Automatic control techniques have been widely employed in industry to increase efficiency and profitability of the processes. However, reliability on automation increases the susceptibility of the system to faults in major control equipment such as actuators and sensors. This realization has motivated design of frameworks for fault detection and isolation (FDI) and fault tolerant control (FTC). The success of these FDI and FTC mechanisms is contingent on their ability to handle complexities associated with process systems such as nonlinearity, uncertainty, high dimensionality and the resulting effects of the existence of complexity in system structure such as faults that cannot be isolated. Motivated by the above considerations, this thesis considers the problem of fault diagnosis and fault tolerant control for complex process systems. First, an FDI framework is designed that can detect and confine possible locations for faults that cannot be isolated. Next, the problem of simultaneous actuator and sensor fault diagnosis for nonlinear uncertain systems. The key idea is to design FDI filters in a way they account for the impact of uncertainty explicitly. This work then considers the problem of simultaneous fault diagnosis in nonlinear uncertain networked systems. FDI is achieved using a distributed architecture, comprised of a bank of local FDI (LFDI) schemes that communicate with each other. The efficacy of the proposed FDI methodologies is shown via application to a number of chemical process examples. Finally, an integrated framework is proposed for fault diagnosis and fault tolerant control of variable air volume (VAV) boxes, a common component of heating, ventilation and air conditioning (HVAC) systems as an industrial case study of complex systems. The advantages of the proposed framework are diagnosing multiple faults and handling faults in stuck dampers using a safe parking strategy with energy saving capability. / Thesis / Doctor of Philosophy (PhD) / Automation is the key to increase efficiency and profitability of the processes. However, as the level of automation increases, major control equipment are more prone to faults. Thus, fault detection and isolation (FDI) and fault tolerant control (FTC) frameworks are required for fault handling. Fault handling, however, can only be efficiently achieved if the designed FDI and FTC frameworks are able to deal with complexities arising in process systems such as nonlinearity, uncertainty, high dimensionality and the resulting effects of the existence of complexity in system structure such as faults that cannot be isolated. This motivates design of FDI and FTC frameworks for complex process systems. First, FDI frameworks are presented that can diagnose faults in the presence of complexities mentioned above. Then, an integrated framework is designed for diagnosing and handling faults of heating, ventilation and air conditioning (HVAC) systems as an industrial case study of complex process systems.

Cette thèse porte sur la modélisation des réacteurs membranaires anaérobies. Dans une première partie, nous proposons une analyse mathématique générique d'un modèle de digestion anaérobie en deux étapes appelé AM2. La principale limitation du développement des réacteurs membranaires étant le risque de colmatage, nous proposons, dans une seconde partie, d'étendre le modèle AM2 en incorporant une nouvelle variable d'état modélisant la dynamique des Produits Microbiens Solubles (SMP) dont le rôle dans le colmatage des membranes a été démontré. Une étude mathématique exhaustive de ce nouveau modèle appelé AM2b est réalisée pour comprendre et comparer les comportements qualitatifs des deux modèles. Dépendant des conditions de fonctionnement et des valeurs des paramètres biologiques utilisées, nous montrons que ce nouveau modèle peut se comporter comme le modèle initial AM2, ou, au contraire, présenter un comportement qualitatif très différent. L'étape suivante sera d'utiliser ce modèle pour la synthèse de régulateurs. Toutefois, le manque de capteurs en-ligne nous a amené, dans une troisième partie, à procéder à la synthèse d'un certain nombre d'observateurs d'état classiques. Au regard des caractéristiques spécifiques des bioprocédés, cette dernière partie se termine par la proposition de nouvelles pistes pour l'estimation d'état et de paramètres par des méthodes stochastiques, notamment les filtres particulaires dont nous présentons brièvement le principe. / This thesis focuses on the modeling of anaerobic membrane reactors. In the first part, we propose a generic mathematical analysis of a two-step model of the anaerobic digestion called AM2. The main limitation in the development of membrane reactors being the risk of clogging, we propose in a second part, to extend the AM2 model by incorporating a new state variable modeling the dynamics of the so-called Soluble Microbial Products (SMP) whose role in the clogging of the membranes has been demonstrated. A complete mathematical study of this new model called AM2b is realized to understand and compare the behavior of both models. Depending on operating conditions and on the model parameters values, we show that this new model can behave as the initial model AM2, or, conversely, have a completely different qualitative behavior. The next step is to use this model for the synthesis of controllers. However, the lack of online sensors led us to a third part where we carry out the synthesis of several state observers. In view of the specific characteristics of bioprocesses, this last part ends by proposing new ways to estimate both state and parameters using stochastic methods, including particulate filters which the concepts are briefly reviewed.

