Diseño de observadores difusos con modos deslizantes para la detección de fallas en sistemas no lineales

Abstract

In this thesis, we propose the design of fuzzy observers for fault detection in nonlinear SISO and MIMO systems. Most of these observers are of the sliding mode type. This report reviews the basic theory of fuzzy logic to design fuzzy observers. Initially Luenberger observers are designed and from these, fuzzy observers are obtained. A-long the document, the methodology for design each of the proposed observers and its respective stability analysis is described. The detection system proposed for each of the observers consisteds of two stages: the residual generation and its evaluation. During the residual generation stage the detection function is stablished and for the evaluation stage, we propose a threshold wich allows discriminate faults from disturbances. In this thesis, two case of study of nonlinear systems for fault detection were propouned. The first case is a chemical process that is carried out in a Continuous Stirred Tank Reactor (CSTR). The CSTR is considered as a SISO system, in which fault in the process output sensor and parameter disturbances are used to test the system. The second case is a nonlinear hydraulic system of two non-interconnected tanks in series. A fault in the sensor 1, which measures the liquid level in tank 1, and other one presence of a leak, are considered. The obtained results allow obtaning conclusions about the performance of the observers depending on the system under analysis.

En el presente trabajo de tesis, se propone el diseño de diversos observadores difusos con modos deslizantes para detectar fallas en sistemas no lineales SISO y MIMO. En el trabajo se estudia la teoría básica de la lógica difusa para diseñar observadores difusos. Inicialmente se diseñan observadores del tipo Luenberger y posteriormente de estos se obtienen observadores difusos. Durante el desarrollo del trabajo, se describirá la metodología para diseñar cada uno de los observadores propuestos, así como pruebas de estabilidad de los mismos. El sistema de detección propuesto para cada uno de los observadores consta de 2 etapas: la generación de residuos y la evaluación de los mismos. Durante la etapa de generación de residuos, se establece la función para la detección y en la evaluación, se propone un umbral que permita diferenciar una falla de una perturbación y/o variación paramétrica. En este trabajo de tesis se utilizan dos casos de estudio de sistemas no lineales para la detección de fallas. El primero es un proceso químico que se lleva dentro de un Reactor en Continuo del tipo tanque agitado (CSTR, por sus siglas en ingles). El CSTR se considera como un sistema SISO y se consideran fallas en un sensor de salida del proceso y variación en algunos de los parámetros. El segundo caso es un sistema no lineal hidráulico de dos tanques en serie no interconectados, donde se considera una falla en el sensor 1, el cual mide el nivel de líquido en el tanque 1 y la presencia de una fuga, aclarando que no son simultaneas. Los resultados obtenidos permiten emitir conclusiones sobre el desempeño de los observadores dependiendo del sistema bajo análisis.