Contribution à la synthèse de commandes tolérantes aux défauts par l'approche comportementale

par Tushar Jain

Thèse de doctorat en Automatique, Traitement du Signal et des Images, Génie informatique

Sous la direction de Dominique Sauter et de Joseph Julien Yamé.

Le président du jury était Didier Maquin.

Le jury était composé de Abdellah El Moudni.

Les rapporteurs étaient Vincent Cocquempot, Ron J. Patton.


  • Résumé

    La théorie des systèmes a acquis un statut interdisciplinaire au cours des cinq dernières décennies, et un aspect important de cette théorie concerne la commande automatique des systèmes dynamiques. Un dispositif de commande, appelé contrôleur ou régulateur, est un dispositif qu'on interconnecte à un système donné, qu'on désigne aussi sous le terme de procédé ou processus, de manière à réaliser un système global ayant un comportement désiré ou des performances spécifiées. Dans cette thèse, nous traitons de la problématique de la commande automatique des systèmes dynamiques sujets à des défaillances. Cette problématique est fortement motivée par les exigences de sûreté de fonctionnement des systèmes en milieu industriel où la commande tolérante aux défauts constitue un moyen pour améliorer la fiabilité et accroître la disponibilté des systèmes tout en assurant les performances souhaitées. Le travail présenté dans cette thèse porte essentiellement sur la synthèse de techniques de commande en ligne en vue de garantir une tolérance aux pannes à tout moment pour le système bouclé. Deux approches sont proposées, à savoir une première approche basée sur une banque de contrôleurs pré-conçus et une seconde approche basée sur la conception en ligne des commandes. L'originalité de ces approches réside dans le fait qu'aucune information a priori sur le procédé n'est exigée ou n'est disponible en temps réel. En particulier, aucune identification ni estimation des paramètres du procédé n'est effectuée en temps réel. La reconfiguration des contrôleurs suite à une défaillance du procédé se base uniquement sur les trajectoires réelles (signaux) issues du procédé. Nous utilisons l'approche comportementale des systèmes comme paradigme de modélisation mathématique pour le développement des solutions proposées. Dans ce cadre mathématique, le concept d'interconnexion entre deux systèmes dynamiques, à savoir le contrôleur et le procédé, joue un rôle important dans la formulation et la solution du problème de commande et permet de déterminer l'ensemble admissible des trajectoires du procédé qui sont compatibles avec les spécifications de performance. Du point de vue pratique, la réduction des transitoires lors de la reconfiguration des contrôleurs est l'une des exigences importantes dans les algorithmes de commandes tolérantes aux défauts. La dernière partie de la thèse traite de la gestion de ces transitoires à l'aide d'une technique d'implantation des contrôleurs en temps réel qui assure une transition sans-à-coup lors des reconfigurations. En outre, on illustre dans cette dernière partie de la thèse les solutions de commandes obtenues pour la tolérance aux fautes sur des exemples issus du monde réel, à savoir un procédé hydraulique constitué de deux bacs à niveau, un avion en phase d'approche à l'atterrissage, et une éolienne NREL de 5 mégawatts

  • Titre traduit

    Behavioral System-theoretic approach to fault-tolerant control


  • Résumé

    The field of system and control theory has achieved an interdisciplinary status during the past five decades, and we refer to the theory that was developed during this period as the conventional control theory. This mainly relates to the study of automation and the design of controllers. A controller is a device that makes the interconnection with a given system so that the controlled system can behave in a desired way. In this thesis, we deal with the issues when the controlled system becomes faulty. The control of a faulty system addresses the concept of Fault-Tolerant Control System (FTCS). The study of such systems is in response to the demands of large-scale industries since from their viewpoint it is the foremost task to design control systems, which are capable of tolerating potential faults occurring either in the internal closedloops or from the environmental factors in order to improve the reliability and availability of a system while providing the expected performance. The work presented in this thesis is mainly focused on synthesizing the online controllers that guarantee the closed-loop system to be fault-tolerant at anytime. Two methodologies are proposed in this work, which rest under the broad classification of FTC systems, namely projection-based approach and online redesign approach. The novelty of these approaches lies in the fact that any a priori information about the plant is not available in realtime. In addition, no online identification or estimation of the operating plant is carried out. Rather, the re-configuration procedure of the controllers is solely based on the measurements generated by the unknown plant. This phenomenon is very nicely demonstrated by using the time-trajectory based viewpoint of behavioral theory. Within this mathematical framework, the interconnection between two dynamical systems, namely the plant and the controller, plays the significant role. Consequently, taking the benefits of this behavioral framework, the real-time measurement based solutions are proposed to handle the fault-tolerant control problem. From the practical implementation viewpoint, the transient management during the controller reconfiguration mechanism is one of the important requirements for active FTCS. The last part of the thesis deals with the online implementation of the controllers within the behavioral framework, which takes care of the transient mechanism. The proposed approach guarantees the "real-time smooth interconnection" between the controller and the unknown plant. Moreover, in this part the application of the theory developed in the thesis is effectively demonstrated on real-world examples, namely the two-tanks system, the aircraft landing mechanism, and the NREL's 5MW wind turbine system.


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