Este trabalho discute o problema do controle preciso do seguimento de trajetórias de um servoposicionador pneumático. Um modelo matemático para o servoposicionador pneumático é apresentado, com atenção especial sendo dada à modelagem dos efeitos do atrito. Para a representação desses efeitos, é proposta uma modificação da estrutura matemática de um modelo de atrito amplamente utilizado no contexto dos algoritmos de controle em tempo real de servomecanismos (o modelo LuGre). A validade da aproximação proposta é justificada por meio de argumentos tanto analíticos como baseados em simulações. Com base no modelo para o atrito resultante da modificação proposta, apresenta-se um novo algoritmo de controle para o servoposicionador pneumático. Esse algoritmo é desenvolvido de acordo com a metodologia do controle em cascata, associada à técnica do controle a estrutura variável, sendo dotado de um esquema de compensação adaptativa dos efeitos do atrito e das forças externas aplicadas ao sistema. Uma análise de estabilidade completa é realizada para o sistema em malha fechada, onde são estabelecidas condições suficientes para que seja assegurada a convergência assintótica dos erros de seguimento para zero e dos parâmetros estimados a valores limitados. Também é apresentada uma análise de robustez do sistema controlado frente a incertezas nos parâmetros do modelo matemático do mesmo. O controlador proposto é avaliado por meio de testes por simulação e por aplicação a uma bancada experimental. / This work discusses the problem of the precise control of the trajectory tracking executed by a pneumatic positioning system. A mathematical model of the pneumatic positioning system is presented, with special emphasis given to the modeling of friction effects. For representing such effects, it is proposed a modification in the mathematical structure of a friction model that is widely employed in the context of the real-time control of servomechanisms (the LuGre model). The validity of the proposed approximation is justified by means of analytical arguments as well as simulation results. Based on the friction model that results from the proposed modification, a new control algorithm to be applied to the pneumatic positioning system is presented. Such algorithm is developed according to the cascade methodology, in association with the variable structure control technique and equipped with an adaptive compensation scheme of the effects of friction and external forces applied to the system. A complete stability analysis of the closed loop system is developed, and sufficient conditions are determined so that the asymptotic convergence of the tracking errors of the system to zero and of the estimated parameters to limited values is ensured. The robustness properties of the controlled system with respect to parametric uncertainties in its mathematical model are also analyzed. The performance of the controller is studied by means of simulation and experimental tests.

Submitted by Nayara Passos (nayara.passos@ufpe.br) on 2015-03-10T14:51:51Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) DISSERTAÇÃO Paulo Henrique Muniz Ferreira.pdf: 5023143 bytes, checksum: 16e5f711793a7b21d5d25f166619bda6 (MD5) / Made available in DSpace on 2015-03-11T17:30:45Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) DISSERTAÇÃO Paulo Henrique Muniz Ferreira.pdf: 5023143 bytes, checksum: 16e5f711793a7b21d5d25f166619bda6 (MD5) Previous issue date: 2014 / Sistema de controle empregando redes neurais vem sendo estudado ativamente desde a década de 1980. Mas ainda assim, é um campo bem desafiador devido a diversas formas de abordagens neurais existente na literatura e a natureza diversa dos sistemas de controle que podem apresentar uma dinâmica variando consideravelmente ao longo do regime de funcionamento. Nesse trabalho de mestrado, foi investigada a aplicação de sistemas de controle auto-organizáveis baseados no Mapa Auto-organizável de Kohonen, em duas diferentes proposições. Ambas consistem de controles com arquitetura modulares e se diferenciam na característica da estrutura topológica. O primeiro controle é concebido com uma estrutura fixa. Enquanto o segundo apresenta uma estrutura que cresce a medida que é necessário. Os modelos foram validados em simulações de problemas mecânicos clássicos (linear e não-linear), como sistema massa-molaamortecedor e pêndulo invertido. Nos experimentos, os sistemas tinham seus parâmetros variando no tempo e os resultados dos métodos propostos foram comparados com métodos convencionais. Os resultados sugerem que as técnicas de controle inspiradas nos mapas auto-organizáveis controlam adequadamente e são eficazes ao lidar com configurações não apresentadas na etapa de treinamento.

