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Michel KINNAERT


coordonnées


Ecole polytechnique de Bruxelles
Michel KINNAERT
tel 02 650 22 87, fax 02 650 26 77, michel.kinnaert@ulb.ac.be
Campus du Solbosch
CP165/55, avenue F.D. Roosevelt 50, 1050 Bruxelles



unités de recherche


Automatique et analyse des systèmes [Control Engineering and System Analysis] (S.A.A.S.)



projets


Méthodes de détection, d'isolation et d'identification de défauts [Methods of identification and isolation of faults]
Il s'agit de développer des systèmes de détection, d'isolation et d'identification de défauts basées sur des modèles non linéaires des procédés supervisés. De tels systèmes sont typiquement constitués de deux parties : un générateur de résidus, qui engendre des signaux de valeur nominale nulle en l'absence de défauts et de valeur non nulle (au moins pour certains d'entre eux) en présence de défauts, et un système de décision qui analyse l'agencement des résidus nuls et non nuls et en déduit le(s) défaut(s) le(s) plus probable(s). On s'intéresse d'une part à la conception de générateurs de résidus basés sur des observateurs d'état pour des systèmes bilinéaires, des systèmes affines en l'état ou des systèmes affines en l'entrée, et d'autre part à l'étude de systèmes de décision basés sur des tests statistiques et des méthodes de classification.

Conception de systèmes de supervision avancés par la méthode des plans d'expériences [Advanced supervision systems design by experimental statistics]
Dans diverses opérations industrielles, le monitoring et la supervision sont nécessaires en vue de faire un diagnostique précoce d'un disfonctionnement ou d'une dégradation du procédé. Le diagnostique précoce n'est pas seulement utile pour éviter une dégradation de la qualité de production ou un arrêt des installations. Il peut aussi être essentiel pour protéger l'homme et l'environnement des effets nuisibles causés par un fonctionnement imparfait. Les exemples typiques sont trouvés dans les procédés industriels et les centrales électriques. Un système de supervision est un dispositif numérique intelligent. Sur base de modèles du comportement du processus identifiés au préalable en fonctionnement sain et en présence de défauts, il est capable de détecter l'apparition de défauts en analysant les données du procédés enregistrées au cours du temps. L'objectif principal du projet est de développer une méthode de conception de systèmes de supervision plus performants. [Several industrial operations require monitoring and supervision in order to precociously diagnose process malfunction or degradation. Early diagnostics is not only useful to avoid loss of product quality or plant shutdown but may also be vital to prevent humans and environment from harmful effects deriving from those faulty operations. Typical examples are found in the process industries and in power plants. A supervision system is an intelligent digital unit which, basing on previously identified models of the process behaviour under both healthy and faulty conditions, is able to detect the occurrence of faults from the analysis of process data monitored over time. The general objective of the research is to develop a method for designing supervision systems which are more effective and efficient than the existing ones. Increased effectiveness can be measured by the extent the new supervisors outperform other ones; efficiency by the ratio between performance and cost of the supervisor. The objective will be achieved by applying concepts and tools derived from experimental statistics (DoE, Design of Experiment), the most important methodology of industrial statistics dedicated to product/process improvement. In the case at hand the supervisor is the 'product' to be improved. The methodology can efficiently handle a comprehensive set of design parameters and is able to optimise system performance while also keeping its variability under control. This capability responds well to a critical issue in the design of supervision systems, namely the sensitivity of performance to various sources of random disturbances (process noise, model uncertainty, fault level).]

