Nesta dissertação é apresentado um estudo comparativo entre seis controladores H \'infinito\' não lineares aplicados em um robô móvel com rodas. Três estratégias de controle são avaliadas. Na primeira, o modelo do robô é considerado completamente conhecido. Na segunda, o modelo matemático é considerado desconhecido e é realizada uma estimativa baseada em métodos inteligentes. E finalmente, na terceira estratégia, o modelo nominal é conhecido e técnicas inteligentes são usadas para estimar somente incertezas paramétricas do robô. As técnicas inteligentes usadas são baseadas em redes neurais e em lógica fuzzy. Esses controladores são resolvidos através de desigualdades matriciais lineares (DMLs) e equações algébricas de Riccati. Todos os resultados obtidos são baseados em dados experimentais. / This dissertation is present a comparative study between six nonlinear H \'infinity\' controllers applied to a wheeled mobile robot. Three control strategies are adopted. In the first, the model of the robot is considered completely known. In the second, the mathematical model is considered unknown and is accomplished an estimate based on intelligent methods. And finally, in the third strategy, the nominal model is known and intelligent techniques are used only to estimate parametric uncertainties of the robot. The intelligent techniques used are based in neural networks and in fuzzy logic. These controllers are solved via linear matrix inequalities (LMIs) and algebraic Riccati equations. All results obtained are based in experimental data.

Manipuladores robóticos têm ganhado cada vez mais importância em operações espaciais por poderem substituir humanos na realização de tarefas perigosas ou demasiadamente demoradas e repetitivas. Em destaque tem-se os manipuladores de base livre, por poderem ser acoplados a satélites ou estações espaciais e representarem um grande desafio para engenheiros de controle. Tais robôs possuem dois modos de operação: com base livre controlada e com base livre flutuante. No primeiro modo a base do manipulador tem atitude e translação controladas por jatos propulsores ou rodas de reação, de modo que o comportamento do robô se aproxima de um manipulador de base fixa. Porém, há um considerável consumo de combustível e energia elétrica, além de novos distúrbios que são inseridos no sistema. No segundo modo, considerado neste trabalho de mestrado, os controles da base são desligados durante a operação e ela pode mover-se livremente em resposta aos movimentos do braço. Embora tenha-se notável economia de combustível e energia elétrica, o acoplamento dinâmico entre base e braço deve ser considerado tanto na modelagem como no projeto do controlador. Para modelar o robô espacial considerado neste projeto foi aplicado o método do Manipulador Dinamicamente Equivalente, que mapeia um manipulador de base livre flutuante através de um robô sub-atuado de base fixa. Dessa forma é possível utilizar sobre robôs espaciais técnicas de controle já desenvolvidas para manipuladores terrestres. Este trabalho trata da análise de controladores robustos e adaptativo aplicados sobre um manipulador planar de base livre flutuante com dois braços para realizar a tarefa de seguimento de trajetórias definidas no espaço de tarefa. Os sistemas de controle considerados foram: Regulador Linear Quadrático Recursivo Robusto (RLQR), controlador H-infinito robusto e controlador adaptativo com modos deslizantes. Os resultados mostraram que os controladores apresentaram desempenhos distintos mas ainda assim foram capazes de realizar a tarefa de seguir trajetórias no espaço de trabalho com erros de acompanhamento bastante pequenos. Foi elaborada também uma comparação quantitativa através de índices de desempenho considerando integral de torques e norma L2 de erros de acompanhamento. / Robotic manipulators gained greater importance in space operations by being able to replace humans in dangerous or very long and repetitive tasks. Free-floating manipulators are highlighted, because they can be coupled to satellites or space stations and represent a great challenge to control engineers. These robots have two operation modes: controlled base and free-floating base. In the first mode, the base has its attitude and translation controlled by propulsion jets or reaction wheels, so that the robot behavior is similar to a fixed-base manipulator. However, there is considerable fuel and electrical energy consumption, besides additional disturbances inserted in the system. In the second mode, which is considered in this work, the base is not controlled during operation and is able to move freely in response to movements of the arm. Even though there is a remarkable fuel and electrical energy saving, the dynamic coupling between base and arm must be taken into account during modelling and controller design. To model the space manipulator considered in this work the Dynamically Equivalent Manipulator method was used, which maps a free-floating manipulator into a underactuated fixed-base manipulator. Thus, it is possible to apply known control techniques for terrestrial manipulators on free-floating ones. This work discusses robust and adaptive controllers applied on a planar dual-arm free-floating space manipulator in order to track trajectories defined in the workspace. The considered control systems are: Robust Recursive Linear Quadratic Regulator, Robust H-infinity and Adaptive Sliding Modes. Results showed that the controllers had distinct performances but were still able to perform trajectory tracking in workspace with very small tracking errors. A quantitative comparison was also elaborated with performance indexes considering integral of torques and L2 norm of tracking errors.

