I AE S In t er na t io na l J o urna l o f   Ro bo t ics a nd   Aut o m a t io n  ( I J RA)   Vo l.  1 4 ,   No .   2 ,  J u n e   20 2 5 ,   p p .   214 ~ 2 26   I SS N:  2722 - 2 5 8 6 ,  DOI :  1 0 . 1 1 5 9 1 /i jr a . v 14 i 2 . pp 2 1 4 - 2 26           214       J o ur na l ho m ep a g e :  h ttp : //ij r a . ia esco r e. co m   Desig n of  H - / H ∞  ba sed fault  dete ct io n f ilter  f o r l inea r uncer tain  sy stems us ing  line a r ma trix inequa l ities       M a s o o d Ahm a d 1, 2 ,   Ro s m iwa t i Mo hd - M o k hta r 1   1 S c h o o l   o f   E l e c t r i c a l   a n d   E l e c t r o n i c   E n g i n e e r i n g ,   En g i n e e r i n g   C a m p u s,  U n i v e r si t i   S a i n s   M a l a y s i a ,   P e n a n g ,   M a l a y si a     2 El e c t r i c a l   a n d   C o m p u t e r   En g i n e e r i n g   D e p a r t me n t ,   C O M S A TS U n i v e r s i t y   I sl a mab a d   ( La h o r e   C a m p u s) ,   P a k i s t a n       Art icle  I nfo     AB S T RAC T   A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   No v   2 7 ,   2 0 2 4   R ev is ed   Ma r   7 ,   2 0 2 5   Acc ep ted   Ma y   2 7 ,   2 0 2 5       On e   o f  th e   si g n if ica n t  c h a ll e n g e s  in   m o d e l - b a se d   fa u lt   d e tec ti o n   is  a c h iev in g   ro b u stn e ss   a g a in st  d ist u rb a n c e s   a n d   m o d e l  u n c e rtain ti e s  wh il e   e n su rin g   se n siti v it y   to   fa u l ts.  Th is  st u d y   p ro p o se s  a n   o p ti m ize d   a p p r o a c h   fo r   d e sig n i n g   fa u lt   d e tec ti o n   fil ters   f o r  d isc re te - ti m e   li n e a r  sy ste m s  with   n o rm - b o u n d e d   m o d e l  u n c e rtain ti e s.  T h e   d e sig n   lev e ra g e s   th e   H - /H∞   o p ti m iza ti o n   fra m e wo rk   a n d   is   e x p re ss e d   th r o u g h   li n e a r  m a tri x   in e q u a li t y   c o n str a in ts.  T h e   fil ter  is  d e sig n e d   t o   p ro d u c e   a   r e sid u a l  si g n a l  th a t  b a lan c e s  two   o p p o si n g   o b jec ti v e s:  m in imiz in g   th e   imp a c t  o f  d istu r b a n c e s  a n d   m o d e l  u n c e rtain ti e s  wh il e   m a x imiz in g   fa u lt   se n sit i v it y .   Th e   e ffe c ti v e n e ss   o f  t h e   p ro p o se d   m e th o d   is   d e m o n stra te d   th ro u g h   sim u latio n s  in v o lv i n g   se n so r  a n d   a c tu a to r   fa u lt   d e t e c ti o n   in   th e   we ll - k n o wn   th re e - tan k   s y ste m .   S imu lati o n   re su lt s   il lu stra te t h e   m e th o d ' s a b il it y   t o   m a in tain   ro b u st n e ss   a g a in st d ist u r b a n c e s a n d   u n c e rtain ti e s wh il e   e ffe c ti v e ly   d e t e c ti n g   fa u l ts i n   th e   sy ste m .   K ey w o r d s :   Fau lt d etec tio n   L in ea r   m atr ix   in eq u ality   Mo d el  u n ce r tain ty   Ob s er v er   d esig n   R o b u s tn ess   T h is i s  a n   o p e n   a c c e ss   a rticle   u n d e r th e   CC B Y - SA   li c e n se .     C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   R o s m iwati  Mo h d - Mo k h tar     Sch o o l o f   E lectr ical  a n d   E lectr o n ic  E n g i n ee r in g ,   E n g i n ee r in g   C am p u s ,   Un iv er s iti Sain s   Ma lay s ia   Pen an g ,   Ma lay s ia   E m ail:  ee r o s m iwati@ u s m . m y       1.   I NT RO D UCT I O N   Fau lt  d etec tio n   is   ess en tial  in   r o b o tics   an d   a u to m atio n   s y s tem s   to   en s u r e  r eliab ili ty ,   s af ety ,   en v ir o n m en tal  s u s tain ab ilit y ,   an d   ac h ie v e  d esire d   p er f o r m a n ce   lev els   [ 1 ] .   I t  i d en tifie s   is s u es  ea r ly ,   m i n im izes  d o wn tim e,   p r ev e n ts   ac cid en t s ,   an d   m ain tain s   p r o d u ct   q u ality .   I n   th e  in d u s tr y ,   it  in cr ea s es  p r o d u ctiv ity ,   en s u r es  o p er atio n al  co n tin u ity ,   an d   co n tr i b u tes  to   s u s tain ab ilit y   b y   p r ev e n tin g   waste  an d   in ef f icien cies.  R o b o tics   an d   au to m atio n   s y s tem s   f r eq u en tly   in ter ac t  with   h u m an s   o r   h az ar d o u s   m ater ia ls .   Dete ctin g   f au lt s   ea r ly   p r ev en ts   ac cid e n ts ,   p r o t ec ts   wo r k er s ,   a n d   m in im izes  r is k s .   As  in d u s tr ies  ad o p t  s m ar t  m an u f ac tu r in g ,   f au lt  d etec tio n   b ec o m es  in teg r al  to   r ea l - tim e  m o n ito r in g ,   s elf - d iag n o s is ,   an d   au to n o m o u s   d ec is io n - m ak in g ,   k ey   p r in ci p les  o f   I n d u s tr y   4 . 0 .   Me etin g   th ese  r eq u ir em e n ts   o f ten   in cr ea s es  b o th   s y s tem   c o m p lex ity   an d   co s t.  Fau lts   o r   ab n o r m al  b eh a v io r s   in   s u ch   co m p lex   s y s tem s   ca n   d eg r a d e  p e r f o r m an ce   a n d   p o ten tially   lead   to   h az ar d o u s   s itu atio n s ,   p o s in g   r i s k s   to   h u m an   s af ety   a n d   f in a n cial  lo s s .   T h u s ,   ea r ly   d etec tio n   an d   id e n tific atio n   o f   ab n o r m al   s y s tem   b eh a v io r s   ar e  ess en tial  to   p r ev en t  th e s e  ad v er s e  o u tco m es   [ 2 ] – [ 5 ] .   Ov er   th e   p ast  two   d ec ad es,  n u m er o u s   ad v a n ce m en ts   in   r esil ien t  f au lt  d etec tio n   ( FD)   s y s tem   d esig n   h av e  b ee n   m ad e,   b r o ad ly   ca teg o r ized   in to   m o d el - b ased   an d   m o d el - f r ee   ap p r o ac h es   [ 6 ] – [ 9 ] .   