Active Fault-Tolerant Control Strategy Based on Moving Horizon Estimation and Model Predictive Control

dc.contributor.advisor-co1Medeiros, Renan Landau Paiva de
dc.contributor.advisor-co1Latteshttp://lattes.cnpq.br/8081923559538095eng
dc.contributor.advisor-co1orcidhttps://orcid.org/0000-0002-1645-2736eng
dc.contributor.advisor1Bessa, Iury Valente de
dc.contributor.advisor1Latteshttp://lattes.cnpq.br/7433480638156752eng
dc.contributor.advisor1orcidhttps://orcid.org/0000-0002-6603-3476eng
dc.contributor.referee1Lopes, Rosileide de Oliveira
dc.contributor.referee1Latteshttp://lattes.cnpq.br/3248976355757595eng
dc.contributor.referee1orcidhttps://orcid.org/0000-0003-2805-7140eng
dc.contributor.referee2Peixoto, Márcia Luciana da Costa Peixoto
dc.contributor.referee2Latteshttp://lattes.cnpq.br/1447270660198605eng
dc.contributor.referee2orcidhttps://orcid.org/0000-0001-7369-6297eng
dc.creatorFarias, Arllem de Oliveira
dc.creator.Latteshttp://lattes.cnpq.br/9393162506097486eng
dc.creator.orcidhttps://orcid.org/0000-0002-9424-2590eng
dc.date.issued2025-08-29
dc.description.abstractThis 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.eng
dc.description.resumoEste 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.eng
dc.formatapplication/pdf*
dc.identifier.citationFARIAS, 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.eng
dc.identifier.urihttps://tede.ufam.edu.br/handle/tede/11178
dc.languageengeng
dc.publisherUniversidade Federal do Amazonaseng
dc.publisher.countryBrasileng
dc.publisher.departmentFaculdade de Tecnologiaeng
dc.publisher.initialsUFAMeng
dc.publisher.programPrograma de Pós-graduação em Engenharia Elétricaeng
dc.rightsAcesso Aberto
dc.rights.urihttps://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/pt_BR
dc.subjectFault-tolerant controleng
dc.subjectModel predictive controleng
dc.subjectMoving horizon estimationeng
dc.subjectFault accommodationeng
dc.subjectConstrained controleng
dc.subjectThree-tank systemeng
dc.subject.cnpqENGENHARIAS: ENGENHARIA ELETRICA: ELETRONICA INDUSTRIAL, SISTEMAS E CONTROLES ELETRONICOS: CONTROLE DE PROCESSOS ELETRONICOS, RETROALIMENTACAOeng
dc.thumbnail.urlhttps://tede.ufam.edu.br/retrieve/87903/DISS_ArllemFarias_PPGEE.jpg*
dc.titleActive Fault-Tolerant Control Strategy Based on Moving Horizon Estimation and Model Predictive Controleng
dc.typeDissertaçãoeng

Arquivos

Pacote original

Agora exibindo 1 - 1 de 1
Carregando...
Imagem de Miniatura
Nome:
DISS_ArllemFarias_PPGEE
Tamanho:
5,18 MB
Formato:
Adobe Portable Document Format

Pacote de licença

Agora exibindo 1 - 1 de 1
Carregando...
Imagem de Miniatura
Nome:
license.txt
Tamanho:
2,32 KB
Formato:
Item-specific license agreed upon to submission
Descrição: