Minimal-order functional observer-based residual generators for fault detection and isolation of dynamical systems

This paper examines the design of minimal-order residual generators for the purpose of detecting and isolating actuator and/or component faults in dynamical systems. We first derive existence conditions and design residual generators using only first-order observers to detect and identify the faults. When the first-order functional observers do not exist, then based on a parametric approach to the solution of a generalized Sylvester matrix equation, we develop systematic procedures for designing residual generators utilizing minimal-order functional observers. Our design approach gives lower-order residual generators than existing results in the literature. The advantages for having such lower-order residual generators are obvious from the economical and practical points of view as cost saving and simplicity in implementation can be achieved, particularly when dealing with high-order complex systems. Numerical examples are given to illustrate the proposed fault detection and isolation schemes. In all of the numerical examples, we design minimum-order residual generators to effectively detect and isolate actuator and/or component faults in the system

On unknown-input functional observability of linear systems

Finding the least possible order of a stable Unknown-Input Functional Observer (UIFO) has always been a challenge in observer design theory. A practical recursive algorithm is proposed in this technical note to design a minimal multi-functional observer for multi-input multi-output (MIMO) linear time-invariant (LTI) systems with unknown-inputs. The concept of unknown-input functional observability is introduced,and it is used as a certificate of the convergence of our algorithm. The proposed procedure looks for a number of additional auxiliary functions to be augmented to the original functions desired for reconstruction. The resulting UIFO is proper, and minimal (of minimum possible order). Moreover, the algorithm does not need the system to be unknown-input observable. A numerical example shows the procedure as well as the effectiveness of the proposed algorithm

La chouette de la connaissance ne vole qu'à la nuit tombée

Le titre que nous avons choisi pour cette communication peut paraitre étrange au premier abord et appelle quelques explications. Nous n’en sommes pas l’auteur il s’agit d’une traduction libre d’une citation du philosophe allemand Georg Wilhelm Friedrich Hegel (1770-1831) : die Eule der Minerva beginnt erst mit der einbrechenden Dämmerung ihren Flug extraite de Grundlinien der Philosophie des Rechts, Nicolai, Berlin, 1820. Débuter cette présentation de cette façon est une manière de rendre hommage à tous les chercheurs qui par une vision renouvelée ont su faire progresser une discipline, dont l’automatique en particulier, lorsqu’elle s’endort dans un académisme ronronnant. Abdelhacq El Jai est de la classe de ces chercheurs. Remarquons toutefois que Hegel emploie le terme de hibou de Minerve, ce qui symbolise d’un point de vue mythologique la sagesse. Mais comme le dit un autre de ces chercheurs qui se reconnaîtra sûrement, l’automatique étant ce que l’on connaît de moins mal, nous resterons donc sur ce plan là

Some new standpoints in the design of asymptotic functional linear observers

The owl of Minerva spreads its wing only with the falling of the dusk. The aim of this work is to provide some new trends in the observation for linear systems. In the general framework of designing linear functional observers for linear systems the necessary and sufficient existence conditions are well known. Whether in the O'Reilly textbook or in the recently published ones on this topic, and, roughly speaking, the design methods can be categorized in two kinds. The first one is based on the solution of a Sylvester equation and a projection of the observed linear functional. The second one, based on the recent notion of functional observability, starts from the Darouach criterion which is an Popov-Belevitch-Hautus type one. Nevertheless, the main drawback of the deduced methods is that they cannot be used for linear time-varying systems. These models are of primary importance, for instance with linearization about a trajectory. Consequently, we cope with this problem by considering a new point of view for the design of linear functional observers. We see also that Darouach observers or Cumming-Gopinath observers are particular cases of the proposed methodology. For simplicity sake we suppose the system has no unknown inputs and is not described by a distributed parameters model as well. Nevertheless, these cases can be thought as possible extensions of the presented standpoints

Design procedure for linear unknown input functional observers

This paper considers an iterative procedure to design a minimum possible order unknown input functional observer for linear time-invariant (LTI) systems. Necessary and sufficient conditions for the existence of the observer are given. The proposed procedure is simple and is based neither on the solution of a generalized Sylvester equation nor canonical forms. This procedure can be easily implemented due to its incremental form. The main feature of our procedure is then the simplicity of the design. Moreover, in the case of a single functional to be observed, a minimum order stable linear unknown input functional observer is obtained

Contribution à la surveillance d'un module d'électronique de puissance sous sollicitations actives par mesures thermiques

La tendance actuelle est d’intégrer des modules de puissance de plus en plus puissants dans des volumes de plus en plus réduits. Cela pose des problèmes, notamment en termes de fiabilité, car lors de leurs cycles de fonctionnement, les interrupteurs à semi-conducteurs et leur environnement immédiat sont soumis à des contraintes électro-thermiques plus sévères. L’augmentation de la fiabilité des modules de puissance passe par la connaissance précise de la température locale, même si elle ne peut être mesurée en certains points qui seraient pertinents. L’objectif principal de cette thèse est de reconstruire des grandeurs non accessibles à la mesure en utilisant des observateurs de fonctionnelle linéaire, qui permettent d’estimer la température en n’importe quel endroit à l’aide des mesures fournies à partir de capteurs thermiques situés en quelques points précis. L’utilisation de cet observateur permet de réduire la dimension du problème considéré. Dans le contexte multi-physique, nous avons développé des méthodologies et des algorithmes permettant la surveillance du comportement électro-thermique des modules d’électronique de puissance. De façon à obtenir des algorithmes d’observation, qui pourraient être mis en oeuvre sur une cible embarquée en temps réel comme un processeur de signaux numériques, nous avons proposé la conception d’un observateur de fonctionnelle linéaire en temps discret de taille réduite. En conséquence, il est nécessaire d’en réduire la taille par rapport au système initial issu du modèle, afin de limiter la complexité du calcul. L’originalité de ces travaux consiste à proposer des méthodes de conception simples des observateurs de fonctionnelle linéaire d’ordre minimal pour des systèmes complexes de grande taille. Notons que dans le cas d’un module d’électronique de puissance, certaines entrées peuvent être mal connues telles que la puissance thermique extraite par le système de refroidissement, ou celle injectée par les éléments annexes du module comme les pistes ou les fils de bonding. Ainsi, une attention toute particulière a été donnée aux observateurs de fonctionnelle linéaire à entrées inconnues. Un observateur de fonctionnelle linéaire à entrées inconnues permet de s’affranchir de cette méconnaissance en traitant ces entrées comme des perturbations non mesurées. Notons que nous avons choisi de présenter des résultats expérimentaux afin d’indiquer la faisabilité pratique des méthodes présentées