Ανίχνευση και διάγνωση σφαλμάτων με εφαρμογές σε μικροηλεκτρομηχανικά συστήματα

Abstract

This thesis presents the development of a fault detection and diagnosis (FDD) procedure capable of capturing isolating and identifying multiple abrupt parametric faults. The proposed method relies on parameter estimation deployed in a set membership framework. This approach presupposes the utilization of a linearly parametrizable model and the a priori knowledge of bounded noise errors and parameter perturbations. Under these assumptions a data hyperspace is generated at every time instant. The goal of set membership identification (SMI) is the determination of the parametric set formed as an orthotope or ellipsoid within which the nominal parameter vector resides and intersects with the data hyperspace. The fault detection mechanism is activated when the normal operation of the SMI procedure is interrupted due to an empty intersection of the data hyperspace and the estimated parametric set. At the detection instant a resetting procedure is performed in order to compute the parameter set and the data hyperspace that contain the varied nominal parameter vector allowing the SMI algorithm to continue its operation. During the fault isolation consistency tests are executed relying on the projections of the worst case parametric sets and the ones arisen from the normal operation of SMI A faulty component is indicated when these projections do not intersect while the distance of their centers is used for fault identification. In case of the ellipsoidal SMI based FDD and under the assumption of a time invariant parameter vector a new fault detection criterion is defined based on the intersection of support orthotopes of ellipsoids. A more accurate estimation of the time instant of fault occurrence is proposed based on the application of a backward in time procedure starting from the fault detection instant while the conditions under which a fault will never be detected by the orthotopic and ellipsoidal SMI based FDD are provided. This dissertation explores the efficiency of the proposed FDD methodology for capturing failure modes of two microelectromechanical systems an electrostatic parallel plate microactuator and a torsionally resonant atomic force microscope. From an engineering point of view failure modes appeared m the microcomponents of the microactuator and the TR AFM are encountered as parameter variations and are captured isolated and identified by the proposed FDD methodology.

Σε αυτή την διατριβή παρουσιάζεται η ανάπτυξη μιας διαδικασίας Ανίχνευσης και Διάγνωσης Σφαλμάτων (ΑΔΣ) η οποία είναι ικανή να εντοπίζει απομονώνει και αναγνωρίζει πολλαπλά απότομα παραμετρικά σφάλματα. Η προτεινόμενη μέθοδος βασίζεται στην Αναγνώριση Συνόλου Συμμετοχής (ΑΣΣ) των παραμέτρων. Η διαδικασία ΑΣΣ αντιστοιχεί σε ένα πρόβλημα βελτιστοποίησης το οποίο αποσκοπεί στον υπολογισμό του ορθοτόπου η ελλειψοειδούς το οποίο περιέχει το ονομαστικό διάνυσμα παραμέτρων και τέμνεται με τον υπερχώρο δεδομένων. Ο μηχανισμός Ανίχνευσης Σφαλμάτων ενεργοποιείται όταν διακόπτεται η φυσιολογική λειτουργία της ΑΣΣ λόγω της κενής τομής μεταξύ των εκτιμώμενου παραμετρικού συνόλου και του υπερχώρου δεδομένων. Τη χρονική στιγμή ανίχνευσης ενός σφάλματος εφαρμόζεται μια διαδικασία επαναρύθμισης που σκοπεύει στον υπολογισμό του νέου παραμετρικού συνόλου το οποίο περιέχει το μεταβεβλημένο ονομαστικό διάνυσμα παραμέτρων και τέμνεται με το υπερχώρο δεδομένων. Κατά τη διάρκεια της διαδικασίας απομόνωσης του σφάλματος εκτελούνται τεστ συμβατότητας τα οποία βασίζονται στις προβολές των νέων παραμετρικών συνόλων και στις προβολές των παραμετρικών συνόλων χείριστης περίπτωσης ενώ η απόσταση των κέντρων των προβολών χρησιμοποιείται για αναγνώριση σφάλματος. Στην περίπτωση που η ΑΔΣ πραγματοποιείται βασιζόμενη στην ΑΣΣ με ελλειψοειδή και θεωρώντας το ονομαστικό διάνυσμα παραμέτρων χρονικά αμετάβλητο ορίζεται ένα νέο κριτήριο ανίχνευσης σφαλμάτων χρησιμοποιώντας την τομή των περιβαλλόντων ορθοτόπων των ελλειψοειδών. Σε αυτή την περίπτωση ένα σφάλμα ανιχνεύεται όταν η τομή αυτή είναι κενή. Ακόμη προτείνεται μια πιο ακριβής εκτίμηση της χρονικής στιγμής εμφάνισης του σφάλματος ενώ παρατίθενται οι συνθήκες υπό τις οποίες ένα σφάλμα μπορεί να μην ανιχνευθεί ποτέ με την εφαρμογή των προτεινομένων μεθόδων. Η συγκεκριμένη διατριβή επίσης έρευνα την αποτελεσματικότητα της προτεινομένης μεθοδολογίας Ανίχνευσης και Διάγνωσης Σφαλμάτων για τον εντοπισμό των τρόπων εκδήλωσης σφαλμάτων σε δύο μικροηλεκτρομηχανικά συστήματα (ΜΗΜΣ) έναν ηλεκτροστατικό μικροεπενεργητή παράλληλων πλακών και ένα ατομικό μικροσκόπιοσυντονισμού στρέψης. Από πλευράς μηχανικής οι τρόποι εκδήλωσης σφαλμάτων στα δομικά στοιχεία του μικροεπενεργητή ή του ατομικού μικροσκοπίου αντιμετωπίζονται ως απότομες παραμετρικές οι οποίες εντοπίζονται και διαγιγνώσκονται από τις προτεινόμενες μεθόδους.