Model based fault diagnosis for hybrid systems : application on chemical processes

The complexity and the size of the industrial chemical processes induce the monitoring of a growing number of process variables. Their knowledge is generally based on the measurements of system variables and on the physico-chemical models of the process. Nevertheless, this information is imprecise because of process and measurement noise. So the research ways aim at developing new and more powerful techniques for the detection of process fault. In this work, we present a method for the fault detection based on the comparison between the real system and the reference model evolution generated by the extended Kalman filter. The reference model is simulated by the dynamic hybrid simulator, PrODHyS. It is a general object-oriented environment which provides common and reusable components designed for the development and the management of dynamic simulation of industrial systems. The use of this method is illustrated through a didactic example relating to the field of Chemical Process System Engineering

Dynamic state reconciliation and model-based fault detection for chemical processes

In this paper, we present a method for the fault detection based on the residual generation. The main idea is to reconstruct the outputs of the system from the measurements using the extended Kalman filter. The estimations are compared to the values of the reference model and so, deviations are interpreted as possible faults. The reference model is simulated by the dynamic hybrid simulator, PrODHyS. The use of this method is illustrated through an application in the field of chemical processe

Petri nets for systems and synthetic biology

We give a description of a Petri net-based framework for modelling and analysing biochemical pathways, which uni¯es the qualita- tive, stochastic and continuous paradigms. Each perspective adds its con- tribution to the understanding of the system, thus the three approaches do not compete, but complement each other. We illustrate our approach by applying it to an extended model of the three stage cascade, which forms the core of the ERK signal transduction pathway. Consequently our focus is on transient behaviour analysis. We demonstrate how quali- tative descriptions are abstractions over stochastic or continuous descrip- tions, and show that the stochastic and continuous models approximate each other. Although our framework is based on Petri nets, it can be applied more widely to other formalisms which are used to model and analyse biochemical networks

On Minimum-time Control of Continuous Petri nets: Centralized and Decentralized Perspectives

Muchos sistemas artificiales, como los sistemas de manufactura, de logística, de telecomunicaciones o de tráfico, pueden ser vistos "de manera natural" como Sistemas Dinámicos de Eventos Discretos (DEDS). Desafortunadamente, cuando tienen grandes poblaciones, estos sistemas pueden sufrir del clásico problema de la explosión de estados. Con la intención de evitar este problema, se pueden aplicar técnicas de fluidificación, obteniendo una relajación fluida del modelo original discreto. Las redes de Petri continuas (CPNs) son una aproximación fluida de las redes de Petri discretas, un conocido formalismo para los DEDS. Una ventaja clave del empleo de las CPNs es que, a menudo, llevan a una substancial reducción del coste computacional. Esta tesis se centra en el control de Redes de Petri continuas temporizadas (TCPNs), donde las transiciones tienen una interpretación temporal asociada. Se asume que los sistemas siguen una semántica de servidores infinitos (velocidad variable) y que las acciones de control aplicables son la disminución de la velocidad del disparo de las transiciones. Se consideran dos interesantes problemas de control en esta tesis: 1) control del marcado objetivo, donde el objetivo es conducir el sistema (tan rápido como sea posible) desde un estado inicial a un estado final deseado, y es similar al problema de control set-point para cualquier sistema de estado continuo; 2) control del flujo óptimo, donde el objetivo es conducir el sistema a un flujo óptimo sin conocimiento a priori del estado final. En particular, estamos interesados en alcanzar el flujo máximo tan rápido como sea posible, lo cual suele ser deseable en la mayoría de sistemas prácticos. El problema de control del marcado objetivo se considera desde las perspectivas centralizada y descentralizada. Proponemos varios controladores centralizados en tiempo mínimo, y todos ellos están basados en una estrategia ON/OFF. Para algunas subclases, como las redes Choice-Free (CF), se garantiza la evolución en tiempo mínimo; mientras que para redes generales, los controladores propuestos son heurísticos. Respecto del problema de control descentralizado, proponemos en primer lugar un controlador descentralizado en tiempo mínimo para redes CF. Para redes generales, proponemos una aproximación distribuida del método Model Predictive Control (MPC); sin embargo en este método no se considera evolución en tiempo mínimo. El problema de control de flujo óptimo (en nuestro caso, flujo máximo) en tiempo mínimo se considera para redes CF. Proponemos un algoritmo heurístico en el que calculamos los "mejores" firing count vectors que llevan al sistema al flujo máximo, y aplicamos una estrategia de disparo ON/OFF. También demostramos que, debido a que las redes CF son persistentes, podemos reducir el tiempo que tarda en alcanzar el flujo máximo con algunos disparos adicionales. Los métodos de control propuestos se han implementado e integrado en una herramienta para Redes de Petri híbridas basada en Matlab, llamada SimHPN

Scheduling and discrete event control of flexible manufacturing systems based on Petri nets