Neste trabalho, duas técnicas de controle robusto (LQG/LTR e DML), aplicadas a um sistema elétrico de potência, são avaliadas através dos raios de estabilidade do sistema. As incertezas estruturadas do modelo nominal são consideradas nos dois controladores. Um conjunto de modelos é gerado considerando as combinações das incertezas paramétricas. Os valores singulares estruturados dos dois sistemas de controle são analisados. / In this work, two techniques of robust control (LQG/LTR) and LMI), applied to a power electric system, are available via stability radii of the system. The structured uncertainties of the nominal model are considered in both designs. A set of models is generated considering the combinations of the parametric uncertainties. The structured singular values of both systems are analysed.

Este trabalho trata da coordenação de robôs heterogêneos que consiste em um robô helicóptero e em múltiplos robôs móveis com rodas, de modo que estes sigam um líder. Para atingirmos este objetivo, neste trabalho desenvolve-se a estimação da atitude e posição de um robô utilizando filtros robustos. Os filros realizam a fusão dos sinais de uma unidade de medida inercial de baixo custo e de um receptor GPS (Global Positioning System) considerando um modelo de corpo rígido formulado em termos de quatérnios. Resultados experimentais são apresentados baseados em um estudo comparativo entre os filtros robustos e o filtro de Kalman. Desenvolve-se o controle de um robô móvel com rodas deslizantes e de um robô helicóptero. Para realizar o controle robusto utilzia-se um regulador robusto recursivo. Simulaçõoes do robô móvel com rodas deslizantes e do robô helicóptero são apresentadas utilizando os parâmetros de um robô móvel Pioneer 3AT e de um robô helicóptero RMAX. Desenvolve-se também um mini robô helicóptero e uma base de movimento para realização de testes de controle do mini robô helicóptero constiste de um mini helimodelo e de um piloto automático baseado em um microprocessador com conectividade Wi-Fi, uma unidade de medida inercial e uma placa de controle de servos motores. E por fim, desenvolve-se a coordenação de robôs heterogêneos de modo que estes sigam um líder. Para isto é utilziado um controlador descentralizado e cooperativo cuja finalidade é gerar trajetórias de referência para que os robôs heterogênos se movimentem em formação rígida. / This research deals with the coordination of the heterogeneous robots, consisting of a robotic helicopter and multiple uheeled mobile robots, to achieve this aim this work develops the estimation of attitude, heading and positions of a robot based on robust filters. The filters perform the fusion of the signals of a low-cost inertial measurement unit and a GPS (Global Positioning System) receiver considering a rigid body model formulated in terms of quaternions. Experimental results are presented based on a comparative study of the robust filters and Kalman filter. It develops a robust control scheme of a ski-steering mobile robot and a robotic helicopter. The robust control is performed through a the robust recursive regulator. Simulations of the skid-steering mobile robot and a robotic helicopter are presented using the parameters of a Pioneer 3AT and a robotic helicopter RMAX. It also develops a mini robotic helicopter and a motion base to perform control test of a mini robotic helicopter. The mini robotic helicopter consists of a mini helicopter TREX 450 XL and an autopilot based on a microprocessor with Wi-Fi, an inertial measurement unit a servo control board. To finish, it develops the coordination of the heterogeneous robots in order to perform a leader strategy based on the concept of rigid formation.

