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???metadata.dc.type???: Dissertação
Title: Active Fault-Tolerant Control Strategy Based on Moving Horizon Estimation and Model Predictive Control
???metadata.dc.creator???: Farias, Arllem de Oliveira 
???metadata.dc.contributor.advisor1???: Bessa, Iury Valente de
First advisor-co: Medeiros, Renan Landau Paiva de
???metadata.dc.contributor.referee1???: Lopes, Rosileide de Oliveira
???metadata.dc.contributor.referee2???: Peixoto, Márcia Luciana da Costa Peixoto
???metadata.dc.description.resumo???: Este trabalho aborda o projeto e a avaliação de uma estrutura integrada de Controle Ativo Tolerante a Falhas (AFTC), que combina Controle Preditivo por Modelo (MPC) e Estimativa de Horizonte Móvel (MHE) para acomodação de falhas em tempo real em sistemas multivariáveis com restrições. A metodologia proposta é validada em um modelo linearizado do sistema de três tanques, tanto sob condições nominais quanto na presença de falhas nos atuadores e na planta. A formulação do MPC incorpora restrições poliédricas de estado e entrada, um conjunto terminal elipsoidal e sua aproximação poliédrica interna, garantindo a factibilidade e a estabilidade recursivas. Um estimador de parâmetros baseado em MHE amplia o modelo do sistema para, de forma simultânea e online, realizar a estimativa de estados e de resíduos de falhas, permitindo a reconfiguração dinâmica do sistema em malha fechada. Para o cenário nominal (livre de falhas), os resultados das simulações demonstram que a estrutura proposta alcança um rastreamento preciso do ponto de ajuste, com erro desprezível em regime permanente, respeitando todas as restrições. Em situações de falhas abruptas do atuador, o método restaura o desempenho próximo ao obtido com conhecimento perfeito das falhas, apresentando apenas pequena degradação devido ao atraso na estimativa. Já em casos de falhas graves na planta, envolvendo não linearidades significativas, como bloqueios de tubulações e vazamentos em tanques, a abordagem proposta proporciona apenas recuperação parcial, com desempenho superior ao da configuração nominal, embora limitado pela capacidade de convergência do estimador. O estudo conclui que a integração de MPC e MHE em uma estrutura AFTC unificada aumenta a resiliência do sistema a falhas, mantendo a satisfação das restrições. A abordagem mostra-se particularmente adequada para aplicações lineares e estabelece uma base para futuras extensões, incluindo estimativas robustas e não lineares, estratégias avançadas de controle preditivo e implementação em hardware em tempo real.
Abstract: This work addresses the design and evaluation of an integrated Active Fault-Tolerant Control (AFTC) framework that combines Model Predictive Control (MPC) and Moving Horizon Estimation (MHE) to achieve real-time fault accommodation in constrained multivariable systems. The proposed methodology is validated on a linearized three-tank system model, both under nominal conditions and in the presence of actuator and plant faults. The MPC formulation incorporates polyhedral state and input constraints, an ellipsoidal terminal set, and its inner polyhedral approximation to ensure recursive feasibility and stability. A parameter estimator based on MHE augments the system model to simultaneously estimate states and fault residuals online, enabling the dynamic reconfiguration of the closed-loop system. For the nominal (fault-free) scenario, the simulation results demonstrate that the proposed AFTC framework achieves accurate setpoint tracking with negligible steady-state error, while respecting all constraints. In situations of abrupt actuator fault, the method restores performance close to that obtained with perfect fault knowledge, presenting only minor degradation due to estimation delay. In cases of severe plant faults involving significant nonlinearities, such as pipe blockages and tank leakages, the proposed approach provides only partial recovery, with superior performance to the nominal-model configuration, although limited by the convergence capacity of the estimator. The study concludes that integrating MPC and MHE into a unified AFTC framework enhances system resilience to faults while ensuring constraint satisfaction. The proposed approach is particularly well-suited for linear applications and provides a foundation for future extensions, including robust and nonlinear estimations, advanced predictive control strategies, and real-time hardware implementation.
???metadata.dc.subject.cnpq???: ENGENHARIAS: ENGENHARIA ELETRICA: ELETRONICA INDUSTRIAL, SISTEMAS E CONTROLES ELETRONICOS: CONTROLE DE PROCESSOS ELETRONICOS, RETROALIMENTACAO
???metadata.dc.subject.user???: Fault-tolerant control
Model predictive control
Moving horizon estimation
Fault accommodation
Constrained control
Three-tank system
Language: eng
???metadata.dc.publisher.country???: Brasil
Publisher: Universidade Federal do Amazonas
???metadata.dc.publisher.initials???: UFAM
???metadata.dc.publisher.department???: Faculdade de Tecnologia
???metadata.dc.publisher.program???: Programa de Pós-graduação em Engenharia Elétrica
Citation: FARIAS, Arllem de Oliveira. Active Fault-Tolerant Control Strategy Based on Moving Horizon Estimation and Model Predictive Control. 2025. 59 p. Dissertation (Master's in Electrical Engineering) - Federal University of Amazonas, Manaus (AM), 2025.
???metadata.dc.rights???: Acesso Aberto
???metadata.dc.rights.uri???: https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
URI: https://tede.ufam.edu.br/handle/tede/11178
Issue Date: 29-Aug-2025
Appears in Collections:Mestrado em Engenharia Elétrica

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