Am o n g   m o d el - b ased   m eth o d s ,   o b s er v e r - b ased   tech n iq u es h av e  g ain e d   p o p u lar ity   d u e  to   th eir   s im p ler   s tr u ctu r e  an d   r elativ ely   lo wer   d esig n   co m p lex ity   [ 1 0 ] ,   [ 1 1 ] .   T h ese  a p p r o ac h es  u tili ze   a  f au lt  d etec tio n   f ilter   ( FDF)  to   g en er ate  a  r esid u al,   d ef in e d   as  th e   d if f er en ce   b etwe en   th e  s y s te m ' s   m ea s u r ed   o u tp u ts   an d   th e  esti m ated   o u tp u ts   d er iv e d   f r o m   its   m o d el.   B y   co m p ar in g   th e  r esid u al  a g ain s t a   p r ed e f in ed   th r esh o ld ,   t h e  o c cu r r en ce   o f   f a u lts   ca n   b e  id e n tifie d   [ 1 2 ] ,   [ 1 3 ] .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I AE S  I n t  J   R o b   &   A u to m   I SS N:   2722 - 2 5 8 6         Desig n   o f H - /H∞ b a s ed   fa u lt  d etec tio n   filt er fo r   lin ea r   u n ce r ta in   s ystem s   …   ( Ma s o o d   A h m a d )   215   T h e  p r esen ce   o f   ex ter n al  d is tu r b an ce s   an d   m o d el  u n ce r tai n ties   co m p licates  th e  r es id u al  g en er atio n   p r o ce s s ,   o f ten   p r o d u cin g   n o n - ze r o   r esid u als  ev e n   in   f a u lt - f r ee   s ce n ar io s .   I d ea lly ,   a  f a u lt - f r ee   s y s tem   s h o u ld   y ield   a  ze r o - v alu e  r esid u al,   wh ile  f au lty   co n d itio n s   s h o u ld   r esu lt  in   a  n o n - ze r o   r esid u al.   Ho wev er ,   d is tu r b an ce s   an d   u n ce r tain ties   m ay   lead   t o   f alse  alar m s ,   u n d er m i n in g   t h e  FD  p r o ce s s .   T h er ef o r e,   r o b u s t   r esid u al  g en er atio n   is   cr itical  f o r   ef f ec tiv e  FD   [ 1 4 ] – [ 1 7 ] .   A d d r ess in g   d is tu r b a n ce s   an d   m o d el  u n ce r tain ty   i n   m o d el - b ased   FD  s y s tem s   p r es en ts   a  s ig n if ican t  ch allen g e.   T o   th is   en d ,   th e  H∞  n o r m   o p ti m izatio n   tech n iq u e   h as  b ee n   em p l o y ed   to   en h a n ce   r esid u al  r o b u s tn ess   ag ain s t  d i s tu r b an ce s   [ 1 8 ] .   C o n v er s ely ,   t h e  H -   in d ex ,   wh ic h   r ef lects th e  m in im u m   f au lt sen s itiv ity   o f   th e  r esid u al,   h as b ee n   u s ed   to   d esig n   f a u lt - s en s itiv e  FDFs ,   en h an cin g   th eir   s en s itiv ity   to   f au lts   [ 1 9 ] – [ 2 1 ] .   W h ile  H∞  o p tim izatio n   en s u r es  r o b u s tn ess   ag ain s t  d is tu r b an ce s ,   it  also   r ed u ce s   f au lt  s en s itiv ity ,   an d   s im ilar ly ,   H -   in d ex - b ased   F DFs ,   alth o u g h   f au lt - s en s itiv e,   m ay   am p lify   th e  in f lu en ce   o f   d is tu r b a n ce s   [ 2 2 ] .   B alan cin g   th ese  tr ad e - o f f s   is   k ey   to   ac h iev in g   o p tim al  FD p er f o r m a n ce .   An   o p tim al  FD  s y s tem   aim s   t o   m in im ize  th e  im p ac t  o f   u n k n o wn   d is tu r b a n ce s   ( m in im izi n g   th e  H∞  n o r m )   wh ile  m ax im izin g   f a u lt  s en s itiv ity   ( m ax im izin g   t h e  H -   in d ex ) ,   f r a m in g   t h e  d esig n   as  a  m u lti - o b jectiv e   o p tim izatio n   p r o b lem .   A   liter atu r e  r e v iew  in d icate s   th at   m o s t  FD  m eth o d s   a d d r ess   r o b u s t n ess   an d   s en s itiv ity   is s u es  f o r   co n tin u o u s - tim e   o r   d is cr ete - tim e   lin ea r   s y s te m s   with   ex ter n al   d is tu r b a n c es  o n ly   [ 2 3 ] – [ 2 6 ] .  Ho wev er ,   m o d el  u n ce r tain ties   in   s y s tem   m atr ices  ca n   in tr o d u ce   b iases   in   th e  r esid u al,   n ec ess itatin g   ca r ef u l  h an d lin g   t o   en s u r e  r o b u s t  r esid u al  g en er atio n .   Fo r   u n ce r ta in   co n tin u o u s - tim e  lin ea r   s y s tem s ,   an   o b s er v er - b ased   FD  s y s tem   was  p r o p o s ed   in   [ 2 7 ] ,   u tili zin g   iter ativ e   lin ea r   m atr ix   in eq u alities   ( L MI s )   to   g en er ate   r o b u s t  r esid u als.  T h is   ap p r o ac h   p r o v i d ed   an   o p tim al   b alan ce   b etwe en   r o b u s tn ess   to   d is tu r b a n ce s   an d   f a u lt  s en s itiv ity   f o r   th e  m u lti - o b jectiv e  o p tim i za tio n   p r o b le m .   Ho wev er ,   th e  m eth o d ' s   co m p lex ity   in cr ea s ed   d u e  to   th e  n ee d   to   f ir s t  d er iv e  a  th eo r etica lly   o p t im al  s o lu tio n   an d   s u b s eq u en tl y   d esig n   th e  o b s er v er .   I n   c o n t r ast,  an   H∞  b ased   FD  r esid u al  g e n er ato r   f o r   lin ea r   s y s tem s   was  d ev elo p ed   in   [ 2 8 ] ,   d em o n s tr atin g   r o b u s tn ess   ag ain s t   d is tu r b an ce s   an d   m o d el  u n ce r tain ty .   Nev er th eless ,   th is   ap p r o ac h   d id   n o t  ad d r ess   f au lt  s en s itiv ity   is s u e s .   Fo r   s u cc ess f u l FD,   it is   cr u cial  to   s im u ltan eo u s ly   co n s id er   f au lt s en s itiv ity   an d   r o b u s tn ess .   Mo tiv ated   b y   th e   s ca r city   o f   s o lu tio n s   ad d r ess in g   th e   m u lti - o b jectiv e  o p tim izatio n   p r o b lem   f o r   d is cr ete - tim e  lin ea r   s y s tem s   with   n o r m - b o u n d ed   m o d el  u n ce r tain ties ,   th is   s tu d y   s ee k s   to   d ev elo p   a n   o p tim al  o b s er v er - b ased   r esid u al  g e n er ato r .   