Cette thèse se situe dans le cadre de l'analyse et de la commande des systèmes multidimensionnels. Ce sont des systèmes où l'information se propage dans plusieurs directions indépendantes les unes des autres (par exemple une dimension d'espace et une de temps). Les contributions présentées dans ce mémoire portent d'une part sur la commande des systèmes 2D discrets ou continus, à retards constants ou variables, et d'autre part sur la synthèse de loi de commande par retour d'état robuste des systèmes nD hybrides incertains dont l'incertitude est décrite sous forme de représentation rationnelle implicite (ILFR). Les travaux présentés utilisent deux approches, l'une basée sur le polynôme caractéristique et l'autre sur les techniques de Lyapunov. Pour les systèmes 2D à retards discrets ou continus nous avons utilisé l'approche basée sur des fonctionnelles de Lyapunov. Des conditions suffisantes de stabilité et de stabilisation par retour d'état, dépendantes du retard, sont établies. Outre la notion de stabilité, la notion de performance du type H∞ est traitée afin de résoudre le problème de rejet de perturbations pour cette classe de systèmes. Nous avons ensuite proposé un cadre assez général pour l'analyse en stabilité des systèmes nD hybrides, en utilisant la S-procédure, permettant l'obtention de conditions sous forme de LMIs faciles à exploiter numériquement. Nous avons également proposé des conditions de stabilité et de stabilisation robustes pour les systèmes nD hybrides incertains dont l'incertitude est du type LFR implicites. / This thesis deals with the analysis and the control of multidimensional systems. These systems can be defined as the classe of systems where the information is propagated in several independent direction. For instance, a 2D system with a dimension corresponding to space and, the other one to time. The contributions presented in this work focuses, on one hand, on the control of 2D discrete or continuous systems with constant or variable delays and on the other hand, on the synthesis of robust state feedback controllers for nD hybrid uncertain systems including parameter uncertainties complying with an implicit linear fractional representation (ILFR). Two approaches are used. One is based on the characteristic polynomial and the other on Lyapunov techniques. Sufficient conditions for stability and stabilization are established for 2D delayed discrete or continuous systems using Lyapunov approach. Conditions to insure both stability and a prescribed H∞ performance level are given for this class of systems. Then, a general framework for the establishment of computationally tractable LMI conditions to analyse the stability of nD hybrid systems is proposed. Robust stability and stabilization conditions are then established for nD hybrid uncertain systems. The uncertainties comply with an (ILFR) description.

Este trabalho trata da implementação de uma técnica de controle robusto, Síntese-&#956 em um robô manipulador de três graus de liberdade com juntas passivas. A necessidade de um de controle robusto se deve ao fato de que em uma aplicação real o sistema está sujeito a mudanças nos seus parâmetros internos e a distúrbios externos (ruído dos sensores, etc). Aqui, uma metodologia de controle robusto que combina o método do torque computado e controladores robustos projetados via Síntese-&#956 é proposta e utilizada com êxito. O equacionamento matemático da distância do sistema é apresentado e a linearização é realizada pela realimentação de estados presentes no método. Uma abordagem dos conceitos teóricos presentes na teoria de Síntese-&#956 é feita e um procedimento de projeto é apresentado. Modelos nominais para diferentes configurações do robô são definidos e controladores robustos são projetados utilizando o método de iterações D-K. O teste e a validação dos controladores projetados são verificados em um ambiente de simulação e também no manipulador experimental UArmII (Underactuated Robot Manipulator II), que é um robô manipulador (equipado com 3 juntas, atuadores e freios) projetado para o estudo de dinâmicas passivas. / This work deals with implementation of a robust control technique, &#956-Synthesis, in a mani- pulator robot with three degrees of freedom and passive joints. The necessity of a robust control is due to the fact that in a real application the system is subject to changes in its internal parameters and external disturbances (sensor noise, etc). Here, a robust control methodology that combines the computed torque method and robust controllers designed via &#956-Synthesis is proposal and used with success. The mathematical formulation of the system dynamics is presented and the linearization is accomplished by the state feedback included in the method. An overview of theoretical concepts presents in the &#956-Synthesis theory is made and a design procedure is presented. Nominal models for all robot\'s configurations are defined and robust controllers are designed using the D-K iterations method. The test and validation of the controllers are realized in a simulation environment and also in the experimental manipulator UArmII (Underactuated Robot Manipulator II), that is a robot manipulator (equipped with 3 joints, actuators and brakes) projected for the study of passive dynamics.