ARC - Supervision avancée et sûreté de fonctionnement des systèmes complexes: application aux réseaux électriques [Advanced supervision and dependability of complex processes: application to power systems]
La supervision et la sûreté de fonctionnement des systèmes complexes sont des disciplines de plus en plus cruciales pour assurer le fonctionnement des installations industrielles dans des conditions contraignantes de sécurité et de respect de l'environnement tout en maintenant leur compétitivité. La supervision des procédés a pour objet la détection la plus rapide possible des comportements anormaux d'un système et la localisation de leur origine. De tels comportements témoignent d'un dysfonctionnement ou d'une panne naissante. La supervision est réalisée en ligne et elle fait notamment appel à des outils de traitement du signal et d'automatique. La sûreté de fonctionnement vise quant à elle à fournir des indicateurs de performance (fiabilité, disponibilité, maintenabilité, sûreté') d'un système vis-à-vis de sa tenue aux défaillances dont il serait potentiellement l'objet, comme à en planifier les opérations de maintenance sur la base des risques et des coûts opérationnels du système. Le calcul de ces indicateurs est effectué hors ligne et requiert une modélisation stochastique détaillée du système considéré. Ces deux domaines sont étroitement liés en pratique et l'objectif de ce projet est de stimuler la recherche multidisciplinaire à l'interface entre ces disciplines. Afin de diriger les développements théoriques vers des problèmes réalistes, on se basera sur un domaine d'application concret, à savoir le système de production, de transport et de distribution de l'énergie électrique. On se focalisera plus précisément, sur les questions suivantes qui concernent manifestement l'interaction entre la supervision et la sûreté de fonctionnement et qui sont pertinentes pour les applications aux réseaux électriques : (a) stratégies de maintenance basées sur un système de supervision pour des systèmes complexes distribués géographiquement, avec application au réseau de transport et de distribution de l'électricité, (b) traitement dynamique des cascades d'événements avec application aux transitoires accompagnés de perte de protection dans les réseaux de transport et de distribution, (c) supervision et régulation fiables, avec applications d'une part aux éoliennes, en vue de leur permettre de participer aux services systèmes (réglage de la tension, de la fréquence, possibilité de fonctionnement en îlotage) et d'autre part aux réseaux géographiquement étendus [Supervision, reliability, maintenance and safety of complex systems are becoming more and more important in order to ensure that industrial processes work in stringent safety and environmental constraints, while keeping their competitiveness. Advanced process supervision, also called fault detection and isolation (FDI), aims at detecting as fast as possible the abnormal behaviours of a system and localizing their origin. Such behaviours indicate a malfunction or an incipient failure. Supervision is performed on-line and requires tools from signal processing and control engineering among others. On the other hand, reliability, availability, maintenance and safety (RAMS) analyses aim at providing performance indicators for a given system with respect to its ability to cope with failures, and at planning maintenance operations on the basis of the risks and operational costs of the system. Such indicators are computed off-line, and this requires a detailed stochastic model of the considered system. In practice, these two scopes are closely related and the objective of this project is to stimulate multidisciplinary research at the interplay between these disciplines. In order to lead theoretical developments to realistic problems, we will consider a concrete application field namely the production, transmission and distribution of electrical energy. The focus within this project will be on the following issues that clearly deal with interaction between supervision and RAMS, and that are relevant for the indicated power system applications: (a) monitoring-based maintenance strategies for complex geographically distributed systems with application to the transmission grid, (b) dynamic treatment of cascade events in loss-of-protection transients in the transmission grid, (c) reliable supervision and control with a first application to wind mill installations, in order to allow their participation in ancillary services (voltage or frequency control, possibility of islanded operation), and a second application to wide-area monitoring and control of large power systems.]

Projet MINT : maintenance intelligente [MINT project : intelligent maintenance]
Le projet MINT consiste à concevoir et appliquer des méthodes de maintenance intelligente destinées au domaine de l'industrie sidérurgique. L'intérêt pour ces méthodes se justifie par la nécessité de limiter le nombre et la durée des arrêts de lignes (généralement très coûteux) mais aussi par la volonté d'obtenir un produit final de bonne qualité. [The MINT project consists in designing and applying intelligent maintenance methods for the steel industry. The interest for these methods is justified by the need to limit the number and the duration of line shutdowns (which are generally very expensive) but also by the wish to obtain a good quality product.]

