Fault-tolerant supervisory control of discrete event systems: Methods and examples

Abstract

Hatalar kontrol edilemeyen olaylardır. Sistemde bir anda meydana gelirler ve sistemin çalışma düzenin negatif yönde etkilerler. Genellikle, ayrık olaylı sistemlerde (DES) hata olması durumunda, ilgili olayların veya operasyonların bir daha oluşmama ihtimali vardır. Bu tezde hata içeren ayrık olaylı sistemlerin denetleyici kontrolü çalışılmıştır. Bu vesile ile iki ana konsept incelenmiştir: Hataya dayanıklılık ve hata kurtarıcı kontrol. Hataya dayanıklı kontrole ilişkin, sistemin hem normal durumunda hem de hatalı durumda tek bir kontrolör kullanılması amaçlanmıştır. Buradan yola çıkarak, önce hem hatalı hem de hatasız durumda verilen tavrı çalıştırabilen bir spesifikasyonun gerekli ve uygun koşulları tanımlanmıştır. Daha sonra gösterilmiştir ki, tanımlanan koşulların ihlal edildiği durumlarda supremal bir arızaya dayanıklı alt dil belirlenmesi mümkündür. Son olarak bu alt dilin bulunabilmesini sağlayan bir algoritma geliştirilmiş ve bunun doğruluğu kanıtlanmıştır. Var olan diğer çalışmalardan farklı olarak, bizim geliştirdiğimiz hataya dayanıklı kontrolör, hatanın oluşmasına ve sistemin herhangi bir zamanda tamirine izin vermektedir. Hata kurtarıcı kontrole ilişkin, ayrık olaylı sistemlerin operasyonunda hem hata sonrası durumuna hem de tamir sonrası durumunun kontrolü için çalışılmıştır. Öncelikle DES'e yönelik arıza kurtarma için yeni bir model geliştirilmiştir. Özellikle, bir arızadan sonra bozuk bir spesifikasyona göre işlemine devam eden ve sonunda da arızadan sonra istenen bir davranışa yönelen bir arıza oluşumuna kadar, belirtilen nominal sistem davranışını takip eden bir arıza kurtarma denetçisi hesapladık. Ardından, yöntemimizin sistem tamirine de uygulanabileceği gösterilmiş ve isteğe bağlı sayıda arıza oluşumu ve sistem tamiri durumunu kontrol edebilebilen bir denetleyiçi oluşturulmasını sağlayan yinelemeli bir algoritma önerilmiştir. Son olarak, arıza kurtarma ve tamir yöntemi, birçok ve farklı arıza ve tamirler ile birlikte sunulmuştur. Sonuç olarak, arızasız durumlarda belirtilen nominal sistem davranışını takip eden, her bir arıza tipi için istenen bozuk davranışa yönelen ve ilgili tamir işleminden sonra nominal davranışı kurtaran bir denetçi elde edilmiştir. Geliştirilen tüm yöntemler ayrı ayrı oluşturduğumuz bir küçük üretim sistemi örneğiyle gösterilmiş ve tüm sonuçlar aynı örnek üzerinde açıklanmıştır.

Faults can be considered as uncontrollable events that suddenly happen in a system and change the behaviour of the system in a negative way. In particular, in case a fault happens in a discrete event system (DES), certain actions or operations might no longer be possible. This thesis studies the supervisory control of DES that are subject to faults. Hereby, two concepts are employed: Fault-tolerant and fault-recovery control. Regarding fault-tolerant control, it is desired to use a controller that works both for the system with and without a fault. Hence, we first identify necessary and sufficient conditions for the existence of a supervisor that realizes a given behavioral specification both in the non-faulty and in the faulty case. We further show that it is possible to determine a supremal fault-tolerant sublanguage in case the existence condition is violated. Finally, we propose an algorithm for the computation of this sublanguage and prove its correctness. Different from existing work, our fault-tolerant supervisor allows fault occurrences and system repairs at any time. Regarding fault-recovery control, we study both the case of operating a DES after a fault and after repair. We first develop a new method for the fault-recovery of DES. In particular, we compute a fault-recovery supervisor that follows the specified nominal system behavior until a fault occurrence, that continues its operation according to a degraded specification after a fault and that finally converges to a desired behavior after fault. We next show that our method is also applicable to system repair and we propose an iterative procedure that determines a supervisor for an arbitrary number of fault occurrences and system repairs. Finally, we extend our fault-recovery and repair method with multiple and different faults and repairs. As a result, we obtain a supervisor that follows the specified nominal system behavior in the fault-free case, converges to a desired degraded behavior for each fault type and recovers the nominal behavior after corresponding repair. All developed methods are demonstrated with a small manufacturing system.