La disponibilité de certains capteurs est indispensable pour le contrôle des machines électriques dans une application automobile. Cette thèse constitue une contribution à l'étude d'une commande tolérante aux défauts pour un entraînement électrique dans le cadre du projet SOFRACI. Pour pallier une défaillance de ces capteurs, des stratégies sont mises en place pour assurer une continuité de fonctionnement ou un arrêt sûr. Dans le cas de la machine synchrone, les capteurs les plus critiques sont: le capteur de position, les capteurs de courant et le capteur de bus de tension continue. C'est dans ce contexte que l'on a développé des algorithmes de commande tolérante aux défauts avec successivement des étapes de détection, d'isolation et de reconfiguration. Ensuite, la validation expérimentale a été effectuée sur un banc composé d’une machine synchrone et d’un onduleur avec 3 ponts H conçus pour la propulsion d’un véhicule électrique. Ainsi les méthodes développées et qui s’appuient principalement sur la théorie du contrôle, sont évaluées expérimentalement à travers des injections de défauts en temps réel, avec un accent mis sur le temps nécessaire à la détection. / During the last decade, Fault Tolerant Control (FTC) has become an increasingly interesting topic in automotive industry. The operation of electrical drives is highly dependent on feedback sensors availability. With the aim of reaching the required level of availability in transportation applications, the drive is equipped with a DC voltage sensor, three current sensors (due to safety requirements in electric vehicle standards) and a position sensor. This PhD is a contribution to the study of an electrical drive fault tolerant control. The objective is to have a system, which can adaptively reorganizes itself at a sensor failure occurrence. Consequently, strategies are defined from the early preliminary design steps, so as to facilitate fault detection, fault isolation and control reconfiguration. To this purpose, our work goes from theoretical studies toward experimental validations through the model simulation using control theory.In this thesis, FTC algorithms are developed for the rotor position, the phase currents and DC link voltage sensors. The experimentally validation is perform with an electrical drive composed of a Permanent Magnet Synchronous Machine and a 3H bridge inverter. Thus, the developed methods are evaluated experimentally through real time fault injection, with an emphasis on the detection time.

Cette thèse a pour but le développement d'une source photovoltaïque autonome ayant des capacités d'auto-diagnostic. Un structure d'hybridation spécifique est proposée consistant en une hybridation DC de sources photovoltaïques, d'une batterie au lithium et de supercondensateurs. Des modèles dynamiques des convertisseurs boost conventionnels et de leur variante avec isolation galvanique sont proposés. Un observateur d'état est ensuite présenté pour estimer en ligne les différents paramètres représentant les pertes des convertisseurs. On montre qu'il est possible d'utiliser ces paramètres estimés pour la gestion de l'énergie dans le système, avec en particulier l'optimisation du rendement de structures parallèles. L'optimisation des sources photovoltaïques est aussi étudiée avec une attention particulière accordée aux phénomènes d'ombrage partiel et le design d'un algorithme de maximisation de la puissance produite (MPPT) dans le cas d'une architecture distribuée série. De part une architecture de puissance spécifique, on propose aussi une méthode d'estimation de l'état de santé (SOH) de la batterie qui est validée sur des cellules de batterie Li - ion et LiFePO4. On montre que le convertisseur Cuk isolé avec inductances couplées est parfaitement adapté pour faire du diagnostic en ligne sur les batteries par injection de courant. Enfin, un schéma de gestion de l'énergie global est proposé, et on vérifie le bon fonctionnement de l'ensemble de la source hybride proposée / This thesis interested on developing a stand-alone photovoltaic system with self-diagnosis possibility. A specific structure has been proposed consisting in a DC hybridization of photovoltaic sources, a Lithium-based battery and supercapacitors. Dynamics models of the boost converter and the current-fed dual-bridge DC-DC converter are proposed and an efficient state observer is proposed to estimate the models equivalent losses' parameters online. It is shown that the estimated parameters can be used in the energy management scheme, with in particular optimisation of the efficiency of paralleled structures. The photovoltaic source optimization is also studied with special attention on shading phenomenon and design of MPPT technique especially on the case of distributed series architecture. Through a specific hybridization structure, State-Of-Health estimation is tested on Li-ion and LiFePO4 batteries. It is shown that the isolated coupled-inductors Cuk converter is very efficient for battery estimation through current injection. Finally, a global energy management scheme is proposed, and the developed stand-alone photovoltaic system is validated to operate as supposed

Dans cette thèse, deux problèmes liés aux approches basées sur des modèles pour le diagnostic de défauts et l'estimation du niveau de dégradation des équipements dans un bâtiment sont étudiés: la conception d'observateurs adaptatifs pour l'estimation de l'état et des paramètres, et l'analyse de l'identifiabilité des paramètres. La classe des modèles considérés est celle des modèles quasi-linéaires à paramètres variants dans le temps (quasi-LPV) avec paramétrisation affine des matrices d'état. Utilisant l'approche polytopique de Takagi-Sugeno (T-S), deux types d'observateurs sont proposés, un pour des systèmes en temps continu et l'autre pour des systèmes en temps discret. La structure de Luenberger (correction de la dynamique à l'aide de l'erreur d'estimation de la sortie) est choisie pour la partie d'estimation d'état de l'observateur pour les deux et leur conception s'appuie sur l'approche de Lyapunov. Pour la partie d'estimation des paramètres, une structure originale est proposée en temps continu et une structure proportionnelle-intégrale (PI) est utilisée en temps discret. La troisième contribution présente succinctement une méthode d'estimation d'état et des paramètres de façon découplée. Elle utilise conjointement l'approche de l'espace de parité et un observateur à mémoire finie. Pour la quatrième contribution relative à l'identifiabilité des paramètres, les états du système sont tout d'abord éliminés en utilisant une approche de type espace de parité. Cela permet d'extraire le `résumé exhaustif' du modèle qui aide à établir l'identifiabilité du modèle. Tous les résultats sont illustrés à l'aide d'exemples / Two problems relevant to the model-based approaches to fault diagnosis and degradation estimation in commissioned buildings are investigated in this thesis: adaptive observers for state and parameter estimation, and parameter identifiability. The system models considered are the quasi-LPV models with affine parameterization. Using the Takagi-Sugeno (T-S) polytopic approach, two observer designs, one for continuous-time models and another for discrete-time models are provided. Both models use a Luenberger structure for the state estimation part and deploy the Lyapunov design approach. An innovative non-linear estimation model is obtained through the design process for the continuous-time parameter estimation whereas a proportional-integral (PI) structure is used for discrete-time. A brief third contribution is a decoupled state and parameter estimation that makes use of the parity-space approach and realized using a finite memory observer strategy. For the fourth contribution of parameter identifiability, a parity-space formulation using null-space computation is used for the elimination of states of the model from which the exhaustive summary of the model is extracted and the identifiability of the model verified. All the results are illustrated using examples

