Contrôle et planification tolérants aux défauts de systèmes quasi-LPV

par Eslam Abouselima

Projet de thèse en Automatique

Sous la direction de Saïd Mammar, Dalil Ichalal et de Naima Ait oufroukh.

Thèses en préparation à Paris Saclay , dans le cadre de Sciences et Technologies de l'Information et de la Communication , en partenariat avec IBISC - Informatique, BioInformatique, Systèmes Complexes (laboratoire) , SIAM : Signal, Image, AutoMatique (equipe de recherche) et de Université d'Évry-Val-d'Essonne (établissement de préparation de la thèse) depuis le 01-10-2018 .


  • Résumé

    Contexte : Le diagnostic et le contrôle tolérant aux défauts des systèmes dynamique a fait l'objet de plusieurs avancées, ces dernières années. Le diagnostic a pour objectif de détecter, de localiser et d'estimer un ou plusieurs défauts affectant le système. Cette première tâche alimente le bloc de contrôle tolérant aux défauts afin d'assurer un comportement acceptable du système, même avec des performances dégradées. En linéaire, de nombreuses approches ont été proposées, en particulier, les approches basées sur la résolution d'un jeu d'inégalités linéaires matricielles (LMIs) ayant pour objectif le calcul des gains des générateurs de résidus et les contrôleurs tolérants aux défauts avec un degré de robustesse vis-à-vis des incertitudes de modélisation et des perturbations (approches multi-objectifs). Actuellement, ces approches ont atteint une certaine maturité. Cependant, deux challenges sont toujours d'actualité : la nature non linéaire et de grande dimension des systèmes réels, et l'émergence et la démocratisation des systèmes embarqués. Ces deux challenges introduisent plusieurs complexités internes (modèles non linéaires, grands systèmes, retards, échantillonnage périodique et variables,…) et externe (interaction entre plusieurs systèmes, défaillances d'un ou plusieurs composants d'un système,…). Pour le premier challenge, diverses approches ont été proposées et parmi elles, l'approche LPV qui permet d'exploiter et d'étendre les résultats déjà établis dans le cadre linéaire. L'intérêt de cette approche est qu'elle ne nécessite pas de transformation des coordonnées pour écrire le système sous une forme canonique linéaire. Cependant, elle introduit d'autres problématiques quant à la forme polytopique, généralement utilisée dès le début (découplage d'entrées inconnues, paramètres dépendant de l'état non mesuré (systèmes quasi-LPV), conservatisme des LMIs,…). Quant au second challenge, les problématiques sont liées aux retards de communication, échantillonnage irrégulier, ressources de calcul limitées,… De plus, dans le cadre du contrôle tolérant aux défauts, la plupart des approches proposées utilisent un bloc de diagnostic pour la détection des défauts et utiliser ces informations afin de reconfigurer la loi de commande tout en gardant la consigne (trajectoire) inchangée. Cela, bien évidemment, introduit un conservatisme car, par exemple, un système avec un actionneur en moins risque de ne pas suivre la trajectoire planifiée sur la base d'un système sans défauts. Il est donc intéressant de re-planifier la trajectoire de référence en tenant compte de l'état du système. Objectifs de la thèse : Le sujet de thèse proposé vise à étudier les possibilités de construire des générateurs de résidus pour le diagnostic et le contrôle tolérant aux défauts en introduisant la reconfiguration simultanée et de manière active de la trajectoire de référence selon l'état du système. Un intérêt particulier sera porté aux systèmes non linéaires représentés sous forme LPV ou quasi-LPV. De plus, les approches seront construites en tenant compte de plusieurs complexités : optimisation des ressources de calcul disponibles (approche évènementielles et échantillonnage auto-adapté) et l'aspect systèmes interconnectés (ou systèmes de grandes dimensions). Les algorithmes développés seront appliqués aux véhicules autonomes notamment aériens. Dans ces applications, les défauts qui seront considérés peuvent être des défauts système (capteurs, actionneurs) ou d'environnement du système (situations imprévues et dangereuses). Ces derniers peuvent donc utiliser les générateurs de résidus pour établir des fonctions de risque et en prolongation de systèmes d'assistance à l'opérateur humain.

  • Titre traduit

    Fault tolerant control and path planning for quasi-LPV systems


  • Résumé

    Context: Diagnosis and fault-tolerant control of dynamic systems has been the object of intensive research during the last years. The purpose is to detect, locate and estimate one or more faults affecting the system. This first task feeds the fault-tolerant control block to ensure acceptable system behavior, even with degraded performance. For linear systems, many approaches have been proposed, in particular, the approaches based linear matrix inequalities (LMIs) aimed at computing the gains of the generators of residues and the controllers tolerant to the defects with a degree of robustness with respect to modeling uncertainties and disturbances (multi-objective approaches). Currently, these approaches have reached a certain maturity. However, two challenges are still remaining: the non-linear and large-scale nature of real systems, and the emergence and democratization of embedded systems. These two challenges introduce several internal complexity (nonlinear models, large systems, delays, periodic and variable sampling, ...) and external (interaction between several systems, failures of one or more components of a system...). For the first challenge, various approaches have been proposed and among them, the LPV approach that allows to exploit and extend the results already established in the linear framework. The advantage of this approach is that it does not require a transformation of the coordinates to write the system in a linear canonical form. However, it introduces other problems when the polytopic form, generally used from the beginning (uncoupling of unknown inputs, parameters dependent on the unmeasured state (quasi-LPV systems), conservatism of LMIs...). As for the second challenge, the problems are related to communication delays, irregular sampling, limited computing resources, etc. Furthermore, in the context of fault-tolerant control, most of the proposed approaches use a diagnosis block for the detection of faults. and use this information to reconfigure the control law while keeping the setpoint (trajectory) unchanged. This, of course, introduces conservatism because, for example, a system with one less actuator may not follow the initialy planned path. It is therefore interesting to re-plan the reference trajectory taking into account the state of the system. Objectives of the thesis: The proposed thesis aims at studying the possibilities of constructing residue generators for fault-tolerant diagnosis and control by introducing the simultaneous and active reconfiguration of the reference trajectory according to the state of the system. Particular interest will be given to non-linear systems represented in LPV or quasi-LPV form. In addition, the approaches will be constructed taking into account several complexities: optimization of the available computing resources (event-based approach and self-adapted sampling) and the interconnected systems aspect (or large systems). The algorithms developed will be applied to autonomous vehicles including UAV's. In these applications, the faults that will be considered may be system faults (sensors, actuators) or system environment faults (unforeseen and dangerous situations). The latter can therefore use the residue generators to determine risk functions and may be extended to system assistance when a the human operator is in the loop. Candidate profile: the candidate must have a Bac +5 (Master or Engineer), a solid training in automatic control (linear and nonlinear) and applied mathematics.