Este trabalho apresenta um sistema de controle de estruturas flexíveis (placas) fazendo uso de um torque desenvolvido por uma planta hidráulica. A estrutura flexível está montada em um mancal hemisférico a gás, construído no ITA para medidas de propriedades de massa, que flutua sobre um colchão de ar e gira com atrito desprezível, posicionando a placa em uma determinada posição angular. A atuação do torque excita diversos modos de vibrações da placa, possibilitando identificar diversos parâmetros dinâmicos das plantas hidráulica e flexível. Por outro lado, a ação de um controlador analógico ou digital na malha de controle, permite gerar um torque para minimizar as amplitudes máximas dessas vibrações, quando a placa estiver oscilando em torno da posição desejada. Seguindo os conceitos da Engenharia Mecatrônica, o modelo completo de todos os sistemas (elétrico, mecânico translacional, mecânico rotacional, hidráulico e flexível) foi obtido pela técnica dos grafos de ligação (Bond Graphs), de forma a ser apresentado em uma linguagem gráfica, unificada. Foram gravados e analisados os dados de ensaios para a identificação do sistema, para posterior validação do modelo analítico escrito no Espaço de Estados. Finalmente, para ressaltar, depois do uso do Princípio de Hamilton para obtenção das equações do movimento da placa e da aplicação do método dos modos assumidos, as equações obtidas são apresentadas na linguagem de grafos de ligação, por um modelo inédito de placas flexíveis, útil para projetos de sistemas de controle no Espaço de Estados. Este modelo pode ser utilizado facilmente com softwares recentes, como o "20_sim" e "CAMP/G".

This thesis deals with the control of nonlinear systems governed by nonlinear state equations of the form =f(x)+g(x)u with state and input constraints, and subjected to model uncertainties. Classical linearization methods lead to adequate results when the model is accurate and the reference signals are well-conditioned and have low amplitude. However, this may not be the case for inputs such as large steps or when uncertainties are not to be neglected. The problem of bounds on control and state variables is tackled by using the reference governor approach which guarantees that the constraints are satisfied for a general class of input commands while stability is also assured. The main idea behind the reference governor is to manage the reference signal which is supplied to the inner loop controller in such a way that violation of the constraints is avoided. Model uncertainties are treated by using fuzzy logic adaptation features. Fuzzy blocks are used in order to approximate the nonlinear functions f(x) and g(x) that appear in the state equations. This thesis also describes some theoretical difficulties encountered in some of previous work in the field, especially when fuzzy or neural estimators are used for the estimation of the nonlinear functions. Despite the apparent success (because the tracking error seems to be tending to zero), some subtle details related to the proof of stability are pointed out. Basically, the difficulties may stem from the fact that the Lyapunov method is used assuming that the tracking error converges to zero. Moreover, an external control signal us which acts like a sliding mode control is used to guarantee stability and it assumes that the function estimates converge to their real values. Here, it is shown that making use of this previous approach the tracking error does not tend to zero when t. An explicit equation for computing the steady-state error is presented. Moreover, despite many propositions for the introduction of an external control signal us to force stability, it is verified that its use is not necessary to assure the tracking error stability if some free parameters are properly initialized. Also, it is noted that the tracking error is bounded and can be reduced through a convenient choice of design parameters. Finally it is shown that in the method presented in the previous work, the estimates of f(x) and g(x) are not required to be accurate to achieve stability. In order to solve the detected theoretical problems, this thesis proposes a new approach for the control of the considered class of nonlinear systems. It also uses fuzzy blocks as estimators for f(x) and g(x). However, the proposed structure and the control and adaptation laws, are then applied so that the tracking error converges to zero and the function estimates converge to their real values.In order to highlight the controllers properties, a nonlinear and open-loop unstable magnetic levitation system is used as an example.

