Statistical Incipient Fault Detection and Diagnosis with Kullback-Leibler Divergence : from Theory to Applications

Détection et diagnostic de défauts naissants en utilisant la divergence de Kullback-Leibler : De la théorie aux applications

• Auteur / Autrice : Jinane Harmouche
• Direction : Claude Delpha
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Traitement du Signal (STIC)
• Date : Soutenance le 20/11/2014
• Etablissement(s) : Supélec
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences et Technologies de l'Information, des Télécommunications et des Systèmes (Orsay, Essonne ; 2000-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des signaux et systèmes (L2S) - Laboratoire de génie électrique de Paris / LGEP - Université Paris-Sud
• Jury : Président / Présidente : Nadine Martin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mohamed Benbouzid, Demba Diallo, Stéphane Font
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : François Auger, Guy Clerc

Mots clés

Mots clés contrôlés

Entropie maximale, Méthode d'

Détection de défaut (ingénierie)

Mots clés libres

Détection et diagnostic

Défauts naissants

Divergence de Kullback-Leibler

Contrôle non destructif par courants de Foucault

Défauts de roulements

Fault detection and diagnosis

Incipient damages

Kullback-Leibler divergence

Eddy Current non-destructive testing

Bearing faults

Résumé

Les travaux de cette thèse portent sur la détection et le diagnostic des défauts naissants dans les systèmes d’ingénierie et industriels, par des approches statistiques non-paramétriques. Un défaut naissant est censé provoquer comme tout défaut un changement anormal dans les mesures des variables du système. Ce changement est imperceptible mais aussi imprévisible dû à l’important rapport signal-sur défaut, et le faible rapport défaut-sur-bruit caractérisant le défaut naissant. La détection et l’identification d’un changement général nécessite une approche globale qui prend en compte la totalité de la signature des défauts. Dans ce cadre, la divergence de Kullback-Leibler est proposée comme indicateur général de défauts, sensible aux petites variations anormales cachées dans les variations du bruit. Une approche d’analyse spectrale globale est également proposée pour le diagnostic de défauts ayant une signature fréquentielle. L’application de l’approche statistique globale est illustrée sur deux études différentes. La première concerne la détection et la caractérisation, par courants de Foucault, des fissures dans les structures conductrices. La deuxième application concerne le diagnostic des défauts de roulements dans les machines électriques tournantes. En outre, ce travail traite le problème d’estimation de l’amplitude des défauts naissants. Une analyse théorique menée dans le cadre d’une modélisation par analyse en composantes principales, conduit à un modèle analytique de la divergence ne dépendant que des paramètres du défaut.

This phD dissertation deals with the detection and diagnosis of incipient faults in engineering and industrial systems by non-parametric statistical approaches. An incipient fault is supposed to provoke an abnormal change in the measurements of the system variables. However, this change is imperceptible and also unpredictable due to the large signal-to-fault ratio and the low fault-to-noise ratio characterizing the incipient fault. The detection and identification of a global change require a ’global’ approach that takes into account the total faults signature. In this context, the Kullback-Leibler divergence is considered to be a ’global’ fault indicator, which is recommended sensitive to abnormal small variations hidden in noise. A ’global’ spectral analysis approach is also proposed for the diagnosis of faults with a frequency signature. The ’global’ statistical approach is proved on two application studies. The first one concerns the detection and characterization of minor cracks in conductive structures. The second application concerns the diagnosis of bearing faults in electrical rotating machines. In addition, the fault estimation problem is addressed in this work. A theoretical study is conducted to obtain an analytical model of the KL divergence, from which an estimate of the amplitude of the incipient fault is derived.