Observer based active fault tolerant control of descriptor systems

The active fault tolerant control (AFTC) uses the information provided by fault detection and fault diagnosis (FDD) or fault estimation (FE) systems offering an opportunity to improve the safety, reliability and survivability for complex modern systems. However, in the majority of the literature the roles of FDD/FE and reconfigurable control are described as separate design issues often using a standard state space (i.e. non-descriptor) system model approach. These separate FDD/FE and reconfigurable control designs may not achieve desired stability and robustness performance when combined within a closed-loop system.This work describes a new approach to the integration of FE and fault compensation as a form of AFTC within the context of a descriptor system rather than standard state space system. The proposed descriptor system approach has an integrated controller and observer design strategy offering better design flexibility compared with the equivalent approach using a standard state space system. An extended state observer (ESO) is developed to achieve state and fault estimation based on a joint linear matrix inequality (LMI) approach to pole-placement and H∞ optimization to minimize the effects of bounded exogenous disturbance and modelling uncertainty. A novel proportional derivative (PD)-ESO is introduced to achieve enhanced estimation performance, making use of the additional derivative gain. The proposed approaches are evaluated using a common numerical example adapted from the recent literature and the simulation results demonstrate clearly the feasibility and power of the integrated estimation and control AFTC strategy. The proposed AFTC design strategy is extended to an LPV descriptor system framework as a way of dealing with the robustness and stability of the system with bounded parameter variations arising from the non-linear system, where a numerical example demonstrates the feasibility of the use of the PD-ESO for FE and compensation integrated within the AFTC system.A non-linear offshore wind turbine benchmark system is studied as an application of the proposed design strategy. The proposed AFTC scheme uses the existing industry standard wind turbine generator angular speed reference control system as a “baseline” control within the AFTC scheme. The simulation results demonstrate the added value of the new AFTC system in terms of good fault tolerance properties, compared with the existing baseline system

Advanced Data Analytics Methodologies for Anomaly Detection in Multivariate Time Series Vehicle Operating Data

Early detection of faults in the vehicle operating systems is a research domain of high significance to sustain full control of the systems since anomalous behaviors usually result in performance loss for a long time before detecting them as critical failures. In other words, operating systems exhibit degradation when failure begins to occur. Indeed, multiple presences of the failures in the system performance are not only anomalous behavior signals but also show that taking maintenance actions to keep the system performance is vital. Maintaining the systems in the nominal performance for the lifetime with the lowest maintenance cost is extremely challenging and it is important to be aware of imminent failure before it arises and implement the best countermeasures to avoid extra losses. In this context, the timely anomaly detection of the performance of the operating system is worthy of investigation. Early detection of imminent anomalous behaviors of the operating system is difficult without appropriate modeling, prediction, and analysis of the time series records of the system. Data based technologies have prepared a great foundation to develop advanced methods for modeling and prediction of time series data streams. In this research, we propose novel methodologies to predict the patterns of multivariate time series operational data of the vehicle and recognize the second-wise unhealthy states. These approaches help with the early detection of abnormalities in the behavior of the vehicle based on multiple data channels whose second-wise records for different functional working groups in the operating systems of the vehicle. Furthermore, a real case study data set is used to validate the accuracy of the proposed prediction and anomaly detection methodologies

Research and Education in Computational Science and Engineering

Over the past two decades the field of computational science and engineering (CSE) has penetrated both basic and applied research in academia, industry, and laboratories to advance discovery, optimize systems, support decision-makers, and educate the scientific and engineering workforce. Informed by centuries of theory and experiment, CSE performs computational experiments to answer questions that neither theory nor experiment alone is equipped to answer. CSE provides scientists and engineers of all persuasions with algorithmic inventions and software systems that transcend disciplines and scales. Carried on a wave of digital technology, CSE brings the power of parallelism to bear on troves of data. Mathematics-based advanced computing has become a prevalent means of discovery and innovation in essentially all areas of science, engineering, technology, and society; and the CSE community is at the core of this transformation. However, a combination of disruptive developments---including the architectural complexity of extreme-scale computing, the data revolution that engulfs the planet, and the specialization required to follow the applications to new frontiers---is redefining the scope and reach of the CSE endeavor. This report describes the rapid expansion of CSE and the challenges to sustaining its bold advances. The report also presents strategies and directions for CSE research and education for the next decade.Comment: Major revision, to appear in SIAM Revie

