Este trabalho se insere no contexto de redução de vibrações de rotores via mancais ativos. Essas vibrações são causadas pelo desbalanço do próprio rotor e possuem frequência igual à frequência de rotação desse rotor. O desbalanço pode ser modelado como uma força de perturbação girante, sendo que uma técnica bastante conhecida para anular o efeito dessa perturbação é o balanceamento eletrônico, também chamado de compensação síncrona de desbalanço ou de regulação sincronizada. A presente dissertação traz duas contribuições para o tema. A primeira é a simplificação do compensador síncrono através de considerações de simetria do rotor e de isotropia dos mancais, e a segunda é a obtenção do modelo exato do sistema discreto resultante da aplicação da metodologia de compensação síncrona. Tais contribuições se valem da descrição do modelo em coordenadas complexas. À transformação de coordenadas reais para coordenadas complexas deu-se o nome de complexificação. Assim sendo, a complexificação do modelo permite dividir por dois a dimensão das variáveis do sistema (estados, entradas e saídas), além de dar sentido físico à separação entre os distúrbios diretos (caso do desbalanço) e os distúrbios retrógrados. Essa complexificação reduz o tempo de identificação da matriz de influência feita no balanceamento eletrônico, e o modelo complexificado obtido através das hipóteses de simetria e isotropia permite desacoplar completamente a compensação das perturbações diretas da compensação das perturbações retrógradas. / This work is inserted in the context of active attenuation of rotor vibrations. These vibrations are caused by the rotor\'s own unbalance and have a frequency equal to the rotor\'s rotation frequency. The unbalance can be modeled as a rotating disturbance force, and a well-known technique for cancelling the effect of such a disturbance is the so-called active balancing, also known as synchronous unbalance compensation or synchronized regulation. The present dissertation brings two contributions to the theme. The first one is the simplification of the synchronous compensator through considerations of rotor symmetry and bearing isotropy, and the second one is to obtain the exact model of the discrete system resulting from the application of the synchronous compensation methodology. These contributions make use of the model described in complex coordinates. The transformation from real coordinates to complex coordinates is defined as a complexification. Thus, the complexification of the model allows the division in half of the dimension of the system variables (states, inputs and outputs), as well as giving a physical sense to the separation between forward disturbances (case of the rotor unbalance) and backward disturbances. This complexification reduces the time of identification of the influence matrix made in active balancing, and the complexified model obtained through symmetry and isotropy hypotheses allows the completely uncouple of the forward disturbances compensation from the backward disturbances compensation.

Este trabalho se insere no contexto de redução de vibrações de rotores via mancais ativos. Essas vibrações são causadas pelo desbalanço do próprio rotor e possuem frequência igual à frequência de rotação desse rotor. O desbalanço pode ser modelado como uma força de perturbação girante, sendo que uma técnica bastante conhecida para anular o efeito dessa perturbação é o balanceamento eletrônico, também chamado de compensação síncrona de desbalanço ou de regulação sincronizada. A presente dissertação traz duas contribuições para o tema. A primeira é a simplificação do compensador síncrono através de considerações de simetria do rotor e de isotropia dos mancais, e a segunda é a obtenção do modelo exato do sistema discreto resultante da aplicação da metodologia de compensação síncrona. Tais contribuições se valem da descrição do modelo em coordenadas complexas. À transformação de coordenadas reais para coordenadas complexas deu-se o nome de complexificação. Assim sendo, a complexificação do modelo permite dividir por dois a dimensão das variáveis do sistema (estados, entradas e saídas), além de dar sentido físico à separação entre os distúrbios diretos (caso do desbalanço) e os distúrbios retrógrados. Essa complexificação reduz o tempo de identificação da matriz de influência feita no balanceamento eletrônico, e o modelo complexificado obtido através das hipóteses de simetria e isotropia permite desacoplar completamente a compensação das perturbações diretas da compensação das perturbações retrógradas. / This work is inserted in the context of active attenuation of rotor vibrations. These vibrations are caused by the rotor\'s own unbalance and have a frequency equal to the rotor\'s rotation frequency. The unbalance can be modeled as a rotating disturbance force, and a well-known technique for cancelling the effect of such a disturbance is the so-called active balancing, also known as synchronous unbalance compensation or synchronized regulation. The present dissertation brings two contributions to the theme. The first one is the simplification of the synchronous compensator through considerations of rotor symmetry and bearing isotropy, and the second one is to obtain the exact model of the discrete system resulting from the application of the synchronous compensation methodology. These contributions make use of the model described in complex coordinates. The transformation from real coordinates to complex coordinates is defined as a complexification. Thus, the complexification of the model allows the division in half of the dimension of the system variables (states, inputs and outputs), as well as giving a physical sense to the separation between forward disturbances (case of the rotor unbalance) and backward disturbances. This complexification reduces the time of identification of the influence matrix made in active balancing, and the complexified model obtained through symmetry and isotropy hypotheses allows the completely uncouple of the forward disturbances compensation from the backward disturbances compensation.

