Este trabalho apresenta uma nova metodologia para a síntese simultânea de controlador e laço anti-windup visando o problema de seguimento de referências em sistemas sujeitos à saturação. Além do projeto dos controladores, será apresentada uma estimativa dos domínios de estabilidade e do conjunto de referências admissíveis. O seguimento de referências constantes e a rejeição de perturbações, também constantes, será garantido pelo princípio do modelo interno, ou seja, uma ação integral será adicionada a uma malha de controle com realimentação de saída. Além da adição desta ação integral, uma mudança de coordenadas será aplicada ao sistema, onde será garantido que o único ponto de equilíbrio que garante erro nulo de seguimento está no interior da sua região de linearidade. Os efeitos da saturação no sistema serão considerados através de condições de setor modificadas, as quais introduzem novos graus de liberdade ao projeto. Em um primeiro momento, a metodologia será aplicada para sistemas de tempo contínuo, considerando um esquema de controle conhecido como “integradores inteligentes”. Posteriormente, este esquema será simplificado, no que foi chamado de solução “clássica”. Além de apresentar um esquema de controle mais simples e um número menor de condições, estas condições são obtidas diretamente na forma de LMIs, evitando assim, a utilização de esquemas iterativos. Alguns problemas de otimização serão apresentados, podendo levar a três objetivos de controle distintos: maximização da referência admissível, maximização da condição inicial e maximização da perturbação admissível. Por meio de exemplos, será mostrado que esta solução apresenta resultados menos conservativos do que os apresentados na literatura corrente, além de chamar a atenção para um problema ignorado por outros autores. Este problema se refere à existência de pontos de equilíbrio dentro dos domínios de estabilidade mas fora da região linear, o que impossibilita a garantia de erro de seguimento nulo. Num segundo momento, esta metodologia será estendida para sistemas de tempo discreto. Mais uma vez, condições LMI serão obtidas a fim de projetar os controladores e oferecer estimativas dos domínios de estabilidade. Por não haver uma referência direta para comparação dos resultados, a metodologia será aplicada para exemplos estáveis, instáveis e com integradores, tanto no caso monovariável quanto no caso multivariável. Finalmente, será apresentado um estudo dos pontos de equilíbrio fora da região de linearidade, como mencionado anteriormente, considerando tanto sistemas de tempo contínuo quanto em tempo discreto. Este estudo será realizado para alguns tipos de sistemas, considerando apenas o caso monovariável. Será provado que estes equilíbrios só são possíveis em plantas assintoticamente estáveis, exigindo a consideração de uma condição extra na solução do problema de otimização. / This work addresses the problem of tracking constant references for linear systems subject to control saturation. The main idea is to present LMI conditions in order to design both a stabilizing controller and an anti-windup gain. These conditions ensure that the trajectories of the closed-loop system are bounded by an invariant ellipsoidal set, provided that the initial conditions are taken in this set and the references and the disturbances belong to a certain admissible set. The constant reference tracking and constant disturbance rejection is taken into account by the internal model principle, i. e., considering the introduction of an integral action in a unitary output feedback scheme. We also introduce the error co-ordinate representation, where is proved that there exists only one equilibrium point inside the linearity region and that this equilibrium point ensures perfect reference tracking. In order to consider the saturation effects, we use a modified sector condition, introducing new degrees of freedom to the synthesis problem. In a first step, the proposed framework was applied to the control scheme called “intelligent integrators”, regarding continuous-time systems. However, this control scheme does not allow the simultaneous synthesis so it is simplified to the so called “classical” anti-windup scheme. Based on this simplified control structure, LMI conditions are directly derived, avoiding therefore the necessity of applying iterative schemes. Convex optimization problems aiming at the maximization of the invariant set of admissible states and/or the maximization of the set of admissible references/disturbances are proposed. We show, by means of an example, that the obtained results are less conservative than the ones previously presented in related works. In these examples, we also show that a study about the existence of other equilibria inside the invariant set is worthwhile. Later, the proposed framework is extended to discrete-time systems, where new LMI conditions are presented in order to synthesize the controller and present an estimate of the stability domains. Due to a lack of related works, our framework is applied to stable, unstable and integrator examples. These examples consider both single and multi-variable systems. Finally, we conclude this work with a study about the possibility of existence of other equilibria inside the invariant set. For the single-input case, we show that this is only possible if the open-loop system is asymptotically stable. In this case, in order to avoid convergence to these points, additional constraints on the admissible references to be tracked should be considered. It is worth to emphasize that such kind of analysis has not been performed in previous works.

