelgevoede inductiemachine (DFIG) aandrijvingen.Schatters en sensor-FDI-algoritmen zijn het onderwerp van vele wetenschappelijke artikelen geweest. Meestal wordt maar één sensortype beschouwd en met de magnetische verzadiging wordt niet vaak rekening gehouden. Een nieuwe combinatie van een schatter met gesloten terugkoppeling en een FDI-techniek gebaseerd op het ‘cumulative-sum' principe is voorgesteld. Zo kan het elektromagnetische koppel, de rotorstromen en positie worden geschat voor sensor FDI en fouttolerantie met beperkte rekenkosten en zonder de magnetische verzadering te verwaarlozen. Het algoritme wordt in stabiele toestand gevalideerd, maar ook in het geval van gematigde transiënte situaties, onevenwichtige netwerkomstandigheden en een verkeerde schatting van DFIG parameters. Het kan ook vanzelf starten tijdens de startprocedure van de generator.In de vervoersector beginnen hybride en elektrische voertuigen op de wegen te rijden. Maar vooreen intensiever gebruik van zo'n wagens zijn er nog technologische verbeteringen nodig met betrekking tot autonomie, prestaties en ook geluid en trillingen (NVH). Het tweede deel van de thesis betreft die laatste uitdaging en bestaat uit het experimentele onderzoek van geluid en trillingen op een 8/6 variabelereluctantiemachine (SRM) ontwikkeld voor elektrische voertuigen.De NVH-problemen van SRM's beperken hun gebruik in automobiele en andere toepassingen enonderzoek wordt erover voortgezet. Vele wetenschappelijke artikelen focussen toch op modale analyse of gedetailleerde fenomenen terwijl een globale evaluatie van NVH aspecten in SRM's in gewone operatiecondities nauwelijks wordt gemaakt. Hetzelfde geldt voor het gebruik van reproduceerbare geluidsmetrieken. Een globale en vrij vlugge experimentele methode is hier voorgesteld om het NVH gedrag te schatten. Testen worden in transiënte situaties uitgevoerd om een brede frequentieband te exciteren, indien mogelijk met voortdurend variërende condities. De gemeten fasestroom, trilling en geluid worden als kleurmappen geplot om het verschil tussen beïnvloede en niet geaffecteerde frequenties te vergemakkelijken en met de berekende akoestische luidheid en scherpte vergeleken.Bovendien heeft de implementatie van een sneller bemonsterd stroomhysteresisregelaar geleid tot een verbetering van de regulatie- en akoestische kwaliteit door de amplitude van de stroomrimpeling en de excitatie van resonantiefrequenties te verminderen. De testresultaten tonen dat de schakelfrequentie voldoende hoog moet zijn om de excitatie van de ovale vervormingsmode te vermijden, maar niet te hoog om de scherpte van het geluid te beperken. De amplitude van de rimpel beïnvloedt ook de luidheid en daarvoor moet in aanmerking worden genomen. Bijgevolg zou ‘soft chopping'mode, of een lagere spanning op de DC-bus bij lage toerentallen, met een relatief klein hysteresisband beter worden gebruikt. Uiteindelijk wordt het geval van een openfasefout bestudeerd en onthult versterkte gelijke frequentievolgorden in de trilling- en geluidplots. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur et technologie / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Motivée par les besoins du domaine spatial en termes de diagnostic embarqué et d’autonomie, cette thèse s’intéresse aux problèmes de diagnostic, de diagnosticabilité et de diagnostic actif des systèmes hybrides. Un formalisme hybride est proposé pour représenter les deux dynamiques, continues et discrètes, du système. En s’appuyant sur ce modèle, une approche de diagnostic passif est proposée en mariant les techniques des systèmes à événements discrets et des systèmes continus. Un cadre formel pour la diagnosticabilité des systèmes hybrides a également été établi proposant des définitions et des critères pour la diagnosticabilité hybride. Suite à un diagnostic passif ambigu, le diagnostic actif est nécessaire afin de désambiguïser l’état du système. Cette thèse propose donc une approche de diagnostic actif, qui partant d’un état de croyance incertain, fait appel aux propriétés de diagnosticabilité du système pour déterminer la configuration où les fautes peuvent être discriminées. Une nouvelle machine à états finis appelée diagnostiqueur actif est introduite permettant de formaliser le diagnostic actif comme un problème de planification conditionnelle. Un algorithme d’exploration de graphes ET-OU est proposé pour calculer les plans de diagnostic actif. Finalement, l’approche de diagnostic a été testée sur le Système de Contrôle d’Attitude (SCA) d’un satellite de Thales Alenia Space. Le module de diagnostic a été intégré dans la boucle fermée de commande. Des scénarios de faute ont été testés donnant des résultats très satisfaisants. / Motivated by the requirements of the space domain in terms of on-board diagnosis and autonomy, this thesis addresses the problems of diagnosis, diagnosability and active diagnosis of hybrid systems. Supported by a hybrid modeling framework, a passive approach for model-based diagnosis mixing discrete-event and continuous techniques is proposed. The same hybrid model is used to define the diagnosability property for hybrid systems and diagnosability criteria are derived. When the diagnosis provided by the passive diagnosis approach is ambiguous, active diagnosis is needed. This work provides a method for performing such active diagnosis. Starting with an ambiguous belief state, the method calls for diagnosability analysis results to determine a new system configuration in which fault candidates can be discriminated. Based on a new finite state machine called the diagnoser, the active diagnosis is formulated as a conditional planning problem and an AND-OR graph exploration algorithm is proposed to determine active diagnosis plans. Finally, the diagnosis approach is tested on the Attitude Control System (ACS) of a satellite simulator provided by Thales Alenia Space. The diagnosis module is successfully tested on several fault scenarios and the obtained results are reported.

Panna 6 på Högdalenverket i södra Stockholm (P6) med tillhörande ångturbin producerar kraftvärme genom förbränning av utsorterat returbränsle från industri och samhälle. För att minimera underhållskostnader och öka anläggningens tillgänglighet är det viktigt att fel och oönskat processbeteende kan upptäckas i ett tidigt skede. I detta syfte testas här en metod för detektering av avvikande händelser med hjälp av principalkomponentanalys (PCA) på produktionsprocessen för kraftvärme. En PCA-modell med reducerad dimension skapas utifrån processdata från en problemfri driftperiod och används som mall för inkommande data att jämföras med i ett kontrolldigram. Avvikelser ifrån modellen bör vara en indikation på att ett onormalt drifttillstånd har uppkommit och orsaker till avvikelsen analyseras. Som avvikande händelse testas två fall av tubläckage som uppstod i ett av tubpaketen för kylning av rökgaserna under 2014 och 2015. Resultatet visar att processavvikelser ifrån normallägesmodellerna tydligt syns i kontrolldiagrammen vid båda tubläckagen och avvikelserna kan härledas till variabler som är kopplade till tubläckage. Det finns potential för att tillämpa metoden för övervakning av processen, en svårighet ligger i att skapa en modell som representerar processen när den är stabil på grund av att det finns många varierande driftfall som anses stabila, detta kräver vidare arbete. Metoden kan redan användas som analysverktyg exempelvis vid misstanke om tubläckage. / Boiler 6 at the Högdalen facility in southern Stockholm (P6) combined with a a steam turbine produces Combined Heat and Power (CHP) through combustion of treated industry waste. In order to minimise maintenance costs and increase plant availability it is of importance to detect process faults and deviations at an early state. In this study a method for outlier detection using Principal Component Analysis (PCA) is applied on the CHP production process. A PCA model with reduced dimension is created using process data from a problem free period and is used as a template for new operating data to be compared with in a control chart. Deviations from the model should be an indication of the presence of abnormal conditions and the reasons for the deviations are analysed. Two cases of tube failure in 2014 and 2015 are used to study the deviations. The result shows that process deviations from the models can be detected in the control chart in both cases of tube failure and the variables known to be associated with tube failure contributes highly to the deviating behaviour. There is potential for applying this method for process control, a difficulty lies in creating a model that represents the stable process when there are big variances within what is considererd a stable process state. The method can be used for data analysis when suspecting a tube failure.

