Controladores PID são amplamente utilizados no controle de processos industriais. Estes controladores precisam necessariamente ser ajustados adequadamente a fim de garantir a correta operação do processo controlado. A fim de suprir esta necessidade surgiram os chamados métodos de ajuste para controladores PID, inicialmente propostos por John Ziegler e Nathaniel B. Nichols em 1942. Desde então muitos outros métodos de ajuste baseados nas idéias de Ziegler e Nichols foram propostos, surgindo assim uma família de métodos afins. Em vista da simplicidade de implementação e do consequente baixo custo computacional envolvido, estes métodos mostraram-se adequados para serem incorporados ao firmware de controladores PID industriais de baixo custo. Estes métodos acabaram por gerar um legado tal que sua utilização persiste intensamente até os dias de hoje. No entanto, frente à crescente oferta de microcontroladores de baixo custo e alto desempenho, o custo computacional de um método de ajuste vem perdendo relevância. Isso abre margem para explorar outros métodos que proporcionem melhor desempenho e robustez, mas, por ventura, demandem mais recursos computacionais. Dessa forma, este trabalho propõe-se a avaliar métodos alternativos que sejam compatíveis com os recursos computacionais atuais. Métodos com maior custo computacional, como o Virtual Reference Feedback Tuning (VRFT), Iterative Feedback Tuning (IFT) e Iterative Correlation-based Tuning (ICbT), são apresentados como candidatos para serem incorporados ao firmware de controladores PID industriais. Tratam-se de métodos diretos de ajuste baseado em dados onde os parâmetros do controlador são determinados de forma que o comportamento do sistema em malha fechada seja tal que minimize um critério de desempenho definido a priori. Através deste critério de desempenho pode-se definir o comportamento desejado para o sistema em malha fechada. Neste trabalho são analisadas as principais características destes métodos, resultados obtidos e custo computacional. Com base nos resultados desta análise é mostrado que os métodos VRFT, IFT e ICbT podem ser utilizados como alternativa para o ajuste (incorporado ao firmware) de controladores PID industriais. / PID controllers are widely used in industrial process control. These controllers must necessarily be properly tuned to ensure the correct operation of the controlled process. In order to meet this need, the so-called tuning methods for PID controllers have emerged, initially proposed by John Ziegler and Nathaniel B. Nichols in 1942. Since then many other controller design methods based on the ideas of Ziegler and Nichols have been proposed, giving rise to a family of related methods. Given the simplicity of implementation and the low computational effort involved, these methods are suitable to be incorporated into the firmware of low cost industrial PID controllers. These methods have generated such a legacy that its use remains intense until the present day. However, with the growing offer of low cost and high performance microcontrollers, the computational effort of a tuning method is becoming less important. This opens up scope for exploring other methods that provide better performance and robustness, possibly at the cost of demanding more computational resources. This study aims to evaluate alternative methods that are compatible with current computational resources. Methods with higher computational effort, such as Virtual Reference Feedback Tuning (VRFT), Iterative Feedback Tuning (IFT) and Iterative Correlation based Tuning (ICbT) are presented as candidates to be incorporated into the firmware of industrial PID controllers. These are direct data-based methods for the adjustment of controllers where the parameters are determined such that the behavior of the closed-loop system is such as to minimize a performance criterion defined a priori. Through this performance criterion one can specify the desired behavior for the closed-loop system. This work analyzes the main characteristics of these methods, results and computational effort. Based on the results of this analysis it is shown that the methods VRFT, IFT and ICbT can be used as an alternative to the adjustment (build into the firmware) of industrial PID controllers.

Este trabalho apresenta condições suficientes para garantir a estabilidade em probabilidade para um sistema com histereses, modelado pelas equações de Bouc-Wen, mediante um controlador proporcional integral sujeito a falhas aleatórias. Quando ocorre uma falha de forma aleatória na linha transmissão, o sistema desliga o controlador e fica assim por um tempo. Após esse tempo, o sistema liga novamente o controle e permanece ativo até a próxima falha que ocorre de forma aleatória. As falhas ocorrem de acordo com o processo de distribuição de Poisson. Uma aplicação real considerando o controle de velocidade de um motor DC é apresentado. / This note presents conditions to assure the stability in probability for a hysteresis Bouc-Wen model controlled by a proportional-integral controller subject to random failures in the transmission line. When a failure happens, the controller turns off and remains off for a while. After that, the controller turns on and keeps working until the occurrence of the next failure. The failures occur according to a Poisson distributed process. A numerical example illustrates the result. A real application considering the speed control of a DC motor is presented.