A comparison of two methods to deal with allocating controls for unattainable moments in an aircraft was performed using a testbed airframe that resembled an F/A-18 with a large control effector suite. The method of preserving the desired moment direction to deal with unattainable moments is currently used in a specific control allocator. A new method of prioritizing the pitch axis is compared to the moment-direction preservation. Realtime piloted simulations are completed to evaluate the characteristics and performance of these methods. A direct comparison between the method of preserving the moment direction by scaling the control solution vector and prioritizing the pitching moment axis is performed for a specific case. Representative maneuvers are flown with a highly unstable airframe to evaluate the ability to achieve the specific task. Flight performance and pilot interpretation are used to evaluate the two methods. Pilot comments and performance results favored the method of pitch-axis prioritization. This method provided favorable flight characteristics compared to the alternative method of preserving the moment direction for the specific tasks detailed in this paper. NOTE: An updated copy of this ETD was added on 09/28/2010. / Master of Science

Este trabalho aborda o problema de seguimento e rejeição de sinais periódicos em sistemas lineares sujeitos a saturação nos atuadores. Para garantir o seguimento/rejeição, dois controladores baseados no princípio do modelo interno são considerados: o primeiro baseia-se no modelo interno em sua formulação clássica, isto é, um controlador dinâmico contendo um número finito de modos (marginalmente) instáveis da referência/perturbação é introduzido na malha de controle, em uma abordagem chamada de controladores ressonantes; a segunda abordagem considera o controlador repetitivo, onde um elemento de atraso é inserido namalha de controle emumlaço de realimentação positiva, fazendo o papel do modelo interno de ordem infinita. Nos dois casos, o objetivo principal é a obtenção de condições na forma de inequações matriciais lineares (do inglês, Linear Matrix Inequalities - LMIs) para a síntese simultânea de uma realimentação de estados estabilizante e do ganho do laço estático de anti-windup. Partindo do pressuposto que as referências e perturbações pertencem a um certo conjunto admissível, estes ganhos garantem que as trajetórias do sistema em malha fechada inciadas em um certo conjunto elipsoidal convergem para outro conjunto elipsoidal invariante contido na região de operação linear do sistema. Nesta região, a presença do modelo interno na malha de controle garante o seguimento e a rejeição dos sinais de interesse. Nas duas abordagens são propostos problemas de otimização visando a maximização do conjunto invariante de estados admissíveis e/ou a maximização do conjunto de referências/perturbações admissíveis. Extensões da metodologia para sistemas de tempo discreto também são apresentadas. / This work addresses the tracking/rejection problem of periodic signals for linear systems subject to control saturation. To ensure the tracking/rejection, two internal model based controllers are considered: the first one considers the internal model in a classical framework, i.e. a dynamic controller containing a finite number of (marginally) unstable modes of the reference/disturbance signal is introduced in the control loop. In this work, this approach is called resonant controller. The second approach considers the repetitive controller, where a delay element is introduced in the control loop in a positive feedback loop, playing the role of an infinite order internal model. In both cases, the main objective is to obtain conditions in the form of LMIs to simultaneously compute a stabilizing state feedback gain and an anti-windup gain. Assuming that the references and disturbances signals belong to a certain admissible set, these gains guarantee that the trajectories of the closed-loop system starting in a certain ellipsoidal set contract to another invariant ellipsoidal set inside the linearity region of the closed-loop system. In this region the presence of the internal model ensures tracking/rejection of the considered periodic signals. In both frameworks, optimization problems aiming at the maximization of the invariant set of admissible states and/or the maximization of the set of admissible references/disturbances are proposed. Extensions of the proposed framework to discrete-time systems are also presented.