Stochastic hybrid system : modelling and verification

Hybrid systems now form a classical computational paradigm unifying discrete and continuous system aspects. The modelling, analysis and verification of these systems are very difficult. One way to reduce the complexity of hybrid system models is to consider randomization. The need for stochastic models has actually multiple motivations. Usually, when building models complete information is not available and we have to consider stochastic versions. Moreover, non-determinism and uncertainty are inherent to complex systems. The stochastic approach can be thought of as a way of quantifying non-determinism (by assigning a probability to each possible execution branch) and managing uncertainty. This is built upon to the - now classical - approach in algorithmics that provides polynomial complexity algorithms via randomization. In this thesis we investigate the stochastic hybrid systems, focused on modelling and analysis. We propose a powerful unifying paradigm that combines analytical and formal methods. Its applications vary from air traffic control to communication networks and healthcare systems. The stochastic hybrid system paradigm has an explosive development. This is because of its very powerful expressivity and the great variety of possible applications. Each hybrid system model can be randomized in different ways, giving rise to many classes of stochastic hybrid systems. Moreover, randomization can change profoundly the mathematical properties of discrete and continuous aspects and also can influence their interaction. Beyond the profound foundational and semantics issues, there is the possibility to combine and cross-fertilize techniques from analytic mathematics (like optimization, control, adaptivity, stability, existence and uniqueness of trajectories, sensitivity analysis) and formal methods (like bisimulation, specification, reachability analysis, model checking). These constitute the major motivations of our research. We investigate new models of stochastic hybrid systems and their associated problems. The main difference from the existing approaches is that we do not follow one way (based only on continuous or discrete mathematics), but their cross-fertilization. For stochastic hybrid systems we introduce concepts that have been defined only for discrete transition systems. Then, techniques that have been used in discrete automata now come in a new analytical fashion. This is partly explained by the fact that popular verification methods (like theorem proving) can hardly work even on probabilistic extensions of discrete systems. When the continuous dimension is added, the idea to use continuous mathematics methods for verification purposes comes in a natural way. The concrete contribution of this thesis has four major milestones: 1. A new and a very general model for stochastic hybrid systems; 2. Stochastic reachability for stochastic hybrid systems is introduced together with an approximating method to compute reach set probabilities; 3. Bisimulation for stochastic hybrid systems is introduced and relationship with reachability analysis is investigated. 4. Considering the communication issue, we extend the modelling paradigm

Integrated hydrogeological and geochemical processes in swelling clay-sulfate rocks