Este trabalho apresenta condições suficientes para garantir a estabilidade em probabilidade para um sistema com histereses, modelado pelas equações de Bouc-Wen, mediante um controlador proporcional integral sujeito a falhas aleatórias. Quando ocorre uma falha de forma aleatória na linha transmissão, o sistema desliga o controlador e fica assim por um tempo. Após esse tempo, o sistema liga novamente o controle e permanece ativo até a próxima falha que ocorre de forma aleatória. As falhas ocorrem de acordo com o processo de distribuição de Poisson. Uma aplicação real considerando o controle de velocidade de um motor DC é apresentado. / This note presents conditions to assure the stability in probability for a hysteresis Bouc-Wen model controlled by a proportional-integral controller subject to random failures in the transmission line. When a failure happens, the controller turns off and remains off for a while. After that, the controller turns on and keeps working until the occurrence of the next failure. The failures occur according to a Poisson distributed process. A numerical example illustrates the result. A real application considering the speed control of a DC motor is presented.

Made available in DSpace on 2013-08-07T18:53:22Z (GMT). No. of bitstreams: 1 000400805-Texto+Completo-0.pdf: 595405 bytes, checksum: 3428750384be823e541e4f5bcb4130e4 (MD5) Previous issue date: 2008 / This Master thesis addresses the robust stability analysis problem of uncertain discrete-time linear systems subject to state delay, where the system state-space representation is allowed to be a rational function of the uncertain parameters. The stability conditions are obtained from Lyapunov-Krasovskii functionals with polynomial parameter dependence by means of nonlinear decompositions of rational vector functions. The proposed results are divided into delay dependent and delay independent, and they are expressed in terms of linear matrix inequalities (LMIs) constraints. / Esta dissertação aborda o problema de análise de estabilidade robusta de sistemas lineares discretos sujeitos a atraso de transporte e incertezas paramétricas que podem aparecer de forma racional na representação por espaço de estados do sistema. As condições de estabilidade são baseadas em funcionais de Lyapunov-Krasovskii e são obtidas através da aplicação de decomposições não lineares de funções vetoriais racionais. As condições de estabilidade propostas podem ser dependentes e independentes do atraso e são expressas através de desigualdades matriciais lineares (ou LMIs).

A proposta deste trabalho foi o desenvolvimento de um protótipo composto por hardware e software de um sistema para o gerenciamento remoto de temperatura aplicado a aerogeradores de pequeno porte. O hardware microcontrolado (PIC16F877A) recebe e condiciona o sinal emitido por sensores de temperatura (termopares), executa um algoritmo e transmite a informação via rede sem fio (ZigBee) para um software instalado em um computador remoto. O software desenvolvido em linguagem de programação Delphi permite ao usuário monitorar online a temperatura e enviar sinais de comando para ligar e desligar cargas através do acionamento de relês presentes no cartão eletrônico (hardware). O sistema desenvolvido tem foco na aplicação de monitoramento de temperatura em pontos críticos dos aerogeradores de pequeno porte. O sistema permitirá inclusive que haja a intervenção do operador parando a máquina ou então acionando sistemas de refrigeração quando os limites de temperatura forem ultrapassados, visando prolongar a vida útil da máquina evitando falhas catastróficas e não catastróficas que possam inutilizar o equipamento e/ou oferecer algum tipo de risco ao meio em que se encontra. Com o objetivo de validar o desenvolvimento, o hardware implementado foi submetido a testes de validação de distância de comunicação apresentando resultado satisfatório, entretanto abaixo da especificação emitida pelo fabricante dos módulos ZigBee utilizados. O hardware e o software foram submetidos também à validação da precisão de medição da temperatura em uma máquina elétrica com características análogas aos pequenos aerogeradores onde apresentaram resultados aceitáveis para a aplicação proposta. / The proposal of this work was the development of a composed for the hardware and software of a system for the remote management of applied temperature the wind turbine of small transport. The microcontrolled hardware (PIC16F877A) receives and conditions the signal emitted for temperature sensors (thermocouples), executes an algorithm and transmits the information saw net without wire (ZigBee) for a software installed in a remote computer. The software developed in Delphi allows the user to monitor online the temperature and to send command signals to bind and disconnect loads through the drive of you reread gifts in the electronic card (the hardware). The developed system has focus in the application of monitoring of temperature in critical points of the wind turbine of small transport, also allowing that it has the intervention of the operator stopping the machine or then setting in motion refrigeration systems when the temperature limits will be exceeded, aiming at to draw out the useful life of the machine being prevented catastrophic failures and not catastrophic that can make unusable the equipment and/or offer some type of risk to the way where if it finds. With the objective to validate the development, the hardware implemented was submitted to validation tests of distance communication presenting satisfactory result, though below the specification issued by the manufacturer of ZigBee modules used. The hardware and software were also submitted to the validation of the accuracy of temperature measurement in an electric machine with features similar to small wind turbines which showed acceptable results for the proposed application.