Este trabalho aborda o problema de seguimento e rejeição de sinais periódicos em sistemas lineares sujeitos a saturação nos atuadores. Para garantir o seguimento/rejeição, dois controladores baseados no princípio do modelo interno são considerados: o primeiro baseia-se no modelo interno em sua formulação clássica, isto é, um controlador dinâmico contendo um número finito de modos (marginalmente) instáveis da referência/perturbação é introduzido na malha de controle, em uma abordagem chamada de controladores ressonantes; a segunda abordagem considera o controlador repetitivo, onde um elemento de atraso é inserido namalha de controle emumlaço de realimentação positiva, fazendo o papel do modelo interno de ordem infinita. Nos dois casos, o objetivo principal é a obtenção de condições na forma de inequações matriciais lineares (do inglês, Linear Matrix Inequalities - LMIs) para a síntese simultânea de uma realimentação de estados estabilizante e do ganho do laço estático de anti-windup. Partindo do pressuposto que as referências e perturbações pertencem a um certo conjunto admissível, estes ganhos garantem que as trajetórias do sistema em malha fechada inciadas em um certo conjunto elipsoidal convergem para outro conjunto elipsoidal invariante contido na região de operação linear do sistema. Nesta região, a presença do modelo interno na malha de controle garante o seguimento e a rejeição dos sinais de interesse. Nas duas abordagens são propostos problemas de otimização visando a maximização do conjunto invariante de estados admissíveis e/ou a maximização do conjunto de referências/perturbações admissíveis. Extensões da metodologia para sistemas de tempo discreto também são apresentadas. / This work addresses the tracking/rejection problem of periodic signals for linear systems subject to control saturation. To ensure the tracking/rejection, two internal model based controllers are considered: the first one considers the internal model in a classical framework, i.e. a dynamic controller containing a finite number of (marginally) unstable modes of the reference/disturbance signal is introduced in the control loop. In this work, this approach is called resonant controller. The second approach considers the repetitive controller, where a delay element is introduced in the control loop in a positive feedback loop, playing the role of an infinite order internal model. In both cases, the main objective is to obtain conditions in the form of LMIs to simultaneously compute a stabilizing state feedback gain and an anti-windup gain. Assuming that the references and disturbances signals belong to a certain admissible set, these gains guarantee that the trajectories of the closed-loop system starting in a certain ellipsoidal set contract to another invariant ellipsoidal set inside the linearity region of the closed-loop system. In this region the presence of the internal model ensures tracking/rejection of the considered periodic signals. In both frameworks, optimization problems aiming at the maximization of the invariant set of admissible states and/or the maximization of the set of admissible references/disturbances are proposed. Extensions of the proposed framework to discrete-time systems are also presented.

Este trabalho aborda o problema de seguimento e rejeição de sinais periódicos em sistemas lineares sujeitos a saturação nos atuadores. Para garantir o seguimento/rejeição, dois controladores baseados no princípio do modelo interno são considerados: o primeiro baseia-se no modelo interno em sua formulação clássica, isto é, um controlador dinâmico contendo um número finito de modos (marginalmente) instáveis da referência/perturbação é introduzido na malha de controle, em uma abordagem chamada de controladores ressonantes; a segunda abordagem considera o controlador repetitivo, onde um elemento de atraso é inserido namalha de controle emumlaço de realimentação positiva, fazendo o papel do modelo interno de ordem infinita. Nos dois casos, o objetivo principal é a obtenção de condições na forma de inequações matriciais lineares (do inglês, Linear Matrix Inequalities - LMIs) para a síntese simultânea de uma realimentação de estados estabilizante e do ganho do laço estático de anti-windup. Partindo do pressuposto que as referências e perturbações pertencem a um certo conjunto admissível, estes ganhos garantem que as trajetórias do sistema em malha fechada inciadas em um certo conjunto elipsoidal convergem para outro conjunto elipsoidal invariante contido na região de operação linear do sistema. Nesta região, a presença do modelo interno na malha de controle garante o seguimento e a rejeição dos sinais de interesse. Nas duas abordagens são propostos problemas de otimização visando a maximização do conjunto invariante de estados admissíveis e/ou a maximização do conjunto de referências/perturbações admissíveis. Extensões da metodologia para sistemas de tempo discreto também são apresentadas. / This work addresses the tracking/rejection problem of periodic signals for linear systems subject to control saturation. To ensure the tracking/rejection, two internal model based controllers are considered: the first one considers the internal model in a classical framework, i.e. a dynamic controller containing a finite number of (marginally) unstable modes of the reference/disturbance signal is introduced in the control loop. In this work, this approach is called resonant controller. The second approach considers the repetitive controller, where a delay element is introduced in the control loop in a positive feedback loop, playing the role of an infinite order internal model. In both cases, the main objective is to obtain conditions in the form of LMIs to simultaneously compute a stabilizing state feedback gain and an anti-windup gain. Assuming that the references and disturbances signals belong to a certain admissible set, these gains guarantee that the trajectories of the closed-loop system starting in a certain ellipsoidal set contract to another invariant ellipsoidal set inside the linearity region of the closed-loop system. In this region the presence of the internal model ensures tracking/rejection of the considered periodic signals. In both frameworks, optimization problems aiming at the maximization of the invariant set of admissible states and/or the maximization of the set of admissible references/disturbances are proposed. Extensions of the proposed framework to discrete-time systems are also presented.