Made available in DSpace on 2014-06-12T15:51:52Z (GMT). No. of bitstreams: 2 arquivo2941_1.pdf: 3552776 bytes, checksum: 6651915523db744871d183f17c632edc (MD5) license.txt: 1748 bytes, checksum: 8a4605be74aa9ea9d79846c1fba20a33 (MD5) Previous issue date: 2009 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / Os algoritmos evolucionários são métodos de otimização e busca global baseados em populações. Como nas populações biológicas, um algoritmo evolucionário perde diversidade, ao longo de gerações, restringindo a busca em uma região restrita do espaço de soluções e prejudicando a busca global. Em ambientes complexos, multimodais e dinâmicos, a perda de diversidade torna-se um problema ainda mais crítico, pois a busca deve ser abrangente e o algoritmo se adaptar o mais rápido possível. Um algoritmo evolucionário possui parâmetros cujos valores influenciam tanto o resultado do processo quanto a diversidade da população. Esta tese apresenta dois novos métodos de controle de parâmetros de algoritmos evolucionários, o controle adaptativo e o controle da função de distribuição de probabilidade. O objetivo desses métodos é controlar a diversidade da população de acordo com funções pré-determinadas. O processo evolucionário é, portanto, tratado como um problema de controle, cujos parâmetros do algoritmo evolucionário são as entradas de controle e a diversidade da população é a saída do processo. No método de controle adaptativo, a estratégia de controle é baseada no sistema adaptativo por modelo de referência, onde uma diversidade de referência é utilizada como modelo de comportamento para a diversidade do processo evolucionário. O segundo método tem como objetivo manter a função de distribuição de probabilidade da diversidade da população próxima de uma distribuição determinada. Assim, a distribuição da população no espaço de soluções é também indiretamente controlada. Para esse método manter um controle de baixo custo computacional, utiliza-se uma rede neural B-spline para modelar o processo evolucionário. Em problemas de controle, é necessário conhecer o modelo do processo para se elaborar uma estratégia de controle. Assim, foi proposto um novo modelo de dinâmica de populações que descreve o comportamento da frequência gênica e da diversidade de populações. Baseado nesse modelo, o processo evolucionário é formalizado matematicamente. Portanto, o método de controle adaptativo proposto utiliza esse modelo de dinâmica de populações na estratégia de controle. Os dois métodos de controle de diversidade propostos foram validados em estudos de casos. Todos os problemas utilizados tiveram características multimodais e dinâmicas, com comportamentos que variaram de uniforme, pequenas e grandes variações, a caótica. Os desempenhos dos métodos propostos foram comparadas com um algoritmo genético padrão e outros seis algoritmos evolucionários adaptativos

A crescente complexidade do controle dos processos industriais vem exigindo sistemas de controle cada vez mais precisos, confiáveis e versáteis. No sentido de atender a estas exigências, algoritmos diversos de controle e estimação, tais como: técnicas de controle adaptativas, preditivas, estimação paramétrica, filtros de Kalman, observação de estados, etc. têm sido desenvolvidas, simuladas e implementadas com relativa facilidade nos modernos sistemas digitais. Este trabalho propõe uma estratégia de controle em redes Fieldbus usando controle adaptativo por modelo de referência através de variáveis de estado, para resolver sistemas complexos. O algoritmo de controle proposto é composto por um observador de estados trabalhando em conjunto com um esquema de controle adaptativo por modelo de referência. As malhas de controle no Fieldbus consistem em um conjunto de blocos funcionais padrões existentes, conectados aos novos blocos funcionais propostos e desenvolvidos de acordo com as especificações da norma Fieldbus Foundation. Este algoritmo de controle realiza os cálculos de maneira distribuída entre os dispositivos da rede Fieldbus, implicando em várias vantagens, tais como: a) perda do supervisório não implica na perda do algoritmo de controle, b) menor tráfego de dados na rede, c) algoritmo de controle que não depende do tempo de processamento do computador. Os resultados dos testes obtidos são apresentados e demonstraram um alto grau de precisão, destacando-se a estabilidade e aplicabilidade do algoritmo proposto. / The rising complexity of the industrial control processes has been claiming more and more accurate, reliable and versatile control systems. Attempting to satisfy this demand, several control and estimation systems algorithms, such as adaptive and predictive techniques, parametric estimation, Kalman filtering, state observation, have been designed, simulated and implemented with relative easiness in the modern digital systems. This work proposes a new control strategy in Fieldbus networks, using adaptive control techniques through state variables, to solve complex systems. The proposed control algorithm is based on an states observer concurrently working with a reference model adaptive control scheme. The modified Fieldbus network consists of a set of standard function blocks, connected to the proposed new function blocks. These new function blocks comply with the specifications of the Fieldbus Foundation norm. This control algorithm accomplishes its calculation in a distributed way among the fieldbus devices. This operating feature results in some advantages, such as: any failure in the supervisory system does not imply in the loss of the control algorithm, b) a lower data transmission in the network, c) control algorithm that does not depend on the processing time of the computer. The obtained results corroborate with the expected advantages of the proposed algorithm, in terms of high degree of accuracy, stability and applicability.

