This thesis extends the use of neural-network-based model reference adaptive control to systems that occur as cascades. In general, these systems are not feedback linearizable. The approach taken is that of approximate feedback linearization of upper subsystems whilst treating the lower-subsystem states as virtual actuators. Similarly, lower-subsystems are also feedback linearized. Typically, approximate inverses are used for linearization purposes. Model error arising from the use of an approximate inverse is minimized using a neural-network as an adaptive element. Incorrect adaptation due to (virtual) actuator saturation and dynamics is avoided using the Pseudocontrol Hedging method. Using linear approximate inverses and linear reference models generally result in large desired pseudocontrol for large external commands. Even if the provided external command is feasible (null-controllable), there is no guarantee that the reference model trajectory is feasible. In order to mitigate this, nonlinear reference models based on nested-saturation methods are used to constrain the evolution of the reference model and thus the plant states. The method presented in this thesis lends itself to the inner-outer loop control of air vehicles, where the inner-loop controls attitude dynamics and the outer-loop controls the translational dynamics of the vehicle. The outer-loop treats the closed loop attitude dynamics as an actuator. Adaptation to uncertainty in the attitude, as well as the translational dynamics, is introduced, thus minimizing the effects of model error in all six degrees of freedom and leading to more accurate position tracking. A pole-placement approach is used to choose compensator gains for the tracking error dynamics. This alleviates timescale separation requirements, allowing the outer loop bandwidth to be closer to that of the inner loop, thus increasing position tracking performance. A poor model of the attitude dynamics and a basic kinematics model is shown to be sufficient for accurate position tracking. In particular, the inner-outer loop method was used to control an unmanned helicopter and has subsequently been applied to a ducted-fan, a fixed-wing aircraft that transitions in and out of hover, and a full-scale rotorcraft. Experimental flight test results are also provided for a subset of these vehicles.

Orientador: Marcelo Carvalho Minhoto Teixeira / Resumo: Esta tese propõe projetos de controle H_infinito e controle H_infinito chaveado para uma classe de sistemas lineares com incertezas invariantes no tempo, nos quais apenas a derivada do vetor de estado é considerada para realimentação. Neste cenário, as estratégias propostas utilizam dinâmicas auxiliares, cujas variáveis de estado estão disponíveis para realimentação, para controlar a planta original. São propostas estruturas e procedimentos de projeto por meio de desigualdades matriciais lineares. A primeira estrutura de controle apresentada, considera a saturação do atuador e um integrador para definir a estratégia de controle, e se as condições propostas são factíveis, assegura que o ponto de equilíbrio do sistema de malha fechada seja localmente assintoticamente estável, para todas as condições iniciais em uma região elipsoidal, contida em uma determinada região definida para a nova dinâmica. Na segunda estrutura, é proposta uma técnica sem o uso de integradores para definir as estratégias para o controle chaveado e controle H_infinito chaveado, para plantas com e sem saturação da entrada de controle. Na terceira estrutura, considera-se um caso mais geral porém com o uso de integradores para definir as estratégias para o controle chaveado e controle H_infinito chaveado, para plantas sem saturação da entrada de controle. Embora todos os projetos propostos considerem a dinâmica auxiliar, são asseguradas as propriedades de estabilidade, taxa de decaimento e custo garantido pa... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: This thesis proposes H_infinite switched control designs for a class of linear systems with time invariant uncertainties, where only the derivative of the state vector is considered for feedback. In this scenario, the proposed strategies use auxiliary dynamics, whose state variables is accessible for feedback, to control the original plant. The proposed structures and design procedures are based on LinearMatrix Inequalities (LMIs). The first structure considers the actuator saturation and an integrator to define the control strategy, and if the proposed conditions are feasible, it assures that the equilibrium point of the closed-loop system is locally asymptotically stable, for all initial conditions in an ellipsoidal region, which is within a given region defined for this new dynamic. In the second structure, we adopted a technique without the use of integrators to define the strategies for the switched control and H_infinite switched control, for plants with and without control input saturation. In the third structure, we study a more general case, however, with the use of integrators to define the strategies for the switched control and H_infinite switched control, for plants without control input saturation. Although all proposed designs consider the auxiliary dynamics, it is assured the stability, decay rate proprieties, and H_infinite guaranteed cost for the original plant. Simulation examples and practical implementation illustrate the effectiveness of the proposed app... (Complete abstract click electronic access below) / Doutor