Esta tese aborda o problema de regulação para sistemas lineares sujeitos a saltos Markovianos de tempo discreto com matrizes de transição incertas. Considera-se que as incertezas são limitadas em norma e os estados da cadeia de Markov podem não ser completamente observados pelo controlador. No cenário com observação completa dos estados, a solução é deduzida com base em um funcional quadrático dado em termos das probabilidades de transição incertas. Enquanto que no cenário sem observação, a solução é obtida por meio da reformulação do sistema Markoviano como um sistema determinístico, independente da cadeia de Markov. Três modelos são propostos para essa reformulação: um modelo é baseado no primeiro momento do sistema Markoviano, o segundo é obtido a partir da medida de Dirac e resulta em um sistema aumentado, e o terceiro fornece um sistema aumentado singular. Os reguladores recursivos robustos são projetados a partir de critérios de custo quadrático, dados em termos de problemas de otimização restritos. A solução é derivada da técnica de mínimos quadrados regularizados robustos e apresentada em uma estrutura matricial. A recursividade é estabelecida por equações de Riccati, que se assemelham às soluções dos reguladores clássicos, para essa classe de sistemas, quando não estão sujeitos a incertezas. / This thesis deals with regulation problem for discrete-time Markovian jump linear systems with uncertain transition matrix. The uncertainties are assumed to be normbounded type. The states of the Markov chain can not be completely observed by the controller. In the scenario with complete observation of the states, the solution is deduced based on a quadratic functional given in terms of uncertain transition probabilities. While in the scenario without observation, the solution is obtained from reformulation of the Markovian system as a deterministic system, independent of the Markov chain. Three models are proposed for the reformulation process: a model is based on the first moment of the Markovian system, the second is obtained from Dirac measure which results in an augmented system, and the third provides a singular augmented system. Recursive robust regulators are designed from quadratic cost criteria given in terms of constrained optimization problems. The solution is derived from the robust regularized least-square approach, whose framework is given in terms of a matrix structure. The recursiveness is established by Riccati equations which resemble the solutions of standard regulators for this class of systems, when they are not subject to uncertainties.

A utilização de sistemas semi-ativos no controle de movimento e vibração vem crescendo muito nos últimos anos, e está se firmando como a opção mais econômica em muitas aplicações. Os sistemas de controle semi-ativos baseados em fluidos magneto-reológicos (MR) já são empregados no controle de vibrações desde máquinas de lavar a grandes pontes suspensas, e até mesmo no controle de vibração de edifícios sujeitos a abalos sísmicos. No controle de movimento, eles têm sido aplicados em aparelhos de fisioterapia, próteses de joelho humano e embreagens. No setor automobilístico, os sistemas semi-ativos são empregados em sistemas de controle da suspensão e sistemas anti-rolagem, e também no controle de sistemas de torque e tração. Visto a crescente importância dos sistemas de controle semi-ativo, este trabalho aborda este assunto dividindo-o em duas partes: a primeira, apresentada no volume 1, trata do projeto de atuadores magneto-reológicos e do seu modelamento dinâmico voltado para projetos de controle; e a segunda parte, apresentada no volume 2, trata de projeto de controladores para sistemas semi-ativos, mais especificamente voltados para o controle de suspensão veicular semi-ativa, buscando a melhoria do desempenho em conforto, segurança e dirigibilidade do veículo. Na primeira parte, a maior contribuição deste trabalho está em preencher uma lacuna na literatura no que diz respeito a uma técnica sistemática de projeto de atuadores magneto-reológicos e da forma mais adequada de sua representação dinâmica para projetos de controle, que é feita a partir de dados experimentais. Na segunda parte deste trabalho buscou-se desenvolver um sistema de controle economicamente viável para veículos utilitários (caminhonetes principalmente). Estes são os veículos que mais carecem de sistemas de suspensão capazes de atender a uma grande variedade de situações (variação de pista, variação de carga), e cujo mercado exige uma relação custo/benefício melhor que aquela dos mercados de carros de luxo, onde estes sistemas são empregados atualmente. Como resultados mais importantes deste trabalho têmse: uma proposição para o uso da lei de controle LQG/LTR em sistemas não estritamente próprios; um modelo de um veículo utilitário completo com sete graus de liberdade e capaz de representar as situações mais importantes do comportamento dinâmico deste tipo de veículo; o desenvolvimento de uma estratégia de controle robusto baseado na técnica LQG/LTR, adequada para trabalhar com atuadores semi-ativos, e que