T h e   p r o p o s ed   m et h o d   en s u r es  o b s er v er   s tab ilit y   wh ile  ac h iev in g   r o b u s tn ess   to   d is tu r b an ce s ,   r esil ien ce   ag ain s t  m o d el  u n c er tain ties ,   an d   en h an ce d   f au lt  s en s itiv ity .   T h e  ex is ten ce   o f   th e  p r o p o s ed   o b s er v er   is   estab lis h ed   th r o u g h   s u f f icien t  co n d itio n s   ex p r e s s ed   as  L MI s .   T h e  r esu lts   o b tain ed   f o r   th e  o b s er v er - b ased   f au lt d etec tio n   f ilter   wer e  illu s tr ated   th r o u g h   a  s im u latio n   an aly s is   o f   a   th r ee - tan k   s y s tem .   T h e  p r o p o s ed   ap p r o ac h   ca n   b e   ap p lied   to   an y   d is cr ete - tim e  lin ea r   s y s tem   with   n o r m - b o u n d ed   m o d el  u n ce r tain ties   an d   d is tu r b a n ce s .   T h e  k ey   co n t r ib u tio n s   o f   th is   r esear ch   ar e  o u tlin ed   as f o llo ws:   a.   Dev elo p m en t  o f   an   H∞ o b s er v er - b ased   f ilter   to   m in im ize  th e   H∞ n o r m   o f   G rd ,   th e  tr an s f e r   f u n ctio n   m atr ix   r ep r esen tin g   th e   d is tu r b an c e - to - r esid u al  r elatio n s h i p ,   with in   th e  lin ea r   m atr ix   in eq u ality   ( L M I )   f r am ewo r k .   b.   Dev elo p m en t   o f   an   H -   o b s er v er - b ased   f ilter   aim ed   at  m a x im izin g   th e   H -   n o r m   o f   G rf ,   th e   tr an s f er   f u n ctio n   m atr ix   f r o m   f au lt to   r esid u al,   a ls o   u s in g   th e  L MI   f r am ewo r k .   c.   Desig n   o f   an   o b s er v e r - b ase d   f ilter   u tili zin g   th e   H - /H∞  o p tim izatio n   m eth o d ,   wh ic h   co n cu r r e n tly   m in im izes  th e  H∞  n o r m   wh ile  m ax im izin g   th e  H -   n o r m .   T h is   ap p r o ac h   s ee k s   to   cr e ate  an   o p tim al   o b s er v er - b ased   r esid u al  g e n er ato r   th at  s atis f ies b o th   H∞ a n d   H -   p er f o r m an ce   cr iter ia.   d.   Af ter   co n s tr u ctin g   th e  p r o p o s ed   o b s er v er ,   th e  l 2   n o r m   is   ap p lied   to   ass ess   an d   co m p ar e   th e  g en er ated   r esid u al  ag ain s t a   d ef in e d   th r e s h o ld   to   d etec t f a u lts .   T h e  s tr u ctu r e  o f   th e  p ap e r   is   as  f o llo ws .   Sectio n   2   in tr o d u ce s   th e  p r o b lem   f o r m u latio n .   Sectio n   3   d etails  th e  co r e  co n tr ib u tio n   o f   th e  r esear ch ,   in cl u d in g   th e  d er iv atio n   o f   th e  f ilter   g ai n   m atr ix .   Sectio n   4   p r o v id es   s im u latio n   r esu lts   s h o wca s in g   th e  f ilter ' s   ef f ec tiv en ess ,   p ar ticu lar ly   in   d etec tin g   s en s o r   an d   ac tu ato r   f au lts   with in   a  th r ee - tan k   s y s tem .   Fin ally ,   s ec tio n   5   p r esen ts   co n clu d in g   r em a r k s .       2.   P RO B L E M   F O R M U L AT I O N   T h e  d is cr ete - tim e  lin ea r   s y s te m   in   ( 1 )   is   ad o p ted   to   f o r m u lat e  th e  p r o b lem   b ein g   s o lv ed   in   th is   p ap er .     ( + 1 ) =  ( ) + ( ) + ( ) + ( +  ) ( ) +  ( )   ( ) =  ( ) + ( ) + ( ) + ( +  ) ( ) +  ( )     ( 1 )     L et  x ( k )  ∈  R n   r e p r esen t  th e   s tate  v ec to r ,   u ( k )  ∈  R p   th e  c o n t r o l  in p u t  v ec t o r ,   an d   y ( k )  ∈  R m   th e  m ea s u r e m en t   v ec to r .   T h e   d is tu r b an ce   v ec t o r   d ( k )   is   l 2   n o r m   b o u n d e d ,   s u ch   th at  ∥ d ( k ) ∥ 2   ≤  δ d ,   wh ile   f ( k )  is   t h e  l 2   n o r m   b o u n d ed   f au lt  v ec t o r   to   b e  d et ec ted .   T h e   m atr ices  E d ,  F d ,  E f ,   an d   F f   d ef in e   th e  lo ca tio n s   wh er e  th e  d is tu r b an ce   an d   f a u lt  v ec to r s   in f lu en ce   th e  s y s tem   d y n am ics,  r esp ec tiv ely .   T h e   m atr ices  A ,  B ,  C ,   an d   D   ar e   th e  n o m in al   s y s tem   m atr ices  wi th   co m p a tib le  d im en s io n s ,   an d   ΔA ,  ΔB ,  ΔC ,   an d   ΔD   r ep r esen t  n o r m - b o u n d e d   m o d el   u n ce r tain ties ,   g iv en   as ( 2 ) .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 7 2 2 - 2 5 8 6   I AE S  I n t  J   R o b   &   A u to m ,  Vo l .   14 ,   No .   2 ,  J u n e   20 2 5 :   214 - 2 2 6   216   [ ∆ ∆ ∆ ∆ ] = [ 1 ∑ 1 1 ∑ 2 2 ∑ 1 2 ∑ 2 ]     ( 2 )     wh er e  ∑   is   an   u n k n o wn   s ca lar   co n s tan t  h o l d s   th e  c o n d itio n ,   i . e. ,   ∑ ∑ ≤ .   T h e   ass u m p tio n s   lis ted   b elo w  ar e   u s ed   co n s is ten tly   th r o u g h o u t t h is   wo r k   [ 1 8 ] :   A1 :   Sy s tem   ( 1 )   is   o b s er v ab le ;  A2 :   [ −  ]   h as  f u ll   r o w   r an k ,   wh i le  ∈ [ 0 , 2 ] ;  A3 :   ( +  )   is   s tab le   As  in itially   in tr o d u ce d ,   t h e  m o d el - b ased   FD  s y s tem   co m p r is es  two   s u b s y s tem s :  a  r esid u a l  g en er ato r   an d   a  r esid u al  ev alu at o r   with   th r esh o ld in g   an d   d ec is io n   lo g ic.   An   o b s er v e r - b ased   FD   f ilter   is   u s ed   f o r   g en er atin g   t h e  r esid u al,   wh ic h   is   ex p r ess ed   as ( 3 ) :     ̂ ( + 1 ) = ̂ ( ) + ( ( ) − ̂ ( ) ) +  ( )      ( ) = ( ) − ̂ ( )       ( 3 )     ( ̂ ( ) = ̂ ( ) +  ( ) ) ∈   an d   ̂ ( ) ∈   r ep r esen t  th e  esti m ate d   o u tp u t  a n d   th e  s tate  esti m atio n   v ec to r s ,   r esp ec tiv ely .   