Fault-tolerant control scheme for linear systems with input constraints and actuator faults

par Xian Zhang

Thèse de doctorat en Automatique et informatique industrielle

Sous la direction de Vincent Cocquempot.

Soutenue le 30-03-2015

à Lille 1 , dans le cadre de École doctorale Sciences pour l'Ingénieur (Lille) , en partenariat avec Centre de recherche en informatique, signal et automatique de Lille (laboratoire) .

  • Titre traduit

    Commande tolérante aux fautes pour des systèmes linéaires avec des contraintes sur les entrées et les défauts d'actionneurs


  • Résumé

    Cette thèse s'intéresse à la conception de lois de commandes tolérantes aux fautes (FTC) d'actionneurs pour des systèmes linéaires en tenant compte de la saturation de ces actionneurs. Pour le système nominal, un contrôleur à "faible-grand" gain est déterminé en utilisant la théorie de stabilité de Lyapunov et en résolvant une équation linéaire matricielle (LMI). Un algorithme itératif, basé sur des équations de Ricatti, est proposé pour trouver ce contrôleur. L'analyse du système linéaire commandé, soumis à la saturation des actionneurs et en présence de défauts, est réalisée en calculant les ellipsoïdes d'attraction (régions de stabilité) et de performance. Dans le cas où l'état initial n'est pas dans la région d'attraction, une technique d'ajustement des références est proposée. Ceci permet d'agrandir la région de stabilisation. En présence de certains défauts d'actionneurs, l'influence de la faute est analysée afin de savoir si le système reste stable ou non, et si les performances sont influencées par le défaut. Deux principales méthodes de commande tolérante, l'une passive, l'autre active sont utilisées pour tolérer les défauts, en évitant de saturer l'actionneur. Le contrôleur tolérant passif est en fait un contrôleur robuste à certains défauts, il peut garantir que le système fonctionne avec des performances dégradées dans une petite région de la stabilité qui est fixée par le pire des cas de défaut. Le contrôleur actif utilise l'estimation du défaut fournie par un observateur pour tolérer le défaut. Il est cependant difficile d'analyser la région de stabilité du système lorsque la commande active est utilisée du fait que cette commande dépend du défaut. Un nouveau schéma de FTC basé sur la technique de réglage de référence est proposé afin de garantir les performances du système dans une région acceptable. Plusieurs exemples académiques sont traités tout au long de la thèse pour illustrer les méthodes. Enfin, la méthodologie complète est appliquée au problème de suivi de trajectoire d'un véhicule électrique (EV) autonome à 4 roues motrices (4WD).


  • Résumé

    In this thesis, we deal with the FTC design problem for a linear system with both input constraints and actuator faults. For the nominal system, a low-high gain controller is designed based on the Lyapunov stability theory and the solution of LMI. An iterative Ricatti equation algorithm is given to find such controller. Based on the designed controller, with the analysis of the linear system subject to actuator saturation, the invariant ellipsoids of attraction and performance regions are calculated. For the case that the initial state is not within the attraction region, a novel methodology based on the reference adjustment technique is proposed in the thesis to achieve large-region stabilization. For the system with certain actuator faults, the fault's influence is analyzed first, its size and the time when it happens will decide whether the system is stable or not and will influence the system's performance. Then two main FTC design methods (PFTC and AFTC) are used to cope with faults and actuator saturation together. The proposed PFTC and AFTC methods have both their restrictions when dealing with the input saturation problem: Since the passive fault-tolerant controller is designed for presumed faults, it can guarantee that the system operates with degraded performance in a small stability region which is decided by the worst fault case. For the AFTC method, the degraded performance caused by faults will be recovered by designing an observer to obtain the fault information. However, its control capability will be reduced due to the fault, and it is hard to analyze the system's stability region. Based on the existing performance analysis principle and the implementation results of PFTC and AFTC, a novel fault-tolerant control scheme based on the reference adjustment technique is proposed to guarantee the system's performance in an acceptable region. Several academic examples are taken all along the thesis to illustrate the methods. Finally, the methodology is applied to the path tracking problem of an autonomous electric vehicle (EV) which has four electromechanical wheel-driven (4WD vehicle) systems under normal and faulty conditions.


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