République Algérienne Démocratique et Populaire Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique UNIVERSITÉ M’HAMED BOUGARA - BOUMERDÈS Faculté des Hydrocarbures et de la Chimie Département : Automatisation et Electrification des Procédés Industriels Laboratoire d’Automatique Appliquée THESE DE DOCTORAT Présentée par HAFAIFA AHMED En vue de l’obtention du diplôme de Docteur en Génie électrique Option : Automatique Appliquée et Traitement du Signal THEME Diagno stic et Surveillance des Processus Industriels Complexes par FDI Floue (Fuzzy Fault Detection and Isolation) - Application à un Système de Compression - Composition du Jury Mimoun ZELMAT Professeur Université de Boumerdès. Président Ferhat LAAOUAD Professeur Université de Boumerdès. Rapporteur Belkacem OULD-BOUMMAMA Professeur Université des Sciences et Examinateur Technologies de Lille, France. Djamel BOUKHETALA Professeur Ecole Nationale Polytechnique, Alger. Examinateur Azzedine CHIHEB M.C (A) Université Badji Mokhtar de Annaba. Examinateur Boumerdès 2010 Je dédie cette thèse à mes parents, à mes frères et sœurs, à ma femme qui m'a soutenu et pour sa patience, à ma sœur Sabrina et à tous ceux que j’aime Il est bien plus beau de savoir quelque chose de tout que de savoir tout d'une chose. Pascal, Blaise (1623-1662) Je crois que l'avenir de l'humanité est dans le progrès de la raison par la science. Zola, Émile (1840-1902) Remerciements C e travail n’aurait jamais vu le jour sans l’aide de personnes auxquelles je veux adresser mes sincères remerciements. Je voudrais en premier lieu exprimer tous mes remerciements au Professeur Ferhat LAAOUAD, pour m’avoir donné l’opportunité d’effectuer ce travail dans un domaine qui m’a toujours passionné et pour m’avoir accueilli dans son équipe et pour m’avoir encadré tout au long de ce travail, qu’il trouve ici l’expression de ma plus profonde gratitude pour m’avoir soutenu et encouragé dans les moments difficiles. Je le remercie également pour les lectures attentives qu’il a faites de ce travail aux différentes étapes de sa réalisation et aux bons conseils qu’il m’a prodigués lorsqu’un problème ou un autre me bloquait. Mes remerciements vont également à tous ceux qui ont, de prés ou de loin, participé à l’élaboration de ce travail, et à tous ceux qui par un simple mot ou geste, m’ont aidé et encouragé tout au long de mes études, je pense à mes parents, mes sœurs, mes frères, à tous mes amis d’enfance. Tous mes remerciements vont également aux membres du jury pour m’avoir fait l’honneur d’examiner ce travail avec un regard empli d’expérience. En fin, je remercie mes amis Kouider Laroussi, Ali Benani, Brahim Lahrech, Azzouz Mohamed, Foudili Mokhtar, Iratni Abdelhamid, Mouloud Goumana, Salim Zebeir et Rbihi Mohamed pour m’avoir assisté à chaque fois que j’en avais besoin, leur présence à mes cotés est sans doute le plus beau témoignage d’amitié. Je me souviendrai toujours. ﺺﺨﻠﻣ داز ةﺮﻴﺧﻷا تاﻮﻨﺴﻟا لﻼﺧ ﺔﻴﻋﺎﻨﺼﻟا ﺔﻤﻈﻧﻷا ﻲﻓ ﺔﻴﻟﻵا تﺎﻴﻨﻘﺘﻟا لﺎﻤﻌﺘﺳا نإ ﻢﻜﺤﺗ تﺎﻴﻨﻘﺗ ﻰﻠﻋ ﺎﻬﻠﻤﻋ أﺪﺒﻣ ﻲﻓ ﺪﻤﺘﻌﺗ ةﺮﻴﺧﻷا ﻩﺬه نﻷ ، ﺔﻤﻈﻧﻷا ﻩﺬه ﺪﻴﻘﻌﺗ ﻦﻣ ءﺎﻄﺧﻸﻟ ﺔﺿﺮﻋ ﺎﻬﻠﻌﺠﻳ ﺎﻤﻣ ، ﺔﺳﺎﺴﺣ ﺪﺟ جﺎﺘﻧإو سﺎﻴﻗ ﻞﺋﺎﺳو ﻰﻠﻋو ، ةﺪﻘﻌﻣ ﺪﺟ .