The need for efficiency, reliability and continuous operation has lead over the years to the development of fault-tolerant electrical drives for various industrial purposes and for transport applications. Permanent-magnet synchronous machines have also been gaining interest due to their high torque-to-mass ratio and high efficiency, which make them a very good candidate to reduce the weight and volume of the equipment.<p><p>In this work, a multidisciplinary approach for the design of fault-tolerant permanent-magnet synchronous machine drives is presented. <p><p>The drive components are described, including the electrical machine, the IGBT-based two-level inverter, the capacitors, the sensors, the controller, the electrical source and interfaces. A literature review of the failure mechanisms and of the reliability model of most of these components is performed. This allows understanding how to take benefit of the redundancy generally introduced in fault-tolerant systems.<p><p>A necessary step towards fault tolerance is the modelling of the electrical drive, both in healthy and faulty operations. A general model of multi-phase machines (with a number of phases equal to or larger than three) and associated converters is proposed. Next, control algorithms for multi-phase machines are derived. The impact of a closed-loop controller upon the occurrence of faults is also examined through simulation analysis and verified by experimental results.<p><p>Condition monitoring of electrical machines has expanded these last decades. New techniques relying on various measurements have emerged, which allow a better planning of maintenance operations and an optimization of the uptime of electrical machines. Regarding drives, a number of sensors are inherently present for control and basic protection functions. The utilization of these sensors for advanced condition monitoring is thus particularly interesting since they are available at no cost. <p><p>A novel fault detection and isolation scheme based on the available measurements (phase currents, DC-link voltage and mechanical position) is developed and validated experimentally. Change-detection algorithms are used for this purpose. Special attention is paid to sensor faults as well, what avoids diagnosis errors.<p><p>Fault-tolerant control can be implemented with passive and active approaches. The former consists in deriving a control scheme that gives acceptable performance for all operating conditions, including faulty conditions. The latter consists in applying dedicated solutions upon the occurrence of faults, i.e. by reconfiguring the control. Both approaches are investigated and implemented. <p><p>Finally, design considerations are discussed throughout the thesis. The advantages and drawbacks of various topologies are analyzed, which eventually leads to the design of a five-phase fault-tolerant permanent-magnet synchronous machine. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Cette thèse a pour objectif de démontrer l'intérêt des outils de diagnostic "intelligents" pour application sur les moteurs de fusée. En Europe beaucoup d'efforts ont été faits pour développer quelques techniques innovantes comme les réseaux neuronaux, les méthodes de suivi de raie vibratoire, ou l'identification paramétrique mais peu de résultats sont disponibles quant à la comparaison des performances de différents algorithmes. Un deuxième objectif de la thèse a été celui d'améliorer le système de diagnostic du banc d'essai Mascotte (ONERA/CNES). Il s'agit d'un banc de démonstration pour les moteurs de fusée de type cryogénique représentatif des conditions d'utilisation d'un vrai moteur. Les étapes de la thèse ont été en premier lieu de choisir et d'évaluer des méthodes de diagnostic à base de modèles, en particulier l'identification paramétrique et le filtre de Kalman, et de les appliquer pour le diagnostic d'un système critique du banc Mascotte: le circuit de refroidissement. Après une première validation des nouveaux algorithmes sur des données d'essais disponibles, un benchmark fonctionnel a été mis en place pour pouvoir comparer les performances des algorithmes sur différents types de cas de panne simulés. La dernière étape consiste à intégrer les algorithmes sur les ordinateurs du banc de contrôle de Mascotte pour pouvoir effectuer une évaluation applicative des performances et de leur intégrabilité à l'environnement informatique déjà en place. Un exemple simple de boucle de régulation intégrant l’information du diagnostic est aussi étudié pour analyser l’importance de telles méthodes dans le contexte plus large d’une régulation « intelligente » du banc. / The main objective of this work is to demonstrate and analyze the potential benefits of advanced real time algorithms for rocket engines monitoring and diagnosis. In the last two decades in Europe many research efforts have been devoted to the development of specific diagnostic technics such as neural networks, vibration analysis or parameter identification but few results are available concerning algorithms comparison and diagnosis performances analysis.Another major objective of this work has been the improvement of the monitoring system of the Mascotte test bench (ONERA/CNES). This is a cryogenic test facility based in ONERA Palaiseau used to perform analysis of cryogenic combustion and nozzle expansion behavior representative of real rocket engine operations.The first step of the work was the selection of a critical system of the bench, the water cooling circuit, and then the analysis of the possible model based technics for diagnostic such as parameter identification and Kalman filters.Three new algorithms were developed, after a preliminary validation based on real test data, they were thoroughly analyzed via a functional benchmark with representative failure cases.The last part of the work consisted in the integration of the diagnosis algorithms on the bench computer environment in order to prepare a set-up for a future real time application.A simple closed loop architecture based on the new diagnostic tools has been studied in order to assess the potential of the new methods for future application in the context of intelligent bench control strategies.

The deals of thesis were described methods for designing safety applications, made analysis of possible microcontroller faults of long-run system, described software and hardware methods for fault detection in microcontroller and applied some March test to microcontroller. To application were chosen MATS+, PMOVI and March SS tests. These tests were modified to word-oriented memory. Further it was made analysis of modified tests to determination fault coverage, testing times and program memory requirement. To determination of fault coverage was created virtual memory with fault function models. March tests were compared with each other and with another pattern test (checkboard test).

Diplomová práce je zaměřena na problematiku analýzy signálů za účelem detekce poruchového oblouku, přičemž analýza signálů je prováděna v časové, frekvenční a smíšené časově-frekvenční oblasti. Práce stručně shrnuje existující normy pro zařízení pro detekci poruchového oblouku. Práce dokumentuje testy a měření, které byly realizovány v souladu s normami IEC 62606:2013 a UL 1699B. Z důvodu nedostatečnosti stávajících norem je v práci popsána nová metoda iniciace poruchového oblouku. naměřená data byla analyzována s využitím rychlé Fourierovy transformace, krátkodobé Fourierovy transformace a vlnkové transformace. Na základě provedeného literárního průzkumu a s využitím výsledků provedených analýz signálu je v práci proveden návrh nové detekční metody pro účely detekce poruchového oblouku v systémech napájených střídavým i stejnosměrným napětím.

