Orientador: Edvaldo Assunção / Banca: Marcelo Carvalho Minhoto Teixeira / Banca: Rodrigo Cardim / Banca: Marcio Roberto Covacic / Banca: Eduardo Fontoura Costa / Resumo: Nesta tese apresentam-se resultados para a estabilidade robusta de sistemas lineares sujeitos a incertezas paramétricas do tipo politópicas, variantes no tempo (do inglês Linear Parameter Varying - LPV). De início, expõe-se um método aprimorado para o projeto com otimização da norma de controladores robustos via desigualdades matriciais lineares (do inglês Linear Matrix Inequalitites - LMIs), com base na teoria de estabilidade segundo Lyapunov. Esta nova formulação foi manipulada utilizando o lema de Finsler, e permitiu encontrar melhores resultados de factibilidade com o acréscimo de matrizes extras e redução do número de LMIs. Neste novo equacionamento houve a inclusão do índice de desempenho da taxa de decaimento, responsável por diminuir o tempo de duração do período transitório, e também da otimização da norma dos controladores, responsável por menores ganhos mantendo a mesma eficiência dos requisitos de projeto. Devido a importantes resultados da literatura para o projeto de controladores robustos com incertezas variantes no tempo, optou-se por explorar o projeto de controladores dinâmicos chaveados, inovando-se no tocante ao acréscimo da taxa de decaimento e à otimização da norma dos controladores chaveados, o que possibilitou encontrar melhores resultados de implementação. Por fim, foram propostos critérios menos conservadores para a análise de estabilidade e projeto de controladores chaveados, utilizando funções de Lyapunov quadráticas por partes do tipo mínimo. A vantagem desse procedimento está no aumento dos parâmetros de relaxação porém, concebido através de formulações baseadas em desigualdades matriciais bilineares (do inglês Bilinear Matrix Inequalitites - BMIs), nos quais os termos e se encontram no produto entre variáveis escalares de otimização e matrizes, que também são variáveis do procedimento de otimização. Apresentam-se, no corpo do texto, exemplos numéricos e ... / Abstract: This thesis presents results for robust stability of linear systems subject to polytopic timevarying parametric uncertainties (LPV). To start with, an improved method for the optimal gain design of robust controllers via Linear Matrix Inequalities (LMI), based on Lyapunov stability theory is presented. This new formulation was manipulated using the Finsler lemma, which enabled finding better feasibility results with the addition of extra matrices and reducing the number of LMIs. In this new equation it was included the decay rate performance index, responsible for reducing the transitional period time, as well as the controllers norm optimization, responsible for lower gains while maintaining the same project requirements efficiency. Then, due to important results in literature regarding the design of robust controllers with time-varying uncertainties, the design of switched dynamic controllers was explored by including the decay rate index and the optimization of the switched controllers norm in the equation, which allowed finding better implementation results. Finally, less conservative criteria were proposed for stability analysis and design of switched controllers using minimum-type piecewise quadratic Lyapunov functions. The advantage of this procedure lies in the increase of relaxation parameters, however, designed through formulations based on Bilinear Matrix Inequalities (BMIs), where the bilinear terms are in the product between optimization scalar variables and matrices, which are also variables on the optimization procedure. Numerical examples are presented and simulated to illustrate the efficiency of the proposed methodologies in relation to other existing throughout the text. The designed controllers were implemented using these new proposals in a Three Degrees Of Freedom (3-DOF) helicopter or in the Shake Table II (STII) + Active Mass Dumper - One Floor (AMD-1) system, in order to validate in practice the proposed theories / Doutor

Orientador: Fábio Roberto Chavarette / Banca: Mara Lúcia Martins Lopes / Banca: Nélson José Peruzzi / Resumo: Os desastres naturais são de grande interesse para engenharia, pois são fenômenos de caráter dinâmico. O desastre natural estudado neste trabalho é a ocorrência de ações sísmicas sobre estruturas, mais precisamente a ação das vibrações de terremoto em estruturas civis. Para realizar este estudo, o modelo matemático proposto é um pórtico plano simples sob a ação de excitação sísmica Tajimi-Kanai, causando instabilidade na estrutura com um comportamento caótico. A alternativa proposta para minimizar estas vibrações sísmicas e reduzir o movimento oscilatório do sistema para uma órbita estável é o controle híbrido. O controle hibrido é uma combinação de estratégias de controle ativo e semi-ativo, com a função de ajudar a prevenir este desastre natural. O controle ativo utilizado foi o controle linear ótimo e o controle semi-ativo utilizado foi o amortecedor magneto reológico acoplado na estrutura. Com a aplicação desse controle híbrido foi possível minimizar as vibrações sísmicas reduzindo o movimento oscilatório para um comportamento estável / Abstract: Natural disasters are a major importance for engineering because they are phenomena of nature dynamic. The natural disaster studied in this work is the occurrence of seismic actions on structures, specifically the action of earthquake vibrations in civil structures. To conduct this study, the mathematical model of a simple portico plane under the action of Tajimi-Kanai seismic excitation, causing instability in the structure with a chaotic behavior. The alternative proposed to minimize these seismic vibrations and reducing the oscillatory movement of the system to a stable point is the hybrid control. The hybrid control is a combination of strategies for active and semi-active control, with the function to help prevent this natural disaster. The active control was used as optimal linear control and semi-active control the magneto rheological damper coupled structure. With the application of this hybrid control was possible to minimize seismic vibrations reducing the oscillatory movement to a stable behavior / Mestre