ﺔﻴﻟﺎﻤﻌﺘﺳﻹا ﻞﺋﺎﺳوو، ﺔﺒﻗاﺮﻣ ةﺰﻬﺟﺄﺑ ﺔﻴﻋﺎﻨﺼﻟا ﺔﻤﻈﻧﻷا ﻩﺬه ﺪﻳوﺰﺗ ﺐﺠﻳ بﺎﺒﺳﻷا ﻩﺬﻬﻟ ﻚﻟذو ، ﺔﻤﻈﻧﻷا ﻩﺬﻬﻟ ﺔﻴﻠﻴﻐﺸﺘﻟا ﺔﻟﺎﺤﻟا ﻦﻋ تﺎﻣﻮﻠﻌﻤﻟا ﺮﻴﻓﻮﺗ ﻰﻠﻋ ةردﺎﻗ ﺺﻴﺨﺸﺗ . لﺎﻤﻌﺘﺳﻻا ﻲﻓ ﻞﻠﺧ يأ ﻦﻋ ةﺮﻜﺒﻤﻟا راﺬﻧﻹا تاﺮﺷﺆﻣ ﺮﻴﻓﻮﺘﺑ ﻩﺬه ﻩارﻮﺘآﺪﻟا ﺔﻟﺎﺳر لﻼﺧ ﻪﺿﺮﻌﻧ يﺬﻟا ﻲﻤﻠﻌﻟا ﺎﻨﻠﻤﻋ ﻞﺠﺴﻳ لﺎﺠﻤﻟا اﺬه ﻲﻓ ﻢﻴﻤﺼﺘﻟ ﻲﻈﻔﻟ ﻞﻴﺜﻤﺗ دﺎﺠﻳإ ﻲﻓ ﻪﻔﻴﻇﻮﺗ ﺎﻨﻨﻜﻤﻳ يﺬﻟا ، ﺾﻣﺎﻐﻟا ﻖﻄﻨﻤﻟا لﺎﻤﻌﺘﺳا ﻲﻓ ﻞﺜﻤﺘﻳ يﺬﻟاو ، ﺔﺳارﺪﻟا ﻞﺤﻣ ﻲﻋﺎﻨﺻ مﺎﻈﻨﺑ صﺎﺧ ﺺﻴﺨﺸﺗو ، ﺔﺒﻗاﺮﻣ مﺎﻈﻧ اﺬه ىوﺪﺟ زاﺮﺑﻹ ،تﺎﻗوﺮﺤﻤﻟا ﻞﻘﻧ ناﺪﻴﻣ ﻲﻓ ﺔﻠﻤﻌﺘﺴﻤﻟا تازﺎﻐﻟا ﻂﻐﺿ مﺎﻈﻧ ﺺﻴﺨﺸﺗو ﺔﺒﻗاﺮﻣ مﺎﻈﻧ ﻢﻴﻤﺼﺘﺑ ﻖﻠﻌﺘﻤﻟاو ﻩزﺎﺠﻧﺈﺑ ﺎﻨﻤﻗ ﺎﻘﻴﺒﻄﺗ ضﺮﻌﺘﺴﻧ حﺮﻄﻟا ناﺪﻴﻤﻟا اﺬه ﻲﻓ جﺎﺘﻧﻹا ﻊﻓر ﻰﻟإ يدﺆﻳ ﺎﻤﻣ ، تازﺎﻐﻟا ﻂﻐﺿ مﺎﻈﻨﺑ صﺎﺧ . ﺔﻴﻋﺎﻨﺼﻟا ﺔﻤﻈﻧﻸﻟ ﺔﻳﺪﻴﻠﻘﺘﻟا ﺔﺒﻗاﺮﻤﻟا ﺺﺋﺎﻘﻧ كارﺪﺘﺳاو Abstract During the last decade, significant change of direction in the development of automation theory and its application has attracted great attention from the academic and industrial communities. The concept of "Intelligent systems" has been suggested as an alternative approach to conventional. The objective is to introduce new mechanisms permitting a more flexible automation system, but especially more robust one, able to deal with model uncertainties and parameter variations. In this work, we examine and illustrate the use of fuzzy logic in diagnosis for fault detection and isolation in compression system. Model-based fault detection and isolation (FDI) is an approach with increasing attention in the academic and industrial fields. In FDI, the discrepancies between system outputs and model outputs are called residuals, and are used to detect and isolate faults. This thesis proposes a model-based architecture for fault detection and isolation based on fuzzy methods. Fuzzy methods are used to derive residuals models for the process running in normal operation and for each fault. When a fault occurs, fault detection is performed using the residuals. Then, the faulty fuzzy models are used to isolate a fault. The FDI architecture proposed in this work uses a fuzzy decision making approach to isolate faults, which is based on the analysis of the residuals. Fuzzy decision factors are derived to isolate faults. This thesis describes a general architecture for diagnosis, fault detection and isolation of a compression system. The compressions systems are crucial part of most chemical and petrochemical plants. It's a system being very complex by its physical structure as well as its behavior (surge problem). The validity of the proposed methodology is illustrated by the application of this approach to the compression system of SC3/ SONATRACH of DJELFA has shown its ability to detect and isolate the incipient faults. Liste des publications (De 2004 à 2009) A. Articles dans des revues internationales (De 2004 à 2009) 1. Ahmed Hafaifa, Kouider Laroussi and Ferhat Laaouad, Robust fuzzy fault detection and isolation approach applied to the surge in centrifugal compressor modeling and control. Fuzzy Information and Engineering, Springer (2010), vol.2 no.1, pp.49-73. 2. Ahmed Hafaifa, Ferhat Laaouad and Kouider Laroussi, Fuzzy approach applied in fault detection and isolation to the compression system control. Studies in Informatics and Control (SIC), (2010), vol.19, no.1, pp.17-26. 3. Ahmed Hafaifa, Ferhat Laaouad and Kouider Laroussi, Fuzzy logic approach applied to the surge detection and isolation in centrifugal compressor. Automatic Control and Computer Sciences, Springer (2010), vol. 44, no. 1, pp. pp. 53–59. 