En automatique, un observateur joue un rôle primordial dans la commande et la supervision des processus ou encore la détection de défauts, vu sa capacité à fournir des informations sur les valeurs des états non mesurés ou non disponibles. Dans ce contexte, cette thèse porte sur l'estimation non pas uniquement de l'état, mais aussi des paramètres inconnus affectant la dynamique du système de façon simultanée. Ce problème est traité pour des classes de systèmes non linéaires soumis à des retards constants et inconnus. Il représente un enjeu double, tant sur l'estimation conjointe de l'état et des paramètres inconnus, que dans la présence des retards qui affectent la dynamique des systèmes. Dans un premier temps, des observateurs fonctionnels robustes ont été développés pour des systèmes faisant intervenir des non linéarités état-commande et soumis à des retards. Le problème de la robustesse a été considérée, dans un premier temps, pour prendre en compte la présence de perturbations à énergie finie en faisant appel à la théorie Hinfini, et dans un second temps vis-à-vis d'incertitudes paramétriques affectant les paramètres du modèle du système à observer. Des conditions nécessaires et suffisantes pour l'existence des observateurs ont été données à travers la résolution d'équations de Sylvester. Cette résolution a permis de simplifier le problème avec le paramétrage des gains de l'observateur via un seul gain à déterminer. Comme l'étude de la convergence de l'observateur revient à étudier la stabilité de l'erreur d'estimation, la théorie de Lyapunov-Krasovskii dédiée à la stabilité des systèmes à retards a été utilisée en se basant sur une approche de type descripteur. Cette étude a permis d'aboutir à des conditions suffisantes de convergence asymptotique, exprimées sous forme de LMI. Tout au long du mémoire, la synthèse des observateurs a été considérée pour l'ordre plein et l'ordre réduit. Puis, les développements ont été étendus, au cas où on souhaite estimer l'état du système considéré simultanément avec certains paramètres inconnus affectant ce dernier. Deux pistes ont été étudiées à travers ce mémoire : lorsque le vecteur des paramètres inconnus agit linéairement par rapport à la dynamique du système et lorsque les paramètres inconnus agissent non linéairement par rapport à la dynamique du système. L'approche développée a permis d'étudier simultanément la convergence de l'état et des paramètres inconnus, ce qui a permis de relaxer certaines contraintes imposées lors de la synthèse des observateurs adaptatifs dans la littérature, notamment la contrainte d'excitation persistante considérée au niveau de la deuxième piste de recherche. Pour finir, les résultats obtenus ont été étendus à une classe de systèmes singuliers non linéaires, qui, outre les relations dynamiques, fait intervenir des relations algébriques / In automatic control reaserch fields, an observer plays a key role in the control and supervision of processes or the detection of faults, given its ability to provide information on the values of unmeasured or unavailable states. In this context, this thesis deals with the estimation not only of the state but also of the estimation of the unknown parameters affecting the dynamics of the system simultaneously with the state vector. In particular, the problem is addressed for classes of nonlinear systems subject to constant and unknown delays. This problem represents a dual challenge, both on joint estimation of unknown state and parameters, as well as the presence of delays that affect the system dynamics. First, functional observers were developed for systems subject to time delays and involving state-input nonlinearities. The problem of robustness was studied, initially, when some finite energy perturbations occured in the system dynamics, which required the H∞ theory in order to attenuate its effects. In a second time, it is treated when parametric uncertainties affect the model parameters. Necessary and sufficient conditions for the existence of observers have been given through the resolution of Sylvester's equations. This resolution made it possible to simplify the problem by setting the observer gains via a single gain to be determined. As the study of the observer's convergence returns to studying the stability of the estimation error, Lyapunov-Krasovskii theory dedicated to the stability of the delay systems was used based on the descriptor transformations. This study lead to sufficient conditions of a symptotic convergence, expressed in terms of LMI. Throughout the dissertation, the synthesis of observers was considered