T h e  r e s id u al  s ig n al  is   d en o ted   b y   ( ) ,   an d   th e  f ilter   g ain     s er v es  a s   th e  d esig n   p ar am eter   f o r   th e  p r o p o s ed   F D  f ilter .   T h e   d y n am ics  o f   th e   f ilter   ar e   d escr ib ed   b y   th e   s tate  esti m atio n   er r o r   v ec to r ,   ( ) = ( ) − ̂ ( ) .   T h e  f o llo win g   eq u atio n s   r ep r esen t th e   er r o r   d y n am i cs a n d   th e  r esid u al:     ( + 1 ) = ( −  ) ( ) + ( − )   ( ) + ( − ) ( ) + (  − ) ( ) + (  − ) ( )   ( 4 )     ( ) =  ( ) + ( ) + ( ) +  ( ) +  ( )           ( 5 )     Un d esire d   b eh a v io r   in   FD  th e o r y   is   ca u s ed   b y   m o d el  u n ce r tain ty   an d   d is tu r b an ce ,   w h ich   i n f lu en ce s   th e  esti m atio n   p r o ce s s   an d   m ak es  th e  r esid u al  s en s itiv e  to   f au lts ,   co n tr o l  i n p u t,   an d   t h e  s y s tem ' s   s tate   [ 2 9 ] .  Fo r   th e  s ak e  o f   s im p licity ,   th e  d y n am ics o f   ( 4 )   ar e  g o v er n ed   b y   two   n ew  v ec to r s :     ̅ ( ) = [ ( ) ( ) ]   an d   ̅ ( ) = [ ( ) ( ) ]       T h en ,   an   au g m e n ted   s y s tem   is   r ep r esen ted   as   ( 6 ) ,   ( 7 ) :     ̅ ( + 1 ) = ̅ ̅ ( ) + ̅ ̅ ( ) + ̅ ( )     ( 6 )     ( ) = ̅ ̅ ( ) + ̅ ̅ ( ) + ( )     ( 7 )     wh er e      ̅ = [ −   −  0 +  ] ;  ̅ = [  −  − +  ] ;  ̅ = [  ] ;  ̅ = [  ] ;  ̅ = [ − ]     T h e  r esid u al  s ig n al  in   ( 7 )   ca n   b e  r ep r esen ted   in   th e  f r eq u e n c y   d o m ai n .     ( ) = ̅ ( ) ̅ ( ) +  ( ) ( )     ( 8 )     wh er e  ̅ ( ) = ̅ (  − ̅ + ̅ ) − 1 ( ̅ − ̅ ) + ̅   an d    ( ) = ̅ (  − ̅ + ̅ ) − 1 ( ̅ − ) +   ̅ ( )   an d    ( )   ar e  th e  tr an s f er   f u n ctio n   m atr ices f r o m   ̅ ( )   an d   ( )   to   ( ) ,   r esp ec tiv ely .   T h e  in f l u en ce   o f   d is tu r b a n ce   an d   m o d el  u n ce r tain ty   o n   t h e  r esid u al  is   m ea s u r ed   b y   ∞   n o r m   a n d   is   r ep r esen ted   as   ( 9 ) :     ∞ = ‖ ̅ ( ) ‖ ∞ = s up ∈ [ 0 , 2 ] ̅ ( ̅ ( ) ) = s up ̅ ( ) ∈ 2 , ‖ ̅ ‖ 2 ≠ 0 { ∑ ( ) ( ) ∞ = 0 ∑ ̅ ( ) ̅ ( ) ∞ = 0 }     ( 9 )     R o b u s tn ess   ag ain s t d is tu r b an ce   an d   m o d el  u n ce r tain ty   is   ex p r ess ed   b y   ( 1 0 )   [ 3 0 ] .     ‖ ̅ ( ) ‖ ∞ < ;    > 0     ( 1 0 )       r ep r esen ts   th e  m ax im u m   e f f e ct  o f   m o d el  u n ce r tain ty   a n d   d is tu r b an ce   o n   th e  r esid u al,   an d   th e  v alu e  o f       s h o u ld   b e  s m aller .   L ik ewise,   th e  ef f ec t o f   f au lt  o n   th e  r esid u al  is   ch ar ac ter ized   b y   − in d ex   [ 3 1 ] .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I AE S  I n t  J   R o b   &   A u to m   I SS N:   2722 - 2 5 8 6         Desig n   o f H - /H∞ b a s ed   fa u lt  d etec tio n   filt er fo r   lin ea r   u n ce r ta in   s ystem s   …   ( Ma s o o d   A h m a d )   217   − = ‖  (  ) ‖ − = in f ∈ [ 0 , 2 ] [  (  ) ]     ( 1 1 )     T h e  r esid u al' s   s en s itiv ity   to   th e  f au lt is   illu s tr ated   b y   ( 1 2 ) .     ‖  (  ) ‖ − >     ;  > 0     ( 1 2 )       d en o tes  th e  wo r s t - ca s e  f au lt  s en s itiv ity   m ea s u r em en t  o f   th e  r esid u al  s ig n al.   A  lar g er   v alu e   o f     s h o ws  th at   r esid u al  is   m o r e  s en s itiv e  to   a  f au lt.   T h e  s o lu tio n   o f   an   o p tim al  FD  f ilter   d esig n   b ased   o n   − ∞   o p tim izatio n   f o r   th e  n o m in al   s y s tem   ( s y s tem   u n ce r tain ty ,    = 0 )   ca n   b e  ea s ily   o b tain ed   b y   s o lv i n g   a  s in g le  R icca ti  eq u atio n   [ 1 8 ] .   Un f o r tu n ately ,   th e  R icca ti  eq u atio n   ca n n o t  s o lv e  − ∞   o p tim izatio n   p r o b lem s   f o r   d y n am ic   s y s tem s   with   m o d el  u n ce r tain ties   (  ≠ 0 ) .   T h e  m u lti - o b jectiv e  o p tim iz atio n   p r o b lem   f o r   lin ea r   s y s t em s   s u b ject  to   d is tu r b a n ce   a n d   m o d el  u n ce r tain ty   is   ad d r ess ed   in   th is   s tu d y   u s in g   th e  L MI   tech n iq u e.   Usi n g   − ∞   o p tim izatio n ,   th e  o b jectiv e  is   to   d esig n   an   o p tim al  FD  f ilter   b y   d eter m in in g   th e  f ilter   g ain   m atr ix     in   a  way   th at  ( a )   m ak es  th e  au g m en te d   s y s tem   ( 6 )   asy m p to tically   s ta b le,   ( b )   m ak es  th e  r esid u al  ( 7 )   r o b u s t  to   d is tu r b an ce   an d   m o d el  u n ce r tain ties   in   th e  ∞   s en s e,   an d   ( c )   m ak es th e  r esid u al  ( 7 )   f a u lt - s en s itiv e.       3.   SYNT H E S I S O F   O P T I M AL   F D  F I L T E R   I n   th is   s ec tio n ,   an   o p tim al  FD  f ilter   is   d esig n ed   f o r   s y s tem   ( 1 )   in   th e  L MI   f r a m ewo r k .   First,  s ep ar ate   s o lu tio n s   o f   ∞   an d   − in d ex   co n d itio n s   in   ( 1 0 )   an d   ( 1 2 )   ar e  o b tain ed ,   f o llo wed   b y   an   alg o r ith m   f o r   s o lv in g   m ix ed   − ∞   o p tim izatio n   p r o b lem .   Fo r   o n war d   d is cu s s io n ,   th e  f o llo win g   lem m as  h elp   to   d er iv e  th e  m ain   r esu lts .   L em m a  1   [ 1 8 ] :  T h e  o b s er v er   er r o r   d y n am ics  ( 4 )   is   asy m p t o tically   s tab le  an d   m ee ts   th e  c o n d itio n   ( 1 0 )   f o r   t h e  lin ea r   s y s tem   ( 1 )   with   ze r o   m o d el  u n ce r tain ty   in   th e  s y s tem   m atr ices  if   th e  f o llo win g   L M I   is   tr u e  f o r   ( ( ) = 0 )   th en   th er e  e x is ts   a  s ca lar   ≥ m i n ,   m atr ix     an d   = > 0 .     [       − ( −  ) ( − ) 0 ( −  ) − 0 ( − ) 0 −  0 −  ]       < 0     T h e  ab o v e  lem m a  p r o v i d es th e  n ec ess ar y   an d   s u f f icien t c o n d itio n   f o r   ( 1 0 )   an d   en s u r es th a t  ‖ ̅ ( ) ‖ ∞ < .   L em m a  2   [ 1 8 ] :  T h e  o b s er v er   er r o r   d y n am ics  ( 4 )   is   asy m p t o tically   s tab le  an d   m ee ts   th e  c o n d itio n   ( 1 2 )   f o r   t h e  lin ea r   s y s tem   ( 1 )   with   ze r o   m o d el  u n ce r tain ty   i n   th e   s y s tem   m atr ices  if   th e   f o llo win g   L MI   is   tr u e  f o r   ( ̅ ( ) = 0 ) ,   th en   th er e   ex is ts   a  s ca lar   ≤ m ax ,   m atr ix     an d   = > 0 .     [ − ( −  ) ( −  ) − + ( −  ) ( − ) ( − ) ( −  ) + 2 − − ( − ) ( − ) ] > 0     T h e  ab o v e   lem m a   g u ar a n tees  th at  th e  m in im u m   f a u lt  s en s itiv ity   o f   th e   r esid u al   is   g r ea te r   t h an   a   co n s tan t,  i.e . ,   ‖  (  ) ‖ − > .    L em m a  3   [ 3 0 ] :  I f   th er e   ex is ts   a  s y m m etr ic   p o s itiv e  d e f in ite   m atr ix   ,   an d   an   ar b itra r y   p o s itiv e  s ca lar   >   0   th at  s atis f y   (  −  ) − 1 > 0   th en     ( + ∑ ) ( + ∑ ) ≤  +  (  −  ) − 1  +     L em m a  4   [ 3 2 ] :   T h e  f o llo win g   co n d itio n s   ar e  e q u iv alen t  wh en   th e  Sch u r   c o m p lem e n t  p r i n cip le  is   ap p lied   to   s ev er al  s y m m etr ic  m atr ices  11 ,  12   an d   22 .     If  11 < 0   th en   [ 11 12 21 22 ] < 0   if   an d   o n l y   if     22 − 21 ( 11 ) − 1 12 < 0   If  22 < 0   th en   [ 11 12 21 22 ] < 0   if   an d   o n ly   if   11 − 12 ( 22 ) − 1 21 < 0     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 7 2 2 - 2 5 8 6   I AE S  I n t  J   R o b   &   A u to m ,  Vo l .   14 ,   No .   2 ,  J u n e   20 2 5 :   214 - 2 2 6   218   T h eo r em   1 :  C o n s id er   s y s tem   ( 1 )   with   m o d el  u n ce r tain ties   ( ∆ , ∆ , ∆ , ∆ ≠ 0 ) ,   u n d er   th e  ass u m p tio n s   A1   an d   A2 ,   if   th er e  ex is t  s ca lar s   > 0 , > 0 ,   a  f ilter   g ain   m atr ix   ,   a  s y m m etr ic  m atr ix   > 0   an d   a  s ca lar   >   0   s u ch   th at  th e  au g m e n ted   s y s tem   ( 6 )   is   asy m p to tically   s tab le  an d   th e  f o llo win g   m atr ix   i n eq u alities   h o ld ,   th en   co n d itio n s   ( 1 0 )   an d   ( 1 2 )   ar e  s atis f ied .       [ 2 2 + 3 3 −  2 0 + 3 0 2 0 + 3 0 0 2 + 0 3 0 0 + 0 0 + 1 1 − 0 0 + 0 0 + 1 2 0 2 + 0 3 0 0 + 0 0 + 2 1 0 0 + 0 0 + 2 2 − 2 ] < 0   ( 1 3 )     [ − 2 2 − 3 3 +  2 ̅ + 3 ̅ 2  + 3 ̅  ̅ 2 + ̅ 3 − ̅ ̅ − ̅ ̅ − 1 1 + − ̅  − ̅ ̅   2 + ̅  3 −  ̅ − ̅  ̅ −   − ̅  ̅  + 2 ] > 0     ( 1 4 )     I n   ad d itio n   to   s o lv in g   ( 1 3 )   a n d   ( 1 4 ) ,   o p tim al  f ilter   g ain   ,   ca n   b e   d eter m i n ed   b y   s o lv i n g   th e   f o llo win g   o p tim izatio n   p r o b lem :     m ax   =       ( 1 5 )     Pro o f   o f   th e  T h e o r em   Fo r   th e  au g m en ted   s y s tem   ( 6 )   an d   ( 7 ) ,   ( 1 0 )   ca n   b e  e x p r ess ed   as   ( 1 6 ) :     ‖ ̅ ‖ ∞ < ↔ ∑ [ ( ) ( ) − 2 ̅ ( ) ̅ ( ) ] ∞ = 0 < ;               ( ) = 0     ( 1 6 )     Def in in g   a  L y ap u n o v   f u n ctio n ,   ( ̅ ( ) ) = ̅ ( ) ̅ ( ) > 0   wh er e  = dia g [ 1 , 2 ] > 0 .   Su p p o s e  > 0 ,  th e  n ec ess ar y   s tab ilit y   co n d iti o n   lis ted   b elo w  is   en s u r ed .     ∑ ( ( ̅ ( + 1 ) ) − ( ̅ ( ) ) ) ∞ = 0 < 0       ( 1 7 )     T h e  co n tr o l o b jectiv e  ( 1 0 )   an d   ∞   FD f ilter   s tab ilit y   is   en s u r ed   b y   co m b in in g   ( 1 6 )   an d   ( 1 7 ) ,   w h ich   will y ield     ∑ [ ( ) ( ) + ( ̅ ( + 1 ) ) − ( ̅ ( ) ) − 2 ̅ ( ) ̅ ( ) ] ∞ = 0 < 0     ( 1 8 )     Fro m   eq u atio n   ( 6 )   an d   ( 7 ) ,   it is   ea s y   to   wr ite     [ ̅ ( ) ̅ ( ) ] ( [ ̅ ̅ ] [ ̅ ̅ ] + [ ̅ ̅ ] [ ̅ ̅ ] + [ − 0 0 − 2 ] ) [ ̅ ( ) ̅ ( ) ] < 0        ( 1 9 )     T h e  co n s tan t a n d   u n ce r tain   s y s tem   m atr ices a r e  d iv id ed   as f o llo ws to   av o id   a n y   am b ig u ity :     [ ̅ ̅ ̅ ̅ ] = [ 0 0 0 0 ] + [ ∆ ̅ ∆ ̅ ∆ ̅ ∆ ̅ ]     ( 2 0 )     w h er e     [ 0 0 0 0 ] = [ 0 0 −  0 0 − 0 ] ;    [ ∆ ̅ ∆ ̅ ∆ ̅ ∆ ̅ ] = [ 2 1 − 2 1 ] ∑ [ 0 1 2 0 ] = [ 2 3 ] ∑ [ 1 2 ] =   ∑       R ep r esen tin g   th e  ab o v e  m atr ic es a s :     = [ 0 0 0 0 ] ;  = [ −  0 0 ] ;  = [ 0 − ] ;  = [ 0 ] ;  = [ 0 ] ;  = [ 2 3 ] ;   3 = [ 1 − 2 1 ] ;  = [ 1 2 ] ;  1 =   [ 0 1 ] ;  2 = [ 2 0 ] ;  = [ − 0 0 − 2 ] ;  = [ 0 0 ]     Ap p ly in g   L e m m a  3   o n   ( 1 9 )   u s in g   ( 2 0 )   tu r n s   to   ( 2 1 ) .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I AE S  I n t  J   R o b   &   A u to m   I SS N:   2722 - 2 5 8 6         Desig n   o f H - /H∞ b a s ed   fa u lt  d etec tio n   filt er fo r   lin ea r   u n ce r ta in   s ystem s   …   ( Ma s o o d   A h m a d )   219   [ ̅ ( ) ̅ ( ) ] ( ( +   ∑   ) ( +   ∑   ) + ) [ ̅ ( ) ̅ ( ) ]     ( 2 1 )     ( + ∑ ) ( + ∑ ) +   ≤ + (  − ) − 1 + +     ( 2 2 )     Ap p ly in g   L e m m a  4   o n   ( 2 2 )   will y ield   ( 2 3 ) .     [ −  + + ] < 0     ( 2 3 )     E x p an d i n g   ( 2 3 ) ,   o n e  ca n   wr ite   as   ( 2 4 ) .     [ 2 2 + 3 3 −  2 0 + 3 0 2 0 + 3 0 0 2 + 0 3 0 0 + 0 0 + 1 1 − 0 0 + 0 0 + 1 2 0 2 + 0 3 0 0 + 0 0 + 2 1 0 0 + 0 0 + 2 2 − 2 ] < 0   ( 2 4 )     R ewr itin g   th e  ab o v e  m atr ix   in eq u ality   as   ( 2 5 ) .     [ 2 3 0 0 0 1 0 0 2 ] [ 0 0 0 0 0 0  ] [ 2 0 0 3 0 0 0 1 2 ] − [  0 0 0 0 0 0 2 ] < 0       ( 2 5 )     Ap p ly in g   th e  Sch u r   c o m p lem e n t le m m a  g iv e n   b elo w,   ( 2 5 )   ca n   b e  r e p r esen ted   as   ( 2 6 ) .     [             −  0 0 0 − 0 0 0 − 2 2 3 0 0 0 1 0 0 2 2 0 0 3 0 0 0 1 2 − 0 0 0 − − 1 0 0 0 − − 1 ]             < 0     ( 2 6 )     T h e  n o n lin ea r   in eq u ality   is   tr an s f o r m ed   in t o   lin ea r   in e q u ality   f o r m   b y   p e r f o r m in g   m atr ix   eq u iv alen t   tr an s f o r m atio n   as   ( 2 7 ) .     [             −  0 0 0 − 0 0 0 − 2 2 3 0 0 0 1 0 0 2 2 0 0 3 0 0 0 1 2 − 0 0 0 − 0 0 0 −  ]             < 0     ( 2 7 )     B y   in s er tin g   th e  3 , 0 , 0 , 0 , 0 , 1 , 2   an d     m atr ic es  in   th e  ab o v e  m atr i x ,   wh ich   co m p letes  th e  p r o o f   o f   th e  f ir s t p ar t o f   T h eo r em   1 .   Similar ly ,   −   in d ex - b ased   f au lt sen s itiv ity   co n d itio n   ( 1 2 )   ca n   b e  d er iv ed   as   ( 2 8 ) .     ‖  ‖ − > ↔ ∑ [ ( ) ( ) > 2 ( ) ( ) ] ∞ = 0       ;   ̅ ( ) = 0     ( 2 8 )     C o n s id er in g   th e  L y a p u n o v   f u n ctio n   d ef i n ed   ea r lier ,   ( ) = ̅ ( ) ̅ ( ) > 0 , > 0 .   T h e  co n tr o l  o b jectiv e   ( 1 2 )   a n d   −   in d ex   f ilter   s tab ilit y   is   en s u r ed   b y   ( 2 9 ) .     ∑ [ ( ) ( ) − ( ̅ ( + 1 ) ) + ( ̅ ( ) ) − 2 ( ) ( ) ] ∞ = 0 > 0     ( 2 9 )     Af ter   m ath em atica l simp lific atio n ,   o n e  ca n   wr ite  ( 2 9 )   as   ( 3 0 ) .     ∑ [ ( ) ( ) − 2 ( ) ( ) − ( ̅ ( + 1 ) ) + ( ̅ ( ) ) ] ∞ = 0 < 0     ( 3 0 )     Su b s titu tin g   m atr ices  f r o m   ( 6 )   an d   ( 7 )   in to   ( 3 0 )   b y   tak in g   ̅ ( ) = 0 ,   ca n   b e  wr itten   in   m at r ix   f o r m   as   ( 3 1 )   an d   ( 3 2 ) .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 7 2 2 - 2 5 8 6   I AE S  I n t  J   R o b   &   A u to m ,  Vo l .   14 ,   No .   2 ,  J u n e   20 2 5 :   214 - 2 2 6   220   [ ̅ ] ( [ ̅ ̅ ] [ ̅ ̅ ] + [ ̅ ] [ ̅ ] + [ − 0 0 − 2 ] ) [ ̅ ] < 0              ( 3 1 )     [ ̅ ] ( [ ̅ ̅ ̅ ] [ 0 0 ] [ ̅ ̅ ̅ ] + [ − 0 0 − 2 ] ) [ ̅ ] < 0               ( 3 2 )     T h e  co n s tan t a n d   u n ce r tain   m a tr ices a r e  s ep ar ated   as :     [ ̅ ̅ ̅ ] = [ ̅  ̅ ̅  ] + [ ∆ ̅ ∆ ∆ ̅ ∆ ̅ ]     ( 3 3 )     wh er e  [ ̅  ̅ ̅  ] = [ 0 −  0 0   − ]   an d   [ ∆ ̅ ∆ ∆ ̅ ∆ ̅ ] = [ 2 1 − 2 1 ] ∑ [ 0 1 0 ]       Def in in g   th e  n ew  m atr ices:     ̿ = [ ̅  ̅ ̅  ] ;  ̅ = [ −  0 0 ] ;  ̅  = [ − ] ;   = ;  ̅ = [ 0 ] ;  = [ 2 3 ] ;   3 = [ 1 − 2 1 ] ;  = [ 1 0 ] ;  1 =   [ 0 1 ] ;  = [ 0 0 ] ;    1 = [ − 0 0 − 2 ]     It   is   s im p le   to   wr ite   ( 3 2 )   as   f o l lo ws   u s in g   L em m a   3:     [ ̅ ] ( ( ̿ + ∑ ) ( ̿ + ∑ ) + 1 ) [ ̅ ] < 0               ( 3 4 )     ̿ ̿ + ̿ (  − ) − 1 ̿ + + 1 < 0     ( 3 5 )     Acc o r d in g   t o   − in d ex   cr iter ia  ( ‖  (  ) ‖ − > 0 ) ,   th e  ab o v e   in eq u ality   is   wr itten   as:     − ̿ 1 ̿ − ̿ 1 (  − 1 ) − 1 1 ̿ − − 1 > 0     ( 3 6 )     B y   ap p ly in g   L em m a  4 ,   ( 3 6 )   b ec o m es   ( 3 7 ) .     [  − ̿ ̿ − ̿ ̿ − − 1 ] > 0               ( 3 7 )     E x p an d i n g   m atr i x   in eq u ality   ( 3 7 )     [       − 2 2 − 3 3 +  2 ̅ + 3 ̅ 2  + 3 ̅  ̅ 2 + ̅ 3 − ̅ ̅ − ̅ ̅ − 1 1 + − ̅  − ̅ ̅   2 + ̅  3 −  ̅ − ̅  ̅ −   − ̅  ̅  + 2 ]       > 0   ( 3 8 )     T h is   co n clu d es  t h e  p r o o f   o f   T h eo r em   1 ' s   s ec o n d   p ar t.   FD  f i lter   g ain   ca n   b e   ca lcu lated   b y   s o lv in g   t h e  L MI s   ( 2 7 )   a n d   ( 3 8 )   f o r   t h e  o p tim izat io n   p r o b lem   ( 1 5 ) .     = 1 − 1 1               ( 3 9 )     3 . 1 .   Resid ua l  ev a lua t io n a nd   t hr esh o ld   I n   th e  s ec o n d   s tep   o f   th e  FD  p r o ce s s ,   th e  g en er ated   r esid u a l  is   ev alu ated   u s in g   2   s ig n al  n o r m   an d   f u r th er   c o m p a r ed   with   th e   th r esh o ld ,     ℎ > 0 .   T h e  r esid u al  ( 3 )   t h at  was  g en er ated   u s in g   th e  p r o p o s ed   FD  f ilter   ca n   b e  s h o w n   as   ( 4 0 ) :     ( ) = ( ) + ( ) + ( )      ( 4 0 )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I AE S  I n t  J   R o b   &   A u to m   I SS N:   2722 - 2 5 8 6         Desig n   o f H - /H∞ b a s ed   fa u lt  d etec tio n   filt er fo r   lin ea r   u n ce r ta in   s ystem s   …   ( Ma s o o d   A h m a d )   221   I n   f a u lt - f r ee   ca s e,   ( ) = 0 ,   th en   th e   r e s id u al  ev alu atio n   f u n ctio n   b ec o m es  = ‖ ( ) + ( ) ‖ 2 2 .   T h u s ,   th e   th r esh o ld   ca n   b e   co m p u ted   as   ℎ = s up ‖ ( ) + ( ) ‖ 2 2 .   I n   th e   en d ,   th e   ev alu ate d   r es id u al  ( )   is   co m p ar e d   with   th e  th r esh o ld   ( ℎ )   an d   th e  f au lt a lar m   is   r elea s ed   wh en   th e  f o llo win g   c o n d itio n   is   s atis f i ed :     > ℎ   ; f au lt a lar m   ≤ ℎ   ; f au lt - f r ee       4.   AP P L I CA T I O N  T O   A  T H R E E - T ANK   SYS T E M   A  th r ee - tan k   s y s tem   ap p licatio n   is   u s ed   in   th is   s tu d y .   T h e  s y s tem   is   o f ten   u s ed   to   ill u s tr ate  th e  p r in cip les  o f   p r o ce s s   co n tr o l,   s y s tem   d y n am ics,  a n d   f au lt  d e tectio n .   I n   s u ch   a  s y s tem ,   th e   liq u id   lev els  in   th e   tan k s   an d   t h e  f lo w   r ates  b et wee n   th em   a r e  m an a g ed   u s in g   s en s o r s ,   ac tu ato r s ,   an d   co n t r o ller s .   