This work presents an algorithm able to identify all electrical parameters of three phase induction motor, with discrete realization, using a fixe-point digital signal processor based platform. Some techniques presents in the literature are analyzed for comparison and validation with proposed algorithm. Initially, an historical review about the main parameter identification algorithms is accomplished and then, is obtained the models for an induction motor. From the machine model, two parameters identification algorithms are designed: a classical RLS identification, which is widely used in literature and a robust model reference adaptive controller, objecting to ponder the unmodeled dynamics. In the development of this work are displayed simulation results using the Matlab® software, real-time simulation in DSP platform, and finally, experimental results. After this results analysis, it is possible to determinate which of results these identification techniques better represent the behavior of three phase induction motor analyzed. / Neste trabalho é desenvolvido um algoritmo capaz de identificar todos os parâmetros elétricos de um motor de indução trifásico, com realização discreta no tempo, utilizando plataforma com base em um processador digital de sinais de pontofixo. Algumas técnicas existentes na literatura são analisadas para fins de comparação e validação do algoritmo proposto. Inicialmente, faz-se uma revisão bibliográfica de algumas técnicas de identificação de parâmetros disponíveis na literatura e em seguida são obtidos os modelos do motor de indução trifásico. A partir do modelo da máquina foram projetados dois algoritmos de identificação: um identificador já conhecido na literatura do tipo mínimos quadrados recursivo (RLS) e, com o objetivo de mitigar a influência das dinâmicas não modeladas, um controlador adaptativo robusto por modelo de referência (RMRAC) é utilizado na identificação. No desenvolvimento deste trabalho, resultados de simulações utilizando o software Matlab®, simulações em tempo-real em plataforma DSP, e por fim, resultados experimentais são apresentados. A partir da análise dos resultados parte-se para a avaliação para determinar qual identificador resulta em parâmetros que melhor representa o comportamento dinâmico do motor de indução trifásico ensaiado.

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.

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.