Este trabalho consiste na proposição de uma metodologia que garanta o projeto efetivo de controladores para utilização em sistemas de proteção, operação e supervisão de sistemas APM (Automated People Movers), utilizando como estudo de caso o Sistema Aeromovel. Automated People Movers (APM) são sistemas de transporte de passageiros com operação completamente automatizada (sem tripulação), trafegando em vias exclusivas e com alta frequência de serviço. Geralmente são operados em via elevada, acima dos obstáculos encontrados no nível do solo, de maneira a manter o espaço urbano de circulação. A automação completa de trens para transporte de passageiros é geralmente condição essencial para sua viabilidade financeira nos casos onde tem-se veículos pequenos para prover alta frequência de serviço. Em parte, a confiabilidade de um veículo com operação completamente automatizada aumenta com o uso de vias exclusivas impedindo a interferência de outros veículos ou pessoas na via, porém, uma metodologia de desenvolvimento do sistema de proteção, operação e supervisão que diminua a taxa de falhas e suas consequências é necessária por tratar-se de um sistema crítico. Este trabalho apresenta uma revisão das soluções utilizadas na construção de Sistemas APM e daquelas adotadas no controle digital de sistemas automáticos. Descreve-se o processo de construção do sistema de proteção, operação e supervisão baseados na proposta de ampliação da norma IEC 61850 e prova-se a importância do uso do processo de simulação, verificação formal e os testes de conformidade no desenvolvimento de um sistema de controle seguro para aplicação em Sistemas APM. Para cada etapa do trabalho são apresentados os testes de conformidade para verificação do modelo de controle proposto. / This work consists in the proposition of a methodology that guarantees the effective design of controllers for use in protection, operation and monitoring Automated People Movers System, using as a case study Aeromovel system. Automated People Mover (APM) are systems of passenger transport with entirely automated operation (without crew), traveling in exclusive ways and with high service frequency. They are usually operated at elevated highway above the obstacles encountered on the ground level, so as to keep the urban space circulation. The complete automation of trains for passenger condition is necessary for their economic viability in the cases where they have small vehicles to supply high frequency of service. The reliability of an fully automated vehicle operation increases with the use of exclusive right-of-way preventing access from other vehicles or people on the track, however, the development of a methodology for protection, operation and monitoring systems is necessary to decrease the rate of failures and their consequences. This work presents a review of the solutions used in the construction of APM systems and the digital control of automated systems. We describe the construction process of the protection, operation and supervision systems based on the proposed extension of IEC 61850 and proves the importance use of the simulation, formal verification and conformity tests to develop a safe control system. For each stage of the work, the compliance tests to verify the proposed control model are presented.

