Fault detection and diagnosis : application in microelectromechanical systems

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 utilizat...

Πλήρης περιγραφή

Λεπτομέρειες βιβλιογραφικής εγγραφής
Κύριος συγγραφέας: Ρέππα, Βασιλική
Άλλοι συγγραφείς: Τζες, Αντώνιος
Μορφή: Thesis
Γλώσσα:English
Έκδοση: 2010
Θέματα:
Διαθέσιμο Online:http://nemertes.lis.upatras.gr/jspui/handle/10889/3932
id nemertes-10889-3932
record_format dspace
institution UPatras
collection Nemertes
language English
topic Fault detection
Fault isolation
Fault identification
Set membership identification
Orthotopes
Ellipsoids
Microelectromechanical systems
Electrostatic microactuator
Torsional resonance atomic force microscope
Ανίχνευση σφαλμάτων
Απομόνωση σφαλμάτων
Αναγνώριση σφαλμάτων
Αναγνώριση συνόλου συμμετοχής
Ορθότοπα
Ελλειψοειδή
Μικροηλεκτρομηχανικά συστήματα
Ηλεκτροστατικός μικροεπενεργητής
Ατομικό μικροσκόπιο συντονισμού στρέψης
620.004 4
spellingShingle Fault detection
Fault isolation
Fault identification
Set membership identification
Orthotopes
Ellipsoids
Microelectromechanical systems
Electrostatic microactuator
Torsional resonance atomic force microscope
Ανίχνευση σφαλμάτων
Απομόνωση σφαλμάτων
Αναγνώριση σφαλμάτων
Αναγνώριση συνόλου συμμετοχής
Ορθότοπα
Ελλειψοειδή
Μικροηλεκτρομηχανικά συστήματα
Ηλεκτροστατικός μικροεπενεργητής
Ατομικό μικροσκόπιο συντονισμού στρέψης
620.004 4
Ρέππα, Βασιλική
Fault detection and diagnosis : application in microelectromechanical systems
description 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 in 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.
author2 Τζες, Αντώνιος
author_facet Τζες, Αντώνιος
Ρέππα, Βασιλική
format Thesis
author Ρέππα, Βασιλική
author_sort Ρέππα, Βασιλική
title Fault detection and diagnosis : application in microelectromechanical systems
title_short Fault detection and diagnosis : application in microelectromechanical systems
title_full Fault detection and diagnosis : application in microelectromechanical systems
title_fullStr Fault detection and diagnosis : application in microelectromechanical systems
title_full_unstemmed Fault detection and diagnosis : application in microelectromechanical systems
title_sort fault detection and diagnosis : application in microelectromechanical systems
publishDate 2010
url http://nemertes.lis.upatras.gr/jspui/handle/10889/3932
work_keys_str_mv AT reppabasilikē faultdetectionanddiagnosisapplicationinmicroelectromechanicalsystems
AT reppabasilikē anichneusēkaidiagnōsēsphalmatōnmeepharmogessemikroēlektromēchanikasystēmata
_version_ 1771297143910301696
spelling nemertes-10889-39322022-09-05T05:37:33Z Fault detection and diagnosis : application in microelectromechanical systems Ανίχνευση και διάγνωση σφαλμάτων με εφαρμογές σε μικροηλεκτρομηχανικά συστήματα Ρέππα, Βασιλική Τζες, Αντώνιος Γρουμπός, Πέτρος Δερματάς, Ευάγγελος Καζάκος, Δημοσθένης Κούσουλας, Νικόλαος Μπερμπερίδης, Κωνσταντίνος Ποιμενίδης, Τριαντάφυλλος Τζες, Αντώνιος Reppa, Vasiliki Fault detection Fault isolation Fault identification Set membership identification Orthotopes Ellipsoids Microelectromechanical systems Electrostatic microactuator Torsional resonance atomic force microscope Ανίχνευση σφαλμάτων Απομόνωση σφαλμάτων Αναγνώριση σφαλμάτων Αναγνώριση συνόλου συμμετοχής Ορθότοπα Ελλειψοειδή Μικροηλεκτρομηχανικά συστήματα Ηλεκτροστατικός μικροεπενεργητής Ατομικό μικροσκόπιο συντονισμού στρέψης 620.004 4 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 in 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, η οποία είναι ικανή να εντοπίζει, απομονώνει και αναγνωρίζει πολλαπλά, απότομα παραμετρικά σφάλματα. H προτεινόμενη μέθοδος βασίζεται στην αναγνώριση του συνόλου συμμετοχής των παραμέτρων. Ο στόχος της Αναγνώρισης Συνόλου Συμμετοχής είναι ο καθορισμός του παραμετρικού συνόλου εντός του οποίου κείται το ονομαστικό διάνυσμα παραμέτρων, δεδομένου ότι το ονομαστικό διάνυσμα παραμέτρων ανήκει επίσης σε έναν υπερχώρο δεδομένων. Το παραμετρικό σύνολο απεικονίζεται ως ένα ορθότοπο ή ένα ελλειψοειδές, λόγω της εύκολης μαθηματικής τους περιγραφής. Έτσι, η διαδικασία Αναγνώρισης Συνόλου Συμμετοχής αντιστοιχεί σε ένα πρόβλημα βελτιστοποίησης, το οποίο αποσκοπεί στον υπολογισμό του ορθοτόπου ή 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 Αναγνώρισης Συνόλου Συμμετοχής, 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 Ανίχνευση και Διάγνωση Σφαλμάτων πραγματοποιείται βασιζόμενη στην Αναγνώριση Συνόλου Συμμετοχής 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 προτεινόμενων μεθόδων. Η συγκεκριμένη διατριβή επίσης ερευνά την αποτελεσματικότητα της προτεινόμενης 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 μικροσκόπιο συντονισμού στρέψης. Από πλευράς μηχανικής, οι τρόποι εκδήλωσης σφαλμάτων στα δομικά στοιχεία του μικροεπενεργητή ή του ατομικού μικροσκοποίου αντιμετωπίζονται ως απότομες παραμετρικές, οι οποίες εντοπίζονται και διαγιγνώσκονται από τις προτεινόμενες μεθόδους. 2010-12-07T11:59:40Z 2010-12-07T11:59:40Z 2010-07-08 2010-12-07T11:59:40Z Thesis http://nemertes.lis.upatras.gr/jspui/handle/10889/3932 en Η ΒΚΠ διαθέτει αντίτυπο της διατριβής σε έντυπη μορφή στο βιβλιοστάσιο διδακτορικών διατριβών που βρίσκεται στο ισόγειο του κτιρίου της. 0 application/pdf application/pdf