Orientador: Fábio Roberto Chavarette / Banca: Gustavo Luiz Chagas Manhães de Abreu / Banca: Nelson José Peruzzi / Resumo: Diversos protótipos de sistemas Maglev (transporte de levitação magnética) em todo o mundo, principalmente na Alemanha e Japão, têm demonstrado que este modo de transporte pode lucrativamente competir com o transporte aéreo. No entanto, um sistema Maglev tal como o Transrapid da Alemanha é inerentemente instável. Esta instabilidade deve-se ao sistema de suspensão eletromagnética, a qual usa força atrativa para levitar o trem. Com isto, algum sistema de controle da levitação deve ser implementado para tornar a operação segura. A partir de um modelo simplificado para o sistema experimental Transrapid é possível investigar a instabilidade e consequentemente propor algum projeto de controle. Neste trabalho, é proposto dois projetos de controladores ótimos. As seguintes técnicas são utilizadas para projetar os controladores: Regulador linear Quadrático (LQR) e Equação de Riccati Dependente do Estado (SDRE). O primeiro projeto é um controlador linear, já o outro é não-linear. As simulações computacionais mostram que o controlador SDRE permite o sistema Maglev operar com perturbações muito maiores no entreferro do que o controlador LQR permite / Abstract: Several experimental Maglev (magnetic levitation transport) systems all around the world, mainly in Germany and Japan have demonstrated that this mode of transportation can profitably compete with air travel. However, a system such as the German Maglev train (called Transrapid) is inherently unstable. This instability is because the electromagnetic suspension system uses attractive force to levitate the train. Herewith, some levitation control system must be implemented to make safe operation. From a simplified model for the Transrapid experimental system is possible to investigate the instability and to propose some control design. In this work, we propose two control designs for the system. The following techniques are used to design the controllers: Linear Quadratic Regulator (LQR) and State-Dependent Riccati Equation (SDRE). The first project is a linear controller, while the other is non-linear. Simulations shows that the SDRE controller allows the Maglev system to operate with much larger disturbances in the air gap than the LQR controller does / Mestre

Orientador: José Manoel Balthazar / Banca: Angelo Marcelo Tusset / Banca: Vinicius Piccirillo / Banca: Airton Nabarrete / Banca: Atila Madureira Bueno / Abstract: Flexible structures with slewing motion has been found with increasing frequency in various types of applications, because they are more efficient than their rigid competitors. The study of these systems is important because of the vibrations coming from the mass reduction of structures. Many works have been published presenting control techniques applied in reducing the effects of these vibrations. Several studies demonstrate the application of intelligent materials as actuators for this application. This paper presents a proposal for controlling the angular positioning and vibration of a flexible structure in slewing motion. For such compounds an intelligent actuator materials known as Shape Memory Alloy is employed to control the vibration of the flexible structure. To control the system, the control technique known as State Dependent Ricatti Equation (SDRE), is applied to the control. In order to analyse the dynamics of the system with the proposed control the mathematical modelling of the system is considered and its validation by developed an experimental prototype. Numerical simulations are carried out to analyse the viability of the control and experimental tests are performed in order to validate the theoretical model and the proposed control / Resumo: Estruturas flexíveis com movimento de rastreamento tem sido encontradas com frequências cada vez maior em diversos tipos de aplicações, por serem mais eficientes do que suas concorrentes rígidas. O estudo desses sistemas é importante por conta das vibrações advindas da redução de massa das estruturas. Muitos trabalhos têm sido publicados apresentando técnicas de controle aplicadas na redução dos efeitos dessas vibrações. Vários trabalhos demonstram a aplicação de materiais inteligentes como atuadores para esse tipo de aplicação. Sendo assim, o presente trabalho apresenta uma proposta para o controle do posicionamento angualar e da vibração de uma estrutura flexível em movimento de rastreamento. Para tal, atuadores compostos de um material inteligente conhecido como Liga com Memória de Forma são empregados para o controle da vibração da estrutura flexível. Com relação ao controle, a técnica de controle conhecida como Equações de Ricatti Dpenedentes dos Estados (SDRE) é aplicada para o controle. Com o objetivo de analisar a dinâmica do sistema como controle proposto considera-se a modelagem matemática do sistema e sua validação através do desenvolvido de um protótipo experimental. Simulações numéricas são realizadas para analisar a viabilidade do controle proposto e testes experimentais são realizados com a finalidade de validar o modelo teórico e a proposta de controle / Doutor