A flexible manufacturing system (FMS) is a computerized production system that can simultaneously manufacture multiple types of products using various resources such as robots and multi-purpose machines. The central problems associated with design of flexible manufacturing systems are related to process planning, scheduling, coordination control, and monitoring. Many methods exist for scheduling and control of flexible manufacturing systems, although very few methods have addressed the complexity of whole FMS operations. This thesis presents a Petri net based method for deadlock-free scheduling and discrete event control of flexible manufacturing systems. A significant advantage of Petri net based methods is their powerful modeling capability. Petri nets can explicitly and concisely model the concurrent and asynchronous activities, multi-layer resource sharing, routing flexibility, limited buffers and precedence constraints in FMSs. Petri nets can also provide an explicit way for considering deadlock situations in FMSs, and thus facilitate significantly the design of a deadlock-free scheduling and control system. The contributions of this work are multifold. First, it develops a methodology for discrete event controller synthesis for flexible manufacturing systems in a timed Petri net framework. The resulting Petri nets have the desired qualitative properties of liveness, boundedness (safeness), and reversibility, which imply freedom from deadlock, no capacity overflow, and cyclic behavior, respectively. This precludes the costly mathematical analysis for these properties and reduces on-line computation overhead to avoid deadlocks. The performance and sensitivity of resulting Petri nets, thus corresponding control systems, are evaluated. Second, it introduces a hybrid heuristic search algorithm based on Petri nets for deadlock-free scheduling of flexible manufacturing systems. The issues such as deadlock, routing flexibility, multiple lot size, limited buffer size and material handling (loading/unloading) are explored. Third, it proposes a way to employ fuzzy dispatching rules in a Petri net framework for multi-criterion scheduling. Finally, it shows the effectiveness of the developed methods through several manufacturing system examples compared with benchmark dispatching rules, integer programming and Lagrangian relaxation approaches

Hybrid modeling and optimization of biological processes

Proß S. Hybrid modeling and optimization of biological processes. Bielefeld: Bielefeld University; 2013

Fluidization of Petri nets to improve the analysis of Discrete Event Systems

Las Redes de Petri (RdP) son un formalismo ampliamente aceptado para el modelado y análisis de Sistemas de Eventos Discretos (SED). Por ejemplo sistemas de manufactura, de logística, de tráfico, redes informáticas, servicios web, redes de comunicación, procesos bioquímicos, etc. Como otros formalismos, las redes de Petri sufren del problema de la ¿explosión de estados¿, en el cual el número de estados crece explosivamente respecto de la carga del sistema, haciendo intratables algunas técnicas de análisis basadas en la enumeración de estados. La fluidificación de las redes de Petri trata de superar este problema, pasando de las RdP discretas (en las que los disparos de las transiciones y los marcados de los lugares son cantidades enteras no negativas) a las RdP continuas (en las que los disparos de las transiciones, y por lo tanto los marcados se definen en los reales). Las RdP continuas disponen de técnicas de análisis más eficientes que las discretas. Sin embargo, como toda relajación, la fluidificación supone el detrimento de la fidelidad, dando lugar a la pérdida de propiedades cualitativas o cuantitativas de la red de Petri original. El objetivo principal de esta tesis es mejorar el proceso de fluidificación de las RdP, obteniendo un formalismo continuo (o al menos parcialmente) que evite el problema de la explosión de estados, mientras aproxime adecuadamente la RdP discreta. Además, esta tesis considera no solo el proceso de fluidificación sino también el formalismo de las RdP continuas en sí mismo, estudiando la complejidad computacional de comprobar algunas propiedades. En primer lugar, se establecen las diferencias que aparecen entre las RdP discretas y continuas, y se proponen algunas transformaciones sobre la red discreta que mejorarán la red continua resultante. En segundo lugar, se examina el proceso de fluidificación de las RdP autónomas (i.e., sin ninguna interpretación temporal), y se establecen ciertas condiciones bajo las cuales la RdP continua preserva determinadas propiedades cualitativas de la RdP discreta: limitación, ausencia de bloqueos, vivacidad, etc. En tercer lugar, se contribuye al estudio de la decidibilidad y la complejidad computacional de algunas propiedades comunes de la RdP continua autónoma. En cuarto lugar, se considera el proceso de fluidificación de las RdP temporizadas. Se proponen algunas técnicas para preservar ciertas propiedades cuantitativas de las RdP discretas estocásticas por las RdP continuas temporizadas. Por último, se propone un nuevo formalismo, en el cual el disparo de las transiciones se adapta a la carga del sistema, combinando disparos discretos y continuos, dando lugar a las Redes de Petri híbridas adaptativas. Las RdP híbridas adaptativas suponen un marco conceptual para la fluidificación parcial o total de las Redes de Petri, que engloba a las redes de Petri discretas, continuas e híbridas. En general, permite preservar propiedades de la RdP original, evitando el problema de la explosión de estados

Modeling and analysis of semiconductor manufacturing processes using petri nets

This thesis addresses the issues in modeling and analysis of multichip module (MCM) manufacturing processes using Petri nets. Building such graphical and mathematical models is a crucial step to understand MCM technologies and to enhance their application scope. In this thesis, the application of Petri nets is presented with top-down and bottom-up approaches. The theory of Petri nets is summarized with its basic notations and properties at first. After that, the capability of calculating and analyzing Petri nets with deterministic timing information is extended to meet the requirements of the MCM models. Then, using top-down refining and system decomposition, MCM models are built from an abstract point to concrete systems with timing information. In this process, reduction theory based on a multiple-input-single-output modules for deterministic Petri nets is applied to analyze the cycle time of Petri net models. Besides, this thesis is of significance in its use of the reduction theory which is derived for timed marked graphs - an important class of Petri nets