Neste trabalho, o equacionamento dinâmico de um manipulador espacial de base livre flutuante é descrito a partir do conceito do manipulador dinamicamente equivalente para que as técnicas de controle desenvolvidas sejam experimentalmente validadas em um manipulador convencional de base fixa. Dois tipos de controle de movimento são considerados. O primeiro foi desenvolvido no espaço das juntas e realiza o comando direto de posicionamento das juntas do manipulador; o segundo foi desenvolvido no espaço inercial e o controle é direcionado para o posicionamento do efetuador no espaço Cartesiano. Nos dois casos, o problema de acompanhamento de trajetória de um manipulador espacial com base livre flutuante sujeito a incertezas na planta e perturbações externas é proposto e solucionado sob o ponto de vista do critério de desempenho H \'INFINITO\'. Considerando métodos de controle para sistemas subatuados, três técnicas adaptativas foram desenvolvidas a partir de um controlador H \'INFINITO\' não-linear baseado na teoria dos jogos. A primeira técnica foi proposta considerando a estrutura do modelo bem definida, porém calculada com base em parâmetros incertos. Uma lei adaptativa foi aplicada para estimar esses parâmetros utilizando parametrização linear. Redes neurais artificiais são aplicadas nas outras duas abordagens adaptativas. A primeira utiliza uma rede neural para aprender o comportamento dinâmico do sistema robótico, considerado totalmente desconhecido. Nenhum dado cinemático ou dinâmico da base é utilizado neste caso. A segunda abordagem considera a estrutura do modelo nominal do manipulador bem definida e a rede neural é aplicada para estimar o comportamento das incertezas paramétricas e da dinâmica não-modelada da base. O critério H \'INFINITO\' é aplicado nas três técnicas para atenuar o efeito dos erros de estimativa. Resultados experimentais foram obtidos com um robô manipulador de base fixa subatuado (UArmII) e apresentaram melhor desempenho no acompanhamento da trajetória e no consumo de energia para as abordagens baseadas em redes neurais. / In the present work, the dynamics of a free-floating space manipulator is described through the dynamically equivalent manipulator approach in order to obtain experimental results in a planar fixed base manipulator. Control in joint and Cartesian spaces are considered. The first acts directly on joints positioning; the second control scheme acts on positioning the end-effector in some inertially fixed position. In both cases, the problem of tracking control with a guaranteed H-infinity performance for free-floating manipulator systems with plant uncertainties and external disturbances is proposed and solved. Considering control methods for underactuated systems, three adaptive techniques were developed from a nonlinear H-infinity controller based on game theory. The first approach was proposed considering a well defined structure for the plant, however it was computed based on uncertain parameters. An adaptive law was applied to estimate these parameters using linear parametrization. Artificial neural networks were applied in the two other approaches. The first one uses a neural network to learn the dynamic behavior from the robotic system, which is considered totally unknown. No kinematics or dynamics data from the spacecraft are necessary in this case. The second approach considers the nominal model structure well defined and the neural network is applied to estimate the behavior of the parametric uncertainties and of the spacecraft non-modeled dynamics. The H-infinity criterion was applied to attenuate the effect of estimation errors in the three techniques. Experimental results were obtained with an underactuated fixed-base planar manipulator (UArmII) and presented better performance in tracking and energy consumption for the neural based approaches.

Atualmente, há inúmeras instalações offshore operando em regimes instáveis de escoamento. Tal regime é resultado de diâmetros superdimensionados das linhas de produção ou baixa vazão dos poços. Deve-se notar que, muitas vezes, o regime intermitente se instala no final da vida produtiva dos poços, devido ao declínio natural dos reservatórios, o que causa uma redução da produção do campo de petróleo. Tal instabilidade traz dificuldades na produção offshore, pois pode causar danos nos equipamentos da plataforma ou perdas de produção. Neste âmbito, é necessário estudar meios de atenuar ou suprimir este tipo de regime de escoamento. O objetivo deste trabalho é desenvolver métodos de forma a garantir a estabilidade do sistema através da modulação adequada da válvula choke, reduzindo ou mesmo eliminando o comportamento oscilatório da produção, mantendo a válvula choke na maior abertura possível, trazendo desta forma, ganhos econômicos através do aumento da produtividade do poço. Para a análise do sistema, utilizou-se um modelo dinâmico simplificado encontrado na literatura. Este modelo foi escolhido por reproduzir adequadamente o escoamento em golfadas severas, causado pela presença de trecho horizontal descendente na linha de produção. O sistema foi também modelado no OLGA®, sendo este, um software comercial com uso bastante disseminado na indústria de petróleo e com grande aplicação em simulações que exigem uma análise do comportamento transiente do problema. A avaliação da eficácia dos métodos de supressão das golfadas foi realizada através de duas abordagens distintas. Inicialmente, utilizou-se um controlador PI adaptativo com capacidade de operação em diferentes regiões de aberturas da válvula choke. Por fim, utilizou-se um Regulador Linear Quadrático associado a um observador de estados com filtro de Kalman Unscented com o objetivo de verificar como o sistema se comportaria em caso de necessidade de um observador para compensar uma possível falha do sensor submarino de pressão. Em ambos os casos, notou-se redução nas oscilações devido a golfadas do poço. As soluções foram implementadas através da integração entre o modelo do OLGA® e os algoritmos desenvolvidos no MATLAB utilizando servidor OPC. / Nowadays, there are numerous offshore installations operating in unstable flow regimes. Such unstable flow is the result of oversized diameters of production lines or low flow wells. It should be noticed that often the intermittent system occurs at the end of the productive life of wells due to the natural decline of the reservoir, which causes a reduction in oil field production. Such instability brings difficulties in offshore production, it can cause damage to the platform equipment or production losses. In this context, it is necessary to consider means to reduce or remove this type of flow regime. The objective of this work is to develop methods to ensure system stability by adequate modulation of choke valve, reducing or even eliminating the oscillatory behavior of the production, with the biggest choke valve opening possible, bringing economic gains by increasing well production The system analysis was carried out using a simplified dynamic model found in literature. This model was chosen by appropriately reproduction of severe slug flow, caused by the presence of downward horizontal section in the production line. The problem was also modeled on OLGA®, which is a commercial software with widespread use in the oil industry and large application in simulations that require a transient behavior analysis. The evaluation of the slugs suppression methods was carried out through two different approaches. First, an adaptive PI controller with capability to operate in different regions of choke valve openings was used. Finally, a Quadratic Linear Regulator associated to an Unscented Kalman Filter was used to verify how the system would behave in the event of a possible failure of subsea pressure sensor. In both cases, there was a reduction in oscillations due to slugs. The solutions were implemented through communication between the OLGA® model and the control algorithms developed in MATLAB using OPC server.