utiliza sensores de custo compatível com a aplicação. O sistema de controle proposto foi capaz de melhorar o desempenho em conforto e segurança, evitando situações de perda de aderência dos pneus e comportamentos dinâmicos indesejáveis destes veículos, que foi verificado experimentalmente e através de simulações em computador. / The application of semi-active systems to motion and vibration control has significantly grown during the last years, and it is becoming an economically viable option for several applications. Semi-active systems based on magneto-rheological (MR) fluids were applied to vibration control ranging from washing machines to suspended bridges, and also in vibration control of buildings under seismic tremors. Regarding the movement control, they have been used in gym apparati, human knee prosthesis and clutches. More specifically in the automotive industry, semi-active systems have been applied in suspension and anti-roll systems, and also in torque and traction control systems. This work treats this subject dividing it into two parts: the first one, presented in volume 1, deals with the design of semi-active actuators based on magneto-rheological fluids and dynamic modeling; and the second one, presented in volume 2, deals with the design of semi-active control for vehicular suspension systems. The control main objective is the performance improvement in comfort, safety and handling features of a vehicle. In the first part, the main contribution of this work is to fulfill a literature gap regarding a systematic procedure for design of magneto-rheological actuators and to find a better representation for the dynamic behavior regarding the control system development, which is done based on experimental data analysis. The second part of this work leaded with the development of a vehicular suspension system for utility vehicles (for SUVs, and mainly for light trucks), which need suspension systems able to face a great number of situations (road variation, load variation, etc.), and which present stability problems due to its high gravity center height. Important results of this work are: the development of a robust control strategy based on LQG/LTR techniques for non-strictly proper systems, the development of a dynamic model for light trucks and SUVs with seven degrees of freedom; the development of a robust control strategy based on the LQG/LTR synthesis, suit to work with semi-active actuators, and using sensors with costs compatible to the application. The proposed control system was able to improve the performance of comfort and safety, avoiding the loss of adherence between tires and the ground and other undesirable dynamic behaviors of these vehicles, that was verified experimentally and through computer simulations.

O presente trabalho se propõe a elaborar algoritmos para controle robusto de sistemas de potência. O modelo de sistema de potência multimáquinas utilizado é o de pequenas perturbações, e o objetivo principal é aumentar o amortecimento dos autovalores críticos do sistema, garantindo sua estabilidade e desempenho em diversas condições operativas. Para isso, são utilizadas as Desigualdades Matriciais Lineares (ou LMI\'s), muito adequadas ao tratamento de problemas de controle robusto por sua flexibilidade e possibilidade de agrupamento de diversos requisitos de desempenho. São propostos, entre outros, três algoritmos fundamentais para controle robusto: dois estão relacionados ao controle descentralizado e com controladores de estrutura fixa, o que é muito comum na indústria de potência atualmente, e o outro está relacionado ao controle hierarquizado, que consiste na integração de várias camadas de controle utilizando sinais remotos. Os algoritmos de controle descentralizado propostos são inovadores, pois ambos os métodos permitem a utilização de controladores de estrutura fixa (qualquer que seja ela), e o algoritmo de controle hierarquizado propõe uma estrutura de controle inédita que utiliza aproximações de Padé de diversas ordens para representar os atrasos de comunicação no sistema. Durante a fase de projeto, pode-se escolher o atraso de comunicação, bem como a ordem da aproximação de Padé desejada. Nos algoritmos de controle robusto descentralizado, realizamos uma minimização da norma da matriz de ganhos estáticos do controlador, o que impede que o resultado do algoritmo sejam parâmetros de valores muito elevados e infactíveis para os controladores. A técnica utilizada para os três controladores propostos é o posicionamento de pólos, o que garante que os autovalores do sistema de potência em malha fechada estejam numa dada região do plano complexo, relacionada ao amortecimento mínimo desejado para os autovalores do sistema. Os testes e simulações realizados para validação dos algoritmos de controle robusto foram feitos em ambiente MATLAB, e foram utilizados diversos sistemas de potência: sistema New England de 39 barras e 9 geradores, sistema New England de 69 barras e 16 geradores e sistema New England de 39 barras utilizando modelos de termogeradores. Os testes sugerem que as técnicas propostas são