4. Ahmed Hafaifa, Kouider Laroussi and Ferhat Laaouad, Fault detection and isolation in industrial plants using fuzzy observers models, Review of Advanced Technologies CDTA, Vol. 21, 2010. (Accepted in production). 5. Ahmed Hafaifa, Ferhat Laaouad and Moulod Guemana, A New engineering method for fuzzy reliability analysis of surge control in centrifugal compressor. American Journal of Engineering and Applied Sciences, (2009), vol. 2 no. 4, pp. 676-682. 6. Ahmed Hafaifa, Ferhat Laaouad and Kouider Laroussi, Centrifugal compressor surge detection and isolation with fuzzy logic controller. International Review of Automatic Control (Theory and Applications) – (2009). Vol. 2. n.1, pp. 108-114. 7. Ahmed Hafaifa, Ferhat Laaouad and Kouider Laroussi, Fuzzy modelling and control for detection and isolation of surge in industrial centrifugal compressors. Automatic Control Journal of the University of Belgrade (2009), vol.19, no.1, pp.19-26. 8. Ferhat Laaouad, M. Bouguerra, Ahmed Hafaifa and A. Iratni, Nonlinear Sensitive Control of Centrifugal Compressor. International Journal of Applied Mathematics and Computer Sciences (2007), vol. 4, no. 2, pp. 669-674. 9. Ferhat Laaouad, Ahmed Hafaifa and kouider Laroussi, A nonlinear model for a turbo compressor using fuzzy logic approach. World Scientific and Engineering Academy and Society (WSEAS) (2007), vol. 2, no. 2, pp. 79-84. 10. Ferhat Laaouad, Ahmed Hafaifa and L. Grigoriev, Conception of new control system using neural network approach permitting to increase energy in the industrial compression systems. International Journal of WELDING IN THE WORLD -LONDON- (2005), vol. 49, SPI, pp. 523-530. Liste des publications B. Articles de conférences (De 2004 à 2009) 1. A. Hafaifa, F. Laaouad, K. Laroussi, Fuzzy Observer for Fault Detection and Isolation in Complex Systems Applied to the Surge Detection in Centrifugal Compressor, 9ième Congrès de Mécanique – Marrakech Maroc, Avril 2009. 2. A. Hafaifa, F. Laaouad, K. Laroussi, The Implemented of the Bilinear PID and Fuzzy controller to the Centrifugal Compressor Surge Control, International Conference on Structural Analysis of Advanced Materials Tarbes, France September 2009. 3. F. Laaouad and A. Hafaifa, Fault Detection and Isolation of Industrial plants Using Fuzzy Observers Models, 10th International Conference on Chemistry and its Role in Development, Mansoura Egypt 2009. 4. A. Hafaifa, F. Laaouad and A. Bennani, Practical Design for a Robust Fault Detection and Isolation in Compression System, 2nd International Conference on Advanced Computational Engineering and Experimenting, Barcelona (Spain), 2008. 5. A. Hafaifa, F. Laaouad, K. Laroussi, A Numerical Structural Approach to Surge Detection and Isolation in Compression Systems using Fuzzy Logic Controller, Informatics 2008 organized by the International Association for Development of the Information Society (IADIS), Amsterdam Netherlands 2008. 6. A. Hafaifa, F. Laaouad, K. Laroussi, A new engineering method for fuzzy reliability analysis of surge control in centrifugal compressor, International Conference on Electrical Engineering Design and Technologies (ICEEDT), Hammamet, Tunisia 2007. 