PAI-DYSCO
Le SAAS, regroupé avec le service 3BIO, forme l'équipe ULB du pôle d'attraction interuniversitaire DYSCO (Dynamical systems, control and optimization). Il s'agit d'un réseau d'excellence qui regroupe un ensemble de huit équipes de recherche actives dans le domaine de la théorie des systèmes, de l'automatique et de l'optimisation en Belgique. L'équipe ULB contribue à quatre de cinq « workpackages » du PAI DYSCO par ses travaux dans les domaines suivants : -détection de défauts et diagnostic -régulation non linéaire -modélisation, optimisation et régulation des procédés (bio) techniques -modélisation et commande des systèmes biomédicaux. Pour plus d'information : http://sites.uclouvain.be/dysco [The SAAS, grouped with the 3BIO department, make the ULB team of IAP DYSCO (Dynamical systems, control and optimization). This excellence network is made of a set of eight research teams active in the area of system theory, control and optimization in Belgium. The team from ULB contributes to four of the five workpackages of the IAP DYSCO thought its works in the following areas: -fault detection and diagnosis -nonlinear control -modeling, optimization and control of (bio) chemical processes -modeling and control of biomedical systems. For more information : http://sites.uclouvain.be/dysco]

Supervision et diagnostic des procédés de chromatographie à lit mobile simulé [Monitoring and diagnosis of simulated moving bed chromatographic processes]
Les procédés de chromatographie à lit mobile simulé sont des procédés de séparation continus basés sur l'adsorption différentielle des composants d'un mélange liquide sur un solide poreux. Ce procédé a connu un grand succès et a été largement utilisé dans plusieurs domaines industriels comme la pétrochimie, la pharmacie et la chimie fine. Cependant, son application à la production de produits à haute valeur ajoutée doit se faire dans des conditions strictes de pureté et de productivité. C'est pourquoi la détection et l'isolation précoces des défauts est primordiale afin de maintenir la qualité et le rendement demandés. Plusieurs types de défauts peuvent apparaître dans un procédé SMB comme une dérive ou une erreur systématique sur un capteur ou des dégradations de la phase solide dans les colonnes. L'objectif de ce travail est le développement d'un système de supervision permettant de détecter et de localiser ces défauts. [The simulated moving bed (SMB) process is a continuous chromatographic separation process based on the differential adsorption of the components of a mixture. This process was largely used in the petrochemical, pharmaceutical and fine chemicals industries. However, its application to produce high added value products must be done under optimal operating conditions (product quantities and purities'). This is why the early detection and isolation of faults is crucial for ensuring process safety and efficiency. Indeed, there are several types of faults which can affect a SMB process like a sensor drift, a sensor bias or a degradation of the solid phase in the columns. This work consists in developing a monitoring system which allows fault detection and isolation for SMB process.]

IDENTIFICATION ET AUTOMATISATION DES PROCESSUS INDUSTRIELS DE TRAITEMENT DE MINERAIS [IDENTIFICATION AND AUTOMATIC CONTROL OF INDUSTRIAL MINERAL PROCESSING UNITS]
Le projet de thèse vise à modéliser et commander un procédé de concentration de minerais de Cuivre-Cobalt en République Démocratique du Congo .On s'intéressera plus précisément à la partie broyage et flottation. On déterminera un modèle suffisamment simple pour pouvoir être identifié sur la base d'expérience et de mesures prises sur le terrain. La régulation fera appel à une structure hiérarchique et aura pour objectif d'optimiser les performances du procédé. [This PhD thesis project aims at modelling and control of a copper-cobalt concentrator plant in the Democratic Republic of Congo. We will focus our attention particulary on the milling (grinding) and flotation circuits. A simple model will be determined and identified by means of experiments and measurements taken on the field. The regulation will be based on a hierarchical control structure and it will aim at optimizing the performance of the process.]