Este trabalho apresenta o projeto e implementação de um controlador digital utilizado paralelamente a um controlador analógico em um sistema de levitação magnética. A técnica utilizada para o projeto do controlador digital foi a linearização por realimentação, que permite um igual desempenho em toda a faixa de operação do sistema. Tanto o controlador analógico quanto o digital são compensadores de avanço de fase. Para o desenvolvimento do trabalho, adotou-se um modelo baseado nas equações diferenciais que regem o comportamento do sistema. Os parâmetros físicos envolvidos (massa do objeto levitado, ganhos do sensor e do atuador, constante de conversão eletromecânica) foram obtidos através de medições diretas. Para validação, medidas da resposta em freqüência do sistema para pequenos sinais foram comparadas com as predições do modelo. Feito o modelamento, foi projetado um sistema de ajuste do sinal de referência a fim de eliminar o erro em regime sem a necessidade de se introduzir um integrador na malha de controle. Por fim, foi implementado o controlador digital, que em testes de laboratório mostrou-se superior ao controlador analógico. A configuração empregada permite que tanto o controlador digital quando o paralelo possam ser desligados e religados isoladamente com o sistema em funcionamento. Desse modo, obtém-se uma melhoria de desempenho, bem como robustez a falhas no controlador.

A proposta de uma metodologia para o projeto de controladores automáticos inteligente e a aplicação de tal metodologia visando o controle ativo de vibrações mecânicas, configuraram-se desde o início nos dois objetivos principais da pesquisa que resultou neste texto. O controle ativo de vibrações mecânicas seria feito através da atuação de controladores automáticos em um sistema eletromecânico proposto com base no princípio da alavanca cujo objetivo é propiciar uma significativa redução na transmissão de vibrações entre uma fundação, ou base, e uma carga útil que uma vez colocada sobre o sistema eletromecânico proposto deve ser mantida isolada de tais vibrações. O sistema eletromecânico que foi concebido é descrito e três modelos são então construídos para representá-lo. Um modelo não-linear que, por ser considerado uma representação mais fiel do sistema físico proposto, é usado durante todas as etapas de projeto de controladores como o modelo de validação. Um segundo modelo é obtido via linearização por truncamento dos termos de ordem superior da expansão em série de Taylor do modelo não-linear. Um terceiro modelo é obtido considerando-se, ao longo do processo de modelamento, certas hipóteses simplificadoras e também resulta ser um modelo linear. Pelas facilidades vastamente conhecidas em se trabalhar com sistemas lineares, os dois modelos lineares são utilizados como modelos de projeto para obtenção e análises de controladores que são posteriormente validados utilizando-se o modelo não linear. Desta forma, após uma breve descrição das metodologias envolvidas, controladores robustos do tipo LQG/LTR e controladores nebulosos são projetados utilizando-se ambos os modelos lineares e em seguida submetidos a testes de validação através de simulações computacionais que utilizam o modelo não-linear. Por fim, com base em algumas metodologias oportunamente apresentadas, a proposta de uma arquitetura de controle para fusão de múltiplos controladores através de supervisão hierárquica inteligente é apresentada e um controlador hierárquico inteligente é projetado de maneira a efetuar a fusão dos sinais gerados por um controlador LQG/LTR e um controlador nebuloso. A proposta do sistema eletromecânico para isolamento de vibrações, a obtenção dos modelos, os projetos e análises dos controladores robustos e nebulosos, além de conclusões a respeito da validade das simplificações no processo de obtenção do modelo para fins de projeto, somam-se a própria proposta da arquitetura baseada em supervisão inteligente para fusão de controladores no sentido de compor a modesta contribuição que se espera este texto possa trazer a futuras pesquisas nestas áreas.

Este trabalho trata do controle ótimo de um Sistema de Programação de Admissões Hospitalares. Considera-se dois tipos de pacientes: graves (tipo I) a não graves (tipo II), cada um deles com sua própria taxa de chegada e serviço. O objetivo deste trabalho é encontrar uma política ótima de controle para o Sistema sw Programação de Admissões. Isto é, encontra a melhor seqüência de decisões a serem tomadas, nos instantes de decisão, com respeito aos valores das taxas de chegada e de serviço, baseando-se em observações acerca do número de clientes (pacientes) no sistema, a fim de minimizar o custo médio esperado num horizonte infinito de planejamento. A solução apresentada consiste em enfocar o sistema como um Processo Markoviano de Decisão a Tempo Contínuo. É apresentado o enfoque "What-if modelling" como uma ferramenta para melhorar a comprensão e prospecção do sistema.