Esta proposta de dissertação de mestrado trata da aplicação de Estimadores Algébricos em sistemas de controle como alternativa ao uso de observadores. Devido à dificuldade de obtenção de resultados teóricos, dificuldade essa oriunda da natureza complexa dos estimadores algébricos, o trabalho é desenvolvido através do estudo de casos. Considera-se que a topologia de controle é a união de uma técnica tradicional de controle (por exemplo, uma realimentação de estado ou o método do torque calculado) com a estimação algébrica. Os resultados obtidos defendem a idéia de que os Estimadores Algébricos, quando usados como estimadores de estado, permitem obter um desempenho e uma robustez que se aproxima muito do desempenho e a robustez da mesma lei de controle no caso em que o estado é perfeitamente conhecido. / The control topology that is considered in this work is the union of a traditional control technique (e.g. a state feedback or the computed torque method) with the Algebraic Estimator. The obtained results reinforce the common sense about this class of estimators, that the use of Algebraic Estimators may produce the performance, robustness and noise immunity that mimics the case where perfect information of the state is available.

Inicialmente, apresentam-se características de dispositivos eletrônicos conhecidos como PLLs (phase-locked loops). PLLs são amplamente empregados para se extrair sinais de tempo em canais de comunicação e em aplicações nas quais se deseja controle automático de freqüência. O objeto principal é estudar PLLs analógicos descritos por uma equação diferencial ordinária de terceira ordem. Assim, deduzem-se condições de estabilidade assintótica e identifica-se um regime de caos conservativo, que ocorre sob certas combinações de valores de parâmetros. Três métodos de controle não-linear/caótico são então apresentados e aplicados. Os métodos são os seguintes: o Método de Pyragas via realimentação de variável de estado; o Método de Pyragas com atraso temporal na realimentação; e o Método de Sinha, o qual efetua o controle perturbando um parâmetro do sistema. Simulações numéricas são levadas a cabo a fim de ilustrar o comportamento dinâmico do sistema quando sujeito à ação desses métodos. Este trabalho termina com um estudo de uma rede formada por uma cadeia de PLLs. Condições para soluções síncronas, periódicas e caóticas (dissipativas e conservativas) são deduzidas para tal rede. / Firstly, features of electronic devices known as PLLs (Phase-Locked Loops) are presented. PLLs are widely employed to extract time signals in communication channels and in applications where automatic control of frequency is desired. The main goal is to study analog PLLs described by a third-order nonlinear ordinary differential equation. Thus, conditions for asymptotic stability are derived and a regime of conservative chaos occurring under certain combinations of parameter values is identified. Then, three methods of control of nonlinear/ chaotic dynamics are presented and applied. The methods are the following: the Pyragas method via feedback of state variable; the Pyragas method with time delay in the feedback; and the Sinhas method, which performs the control by disturbing a parameter of the system. Numerical simulations are accomplished in order to illustrate the dynamical behavior of the system when subjected to the action of these methods. This work ends with a study of a single-chain PLL network. Conditions for synchronous, periodic and chaotic (dissipative and conservative) solutions are derived for such a network.

The problem of designing control systems for entire plants is studied. A review of previous works, available techniques and current research challenges is presented, followed by the description of some theoretical tools to improve plantwide control, including the proposal of an augmented lexicographic multi-objective optimization procedure. With these, an augmented hierarchical plantwide control design technique and an optimal multi-objective technique for integrated control structure selection and controller tuning are proposed. The main contributions of these proposed techniques are the inclusion of system identification and optimal control tuning as part of the plantwide design procedure for improved results, support to multi-objective control specifications and support to any type of plant and controllers. Finally, the proposed techniques are applied to industrial benchmarks to demonstrate and validate its applicability. / O problema de projetar sistemas de controle para plantas inteiras é estudado. Uma revisão de trabalhos anteriores, técnicas disponíveis e atuais desafios de pesquisa é apresentada, seguida da descrição de algumas ferramentas teóricas para melhorar o controle plantwide, incluindo a proposta de um procedimento de otimização multi-objetivo lexicográfico aumentado. Com tais elementos, são propostas uma nova técnica hierárquica aumentada de projeto de sistemas de controle plantwide e uma técnica multi-objetivo para seleção de estrutura de controlador integrada à sintonia ótima do controlador. As principais contribuições das técnicas propostas são a inclusão de identificação de sistemas e sintonia ótima de controladores como parte do procedimento de projeto de controle plantwide para melhores resultados, suporte a especificações multi-objetivo e suporte a quaisquer tipos de plantas e controladores. Finalmente, as técnicas propostas são aplicadas a benchmarks industriais para demonstrar e validar sua aplicabilidade.