Au to m atio n   p lay s   a  cr itical  r o le  in   th is   s etu p   b y   en s u r i n g   th e  p r ec is e  r eg u latio n   o f   th ese  v ar iab les  to   ac h iev e  d esire d   o u tco m es,  s u ch   as  m ai n tain in g   s p ec if ic  liq u id   le v els  o r   f lo w  r ates.  Usi n g   ad v an ce d   au to m atio n   tech n o lo g ies,   s u ch   as  p r o g r am m ab le   lo g ic   c o n tr o ller s   ( PLCs )   an d   d is tr ib u ted   co n t r o l  s y s tem s   ( DC S),   th e  th r ee - ta n k   s y s tem   ca n   o p er ate  a u to n o m o u s ly ,   a d ju s tin g   v alv es  an d   p u m p s   b ased   o n   r ea l - tim e  f ee d b ac k   f r o m   lev el  an d   f lo w   s en s o r s .   T h is   lev el  o f   au to m atio n   im p r o v es  ac cu r ac y ,   r ed u ce s   m an u al  in ter v en tio n ,   an d   en s u r es  co n s is ten t   o p er atio n   ev e n   in   co m p lex   s ce n ar io s .   Mo r eo v er ,   in teg r at in g   f au lt  d etec tio n   alg o r ith m s   in to   th e  s y s te m   en h an ce s   r eliab ilit y   b y   i d en tify in g   an o m alies  lik e  s en s o r   m alf u n ctio n s ,   leak s ,   o r   b l o ck ag es,  en a b lin g   p r o ac tiv e  m ai n ten an ce .   T h u s ,   th e  au to m atio n   o f   a  th r ee - t an k   s y s tem   s er v es  as  a  f o u n d atio n al  m o d el  f o r   u n d er s tan d i n g   an d   im p lem e n tin g   co n tr o l  s tr ateg ies  in   lar g er   in d u s tr ial  p r o ce s s es  s u ch   as  ch em ical   m an u f ac tu r in g ,   wate r   t r ea tm e n t,  an d   o il r ef in in g .   T h is   s ec tio n   p r esen ts   s im u la tio n   r esu lts   th at  d em o n s tr ate   th e  ef f ec ti v en ess   o f   t h e  p r o p o s ed   FD   m eth o d .   Fo r   s im u latio n   p u r p o s es,  ab r u p t  a n d   i n ter m itten t  f a u lts   ar e  in tr o d u ce d   in   t h e  s en s o r s   an d   ac tu ato r s   o f   th e  ad v an ce d   t h r ee - tan k   s y s tem   illu s tr ated   in   Fig u r e  1 .   Su ch   f au lts   s ig n if ican tly   d eg r a d e  s y s tem   p er f o r m an ce   an d   ar e  in cl u d ed   i n   th e  s tu d y   to   ev alu ate  th e  ca p ab ilit y   o f   th e  p r o p o s ed   m et h o d   i n   id en ti f y in g   th ese  cr itical   is s u es.  Mo d elin g   er r o r s   f r o m   th e  s y s tem   lin ea r izatio n   p r o ce s s   ar e  in co r p o r ated   as  n o r m - b o u n d ed   m o d el   u n ce r tain ties .   T h e   b eh a v io r   o f   th e  th r ee - tan k   s y s tem   is   d escr ib ed   b y   th e   f o llo win g   s et  o f   n o n lin ea r   e q u atio n s ,   wh ich   ca p tu r e  its   d y n am ics.     ℎ ̇ 1 = 1 − 13   ℎ ̇ 2 = 2 + 32 − 20               ℎ ̇ 1 = 13 − 32            ( 4 1 )     with   13 = 1 13  ( ℎ 1 − ℎ 3 ) √ 2 | ℎ 1 − ℎ 3 |   32 = 3 23  ( ℎ 3 − ℎ 2 ) √ 2 | ℎ 3 − ℎ 2 |   20 = 2 0 √ 2 ℎ 2           Fig u r e  1 .   A  th r ee - tan k   s y s tem   [ 3 3 ]     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 7 2 2 - 2 5 8 6   I AE S  I n t  J   R o b   &   A u to m ,  Vo l .   14 ,   No .   2 ,  J u n e   20 2 5 :   214 - 2 2 6   222   T h e  p r o ce s s   o u tp u ts   y ( k ) ,   r e p r esen ted   b y   ℎ 3 ,  ℎ 2 ,  ℎ 1 ,   co r r esp o n d in g   to   th e   wate r   lev els  in   th e   r esp ec tiv e  tan k s .   T h e  p r o ce s s   in p u ts   u ( k )   a r e  d en o ted   b y   Q 1   an d   Q 2 ,   wh ile  Q ij   r ep r esen ts   th e   f lo w  r ate  o f   wate r   f r o m   tan k   i - th   to   ta n k   j - th .   Ad d itio n ally ,   s 13   a n d   s 23   r ef er   to   th e  cr o s s - s ec tio n al  ar ea s   o f   th e  p ip es  c o n n ec tin g   th e  r esp ec tiv e   tan k s .   T h e  c r o s s - s ec tio n al  ar ea   o f   th e   p ip e   co n n ec ted   t o   T a n k   2   is   0 .  s gn   d en o te s   th e  s ign um   f u n ctio n ,   wh ich   is   d ef in e d   as     s gn ( ) = { − 1 0 1 < 0 = 0 > 0   13 = 23 = 0 =       T h e   s y s tem ' s   p r im ar y   p ar am et er s   an d   co ef f icien ts   ar e   s h o wn   in   T ab le   1 .   I n   th e  th r ee - tan k   s y s tem ,   an   u n k n o wn   d is tu r b an ce   ar is es  f r o m   wate r   f allin g   in to   th e  ta n k s   f r o m   th e  p u m p s .   Ad d itio n all y ,   th e  s en s o r s   u s ed   to   m ea s u r e   wate r   le v els  in tr o d u ce   n o is e  m ea s u r em e n t.  Fo r   f au lt  d etec tio n   ( FD) ,   a  lin ea r   m o d el  o f   th e  s y s tem   is   d er iv ed   b y   ap p ly in g   T ay l o r   s er ies  ex p an s io n   an d   lin e ar izin g   th e  d y n a m ics  ar o u n d   th e  eq u ilib r iu m   o r   o p er atin g   p o in t.  T h is   p r o ce s s   r esu lts   in   a  l in ea r   n o m in al  m o d el  o f   th e  d is cr ete - tim e  s y s tem   in   s tate - s p ac e   f o r m ,   as  s h o wn   in   ( 1 ) .   T h e   lin ea r izatio n   is   p er f o r m e d   at  t h e  o p er atin g   p o in ts   ℎ 1 = 45c m ,  ℎ 2 = 15c m   an d   ℎ 3 = 30c m .   No m in al  m atr ices a r e  o b tain ed   af ter   lin ea r izin g   th e  n o n lin e ar   m o d el  o f   th e  s y s tem .     = [ 0 . 9915 0 0 . 0084 0 0 . 9807 0 . 0082 0 . 0084 0 . 0082 0 . 9833 ] ;  = [ 0 . 0065 0 . 0008 0 . 0008 0 . 0065 0 0 ] ;   = [ 0 . 25 0 0 0 0 . 25 0 0 0 0 . 25 ] ;   = dia g [ 1 , 1 , 1 ] ;   = 0 ;   = ;   = = dia g [ 1 , 1 , 1 ]     T h e  lin ea r izatio n   p r o c ess   in co r p o r ates  m o d ellin g   e r r o r s   k n o wn   as  n o r m - b o u n d e d   m o d el  u n ce r tain ty   in to   th e   s y s tem   m atr ices,  wh ich   ar e  d e n o ted   as:     1 = 2 = [ − 0 . 