Quellende Ton-Sulfatgesteine führen immer wieder zu unvorhergesehenen Problemen im Tunnelbau oder bei oberflächennahen Geothermiebohrungen und machen dort langwierige Sanierungsmaßnahmen erforderlich. Die Prozesse, die dem Quellen zugrunde liegen, sind komplex. Im Allgemeinen wird davon ausgegangen, dass der Quellvorgang hauptsächlich auf die Umwandlung von Anhydrit zu Gips zurückzuführen ist. Auslöser ist in der Regel eine Änderung der hydraulischen Bedingungen, gefolgt von einem Wasserzutritt in die quellfähigen Gesteinsschichten, was wiederum die vorherrschenden geochemischen Bedingungen verändert. In der Folge kommt es zu einer Zunahme des Gesteinsvolumens im Untergrund. Dies führte in der süddeutschen Stadt Staufen, dem Untersuchungsstandort dieser Arbeit, zu großräumigen Hebungen an der Geländeoberfläche und, damit verbunden, zu großen Schäden an Häusern und Infrastruktur. Gerade diese hydrogeologischen und geochemischen Prozesse, sowie der Einfluss menschlicher Aktivitäten (z.B. Geothermiebohrungen), lassen sich jedoch nur sehr schwer nachvollziehen oder gar vorhersagen, da die genauen Zusammenhänge bisher unzureichend erforscht sind. Im ersten Teil dieser Arbeit wird zunächst ein 3D geologisches Modell entwickelt, um die komplexen geologischen Verhältnisse im Untersuchungsgebiet zu rekonstruieren. Dieses Modell stellt die geometrische Grundlage für die im weiteren Verlauf durchgeführten numerischen Untersuchungen der hydrogeologischen und geochemischen Prozesse des Quellphänomens dar. In diesem Zusammenhang wird außerdem eine Unsicherheitenanalyse der 3D geologischen Modellierung basierend auf der Theorie der Informationsentropie durchgeführt. Die Analyse veranschaulicht wie sich verschiedene geologische Erkundungsdaten unterschiedlich auf die vorhandenen Modellunsicherheiten und die Modellgeometrie auswirken. Der erstmals auf ein komplexes Standortmodell angewendete Ansatz ermöglicht dabei eine detaillierte, Voxel-basierte Visualisierung und Quantifizierung der Unterschiede und Änderungen der Unsicherheit zwischen mehreren Modellinterpretationen. Zusätzlich können mit Hilfe der verwendeten Jaccard- und der City-block-Distanzen Unähnlichkeiten zwischen den Modellen direkt identifiziert werden. Damit ermöglicht die Methodik unter anderem eine effizientere Durchführung von geologischen Erkundungskampagnen und bietet außerdem eine fundierte Grundlage für Kosten-Nutzen-Analysen. Für die komplexen geologischen Verhältnisse des Untersuchungsstandorts Staufen zeigt sich, dass mit zunehmender Datendichte mehr geologische Strukturen identifiziert werden, gleichzeitig aber auch vermehrt lokal hohe strukturelle Unsicherheiten auftreten. Im zweiten Teil der Arbeit wird ein neuartiger Modellansatz entwickelt und numerisch als radialsymmetrisches, reaktives Transportmodell umgesetzt. Das Model kann genutzt werden, um den Quellprozess abzubilden und berücksichtigt folgende Einflüsse: 1) die veränderten hydraulischen Randbedingungen auf Grund menschlicher Aktivitäten (Geothermiebohrungen), 2) die Wasserverfügbarkeit in der Quellzone, und 3) die Geochemie. Dazu wird die Quellhebung an der Geländeoberfläche in Abhängigkeit der geochemischen Umwandlung von Anhydrit in Gips und einer daraus abgeleiteten Volumenzunahme im Untergrund simuliert und quantifiziert. Der Modellansatz trennt dabei zwischen advektivem Stofftransport entlang von Klüften im Gestein und der Umwandlung von Anhydrit zu Gips in der Gesteinsmatrix. Um den beiden Wirkungsbereichen (Domänen) spezifische Porositäten zuordnen zu können, wird ein Zwei-Domänen Modellierungsansatz (``dual domain approach\u27\u27) verwendet, der diese gleichzeitig über eine Transferrate für den diffusiven Wassertransport koppelt. Mit diesem Modellansatz können prozessspezifische hydraulische, geochemische und mechanische Modellparameter basierend auf geodätischen Hebungsdaten in einer inversen Modellierung abgeschätzt werden. Die hierbei ermittelten Reaktionskonstanten für Anhydritlösung (\SI{2.4e-5}{\mole\per\square\metre\per\second}) und Gipsfällung (\SI{3.2e-6}{\mole\per\square\metre\per\second}) sind vergleichbar mit Literaturwerten aus Laborversuchen. Es zeigt sich jedoch, dass der diffuse Stofftransport in die Gesteinsmatrix wesentlich die Geschwindigkeit des Quellprozesses beeinflusst, was insbesondere bei niedrigen Gesteinsporositäten (z. B. kompakte Anhydritlagen) ein limitierender Faktor sein kann. Insgesamt ist das Modell in der Lage, den am Untersuchungsstandort beobachteten Hebungsverlauf abzubilden. Im dritten Teil der Arbeit wird das zuvor entwickelte Quellhebungsmodell auf die komplexe geologische Situation am Untersuchungsstandort Staufen angewendet. Dadurch können, im Vergleich zum radialsymmetrischen Ansatz, sowohl lokale Grundwasserströmungen, als auch die örtlichen geologischen Gegebenheiten explizit und umfassend bei der Simulation des Quellprozesses berücksichtigt werden. Das Modell kann genutzt werden, um eine Prognose über die weitere Entwicklung der Hebungsprozesse in Abhängigkeit der Sanierungsmaßnahmen vorzunehmen und bietet damit die wissenschaftliche Grundlage für eine Bewertung verschiedener Strategien, um den Quellprozess zu stoppen. Die Methode ermöglicht eine Bilanzierung der Wasserzuflüsse in die Quellzone, sowie eine Abschätzung des zukünftige Quellpotentials für individuelle Sanierungsszenarien. Für den Untersuchungsstandort Staufen zeigen die Ergebnisse, dass auch bei einer unvollständigen, nachträglichen Abdichtung der Erdwärmesonden der Wasserfluss in die Quellzone und damit der Quellprozess durch entsprechende hydraulische Gegenmaßnahmen gestoppt werden kann. Außerdem wird ersichtlich, dass umfassende geologische, hydraulische und geochemische Informationen für eine stichhaltige Simulation der Quellprozesse und eine Beurteilung geeigneter standortspezifischer Sanierungsmaßnahmen erforderlich sind