in full and reduced order cases. The developments were then extended to estimate the system states simultaneously with unknown parameters affecting its dynamics. Two approaches have been investigated through this memory: when the vector of the unknown parameters acts linearly with respect to the dynamics of the system and when the unknown parameters act nonlinearly with respect to this dynamics. The approach proposed in this work make it possible to simultaneously estimate the convergence of the state and unknown parameters, which made it possible to relax some constraints considered in the synthesis of adaptive observers in the literature. It concerns particularly the persistent excitation constraint considered in the second approach. Finally, the results obtained have been extended to the class of singular systems, which, in addition to the dynamic relations, involves algebraic relations in their description

" The chemical engineering literature is dominated by physical and (bio)-chemical processes that exhibit complex nonlinear behavior, and as a consequence, the associated requirements of their analysis, optimization, control and monitoring pose considerable challenges in the face of emerging competitive pressures on the chemical, petrochemical and pharmaceutical industries. The above operational requirements are now increasingly imposed on processes that exhibit inherently nonlinear behavior over a wide range of operating conditions, rendering the employment of linear process control and monitoring methods rather inadequate. At the same time, increased research efforts are now concentrated on the development of new process control and supervisory systems that could be digitally implemented with the aid of powerful computer software codes. In particular, it is widely recognized that the important objective of process performance reliability can be met through a comprehensive framework for process control and monitoring. From: (i) a process safety point of view, the more reliable the process control and monitoring scheme employed and the earlier the detection of an operationally hazardous problem, the greater the intervening power of the process engineering team to correct it and restore operational order (ii) a product quality point of view, the earlier detection of an operational problem might prevent the unnecessary production of o-spec products, and subsequently minimize cost. The present work proposes a new methodological perspective and a novel set of systematic analytical tools aiming at the synthesis and tuning of well-performing digital controllers and the development of monitoring algorithms for nonlinear processes. In particular, the main thematic and research axis traced are: (i) The systematic integrated synthesis and tuning of advanced model-based digital controllers using techniques conceptually inspired by Zubov’s advanced stability theory. (ii) The rigorous quantitative characterization and monitoring of the asymptotic behavior of complex nonlinear processes using the notion of invariant manifolds and functional equations theory. (iii) The systematic design of nonlinear state observer-based process monitoring systems to accurately reconstruct unmeasurable process variables in the presence of time-scale multiplicity. (iv) The design of robust nonlinear digital observers for chemical reaction systems in the presence of model uncertainty. "

Orientador: Gilberto Pechoto de Melo / Resumo: As metodologias de monitoramento da integridade estrutural baseadas em observadores de estado, em sua grande maioria, utilizam o resíduo obtido a partir da diferença entre a medida e a estimativa de dada resposta dinâmica do sistema para o processo de detecção de danos. Contudo, em determinadas situações, tem-se interesse em realizar o monitoramento através de certa resposta dinâmica que não pode ser medida diretamente. Desta forma, a principal contribuição deste trabalho é propor uma metodologia de detecção de danos para sistemas mecânicos, cujo resíduo é obtido a partir da diferença entre as estimativas do comportamento dinâmico de determinada região do sistema. Estas estimativas são geradas por dois observadores de estado de ordem plena em paralelo, ambos projetados a partir do modelo físico-matemático do sistema em monitoramento sem danos, cujos os ganhos ótimos são determinados pelo método LQR, do inglês Linear Quadratic Regulator. A diferença entre os observadores consiste em serem baseados em conjuntos de medidas distintos. Simulações computacionais são apresentadas para demonstrar a aplicação desta metodologia, de maneira que são discutidas as vantagens e desvantagens em monitorar o sistema utilizando diferentes tipos de força de excitação. Os resultados obtidos são satisfatórios para a detecção dos tipos de dano considerados neste trabalho. / Abstract: Structural health monitoring methodologies based on state observers, for the most part, use the residual obtained from the di erence between the measurement and the estimate of the given dynamic response of the system to the damage detection process. However, in