Conception d'un robot esclave de téléopération à retour de force à quatre degrés de liberté en vue d'une application en chirurgie mini-invasive [Design of a four degrees of freedom slave robot for bilateral teleoperation for an application in minimally invasive surgery]
Le but de ce projet est la conception mécanique et logicielle d'un robot esclave de téléopération bilatérale appliquée à la chirurgie mini-invasive. Les couches logicielles comprennent une méthode de compensation de friction, les boucles d'amortissement mécanique ainsi qu'une surveillance des efforts appliqués. La compensation de friction tente de supprimer l'effet des non linéarités dures dans le comportement du système et améliore sa transparence lors de l'utilisation en téléopération bilatérale. Les boucles d'amortissement mécanique visent à accroître la stabilité du robot. Le monitoring des efforts appliqués est destiné à l'amélioration de la sécurité du patient. [The aim of this project is the mechanical and software design of a four degrees of freedom slave robot dedicated to bilateral teleoperation for an application in minimally invasive surgery. The software includes a friction compensation loop, the damping of the mechanism and a monitoring of the applied forces. The friction compensation loop attempts to cancel the hard nonlinearities in the behavior of the robot and enhances its transparency while performing bilateral teleoperation. The damping of the mechanism increases the stability of the robot. The monitoring of the applied forces guaranties the safety of the patient.]

Conception, réalisation et asservissement d'un dispositif de téléopération à retour de force pour la palpation en chirurgie thoracique mini-invasive [Design, realization and control of a teleoperated force feedback palpation device for inimally invasive thoracic surgery]
La chirurgie mini-invasive (CMI) consiste à opérer à travers de petites incisions, au moyen d'une caméra et d'instruments adaptés. Elle permet de mener à bien de multiples interventions avec un minimum de trauma pour le patient, parmi lesquelles l'ablation de nodules pulmonaires périphériques. Cependant, comme le chirurgien ne manipule plus directement les organes, il ne peut donc plus pratiquer de palpations pour retrouver les lésions enfouies, comme il le ferait en chirurgie classique. En conséquence, à ce jour, seuls les nodules visibles à l'oeil nu sont traités par CMI. Le but de ce travail est de développer un instrument téléopéré pour la palpation, afin d'étendre les applications de la CMI dans le domaine thoracique. Celui-ci comprend 2 parties : un robot « maître », manipulé par un opérateur, et un robot « esclave » reproduisant la tâche imposée par le maître sur l'organe. Des lois de réglages adéquates entre le maître et l'esclave permettent alors de restituer la sensation de contact [Minimally invasive surgery (MIS) consists in operating through small incisions in which a camera and adapted instruments are inserted. It allows to perform many interventions with reduced trauma for the patient. One of these is the ablation of peripheral pulmonary nodules. Nevertheless, the means for detecting nodules during MIS are limited. In fact, because of the lack of direct contact, the surgeon cannot palpate the lung to find invisible lesions, as he would do in classical open surgery. As a result, only clearly visible nodules can be treated by MIS presently. Our work aims at developing a teleoperated palpation instrument, in order to extend the possibilities of MIS in the thoracic field. Such an instrument is made of a master device, manipulated by an operator, and a slave device which is in contact with the patient and reproduces the task imposed by the master. Adequate control laws between these two parts allow to restore the operator's haptic sensation. ]

Détection et isolation de défauts et régulation tolérante aux défauts pour éoliennes [Fault detection and isolation and fault tolerant control for wind turbines]
Vu l'importance de l'énergie éolienne dans les réseaux électriques modernes, la sûreté de fonctionnement des éoliennes devient un sujet très important. Ces éoliennes peuvent être affectées par des dégradations de fonctionnement des capteurs (dérives par exemple), des actionneurs (perte d'efficacité des actionneurs destinés à orienter les pales), des défauts internes à la génératrice (court-circuit entre spires d'enroulements) ou des défauts externes (creux de tension au niveau du réseau). Il s'agit de déceler et de localiser ces dégradations le plus rapidement possible avant qu'elles n'induisent une défaillance afin de pouvoir prendre des mesures appropriées. Ces mesures consistent à reconfigurer le système de régulation de l'éolienne afin qu'elle puisse continuer à fonctionner, éventuellement dans un mode dégradé ou, si nécessaire, à réaliser une mise à l'arrêt de façon sûre. La recherche consiste à développer une méthodologie systématique pour l'obtention d'un tel système de régulation tolérante aux défauts. Ce travail fait partie d'une action de recherche concertée dont les objectifs sont décrits sur le site http://saas.ulb.ac.be/arc.html [Given the importance of wind energy in modern power systems, reliability of wind turbines becomes an important issue. Wind turbines can be subject to operating degradations in sensors (drifts for instance), actuators (loss of effectiveness in the pitch actuators), internal faults in the generator (short circuits between coils) or external faults (voltage dips). Such faults must be detected and localized as soon as possible in order to be able to take appropriate measures before they turn into failure. These measures consist in a reconfiguration of the control system so that the wind turbine can continue to operate possibly in a degraded mode or, if necessary, to stop the machine in a secure way. The research work consists in developing a systematic methodology in order to obtain a fault tolerant control system. This work is part of a concerted research action (ARC) described on the web site http://saas.ulb.ac.be/arc.html]