eficazes, pois todas elas garantem boas taxas de amortecimento para os sistemas de potência utilizados. Ao final, simulações não-lineares comprovam a eficácia e a eficiência de um dos controladores projetados para o sistema New England de 39 barras. / The aim of this work is to elaborate robust control algorithms to power systems. The mathematical model employed to describe the multimachine power system is that used in small signal studies, and the main goal is to increase the damping of the critical eigenvalues of the system, guaranteeing its stability and performance in various operating conditions. To do this, we apply the Linear Matrix Inequalities (or simply LMI\'s), suitable to deal with robust control problems due to its flexibility and possibility to group many performance requisites. We propose three robust control algorithms: two of them are related to decentralized control with controllers of predefined structure, which are commonly used in the power industry, and the other one is related to the hierarchized control, which consists on the integration of various controllers layers using remote signals. The decentralized robust control algorithms proposed are novel, because both methods make possible the development of controllers of pre-defined structure, and the hierarchized control algorithm suggests a novel control structure that uses Padé approximations of different orders to represent the communication delays in the system. During the design, we can choose the communication delay, as well as the order of the Padé approximation desired. The decentralized robust control algorithms solve minimization problems over the controller gain matrix norm, which guarantees that the final values of the controller\'s parameters will not be much high and impracticable. The technique employed for the three types of controllers proposed is the pole placement, which ensures that the eigenvalues of the closed loop power system will be in a certain region of the complex plane, related to the minimum damping required for the system. Tests and simulations are done in MATLAB to validate the robust control algorithms, and we apply these algorithms to various power systems: 39-bus 9-machine New England power system, 69-bus 16-machine New England power systems and 39-bus New England power system with thermo machine models. The tests suggest that the proposed techniques work well, once all of them guarantee good damping rates to the power systems considered. To complete the tests round, nonlinear simulations proof the efficiency of the controllers designed for the 39-bus New England power system.

" The chemical engineering literature is dominated by physical and (bio)-chemical processes that exhibit complex nonlinear behavior, and as a consequence, the associated requirements of their analysis, optimization, control and monitoring pose considerable challenges in the face of emerging competitive pressures on the chemical, petrochemical and pharmaceutical industries. The above operational requirements are now increasingly imposed on processes that exhibit inherently nonlinear behavior over a wide range of operating conditions, rendering the employment of linear process control and monitoring methods rather inadequate. At the same time, increased research efforts are now concentrated on the development of new process control and supervisory systems that could be digitally implemented with the aid of powerful computer software codes. In particular, it is widely recognized that the important objective of process performance reliability can be met through a comprehensive framework for process control and monitoring. From: (i) a process safety point of view, the more reliable the process control and monitoring scheme employed and the earlier the detection of an operationally hazardous problem, the greater the intervening power of the process engineering team to correct it and restore operational order (ii) a product quality point of view, the earlier detection of an operational problem might prevent the unnecessary production of o-spec products, and subsequently minimize cost. The present work proposes a new methodological perspective and a novel set of systematic analytical tools aiming at the synthesis and tuning of well-performing digital controllers and the development of monitoring algorithms for nonlinear processes. In particular, the main thematic and research axis traced are: (i) The systematic integrated synthesis and tuning of advanced model-based digital controllers using techniques conceptually inspired by Zubov’s advanced stability theory. (ii) The rigorous quantitative characterization and monitoring of the asymptotic behavior of complex nonlinear processes using the notion of invariant manifolds and functional equations theory. (iii) The systematic design of nonlinear state observer-based process monitoring systems to accurately reconstruct unmeasurable process variables in the presence of time-scale multiplicity. (iv) The design of robust nonlinear digital observers for chemical reaction systems in the presence of model uncertainty. "