certain situations, it is interesting to carry out the monitoring through a certain dynamic response that can not be measured directly. In this way, the main contribution of this work is to propose a methodology of damage detection for mechanical systems, whose residue is obtained from the di erence between the estimates of the dynamic behavior of a certain region of the system. These estimates are generated by two parallel full-order state observers, both designed from the physical-mathematical model of the monitoring system without damages, whose optimal gains are determined by the LQR (Linear Quadratic Regulator) method. The di erence between observers is that they are based on di erent sets of measures. Computational simulations are presented to demonstrate the application of this methodology, so that the advantages and disadvantages of monitoring the system using di erent types of excitation force are discussed. The results obtained are satisfactory for the detection of the types of damage considered in this work. / Mestre

Ce manuscrit se décompose en deux parties principales, associées à deux types d'applications assez différentes. Dans la première partie qui comprend les deux premiers chapitres, je m'intéresse à des systèmes issus de problèmes de contrôle et d'estimation en physique quantique; dans la deuxième partie (troisième chapitre du manuscrit), j'étudie la propagation d'ondes électriques le long des fils classiques dans un réseau de lignes de transmission et je considère certains problèmes d'estimation de paramètres. Dans le premier chapitre nous étudions le problème de la planification de trajectoires pour des systèmes quantiques fermés modélisés par des équations de Schrödinger bilinéaire. Nous démontrons alors des résultats de la stabilisation approchée pour le cas d'une boite quantique infinie ainsi que pour le cas d'un potentiel décroissant. Dans les deux cas, le manque de pré-compacité des trajectoires dans des espaces fonctionnels appropriés nous oblige à proposer des méthodes de Lyapunov qui évitent des phénomènes de perte de masse à l'infini. Dans le deuxième chapitre nous étudions le problème de stabilisation de systèmes quantiques en observation. Cette observation nécessite l'ouverture du système à son environnement. Les modèles pertinents pour l'évolution de ce type de systèmes sont des modèles stochastiques basés sur des trajectoires de Monte-Carlo quantiques. Nous étudions alors certains problèmes de stabilisation qui parviennent de vraies expériences physiques. Enfin, dans le chapitre 3 nous considérons le problème d'estimation de paramètres pour un réseau de fils de câblage électrique. Dans ce but, nous étudions deux approches : l'approche temporelle et l'approche fréquentielle. Dans l'approche temporelle, nous considérons le réseau le plus simple qui consiste d'une seule ligne de transmission et nous proposons un algorithme d'identification pour l'équation d'onde associé qui est basé sur l'application des observateurs asymptotiques. Dans l'approche fréquentielle, nous considérons un réseau plus compliqué de la forme étoile. Nous proposons alors des résultats d'identifiabilité basés sur des techniques de l'inverse scattering.

<p>Modern information technology increases the use of computers in training systems as well as in command-and-control systems in military services and public-safety organizations. This computerization combined with new threats present a challenging complexity. Situational awareness in evolving distributed operations and follow-up in training systems depends on humans in the field reporting observations of events. The use of this observer-reported information can be largely improved by implementation of models supporting both reporting and computer representation of objects and phenomena in operations.</p><p>This thesis characterises and describes observer model-based data collection in distributed tactical operations, where multiple, dispersed units work to achieve common goals. Reconstruction and exploration of multimedia representations of operations is becoming an established means for supporting taskforce training. We explore how modelling of operational processes and entities can support observer data collection and increase information content in mission histories. We use realistic exercises for testing developed models, methods and tools for observer data collection and transfer results to live operations.</p><p>The main contribution of this thesis is the systematic description of the model-based approach to using observers for data collection. Methodological aspects in using humans to collect data to be used in information systems, and also modelling aspects for phenomena occurring in emergency response and communication areas contribute to the body of research. We describe a general methodology for using human observers to collect adequate data for use in information systems. In addition, we describe methods and tools to collect data on the chain of medical attendance in emergency response exercises, and on command-and-control processes in several domains.</p>