Orientador: Marcelo Carvalho Minhoto Teixeira / Resumo: Este trabalho dedica-se ao estudo do problema de controle robusto envolvendo custo H∞ para sistemas lineares chaveados no tempo contínuo, sujeitos à saturação no atuador e com incertezas politópicas, considerando leis de chaveamento e controladores chaveados dependentes da saída da planta. Os métodos propostos oferecem novas condições baseadas em Desigualdades Matriciais Lineares (LMIs - do inglês, Linear Matrix Inequalities) para o projeto de controladores chaveados utilizando funções de Lyapunov dependentes de parâmetros. O método é baseado em um resultado recentemente introduzido na literatura para o projeto de controle H∞ de saída o qual evita igualdades matriciais lineares (LMEs - do inglês, Linear Matrix Equalities) e a necessidade de impor restrições nas matrizes de saída do sistema, isto é, as matrizes de saída do sistema podem ser de posto linha incompleto. Com o objetivo de estender estes resultados, a restrição de saturação no atuador é estudada. Análises teóricas e resultados de simulações mostram que os novos procedimentos são menos conservativos quando comparados a métodos publicados recentemente na literatura. No método proposto, as condições são uma classe particular de desigualdades matriciais bilineares (BMIs - do inglês, Bilinear Matrix Inequalities), as quais contêm alguns termos bilineares devido à multiplicação de matrizes por escalares. Estes termos estão relacionados à combinação convexa das matrizes de chaveamento bem como a outros parâmetros escalare... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: This thesis is devoted to the study of the robust H∞ control problem of continuous-time switched linear systems subject to actuator saturation with polytopic uncertainties, considering an output-dependent switching law and a switched static output feedback controller. The proposed method offers new sufficient conditions based on linear matrix inequalities (LMIs) for designing the switched controllers using parameter-dependent Lyapunov functions. The method is based on a static output feedback H∞ control design recently presented in the literature that avoids linear matrices equalities (LMEs) and the need to impose any constraints on output system matrices, that is, the output matrices of the system are allowed to be of non-full row rank. In order to extend those results, the actuator saturation constraint is also studied. Theoretical analyses and simulation results show that these new procedures are less conservative than recent methods available in the literature. The conditions of the proposed methods are a particular class of Bilinear Matrix Inequalities (BMIs), which contain some bilinear terms as the product of a matrix and a scalar, related to a suitable convex combination and scalars parameters to provide extra free dimensions in the solution space. The hybrid algorithm Differential Evolution-Linear Matrix Inequality (DE-LMI), is proposed for obtaining feasible solutions of this particular NP-hard problem. Examples show that the proposed methodologies reduce the design ... (Complete abstract click electronic access below) / Doutor

Submitted by UILIAM NELSON LENDZION TOMAZ ALVES null (uiliamlendzionalves@gmail.com) on 2018-01-10T10:33:36Z No. of bitstreams: 1 FINAL_tese_Uiliam_final_09_01_2018.pdf: 2789913 bytes, checksum: 5ec4b9950f95b6ed998d4af0a8f6d330 (MD5) / Approved for entry into archive by Cristina Alexandra de Godoy null (cristina@adm.feis.unesp.br) on 2018-01-10T10:44:02Z (GMT) No. of bitstreams: 1 alves_unlt_dr_ilha.pdf: 2789913 bytes, checksum: 5ec4b9950f95b6ed998d4af0a8f6d330 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-01-10T10:44:02Z (GMT). No. of bitstreams: 1 alves_unlt_dr_ilha.pdf: 2789913 bytes, checksum: 5ec4b9950f95b6ed998d4af0a8f6d330 (MD5) Previous issue date: 2017-12-14 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / O controle chaveado pode ser eficientemente utilizado no controle de sistemas fuzzy TakagiSugeno (T-S) incertos, que possuam funções de pertinência incertas e modelos locais conhecidos. Como estes sistemas fuzzy podem representar exatamente uma classe de sistemas não lineares incertos em uma região do espaço de estados, é interessante utilizá-los para descrever sistemas não lineares, usando no projeto do controlador o modelo fuzzy que descreve exatamente o sistema não linear. Porém, como a representação através de combinação convexa obtida é válida apenas em uma região do espaço de estados, garantias de que o estado do sistema permaneça nessa região devem ser obtidas. Neste trabalho são propostas condições que garantem a estabilização local, com a especificação da taxa decaimento, de uma classe de sistemas não lineares contínuos no tempo, incertos e com saturação no atuador, utilizando o controle chaveado. Os projetos dos controladores são realizados com base no modelo fuzzy T-S que representa exatamente o sistema não linear e os procedimentos de projeto fornecem uma região na qual as condições iniciais devam estar, tal que, o sistema não linear seja exatamente descrito pelo modelo fuzzy T-S incerto durante toda a trajetória de estado do sistema e ainda que esta trajetória permaneça dentro de uma região de operação previamente especificada. Em geral, o controle chaveado não possui restrição na frequência de chaveamento dos ganhos, o que pode levar ao chattering, que se manifesta pelo chaveamento em frequência infinitamente rápida dos ganhos de realimentação. Visando a eliminação do chattering no controle chaveado, propõe-se uma nova técnica de suavização do controle chaveado, o controle chaveado suave. Esta nova lei de controle pode ser utilizada nas mesmas condições do controle chaveado e é baseada