O trabalho apresenta a implementação de redes neurais para controle de estruturas flexíveis unconstrained, com o intuito de realizar o controle ativo das vibrações induzidas pelo controle de posição. Os estudos experimentais estão sendo realizados no laboratório de dinâmica ITA-IEMP, utilizando uma estrutura multicorpo composta por dois apêndices flexíveis engastados a um cubo central, acionado por um motor DC. A aquisição de dados é realizada através de dois acelerômetros piezoelétricos localizados nas extremidades dos apêndices, dois extensômetros colocados ao longo dos apêndices em pontos conhecidos, um sinal tacométrico e um potenciômetro para medir a posição angular do cubo. A estrutura de controle adaptativo inverso utilizada foi a Feedback-Error-Learning. Esta abordagem utiliza a saída de um controlador feedback (previamente sintonizado e com parâmetros fixados) para adaptar uma rede neural linear que atua como um controlador feedforward. Mostramos que, sob certas condições, a rede neural converge para o modelo dinâmico inverso atrasado da planta e gradualmente passa a exercer a maior parte da ação de controle.

O problema de estabilização de robôs móveis na posição e orientação desejadas é abordado neste trabalho. Inicialmente são apresentados os modelos cinemático e dinâmico de robôs móveis com rodas e mostra-se que são possíveis apenas cinco classes de modelos. A seguir, são propostas duas estratégias de controle. Uma baseada na linearização por realimentação do modelo do robô e outra baseada em uma transformação não contínua de coordenadas. A aplicabilidade destas estratégias de controle, para cada uma das cinco classes de robôs móveis, é discutida. Mostra-se que a linearização por realimentação de estados permite o controle da posição e orientação de apenas uma das classes de robôs móveis. Utilizando-se esta estratégia, duas outers classes podem ter apenas a posição controlada. Para as demais classes esta estratégia é preticamente inútil. A estratégia utilizando transformação descontínua de coordenadas, por outro lado, permite o controle de robôs pertencentes a todas as classes. Como os parâmetros do modelo dinâmico do robô podem ser variantes do tempo, desenvolve-se versões adaptativas dos controladores propostos. Em particular, o controlador com backstepping adaptativo permite que a prova de estabilidade em malha fechada, isto é considerando o processo, o controle e a adaptação, seja feita em conjunto. Para permitir a implementação dos controladores propostos, são apresentadas técnicas de estimação de posição e orientação através da fusão de dados obtidos a partir de encoders incrementais, visão computacional e bússola digital. A validação dos métodos desenvolvidos é realizada através de simulações e da implementação de dois protótipos.

Este trabalho refere-se à implementação e avaliação de desempenho de arquiteturas de redes neurais não supervisionadas, utilizadas como controladores em tarefas de interceptação de alvos estacionários no espaço 3D. Em termos gerais, o problema de interceptação visual consiste no controle de atitude do sistema de visão objetivando que o alvo imageado seja deslocado para a posição central dos planos-imagem das câmeras. Um modelo simulado de sistema de visão binocular é utilizado na realização do processo de imageamento. Esse modelo simulado foi baseado em um sistema de visão real e procura representar as características principais de um sistema físico deste tipo. O trabalho apresenta um estudo básico sobre Aprendizado Competitivo em uma RNA, e estuda em maiores detalhes uma teoria de redes neurais não-supervisionadas conhecida como Teoria de Ressonância Adaptativa (ART - Adaptive Resonance Theory), onde são discutidas as arquiteturas neurais ART1 e Fuzzy-ART. Uma importante característica das redes neurais ART é a capacidade de distinguir e aprender novas informações sem prejuízo de informações aprendidas no passado. A solução do problema de interceptação visual foi baseada em duas arquiteturas neurais: SOIM (Self-Organizing Invertible Mapping) e KBVS (Kohonen-Based Visual Servoing). A primeira arquitetura é constituída por duas subredes Fuzzy-ART e uma "camada de representação interna", sendo usada como controlador open-loop (em malha aberta). A segunda, constitui-se de uma Rede de Rohonen bidimensional e de uma camada associativa de saída, sendo usada como controlador neural closed-loop (em malha fechada). A partir da arquitetura SOIM, foi desenvolvida uma terceira arquitetura, designada de MeBIM (Memory-Based Invertible Mapping), com tempo de treinamento significativamente menor. Diversos testes de interceptação visual de um alvo 3D estacionário, empregando as três arquiteturas neurais em estudo, são apresentados e comparados, sendo mostrado que os melhores resultados são obtidos quando o controlador SOIM ou MeBIM é combinado com o controlador KBVS.

