Διάγνωση βλαβών σε συστήματα αυτομάτου ελέγχου

Abstract

Οι μέθοδοι διάγνωσης αστοχιών, οι οποίες βασίζονται σε περιγραφές των συστημάτων στον χώρο κατάστασης, είναι ευρέως χρησιμοποιούμενες. Μια υποσχόμενη αναλυτική μέθοδος -που αποτελεί και το αντικείμενο της παρούσας εργασίας- είναι το φίλτρο ανίχνευσης αστοχιών. Ένα φίλτρο ανίχνευσης αστοχιών σχεδιάζεται, γενικά, για να παρέχει πληροφορία, η οποία βοηθά στην ανίχνευση και τον εντοπισμό σφαλμάτων σε ενεργοποιητές, αισθητήρες και μεταβολές της δυναμικής ενός γραμμικού, χρονικά αμετάβλητου συστήματος. Ειδικότερα, η έξοδος του φίλτρου είναι ένα «αναμενόμενο» διάνυσμα μετρήσεων των αισθητήρων. Αντιπροσωπεύει τις εξόδους των αισθητήρων που θα λαμβάναμε αν δεν υπήρχε καμία αστοχία στις μετρήσεις, αλλαγή δυναμικής ή άλλες διαταραχές. Δηλαδή, αν δεν υπάρχει καμία διαταραχή, η έξοδος του φίλτρου προσεγγίζει το πραγματικό διάνυσμα εξόδου των αισθητήρων ασυμπτωτικά όσο η επίδραση των σφαλμάτων στις αρχικές συνθήκες σβήνει. Όταν υπάρχουν διαταραχές θα υπάρχει διαφορά μεταξύ της αναμενόμενης εξόδου από το φίλτρο και της πραγματικής εξόδου από τους αισθητήρες. Αυτή η διαφορά ή το σήμα σφάλματος χαρακτηρίζεται από συγκεκριμένες ιδιότητες και αποτελεί την βασική πληροφορία για τον εντοπισμό της πηγής των σφαλμάτων. Η ανίχνευση και αναγνώριση των προβληματικών αισθητήρων με φίλτρα ανίχνευσης αστοχιών είναι ανεξάρτητες από τον τρόπο με τον οποίο ένα στοιχείο παρουσιάζει βλάβη με την προϋπόθεση ότι η βλάβη αυτή αλλάζει την έξοδο του συστήματος. Απουσία αστοχιών, το φίλτρο ανίχνευσης λειτουργεί ως ένας συνήθης παρατηρητής κατάστασης. Στη συγκεκριμένη εργασία εφαρμόστηκε η μέθοδος των φίλτρων ανίχνευσης αστοχιών σε ένα μοντέλο του συστήματος προσανατολισμού ενός δορυφόρου στον χώρο για ανίχνευση και εντοπισμό αστοχιών στους αισθητήρες του. Σε όλες τις εξεταζόμενες περιπτώσεις αστοχιών, παρατηρήθηκαν διαφοροποιήσεις στη δυναμική συμπεριφορά του συστήματος.

State space model-based fault diagnosis methods are widespread. One promising analytical method –which constitutes the subject of this thesis- is the failure detection filter. In general, a failure detection filter is designed to provide information, which helps to detect and isolate failures occurring in actuators, sensors or changes in the dynamics of a linear, time invariant system. More specifically, the output of the filter is an ‘expected’ sensor output vector. It represents the sensor outputs which would be obtained if there were no measurement failures, dynamic changes or other disturbances. That is, if there are no disturbances, the filter output will approach the actual sensor output vector asymptotically as the effect of initial condition errors settles out. When disturbances do occur there will be a difference between the expected output from the filter and the actual output from the sensors. This difference or error signal is characterized by concrete attributes and is the source of the desired event information. The failure detection and identification in failure detection filters are independent of the manner in which a component fails as long as the failure alters the system output. In the absence of a failure, the failure detection filter functions as a usual state estimator. In this thesis the method of failure detection filters is applied to a model of a satellite attitude control system, in order to detect and isolate failures in its sensors. Variability of the dynamic behavior of the system was observed in all examined cases of failure.