01 0 0 0 − 0 . 01 0 0 0 − 0 . 01 ] ;   1 =   [ 0 . 01 0 0 . 015 0 0 . 01 0 . 015 0 . 01 0 . 01 0 . 05 ] ; 2 =   [ 0 . 01 0 0 0 0 . 02 0 0 0 0 ]       T ab le  1 .   T h r ee - tan k   s y s tem ' s   p ar am eter s   [ 3 3 ]   P a r a me t e r s   V a l u e   U n i t     1 5 4   cm 2     0 . 5   cm 2      62   cm   1    1 0 0   cm 3 / s e c   2    1 0 0   cm 3 / s e c   1   0 . 4 6     2   0 . 6 0     3   0 . 4 5         T h e  u n ce r tain   p ar am eter   ( ∑ = dia g [ 0 . 9597 , 0 . 9597 , 0 . 9597 ] )   is   ch o s en   at  r an d o m   an d   u n k n o wn   d is tu r b an ce ,   ( ) ∈ [ − 0 . 01 , 0 . 01 ]   is   u s ed   f o r   s im u l atio n s .   T h e  p u m p   in f lo ws  ar e   ass u m ed   to   b e   co n s tan t  with   s p ec if ied   v alu es  o f   1 = 25 . 6   cm 3 /s ec   an d   2 = 39 . 5   cm 3 /s ec .   Af ter   s o lv in g   th e   lin ea r   m atr ix   i n eq u alities   in   ( 1 3 )   an d   ( 1 4 ) ,   a  d is tu r b an ce   atten u atio n   lev el   o f   γ   =  1 . 0 2 6   an d   a   f au lt  s en s itiv ity   lev el   o f   β   =  1 . 9 8 9 1   ar e   ac h iev ed .   T h e  co r r esp o n d in g   f ilter   g ain   m atr ix   is   co m p u ted   u s in g   ( 3 9 )   an d   is   g iv en   as     = [ 0 . 3265 − 0 . 0001 − 0 . 0017 ∗ 6 . 7344 − 0 . 0017 ∗ ∗ 6 . 7265 ]     Fu r th er m o r e ,   th e  r esid u al  ev alu atio n   f u n ctio n   is   co m p u te d   u s in g   2   n o r m   o f   th e  r esid u al  ( 4 0 )   an d   th e  th r esh o ld   is   co m p u ted   as  ℎ | = 0 = ‖ ( ) ‖ 2 ̅ ( ) ∈ 2 s up = 0 . 03 .   T h e  r esid u al  in   t h e  s en s o r /actu at o r   f au lt - f r ee   ca s e   is   s h o wn   in   Fig u r e   2.   Fig u r e  3   d is p lay s   th e  im p ac t o f   an   ab r u p t sen s o r   f au lt in   T an k   1   o n   th e  r esid u al.   A  f a u lt with   a  1 0   cm   o f f s et  is   in tr o d u ce d   to   th e  s en s o r   in p u t  o f   T an k   1   at   t   =   8 0   s ec .   T h e   s im u latio n   r esu lts   co n f ir m   th at   th e  f au lt  is   s u cc ess f u lly   d etec ted .   C o m p a r ab le  r esp o n s es  an d   s u cc ess f u l  d etec tio n s   ar e  also   o b s er v ed   f o r   f au lts   in   th e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I AE S  I n t  J   R o b   &   A u to m   I SS N:   2722 - 2 5 8 6         Desig n   o f H - /H∞ b a s ed   fa u lt  d etec tio n   filt er fo r   lin ea r   u n ce r ta in   s ystem s   …   ( Ma s o o d   A h m a d )   223   o th er   s en s o r s .   As  s h o wn   in   Fig u r e  3 ,   th e  e v alu atio n   f u n cti o n   r em ain s   b el o w  th e   th r esh o ld   p r i o r   t o   th e  f a u lt  o cc u r r e n ce   b u t  ex ce ed s   th e  th r esh o ld   wh en   th e  s en s o r   f au lt  o cc u r s   at  t   =  8 0   s ec .   Similar ly ,   Fig u r e  4   d em o n s tr ates  th e  r esp o n s e  w h en   an   in ter m itten t  f a u lt  is   ap p lied   to   th e  ac tu ato r   o f   P u m p   1 .   T h e   r esu lts   h ig h lig h t  t h at  th e  f a u lt  d etec t io n   f ilter   ef f ec tiv ely   id e n tifie d   f au lts   in   th e   d is cr ete - tim e  s y s tem ,   ev en   i n   th e  p r esen ce   o f   u n k n o wn   d is tu r b a n ce s   an d   m o d el  u n ce r tain ty .           Fig u r e  2 .   R esid u al  in   a  f au lt - f r ee   ca s e           Fig u r e  3 .   An   ab r u p t sen s o r   FD in   T an k   1       R em ar k :  I n   s ec tio n   3 ,   two   lin ea r   m atr ix   in e q u alities   ( L MI s )   ar e  d er iv e d   f o r   f au lt  d ete ctio n   ( FD)   in   lin ea r   u n ce r tain   s y s tem s .   An   H -   in d ex - b ased   f au lt - s en s itiv e  f ilter   is   d esig n ed   to   im p r o v e  th e  f a u lt  s en s itiv ity   o f   th e  r esid u al.   Ho wev er ,   th is   f ilter   a ls o   ex h ib its   s en s itiv ity   to   d is tu r b an ce s   an d   m o d el  u n ce r tain ti es.  I n   c o n tr ast,  th e   H∞  FD  f ilter   en s u r es  d is tu r b an ce   atten u atio n   b u t  also   p r o v id es  r o b u s tn ess   ag ain s t  f au lts .   T o   ad d r ess   th ese   ch allen g es,  a  m u lti - o b jectiv e  H - /H∞  b ased   FD  f i lter   is   p r o p o s ed ,   wh ich   s im u ltan eo u s ly   o f f er s   r o b u s tn ess   to   d is tu r b an ce s   an d   m o d el   u n c er tain ties ,   as  well  as  s en s itiv ity   to   f au lts .   R ath er   th a n   m ax im izin g   β   an d   m in im izin g   γ   s ep ar ately ,   th e  p er f o r m a n ce   in d ex ,   β / γ ,   is   m ax im ized   in   th is   d esig n .   I t  is   im p o r tan t  to   n o te  th at  th e  r esid u al  g en e r ated   b y   th e  H - /H∞  b ased   f ilter   m ay   b e  le s s   s en s i tiv e  th an   th at  p r o d u ce d   b y   th e   H -   in d e x - b ased   f au lt - s en s itiv e  f ilter .   S im ilar ly ,   th e  r esid u al  f r o m   t h e  H - /H∞  b ased   f ilter   m ig h t  b e  less   r o b u s t  to   d is tu r b an ce s   an d   m o d el  u n ce r tain ties   co m p ar ed   to   th e  r esid u al  f r o m   th e  H∞  b ased   f ilter .   Nev er th eless ,   th e  p r o p o s ed   H - /H∞  b ased   FD  f ilter   is   ad v a n tag eo u s   as  it  ac h iev es  b o t h   d is tu r b an ce   atten u atio n   a n d   f au lt   s en s itiv ity   s im u ltan eo u s ly .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.