Esta dissertação apresenta a modelagem matemática de um giroscópio de controle de momento (CMG) e aplica técnicas de controle digital para o controle de atitude dessa planta. CMGs são atuadores importantes para o controle de atitude de corpos no espaço, tais como satélites e veículos espaciais. Desenvolve-se a modelagem da planta por meio da mecânica Lagrangiana e estudam-se técnicas específicas de controle PID (proporcional-integral-derivativo) e LQR (linear-quadratic regulator ) digitais para aplicação em sistemas com a planta nas configurações desacoplada e acopladas de fase mínima e não-mínima. Realizam-se ensaios via simulação, com o modelo não-linear da planta, bem como via experimentos práticos, com o sistema real, para validar os controladores projetados. Com isso, obtêm-se resultados positivos com ambas as técnicas estudadas, com exceção ao caso acoplado de fase não-mínima, para o qual uma das técnicas não foi capaz de controlar a atitude da planta. / This dissertation presents the mathematical modeling of a control moment gyroscope (CMG) and applies digital control techniques for its attitude control. CMGs are important actuators for bodies attitude control in the space, such as satellites and space vehicles. The system modeling is developed with the Lagrangian mechanics and a digital proportionalintegral- derivative (PID) and a digital linear-quadratic regulator (LQR) control techniques are studied and applied to a decoupled system and coupled systems with minimum and non-minimum phases. Simulation tests with the non-linear plant model and experimental tests with the real plant are done in order to validate the control techniques. Then, positive results are reached with both studied techniques, excepting in the coupled system with non-minimum phase, in which one technique was not able to control it.

Este trabalho aborda o problema da inversão do vetor momento magnético, com ampla aplicação na Ressonância Nuclear Magnética (RNM). Em vez de uma sequência de impulsos e de abordarmos somente o problema de conduzir o vetor de -e3 para +e3, escolhemos uma lei de controle limitada e analisamos o processo de várias iterações (voltas completas). Através do método da medianização, obtemos uma solução explícita aproximada para o sistema e, através dela e de alguns teoremas auxiliares sobre rotações, discutimos a propagação do erro em módulo e fase cometido após a realização dessas iterações. / This dissertation considers the problem of inversion of the magnetic moment vector, with wide application in Nuclear Magnetic Resonance (NMR). Instead of a pulse sequence and only approach the problem of driving the vector from -e3 to +e3, we choose limited controls and we analyze several iterations of the process (laps). By the averaging method, we obtain an approximate explicit solution for the system and through this method, together with some auxiliary theorems on rotations, we discuss the propagation of error in magnitude and phase committed after performing these iterations.

The subject of this thesis is the real-time implementation of algebraic derivative estimators as observers in nonlinear control of magnetic levitation systems. These estimators are based on operational calculus and implemented as FIR filters, resulting on a feasible real-time implementation. The algebraic method provide a fast, non-asymptotic state estimation. For the magnetic levitation systems, the algebraic estimators may replace the standard asymptotic observers assuring very good performance and robustness. To validate the estimators as observers in closed-loop control, several nonlinear controllers are proposed and implemented in a experimental magnetic levitation prototype. The results show an excellent performance of the proposed control laws together with the algebraic estimators. / O tema dessa dissertação é a implementação em tempo real dos estimadores algébricos de derivadas como observadores no controle não-linear de levitação magnética. Esses estimadores são baseados no cálculo operacional e implementados como filtros FIR, resultando em uma implementação viável em tempo real. O método algébrico permite estimar os estados do sistema de maneira rápida e não-assintótica. Para os sistemas de levitação magnética, os estimadores algébricos podem substituir os observadores assintóticos assegurando boas propriedades de robustez e performance. A fim de validar os estimadores como observadores no controle em malha fechada, vários controladores não-lineares são propostos e implementados em um protótipo experimental. Os resultados mostram uma excelente performance dos controladores propostos juntamente com os estimadores algébricos.