Orientador: Marcelo Carvalho Minhoto Teixeira / Banca: Erica Regina M. D. Machado / Banca: José Roberto Castilho Piqueira / Resumo: Este trabalho aborda o problema de modelagem e controle de uma classe de sistemas não-lineares utilizando modelos Fuzzy Takagi-Sugeno (TS). A contribuição principal foi a flexibilização dos ganhos do controlador, em função das condições iniciais da planta, tornando os controladores mais relaxados. A matriz X, positiva definida, relacionada à função de Lyapunov V(x(t))=xT(t)X-1x(t) é relaxada utilizando o conceito de politopo, em relação ao politopo das condições iniciais. O controlador, descrito por modelos fuzzy TS do mesmo tipo da planta, apresenta seus ganhos dependentes das condições iniciais. As análises de estabilidade e problemas de projetos de sistemas de controle são descritos através de Desigualdades Matriciais Lineares (em inglês, Linear Matrix Inequalities (LMIs)), que podem ser resolvidos eficientemente por técnicas de programação convexa. As técnicas de projeto também permitem a especificação da resposta transitória através da taxa de decaimento e especificação de restrições nas entradas e saídas do sistema. O projeto e a simulação do controle de um sistema bola-viga ilustram a aplicação das condições relaxadas de estabilidade para sistemas não-lineares. / Abstract: This work considers the problem of modeling and designing of a class of nonlinear systems, described by Takagi-Sugeno (TS) fuzzy models. The main contribution was the flexibility of the controller s gains, was a functions of the initial conditions of plant, making the controllers to be more relaxed. The matrix X, positive definite, related to the Lyapunov function V(x(t))=xT(t)Px(t) is relaxed using the concept of convex polytope, in relation to the polytope of the initial conditions. The controller, that is described by a Takagi-Sugeno model with the same structure of the plant, has its gains depending on the initial conditions of the plant. The analysis of stability and problems of designing of control systems are described as the solution of LMIs (Linear Matrix Inequalities) that can be efficiently solved by convex programming techniques. The design methods also allows the specification of the decay rate, constraints on control input and output. One of the proposed methods system is applied in the control of a ball-beam. / Mestre

O presente trabalho tem como objetivo apresentar um sistema de automação, controle, aquisição e identificação do modelo laboratorial de uma turbina a gás. Referido sistema de controle foi montado utilizando-se de componentes disponíveis no mercado tais como sensores, atuadores, controladores, softwares, etc. Merece destaque o desenvolvimento de software que instalado no CLP (Controlador Lógico Programável) controla, entre outras funções, a ação de válvulas proporcionais de controle de vazão garantindo as condições necessárias para o correto funcionamento da turbina. Agregado ao sistema funcional, um sistema laboratorial de aquisição e processamento de dados baseado em Labview foi implementado para a identificação dinâmica da máquina, com a finalidade de se obter a função de transferência do sistema que possibilitasse, a posteriori, a simulação e a otimização de estratégias de controle avançadas. A turbina a gás, não convencional e composta de turbo-compressores automotivos, turbina aeronáutica de jatos militares, etc., tinha potência estimada de 50kW e encontrava-se em desenvolvimento experimental por uma equipe de pesquisa sediada nas dependências do CTA-ITA.