Este trabalho apresenta a concepção, desenvolvimento e integração de um sistema de integração binocular para rastreamento binocular auxiliado por uma estratégia de atenção que permite selecionar regiões específicas da imagem para rastreamento. Múltiplas regiões são segmentadas sem o conhecimento do conteúdo da cena mediante detecção monocular de movimento no plano de imagem. Pontos detectados são agrupados em alvos cujo interesse para fins de rastreamento é avaliado por função de atenção. Observou-se que o emprego de imagens foveadas reduz consideravelmente a carga computacional requerida pelo processo de segmentação. Atributos de cada alvo são extraídos para emprego na função de atenção, que determina o valor de interesse dos alvos. A função de atenção proposta é a base da estratégia de atenção e resulta na seleção do alvo com maior valor de interesse. Os atributos empregados são a disparidade binocular, o número de pixels do alvo, sua densidade e velocidade no plano de imagem e a duração de sua ocorrência ao longo das imagens. Incertezas nos atributos são desconsideradas pela função de atenção. Os movimentos da cabeça de visão onde o sistema foi implementado consistem em movimentos balísticos, sacádicos e de perseguição suave nos eixos de elevação, e vergências assimétricas. A ativação destes movimentos é definida levando-se em conta características de desempenho do aparato visual antropomórfico. Avaliou-se o desempenho do sistema tanto no rastreamento de diversos alvos rígidos movendo-se em translação de forma controlada contra um fundo estático de textura não homogênea quanto no de uma pessoa deslocand-se e originando múltiplos alvos não rígidos que violam a restrição de translação pura. Os resultados para o primeiro caso demonstraram a manutenção dos alvos rígidos dentro do campo visual de ambas as câmeras. Já os resultados para o segundo caso demonstraram menor robustez a distorções nos padrões de cinza causadas pelo movimento de rotação e de mudança de escala, o que provoca chaveamento excessivo da atenção do sistema. Isto reflete as limitações do poder computacional empregado, uma vez que há grande dificuldade em limitar o movimento entre quadros da pessoa sendo rastreada.

Doenças cardiovasculares são a causa de um grande número de mortes em todo o mundo. Nos casos terminais da doença cardíaca grave, o transplante é a melhor conduta. Contudo, por falhas no sistema de captação de órgãos, o número de pacientes em fila de espera é maior que a oferta de órgãos e aproximadamente 30% desses pacientes morrem no aguardo. Devido ao fato, o projeto de dispositivos de assistência ventricular, que atuem como "ponte para o transplante", é o grande desafio para a bioengenharia. No projeto desses dispositivos a simulação por computador se apresenta como ferramenta indispensável, agilizando a análise e a depuração, minimizando os custos e o número de cirurgias experimentais. Assim, é de grande relevância uma ferramenta genérica que permita a simulação do sistema cardiovascular, operando conjuntamente com um dispositivo assistente. Nesta Tese é realizado um estudo hemodinâmico da assistência ventricular a partir da simulação do sistema cardiovascular humano. É proposta uma ferramenta de simulação, genérica e parametrizada, implementada no ambiente do simulador elétrico "PSPICE". Para isso, é construído um modelo análogo elétrico a parâmetros concentrados. A ferramenta proposta é avaliada por índices de desempenho hemodinâmico, através da simulação de alguns dispositivos assistentes de modelo conhecido. Também é estudado um novo dispositivo assistente que está sendo construído em nossos laboratórios. Este trabalho contribui para o desenvolvimento de um dispositivo assistente biventricular totalmente implantável, sendo parte integrante de um projeto pioneiro na área de circulação assistida.