Esta tese versa sobre a síntese de compensadores antiwindup para sistemas lineares contínuos invariantes no tempo, com restrições no atuador e atraso no tempo. Baseados em um funcional Liapunov-Krasovskii e uma condição de setor para a função zona-morta já existentes na literatura, são propostas condições suficientes expressas em LMIs para a existência de compensadores antiwindup para duas classes de sistemas: sistemas com atraso nos estados, e sistemas com atraso na entrada. Em ambos os casos, considera-se a síntese de um compensador de ordem plena para um sistema com um controlador dado a priori desprezando limites do atuador. A síntese dos compensadores antiwindup considera um atuador restrito em amplitude e o sistema sujeito a perturbações limitadas em norma L2. A verificação das condições enunciadas garante a estabilidade da origem em malha fechada, e um conjunto de inicialização dos estados do sistema tolerante à perturbação com norma L2 inferior a um máximo, determinado juntamente com a síntese do compensador antiwindup. Na ausência de perturbação a origem é garantida assintoticamente estável. Para sistemas com atraso no estado, primeiro propõe-se um método para a síntese de compensadores dinâmicos racionais de ordem plena. Este método é baseado no Lema de Projeção. Em seguida, estende-se o resultado, propondo-se um framework genérico que permite a síntese de compensadores racionais e não racionais. Este método é baseado em uma transformação de variáveis linearizante. Para sistemas com atraso na entrada, propõe-se três resultados de síntese de compensadores antiwindup: compensadores estáticos, dinâmicos racionais, e dinâmicos não racionais. Estes métodos são novamente baseados no Lema de Projeção. Em todos os casos, as condições obtidas que garantem a existência de um compensador antiwindup são expressas em forma de LMIs e garantem a estabilidade local da origem. Em seguida, estende-se os resultados para garantir a estabilidade global da origem, nos casos em que a planta é estável em malha aberta. Problemas de otimização são propostos para ambos os métodos para maximizar a tolerância à perturbação e a minimização do ganho L2 da perturbação à saída regulada. Exemplos numéricos ilustram cada método na solução dos problemas de máxima tolerância à perturbação, e minimização do ganho L2 da perturbação à saída regulada. / This thesis verses about antiwindup compensator synthesis for linear time invariant continuous systems, presenting constraints in actuator and time delay. Based on a Liapunov-Krasovskii functional and a sector condition for the dead-zone nonlinearity already castign in literature, it is proposed sufficient conditions expressed in LMI to the existance of an antiwindup compensator for two classes of systems: systems with state delay, and systems with input delay. In both cases it is considered the synthesis of a full order antiwindup compensator for a system with a controller a priori given that disregards the actuator bounds. The synthesis of antiwindup compensators considers an actuator constrained in amplitude and a system subjected to norm-L2 bounded disturbances. Once the casted conditions are verified, it is assured the closed loop origin stability; a set for the initial states of the system tolerating disturbances up to a maximum L2 norm, which is also determined along the antiwindup compensator synthesis procedure. In the absence of disturbance the origin is assuredly asymptotically stable. For state delay systems, first it is proposed a method for designing full order rational antiwindup compensators. This method is based on the Projection Lemma. Afterwards, results are extended proposing a generic framework allowing the synthesis of rational and nonrational compensators of different topologies. This method is based on a linearizing variable transformation. For input delay systems, it is proposed three synthesis results: static, rational dynamic and nonrational dynamic compensators. These methods are based on the Projection Lemma. In all cases, the conditions obtained assuring the existance of an antiwindup compensator are expressed by means of LMIs that, once verified, assure the origin local stability. Then, the conditions are extended for the global stability case, when the system is open loop stable. Optimization problems are proposed for both methods to maximize the disturbance tolerance and the minimization of the L2-gain of the disturbance to the regulated output. Numerical examples are presented to illustrate each method in the solution of the problems of maximum disturbance tolerance, and minimization of L2-gain from the disturbance to the regulated output.

Este trabalho aborda o desenvolvimento da estrutura da base e do sistema de acionamento, transmissão e controle do 1º grau de liberdade de um robô cilíndrico de 5 graus de liberdade acionado pneumaticamente. A base é construída com alumínio estruturado de elevada rigidez, o que confere a sua estrutura mecânica baixas deformações em situações de operação do robô. Além de constituir a estrutura de apoio do manipulador, a base serve de repositório para diversos componentes de sensoriamento e comando dos diversos graus de liberdade do robô e ainda apresenta elementos estruturais que são utilizados como acumuladores de ar comprimido que servem para atenuar as flutuações de pressão nos atuadores pneumáticos. O 1º grau de liberdade do robô, de acordo com a concepção de um robô cilíndrico, é relativo ao giro do conjunto de elos do manipulador em torno do eixo vertical. O seu movimento é comandado por um atuador pneumático linear acoplado a um eixo rotativo por uma correia sincronizadora. O controlador proposto é baseado na técnica de realimentação de estados com alocação de polos e compensa a variação do momento de inércia do manipulador devida ao movimento do robô. Este esquema é baseado em um modelo matemático parametrizado que provê continuamente o valor de massa equivalente acoplada ao primeiro grau de atuador de liberdade. Assim, a cada ciclo de controle, os ganhos do controlador são recalculados a partir do valor atual da massa equivalente, visando a compensar sua variação. São apresentados resultados experimentais e discussões sobre o cálculo da massa equivalente e desempenho do controlador no seguimento de trajetória. / This work deals with the design of the base frame, drive, transmission and control systems used in the first degree of freedom of a pneumatically actuated cylindrical robot with five degrees of freedom. The base is constructed with high stiffness aluminum parts, which achieve low mechanical deformation in operational working conditions. Furthermore, the base structure in used as sensor and pneumatic components compartment and comprises aluminum structural elements that are used as accumulators compressed air used for reducing the pressure fluctuations on the pneumatic actuators operation. The first degree of freedom, according to the usual design of a cylindrical robot, is relative to the rotation of the manipulator arm around its vertical axis. This degree of freedom is controlled by a linear pneumatic actuator coupled to a rotary axis mechanism by an industrial synchronous belt. The proposed controller is based on the state feedback technique with pole location and compensates the variation of the moment of inertia of the manipulator due to the motion of the robot. This scheme is based on a parameterized mathematical model that continuously provides the equivalent mass value coupled to the first degree of freedom actuator. So, in each control cycle, the controller gains are recalculated on the basis of the equivalent mass, compensating its variation. Results of experiments and discussions about the equivalent mass calculation and controller performance are presented.