7. A. Hafaifa, F. Laaouad et A. Benani, Utilisation de la Méthode FDI Floue pour la Détection et l’Isolement de pompage dans les Compresseurs Centrifuges, 1st Algerian-German International Conference on New Technologies and their Impact on Society AGICNT 2008. 8. A. Hafaifa, F. Laaouad and M. Guemana, A Numerical Structural Approach to Surge Detection and Isolation in Compression Systems Using Fuzzy Logic Controller, 4th International Conference on Power Electronics, Machines and Drives 2008 (PEMD 2008),York St John University College, York, UK 2008. 9. A. Hafaifa, F. Laaouad, K. Laroussi, Utilisation de la méthode FDI pour la localisation de défauts de fonctionnement d’un processus non linéaire, International Conference on Computer Integrated Manufacturing CIP’2007 November, 03 – 04, Setif, Algeria 2007. 10. A. Hafaifa, F. Laaouad and M. Guemana, A Numerical Structural Approach to Surge Detection and Isolation in Compression Systems using Fuzzy Logic Controller, The Eighth international conference on Sciences and Techniques of Automatic control November 05-07, 2007, Sousse, Tunisia. Liste des publications 11. A. Hafaifa, F. Laaouad and M. Guemana, A new engineering method for fuzzy reliability analysis of surge control in centrifugal compressor, International Conference on Electrical Engineering Design and Technologies (ICEEDT) Hammamet, Tunisia. November 5-6, 2007. 12. F. Laaouad, A. Hafaifa and K. Laroussi, A Nonlinear Model for a Turbo Compressor using Fuzzy Logic Approach, Proceedings of the 6th WSEAS Int. Conf. on Electronics, Hardware, Wireless and Optical Communications, Corfu Island, Greece, February 16-19, 2007. 13. A. Hafaifa, F. Laaouad and K. Laroussi, Application de la méthode FDI pour la localisation et l'identification des défauts dans les processus industriels complexes, 3ème Symposium International des Hydrocarbures et de la chimie, Ghardaïa, Algérie 2006. 14. A. Hafaifa, F. Laaouad and K. Laroussi, Detection and Isolation of Surge in Centrifugal Compressor with a Correct Safety System, the International Conference APPA Advances in Production and Processing of Aluminium, Kingdom of Bahrain 2005. 15. A. Hafaifa, F. Laaouad and A. Iratni, Advanced Methods for Time – Varying and Non linear Processes Using Fuzzy Logic, The 7th International Conference on Computing Anticipatory Systems, CASYS’05, Liège Belgium August 2005. 16. A. hafaifa, F. Laaouad and K. Laroussi, A Non Linear Model For a Turbo Compressor Using Fuzzy Logic Approch, Fourth International Conference on Computational Heat and Mass Transfer, Paris – France May 2005. 17. A. Hafaifa, F. Laaouad and A. Aleb, Application of Fuzzy Logic to the Compressor Anti- Surge Control, The British Mathematical Colloquium and British Applied Mathematics, Liverpool April 2005. 18. A. Hafaifa, F. Laaouad and K. Laroussi, Fuzzy Approach Modelling and Thermodynamic Simulation in Centrifugal Compressors, Conférence Nationale sur le Génie Electrique CGE’ 04, Ecole Militaire Polytechnique de Bordj el Bahri, Alger. Avril 2005. 19. A. Hafaifa, F. Laaouad and A. Iratni, Nonlinear Sensitive Control of Centrifugal Compressor, IEEE Third International Conference on Systems, Signals & Devices, Sousse, Tunisia March 2005. 