Esta dissertação apresenta o desenvolvimento de uma plataforma inercial autônoma com três graus de liberdade para aplicação em estabilização de sensores - por exemplo, gravimétricos estacionários e embarcados - podendo ser utilizada também para estabilização de câmeras. O sistema é formado pela Unidade de Medida Inercial, IMU, desenvolvida utilizando um sensor micro eletromecânico, MEMS - que possui acelerômetro, giroscópio e magnetômetros nos três eixos de orientação - e um microcontrolador para aquisição, processamento e envio dos dados ao sistema de controle e aquisição de dados. Para controle dos ângulos de inclinação e orientação da plataforma, foi implementado um controlador PID digital utilizando microcontrolador. Este recebe os dados da IMU e fornece os sinais de controle utilizando as saídas PWM que acionam os motores, os quais controlam a posição da plataforma. Para monitoramento da plataforma foi desenvolvido um programa para aquisição de dados em tempo real em ambiente Matlab, por meio do qual se pode visualizar e gravar os sinais da IMU, os ângulos de inclinação e a velocidade angular. Testou-se um sistema de transmissão de dados por rádio frequência entre a IMU e o sistema de aquisição de dados e controle para avaliar a possibilidade da não utilização de slip rings ou fios entre o eixo de rotação e os quadros da plataforma. Entretanto, verificou-se a inviabilidade da transmissão em razão da baixa velocidade de transmissão e dos ruídos captados pelo receptor de rádio frequência durante osmovimentos da plataforma. Sendo assim, dois pares de fios trançados foram utilizados fios para conectar o sensor inercial ao sistema de aquisição e processamento. / This work presents the development of a three-degree of freedom autonomous inertial platform for the use in sensors stabilization - for example, stationary and embedded gravimeters. It can also be used to stabilize cameras. The system is composed by the Inertial Measurement Unit, IMU, developed using a micro electromechanical sensor, MEMS - which has an accelerometer, a gyroscope and a magnetometer in the three axes of orientation - and a microcontroller for data acquisition, data processing and data sending to the control and data acquisition system. To control the platform angles and its orientation, a digital PID controller was implemented using a microcontroller. It receives data from the IMU and provides the control signals using the PWM outputs that drive the motors to control the platform position. In order to supervise the platform operation, a real time data acquisition software was developed in Matlab, where IMU signals, inclination angles and angular velocities can be displayed and recorded. Data transmission via radio frequency between the IMU and the data acquisition and control system was tested in order to evaluate the possibility of not using slip rings or wires between the rotation axis and platform frames. This approach was unsuccessful due to the low speed of data transmission and to the noise that affected the radio frequency receiver during the platform\'s movements. In view of that wire was used to directly connect the inertial sensor to the acquisition and processing system.

Sistemas de levitação magnética são inerentemente não-lineares e, quando con- trolados digitalmente, normalmente, esbarram em limitações do hardware empregado. O objetivo desta tese é apresentar aspectos teóricos e práticos durante a aplicação da teoria de controle H1 não-linear em sistemas de levitação magnética. A primeira con- tribuição desta tese é apresentar um procedimento de projeto de um controlador H1 não-linear que utiliza funções de ponderação com dinâmica, obtidas a partir do projeto de um controlador H1 linear. Assim como no caso linear, essas funções de ponderação possibilitam a rejeição de perturbações, ruídos de sensor, aumento da robustez, den- tre outras especificações. A segunda contribuição é apresentar um procedimento de conversão de uma rotina implementada em ponto-flutuante para ponto-fixo, utilizando minimização de norma l1, que foi implementada em um DSP de 32 bits em ponto- fixo. Resultados experimentais também são apresentados, nos quais a performance do controlador não-linear é especificamente avaliada na fase inicial de levitação. / Electromagnetic suspension systems are inherently nonlinear and often face hard- ware limitation when digitally controlled. The goal of this thesis is to present theoretical and practical aspects during the nonlinear H1 control applied on an electromagnetic suspension system. The first contribution is the design of a nonlinear H1 controller, including dynamic weighting functions, obtained from a linear H1 controller. Just as in the linear case, this dynamic weighting functions provide the disturbance and noise sensor rejection, robustness improvement, among other specifications. The second con- tribution is to present a procedure able to translate a floating-point algorithm into a fixed-point algorithm by using l1 norm minimization due to conversion error, which was then implemented into a 32-bit fixed-point DSP. Experimental results are also pre-sented, in which the performance of the nonlinear controller is evaluated specifically in the initial suspension phase.