Na presente tese é apresentado o projeto completo de um observador de fluxo magnético (determinístico, discreto e assintoticamente estável) aplicado ao sistema de controle realimentado de um servo acionamento baseado no motor de indução. Uma vez que o modelo reduzido do motor de indução, além de vários outros tipos de sistemas físicos, é representado mediante modelos em espaço de estados onde existe um retardo na equação de saída, nesta tese é proposto um observador robusto, baseado no Delayed State Kalman Filter, projetado de forma determinística e aplicada a sistemas não-lineares discretos. As características de convergência são determinadas mediante a análise de inequações matriciais lineares (LMI) obtidas a partir da função candidata de Lyapunov. Os erros introduzidos na linearização da matriz de dinâmica da planta e na inicialização incorreta do observador são considerados, inserindo-se matrizes auxiliares diagonais, assumidas como não conhecidas e em função da escolha adequada das matrizes de projeto Rk+1 e Qk. Uma outra contribuição desta tese é a análise detalhada da observabilidade não-linear dos modelos discretos, ordem completa e ordem reduzida, baseados nos modelos de tensões e correntes do motor de indução respectivamente. Diferentes condições de operação são analisadas, considerando-se a velocidade instantânea do rotor, valor do torque de carga, variações paramétricas e a adição de pequenos sinais de perturbação na referência da magnitude do vetor de fluxo do rotor, são consideradas. O observador analisado é então utilizado em um sistema de controle discreto não-linear. O controlador proposto, baseado nas equações características do controle de campo orientado indireto, apresenta uma prova de estabilidade quando são assumidos parâmetros constantes e conhecidos no motor, e quando existe disponibilidade de todos os estados do modelo (incluindo fluxo do rotor). Da mesma forma, é verificado que o sistema de controle realimentado pode utilizar a abordagem equivalência certeza em função da relação entre os conceitos não-lineares de estabilidade entrada-estado e estabilidade robusta. O projeto do sistema de controle é baseado na técnica de estabilização por realimentação e o controle adaptivo realimentado é baseado na extensão ao domínio discreto das definições de estabilidade entrada-estado e estabilidade robusta. Convém mencionar que no projeto do sistema de controle é assumido o modelo de ordem reduzida do motor de indução. Desta forma, não existe a necessidade de considerar a dinâmica do circuito de estator e o custo computacional da implementação do sistema é reduzido. Em todas as simulações relativas ao observador de fluxo magnético proposto, são consideradas diferentes condições de operação no servo acionamento, assim como as características da implementação prática do sistema (algoritmos PWM e filtros antialiasing). Da mesma forma, nas realizações do sistema de controle não-linear proposto, é objetivada a verificação das condições de estabilidade entrada-estado determinadas de forma teórica.