It is a fact that software has bugs. These bugs can lead to failures. Especially dependability and security failures are a great threat to software users. This thesis introduces four novel approaches that can be used to automatically harden software at the user's site. Automatic hardening removes bugs from already deployed software. All four approaches are automated, i.e., they require little support from the end-user. However, some support from the software developer is needed for two of these approaches. The presented approaches can be grouped into error toleration and bug removal. The two error toleration approaches are focused primarily on fast detection of security errors. When an error is detected it can be tolerated with well-known existing approaches. The other two approaches are bug removal approaches. They remove dependability bugs from already deployed software. We tested all approaches with existing benchmarks and applications, like the Apache web-server.:1 Introduction 1 1.1 Terminology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.2 Automatic Hardening . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.3 Contributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.4 Theses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2 Enforcing Dynamic Personalized System Call Models 9 2.1 Related Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 2.2 SwitchBlade Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.3 System Call Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.3.1 Personalization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.3.2 Randomization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 2.4 Model Learner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.4.1 Problem: False Positives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.4.2 Data- ow-Based Learner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 2.5 Taint Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 2.5.1 TaintCheck . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 2.5.2 Escaping Valgrind . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 2.5.3 Replay of Requests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 2.6 Model Enforcement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 2.6.1 Loading the System Call Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 2.6.2 Checking System Calls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 2.7 Evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 2.7.1 Synthetic Exploits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 2.7.2 Apache . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 2.7.3 Exploits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 2.7.4 Micro Benchmarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 2.7.5 Model Size . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 2.7.6 Stateful Application . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 2.8 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 3 Speculation for Parallelizing Runtime Checks 43 3.1 Approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 3.1.1 Compiler Infrastructure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 3.1.2 Runtime Support . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 3.2 Related Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 3.3 Deterministic Replay and Speculation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 3.3.1 Interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 3.3.2 Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 3.4 Switching Code Bases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 3.4.1 Example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 3.4.2 Integration with parexc chkpnt . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 3.4.3 Code Transformations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 3.4.4 Stack-local Variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 3.5 Speculative Variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 3.5.1 Interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 3.5.2 Deadlock Avoidance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 3.5.3 Storage Back-ends . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 3.6 Parallelized Checkers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 3.6.1 Out-of-Bounds Checks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 3.6.2 Data Flow Integrity Checks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 3.6.3 FastAssert Checker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 3.6.4 Runtime Checking in STM-Based Applications . . . . . . . . . . . . 72 3.7 Evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 3.7.1 Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 3.7.2 Checking Already Parallelized Applications . . . . . . . . . . . . . . 77 3.7.3 ParExC Overhead . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 3.8 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 4 Automatically Finding and Patching Bad Error Handling 83 4.1 Related Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 4.2 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 4.3 Learning Library-Level Error Return Values from System Call Error Injection 89 4.3.1 Components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 4.3.2 E cient Error Injection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 4.3.3 Obtain OS Error Specification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 4.4 Finding Bad Error Handling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 4.4.1 Argument Recording . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 4.4.2 Systematic Error Injection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 4.4.3 Static Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 4.5 Fast Error Injection using Virtual Machines . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 4.5.1 The fork Approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 4.5.2 Virtual Machines for Fault Injection . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 4.6 Patching Bad Error Handling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 4.6.1 Error Value Mapping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 4.6.2 Preallocation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 4.6.3 Patch Generation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 4.7 Evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 4.7.1 Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 4.8 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 5 Robustness and Security Hardening of COTS Software Libraries 117 5.1 Related Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 5.2 Approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 5.3 Test Values . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 5.3.1 Ballista Type System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 5.3.2 Meta Types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 5.3.3 Feedback . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 5.3.4 Type Templates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 5.3.5 Type Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 5.3.6 Reducing the Number of Test Cases . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 5.3.7 Other Sources of Test Values . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 5.4 Checks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 5.4.1 Check Templates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 5.4.2 Parameterized Check Templates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 5.5 Protection Hypotheses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 5.5.1 Minimizing the Truth Table . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 5.5.2 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135 5.6 Evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136 5.6.1 Coverage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137 5.6.2 Autocannon as Dependability Benchmark . . . . . . . . . . . . . . 138 5.6.3 Protection Hypotheses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 5.7 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140 6 Conclusion 143 6.1 Publications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 References 147 List of Figures 159 List of Tables 163 Listings 165