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Fault Estimation Schemes of Wireless Networked Control Systems for Real-Time Industrial Applications

Wang, Ying

With the rapid growth of microelectronics, information and communication technologies, much attention has been paid on the research of wireless networked control systems (W-NCSs). The development of W-NCSs raises new challenges in fault estimation (FE) technology regarding to the imperfect data transmission, such as transmission delay, packet loss, jitter and so on. To ensure the system safety and reliability, an effective FE approach over networks is of prime importance to be developed. On the other hand, aiming for the applications on real-time industrial automation, the specific characteristics of network should be properly considered. Since the transmission tasks of measurements and control commands are normally deterministic over a period of time, a deterministic transmission mechanism and the relevant FE scheme should be proposed. Motivated by the widespread popularity of centralized and decentralized structures for industrial processes, development of both centralized and decentralized FE schemes for W-NCSs, which can be applied on industrial automation, is the primary objective of this thesis. This thesis is first dedicated to the modeling of communication and process. For the communication modeling, time division multiple access (TDMA) based medium access control (MAC) protocol is modified to guarantee the real-time performance. The process model is built considering multirate sampling based on the hierarchical structure of W-NCSs. By observing the uncertainty of networks and effects of faults, a linear periodic (LP) system model, which is the integration of communication model and process model, is presented as a basis for the later developments. The further study focuses on the development of FE schemes for both centralized and decentralized W-NCSs. To reach an enhanced robustness against unknown disturbance and initial state estimate error, the centralized FE approach is proposed with the help of stochastic model in Krein space. For decentralized FE, the algorithm is implemented by every sub-system, and the coupling relations between sub-systems should be properly considered. Based on it, the FE approaches are presented with two kinds of residual signals, i.e., non-shared residuals and shared residuals, respectively. To illustrate the effectiveness of the derived FE approaches, an industrial platform WiNC integrated with three-tank system is utilized in this thesis. The FE algorithms have been verified for three data transmission cases, i.e., sampling-based, delay and packet loss, so that the robustness against imperfect communication is demonstrated. Moreover, the performances of sensor and actuator FE have also been tested well on WiNC platform.

Bedingt durch das rasante Wachstum der Mikroelektronik sowie der Informations- und Kommunikationstechnologien wurde viel Aufmerksamkeit der Erforschung von drahtlos vernetzten Regelsystemen (W-NCS) gewidmet. Die Entwicklung der W-NCS schuf neue Herausforderungen für die Technologien zur Fehlerabschätzung (FE) bezüglich Störungen bei der Datenübertragung, wie zum Beispiel Übertragungsverzögerung, Paketverlust und Jitter. Um die Sicherheit und Zuverlässigkeit des Systems zu gewährleisten, ist die Entwicklung eines effektiven FE Ansatzes in vernetzten Systemen von zentraler Bedeutung. Andererseits sollten mit der Ausrichtung auf Anwendungen in der Echtzeit-Industrieautomatisierung die spezifischen Eigenschaften der Netzwerke angemessen berücksichtigt werden. Da die Aufgabe der Übertragung von Messungen und Steuerbefehlen in der Regel über einen Zeitraum deterministisch ist, sollten ein deterministischer Übertragungsmechanismus und die entsprechenden FE Verfahren vorgeschlagen werden. Motiviert durch die weit verbreitete Verwendung von sowohl zentralen und als auch dezentralen Strukturen in industriellen Prozesse, ist die Entwicklung sowohl von zentralen und als auch von dezentralen FE Methoden für W-NCS in der Industrieautomation das primäre Ziel dieser Arbeit. Diese Arbeit widmet sich zuerst der Modellierung der Prozesse und der Kommunikationsstruktur. Für die Modellierung der Kommunikation wird das Medium Access Control (MAC) Protokoll basierend auf dem Mehrfachzugriff im Zeitmultiplex (TDMA) modifiziert, um die Echtzeitfähigkeit zu gewährleisten. Das Prozessmodell wird unter Berücksichtigung der Abtastraten auf Basis der hierarchischen Struktur des W-NCS aufgestellt. Durch die Berücksichtigung der Unsicherheit von Netzwerken und Auswirkungen von Fehlern wird ein linear periodisches (LP) Systemmodell, durch die Integration des Kommunikationsmodells und des Prozessmodells, als Basis für die spätere Entwicklung präsentiert. Die weiteren Untersuchungen konzentrieren sich auf die Entwicklung von FE Modellen für zentrale und dezentrale W-NCS. Um eine erhöhte Robustheit gegen unbekannte Störungen und den Schätzfehler des Anfangszustandes zu erreichen, wird ein zentraler FE Ansatz mit Hilfe des stochastischen Modells im Krein Raum vorgeschlagen. Für die dezentrale FE wird der Algorithmus für jedes Teilsystem implementiert und die Kopplungsbeziehungen zwischen den Teilsystemen entsprechend berücksichtigt. Basierend darauf werden die FE Ansätze mit zwei Arten von Residuensignalen präsentiert, nicht-verteilten Residuen und verteilten Residuen,. Um die Wirksamkeit der entwickelten FE Ansätze darzustellen, wird in dieser Arbeit die Industrieplattform WiNC, zumammen mit einem Dreitanksystem verwendet. Die FE Algorithmen wurden in den drei Datenübertragungsfällen Fehlerfrei, mit Verzögerungen und mit Paketverlust verifiziert, so dass die Robustheit gegenüber einer unvollkommenen Kommunikation demonstriert wird. Darüber hinaus wurde die Leistungsfähigkeit bezüglich Sensor- und Aktuator-FE ausgiebig auf der WiNC Plattform getestet.

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Wang, Ying: Fault Estimation Schemes of Wireless Networked Control Systems for Real-Time Industrial Applications. 2014.

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