O método de identificação por minimização do erro de predição está relacionado com um problema de otimização não convexo. É comum utilizar algoritmos iterativos para resolver o problema de otimização. Contudo, os algoritmos iterativos podem ficar presos em mínimos locais da função custo ou convergir para a borda do domínio de busca. Uma análise da função custo e condições suficientes para garantir a convergência dos algoritmos iterativos para o mínimo global são apresentadas neste trabalho. Observa-se que estas condições dependem do espectro do sinal de entrada utilizado no experimento. Este trabalho apresenta ferramentas para melhorar a convergência dos algoritmos para o mínimo global, as quais são baseadas na manipulação do espectro do sinal de entrada. / The Prediction Error Method is related to a non-convex optimization problem. It is usual to apply iterative algorithms to solve this optimization problem. However, iterative algorithms can get stuck at a local minimum of the cost function or converge to the border of the searching space. An analysis of the cost function and sufficient conditions to ensure the convergence of the iterative algorithms to the global minimum are presented in this work. It is observed that this conditions depend on the spectrum of the input signal used in the experiment. This work presents tools to improve the convergence of the algorithms to the global minimum, which are based on the manipulation of the input spectrum.

Na modelagem caixa branca obtém-se um modelo para um processo a partir do equacionamento dos fenômenos físicos/químicos envolvidos. Estes modelos são para- metrizados, mas os valores dos parâmetros utilizados muitas vezes são desconhecidos. Nestes casos ´e necessário efetuar um procedimento de identificação paramétrica o que representa um problema altamente desafiador, com muitas questões teóricas e práticas em aberto, quando os parâmetros aparecem de forma n˜ao linear no modelo. O objetivo deste trabalho ´e apresentar e estudar um método capaz de determinar se uma estrutura de modelo predeterminada pode ser identificada e que possa ser utilizado em conjunto com algum outro método de identificação, para identificar o sistema. O método que será apresentado é baseado em álgebra diferencial e é conhecido como algoritmo de Ritt. O algoritmo de Ritt transforma uma estrutura de modelo polinomial predeterminada em regressões lineares nos parâmetros a partir das quais pode-se utilizar os métodos dos mínimos quadrados ou variáveis instrumentais para identificar o sistema. Apresentaremos alguns estudos de caso e faremos a análise de identificabilidade para cada um deles. Em alguns casos identificaremos o sistema e estudaremos a consistência e precisão das estimativas. / In white box modeling we obtain a model for a process from the equations of the physical/chimical phenomena involved. These models are parameterized, but the parameters used are often unknown. In these cases it is necessary to perform a parametric identification procedure which represents a highly challenging problem, with many theoretical and practical open questions when the parameters are non- linears in the model. The aim of this work is to present and study a method able to determine whether a predetermined model structure can be identified and that can be used in conjunction with another identification method to identify the system. The method that will be presented is based on differential algebra and is known as Ritt algorithm. The Ritt’s algorithm transforms a predetermined model structure in linear regression in the parameters from which one can use the least squares method or instrumental variables to identify the system. We will present some case studies and realise the analysis of identifiability for each case. For some cases we will identify the system, and then present a study for the consistency and precision of the estimates.