O trabalho examinou a viabilidade de um ambiente utilizando enfoque GLR para diagnóstico de falha e controladores escalonados na implementação de um sistema de controle reconfigurável para acomodação de falhas. O problema de não-distinguibilidade entre falhas-de-estados e de sensores via enfoque GLR utilizando a abordagem direta foi estudado. Sugeriu-se, então, uma solução inspirada nos esquemas para detecção de falhas em sensores utilizando estimadores-de-estado. A lógica e a estrutura sugeridas merecem estudos futuros para o seu aperfeiçoamento ou aproveitamento com outras finalidades. Derivou-se de forma direta uma metodologia para a compensação do sistema em caso de existência de falhas. Estudou-se o problema da acomodação de falhas tipo degrau-em-estados. Foi verificada a impossibilidade de acomodar toadas as falhas de forma direta. Considerando tal fata, propuseram-se controladores escalonados para acomodação de vários 'tipos' de falhas degrau-em-estados. No trabalho verificou-se, também, algumas conclusões qualitativas simples mas importantes a serem considerados em futuras pesquisas envolvendo diagnóstico e acomodação de falhas em geral. Os resultados obtidos simulando o ambiente proposto se mostraram promissores. A implementação proposta precisa ser melhorada em alguns pontos. Entretanto, os resultados mostraram que algumas das sugestões formuladas para a composição do ambiente podem ser aproveitadas para solucionar problemas similares em detecção e acomodação de falhas.

Neste trabalho um ';problema de seqUenciamento da produç~oé abordado empregando-se o enfoque de DEDSCDiscret Euent DYhamic SystemsJ. Particular atenç~o é dedicada à análise de perturbaç~o. que é fundamental nesta abordagem e que possibilita.através da concatenação do uso de dados reais (ou simulados) comum ent';oque ana11tico.a obtenç~o de lnf"';ormaç~s do desempenho do sistema em configuraç&s próximas à nominal. Um modelo t1pico de célula de manu~atura aut.omatizada é estudado. Técnicas de análise de perturbação s~o aplicadas a este modelo. permitindo a obtenç~o de informações que podem ser utilizadas. por exemplo. na avaliaçã:o de sensibilidade. em relaçã:o ao tempo médio de serviço, e otimizaçã:o '; do desempenho. Um algori tmo para a obtenção do gradiente do indice de desempenho. a partir da análise de perturbação. Á apresent.ado, e apl i cado em um aI gor i tmo de oti mi zação do ti pó gradient.e est.ocást.ico. obJet.ivando melhorar a produtividade da pÍanta.Um ambiente integrado para simulaç~o. análise de perturbação e otimização dê desempe~ho é desenvolvido e utilizado .. em um exemplo de um sist.ema t';lexivel de manuf';atura.

Este trabalho tem como objetivo principal o projeto de um servo atuador hidromecânico para aplicação aeronáutica. O servo atuador proposto foi baseado em uma especificação técnica de um servoatuador de aileron da aeronave EMB 145. A partir de um servo atuador proposto foi efetuada a modelagem dinâmica via grafos de ligação (grafos de ligação) e montadas as matrizes da descrição no espaço de estado para posterior análise dinâmica linear. A partir do grafo de ligação também obteve-se as equações necessárias para análise dinâmica não linear. Com o dimensionamento estático das partes principais obteve-se os dados necessários para simulação linear e não linear. Quando da simulação não linear, incorporou-se no modelo várias não linearidades tais como: variação dos diâmetro dos orifícios de controle, atrito de Coulomb, efeito de travamento hidráulico e folgas devido ao desgaste ou de ajuste de peças (backlash). Finalmente os itens principais (servo válvula, atuador, alavanca de comando/realimentação) e seus acessórios (válvula by-pass, válvula solenóide, válvula unidirecional, válvula anti-cavitação, filtro) foram desenhados utilizando-se CAD. Um esquema completo do servo atuador com seus componentes também é mostrado.

Neste trabalho sao projetados dois controladores com oobjetivo de desacoplar e linearizar um manipulador mecanico com incerteza parametrica. O robo estudado possui tres graus deliberdade, sendo que as suas tres juntas sao rotativas. Os dois controladores utilizam redes neuronais. A diferenca entre os dois controladores, alem da arquitetura da rede neuronal usada em cada um, esta no fato de no segundo caso a rede neuronal ser usada em conjunto com atrasadores, o que faz com que a rede neural e os atrasadores formem um sistema dinamico, e nao mais estatico, como no primeiro caso. O treinamento das redes neuronais e feito com autilizacao do algoritmo genetico. O objetivo deste treinamento e fazer com que a saida do sistema controlado (robo) esteja, segundo uma metrica Euclidiana, o mais proximo possivel da saida do modelo de referencia durante um intervalo de tempo pre-estabelecido. Nesta etapa de treinamento o sistema e excitado por uma entrada de referencia em que as tres componentes sao do tipo de grau. Sao avaliados os desempenhos dos dois controladores projetados em casos em que o sistema e excitado ainda por entradas em que astres componentes soa do tipo de grau, porem com amplitudes diferentes das usadas durante o treinamento das redes neuronais.