no conceito do mínimo suave, definido neste trabalho. Além disso, são propostos procedimentos de projeto que consideram distúrbios para ambas as leis de controle chaveada e chaveada suave. Ademais, neste trabalho também se apresenta uma implementação da lei de controle chaveada em um sistema Ball Balancer fabricado pela Quanser. / The switched control can be efficiently used for controlling uncertain Takagi-Sugeno (T-S) fuzzy systems, which have uncertain membership functions and known local models. Because these fuzzy systems can exactly represent a class of uncertain nonlinear systems in a given operation region in the state space, it is interesting to use them to describe nonlinear systems, performing the controller design based on a T-S fuzzy model that exactly describes the nonlinear system. However, the perfect representation of the uncertain nonlinear system by the T-S fuzzy model as a convex combination is only valid in the operation region. Therefore, it is necessary to assure conditions such that the state of the system remains in that region. This work proposes conditions to ensure the local stabilization, with decay rate, of a class of uncertain continuoustime nonlinear systems with saturation on the actuator, using a switched control. The designs of the controllers are performed based on the T-S fuzzy model which exactly describes the nonlinear system and the design procedures provide a region in which the initial conditions must be such that the nonlinear system is exactly described by the uncertain T-S fuzzy model along the whole state trajectory of the system and this trajectory remains in a specified operation region. Usually, the switched control has no bound on the frequency of the feedback gains switching, and this can lead to chattering, which is manifested by infinitely fast frequency of the feedback gains switching. In order to avoid the chattering in the switched control, this work proposes a new technique to smooth the switched control, the smooth switched control. This new control law can be used under the same conditions as the switched control and it is based on the concept of smooth minimum, which is defined in this work. In addition, design procedures considering disturbances for both switched and smooth switched control laws are proposed. Furthermore, in this work it is also presented an implementation of the proposed switched control law in a Ball Balancer system manufactured by Quanser.

Orientador: Marcelo Carvalho Minhoto Teixeira / Resumo: O controle chaveado pode ser eficientemente utilizado no controle de sistemas fuzzy TakagiSugeno (T-S) incertos, que possuam funções de pertinência incertas e modelos locais conhecidos. Como estes sistemas fuzzy podem representar exatamente uma classe de sistemas não lineares incertos em uma região do espaço de estados, é interessante utilizá-los para descrever sistemas não lineares, usando no projeto do controlador o modelo fuzzy que descreve exatamente o sistema não linear. Porém, como a representação através de combinação convexa obtida é válida apenas em uma região do espaço de estados, garantias de que o estado do sistema permaneça nessa região devem ser obtidas. Neste trabalho são propostas condições que garantem a estabilização local, com a especificação da taxa decaimento, de uma classe de sistemas não lineares contínuos no tempo, incertos e com saturação no atuador, utilizando o controle chaveado. Os projetos dos controladores são realizados com base no modelo fuzzy T-S que representa exatamente o sistema não linear e os procedimentos de projeto fornecem uma região na qual as condições iniciais devam estar, tal que, o sistema não linear seja exatamente descrito pelo modelo fuzzy T-S incerto durante toda a trajetória de estado do sistema e ainda que esta trajetória permaneça dentro de uma região de operação previamente especificada. Em geral, o controle chaveado não possui restrição na frequência de chaveamento dos ganhos, o que pode levar ao chattering, que se manife... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: The switched control can be efficiently used for controlling uncertain Takagi-Sugeno (T-S) fuzzy systems, which have uncertain membership functions and known local models. Because these fuzzy systems can exactly represent a class of uncertain nonlinear systems in a given operation region in the state space, it is interesting to use them to describe nonlinear systems, performing the controller design based on a T-S fuzzy model that exactly describes the nonlinear system. However, the perfect representation of the uncertain nonlinear system by the T-S fuzzy model as a convex combination is only valid in the operation region. Therefore, it is necessary to assure conditions such that the state of the system remains in that region. This work proposes conditions to ensure the local stabilization, with decay rate, of a class of uncertain continuoustime nonlinear systems with saturation on the actuator, using a switched control. The designs of the controllers are performed based on the T-S fuzzy model which exactly describes the nonlinear system and the design procedures provide a region in which the initial conditions must be such that the nonlinear system is exactly described by the uncertain T-S fuzzy model along the whole state trajectory of the system and this trajectory remains in a specified operation region. Usually, the switched control has no bound on the frequency of the feedback gains switching, and this can lead to chattering, which is manifested by infinitely fast frequ... (Complete abstract click electronic access below) / Doutor