POWER - Production Optimization through Wind Energy Reliability [POWER - Production Optimization through Wind Energy Reliability]
Le projet POWER vise à améliorer la fiabilité d'une éolienne existante et à en optimiser la production et la qualité d'énergie en jouant sur des paramètres qui n'interfèrent pas avec le design de la machine. On peut diviser l'objectif en 3 points :(1) L' optimisation des coûts de maintenance par le diagnostic de l'état des composants, le pronostic de leur durée de vie avant casse et l'aide à la décision d'intervention(2) Le développement de capteurs innovants permettant d'affiner l'information en temps réel afin d'optimiser le diagnostic et le pronostic(3) L'optimisation et la prédiction de la production électrique d'une éolienne prototype selon une procédure systématique adaptable aux autres éoliennes.Le SAAS est impliqué dans le premier point. [The POWER project aims at improving the reliability of an existing wind turbine and at optimizing the production and the quality of the energy by acting on parameters that do not interfere with the design of the machine.The objective can be divided in three parts:(1) The optimisation of the maintenance cost through the diagnosis of the state of the different components, le prognosis of their remaining life time and the guidance for the decision of maintenance operations.(2) The development of innovative sensors allowing improved real time information in order to optimize the diagnosis and prognosis(3) The optimization and the prediction of the electrical production of a pilot wind-turbine through a systematic procedure that should be adaptable to other wind-turbinesThe SAAS team contributes to the first part.]



theses


Kinnaert, M., ''Régulation adaptative de systèmes linéaires à plusieurs grandeurs réglées et à plusieurs grandeurs réglantes'', Dir. Pr. R.Hanus, Faculté des Sciences appliquées, Service d'Automatique, ULB, Bruxelles, 1987



prix


Fulbright/Hays Award (1983)

Chairman du comité technique SAFEPROCESS de l'IFAC de 2002 à 2008



disciplines et mots clés déclarés


Analyse des systèmes Analyse harmonique Automatique Automatisme et régulation Automatisme industriel et processcontrol Chimie - physique industrielle Chirurgie Electrotechnique générale Ingénierie biomédicale Mécanique appliquée générale Mécanique appliquée spéciale Métallurgie Minéralogie et préparation des minerais Pétrochimie Statistique appliquée

automatique chirurgie mini invasive chirurgie mini-invasive chromatographie classification (séparation) granulométrique concasseur et broyeur décantation détection de défauts détection et isolation de défauts détection et isolation de pannes détection et isolation des défauts diagnostic diagnostic de défauts energie éolienne energie éolienne eoliennes eoliennes estimation et observateurs etimation et observateurs evaluation de performance des boucles de réglage flottation haptique identification paramétrique ligne continue de galvanisation lit mobile simulé maintenance modélisation modélisation modélisation/identification/compensation de friction nodules pulmonaires observateur mimo optimisation optimisation du placement de capteurs palpation real-time implementation régulation non linéaire régulation tolérante aux défauts réseaux électriques retour de force robotique soudage à la molette supervision supervision sûreté de fonctionnement système de régulations systèmes biomédicaux systèmes de régulation technique de régulation avancée téléopération téléopération bilatérale thoracoscopie traitement de minerais transport de bande