20. A. Hafaifa, F. Laaouad and L.I. Grigoriev, Modélisation d’u n système de compression par réseaux de neurones, 2ème Symposium International sur les Hydrocarbures et la Chimie à GHARDAIA, Algérie Mars 2004. T able des matières Introduction générale ……………………………………………………………..... 03 CHAPITRE I Introduction au diagnostic ……………………………………………………….… 07 I.1 Introduction…………………………………………………………………... 08 I.1.1 Définition et terminologie…………………………………………………….. 08 I.2 Critères de performance d’un système de diagnostic…………………………… 10 I.3 Redondance et définition des systèmes de surveillance………………………… 14 I.3.1 Redondance d'informations……………………………………………… 14 I.3.2 Redondance physique……………………………………………………. 14 I.3.3 Redondance analytique………………………………………………….. 14 I.3.4 Principe d'un système de surveillance……………………………………. 16 I.3.4.1 La surveillance…………………………………………………. 16 I.3.4.2 La supervision ………………………………………………… 17 I.3.4.3 Place de la détection…………………………………………… 17 I.4 Diagnostic à base de modèle…………………………………………………... 20 I.4.1 Méthodes de génération de résidus…………………………….. 22 I.4.2 Approche par espace de parité………………………………… 23 I.4.3 Approche par estimation de paramètres……………………….. 26 I.4.4 Estimation d'état………………………………………………. 29 I.5 La détection…………………………………………………………………… 33 I.6 La localisation…………………………………………………………………. 34 I.7 Logique flou et diagnostic…………………………...………………………… 37 I.7.1 Modèles flous pour la génération de résidus…………………………… 37 I.7.2 Détection floue des résidus……………………………………………. 39 I.7.3 Localisation floue……………………………………………………… 41 I.8 Conclusion ……………………………………………………………………. 43 A Table des matières CHAPITRE II Détection et localisation des défauts à base de la logique Floue (FDI Floue) (Fuzzy Fault Detection and Isolation) ……………………………………………… 44 II.1 Introduction…………………………………………………………………… 45 II.2 L’Approche FDI……………………………………………………………….. 45 II.2.1 Définitions…………………………………………………………….... 46 II.2.2 Principe………………………………………………………………… 47 II.3 Limites de la méthode……………………………………………………………. 49 II.3.1 Prise en compte de perturbations………………………………………. 52 II.3.2 Insuffisance d’informations…………………………………………….. 53 II.3.2.1 Connaissances d’informations sur le système…………………. 55 II.3.2.2 Informations sur les résidus …………………………………. 55 II.3.3 Autres sources d’erreur…………………………………………………. 57 II.4 Méthode FDI floue …………………………………………………………… 58 II.4.1 Systèmes experts flous ……………………………………………….... 58 II.4.2 Définition des ensembles flous…………………………………………. 60 II.4.3 Coefficient de détectabilité……………………………………………… 62 II.4.4 Matrice de détectabilité……………………………………………….... 63 II.4.5 Fuzzification des résidus………………………………………………. 64 II.5 Relation symptômes – défauts…………………………………………………. 66 II.5.1 Indicateur flou de défauts…………………………..…………………... 67 II.5.2 Extension au cas flou………………………………………………….. 68 II.6 Comparaison avec des opérateurs connus……………………………………... 73 II.6.1 Comparaison avec la distance de Hamming relative…………………… 73 II.6.2 Comparaison avec une fonction de similarité………………………….. 77 II.7 Identification de la grandeur des défauts………………………………………. 78 II.7.1 Fuzzification des résidus………………………………………………. 79 II.7.2 Amplitudes des défauts……………………………….............................. 80 II.8 Décision………………………………………………………………………. 82 II.9 Conclusion……………………………………………………………………. 83 B