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This Thesis is concerned with the approximation of high order controllers or the controller reduction problem. We firstly consider approximating high-order controllers by low order controllers based on the closed-loop system approximation. By approximating the closed-loop system transfer function, we derive a new parametrized double-sided frequency weighted model reduction problem. The formulas for the input and output weights are derived using three closed-loop system configurations: (i) by placing a controller in cascade with the plant, (ii) by placing a controller in the feedback path, and (iii) by using the linear fractional transformation (LFT) representation. One of the weights will be a function of a free parameter which can be varied in the resultant frequency weighted model reduction problem. We show that by using standard frequency weighted model reduction techniques, the approximation error can be easily reduced by varying the free parameter to give more accurate low order controllers. A method for choosing the free parameter to get optimal results is being suggested. A number of practical examples are used to show the effectiveness of the proposed controller reduction method. We have then considered the relationships between the closed-loop system con gurations which can be expressed using a classical control block diagram or a modern control block diagram (LFT). Formulas are derived to convert a closed-loop system represented by a classical control block diagram to a closed-loop system represented by a modern control block diagram and vice versa.

Thesis (Ph. D.)--Ohio State University, 2005. / Title from first page of PDF file. Document formatted into pages; contains xvi, 209 p.; also includes graphics. Includes bibliographical references (p. 202-209). Available online via OhioLINK's ETD Center

Esta dissertação desenvolve filtro de informação, algoritmos array para estimador do erro médio mínimo quadrático para sistemas lineares sujeitos a saltos Markovianos e algoritmos array rápidos para filtragem de sistemas singulares convencionais. Exemplos numéricos serão apresentados para mostrarem as vantagens dos algoritmos array deduzidos. Parte dos resultados obtidos nesta pesquisa serão publicados no seguinte artigo: Terra et al. (2007). Terra, M. H., Ishihara, J. Y. and Jesus, G. Q. (2007). Information filtering and array algorithms for discrete-time Markovian jump linear systems. Proceedings of the American Control Conference ACC07. / This dissertation develops information filter and array algorithms for linear minimum mean square error estimator (LMMSE) of discrete-time Markovian jump linear systems (MJLSs) and fast array algorithms for filtering of standard singular systems. Numerical examples to show the advantage of the array algorithms are presented. Some results obtained in this research are published in the following paper: Terra et al. (2007). Terra, M. H., Ishihara, J. Y. and Jesus, G. Q. (2007). Information filtering and array algorithms for discrete-time Markovian jump linear systems. Proceedings of the American Control Conference ACC07.

Este trabalho apresenta um estudo da discretização de controladores ressonantes aplicados a fontes ininterruptas de energia (UPSs, do termo em inglês, Uninterruptible Power Suppllies). Primeiramente, diferentes métodos de discretização serão considerados na obtenção de um modelo em tempo discreto da UPS. Além disso, estes métodos serão comparados do ponto de vista frequencial para a definição da formulação do controlador ressonante a ser utilizado. Então, uma metodologia de projeto robusto do controlador ressonante em tempo discreto é proposta a partir de uma representação em espaço de estados do sistema em malha fechada e os parâmetros do controlador são obtidos através da solução de um problema de otimização convexa sujeito a restrições na forma de Desigualdades Matriciais Lineares (do inglês, Linear Matrix Inequalities - LMIs). A estratégia proposta foi validada por meio de resultados de simulação e experimentais obtidos com um inversor comercial de 3,5 kVA considerando os critérios estabelecidos na norma IEC 62040-3. Nestas condições, demonstrara-se um desempenho melhor do que os obtidos com a discretização do controlador projetado em tempo contínuo, sobretudo quando consideradas frequências de amostragem menores. / This work presents a study about discrete-time resonant controllers applied to uninterruptible power supplies (UPSs). First, different discretization methods are considered to obtain an equivalent UPS discrete-time model. Moreover, these methods are compared in the frequency domain in order to define the resonant controller structure to be employed. Then, a robust design methodology to the discrete-time resonant controller is proposed using a state-space representation of the closed-loop system and the controller parameters are obtained by solving a convex optimization problem subject to constraints in the form of Linear Matrix Inequalities (LMIs). The proposed strategy was validated by means of simulation and experimental results obtained with a 3.5 kVA commercial inverter taking into account the IEC 62040-3 norm requirements. In this conditions, a better performance was achieved than those obtained through discretization of a continuous-time controller, especially when considering smaller sampling frequencies.

Este trabalho apresenta um estudo da discretização de controladores ressonantes aplicados a fontes ininterruptas de energia (UPSs, do termo em inglês, Uninterruptible Power Suppllies). Primeiramente, diferentes métodos de discretização serão considerados na obtenção de um modelo em tempo discreto da UPS. Além disso, estes métodos serão comparados do ponto de vista frequencial para a definição da formulação do controlador ressonante a ser utilizado. Então, uma metodologia de projeto robusto do controlador ressonante em tempo discreto é proposta a partir de uma representação em espaço de estados do sistema em malha fechada e os parâmetros do controlador são obtidos através da solução de um problema de otimização convexa sujeito a restrições na forma de Desigualdades Matriciais Lineares (do inglês, Linear Matrix Inequalities - LMIs). A estratégia proposta foi validada por meio de resultados de simulação e experimentais obtidos com um inversor comercial de 3,5 kVA considerando os critérios estabelecidos na norma IEC 62040-3. Nestas condições, demonstrara-se um desempenho melhor do que os obtidos com a discretização do controlador projetado em tempo contínuo, sobretudo quando consideradas frequências de amostragem menores. / This work presents a study about discrete-time resonant controllers applied to uninterruptible power supplies (UPSs). First, different discretization methods are considered to obtain an equivalent UPS discrete-time model. Moreover, these methods are compared in the frequency domain in order to define the resonant controller structure to be employed. Then, a robust design methodology to the discrete-time resonant controller is proposed using a state-space representation of the closed-loop system and the controller parameters are obtained by solving a convex optimization problem subject to constraints in the form of Linear Matrix Inequalities (LMIs). The proposed strategy was validated by means of simulation and experimental results obtained with a 3.5 kVA commercial inverter taking into account the IEC 62040-3 norm requirements. In this conditions, a better performance was achieved than those obtained through discretization of a continuous-time controller, especially when considering smaller sampling frequencies.

A utilização de sistemas semi-ativos no controle de movimento e vibração vem crescendo muito nos últimos anos, e está se firmando como a opção mais econômica em muitas aplicações. Os sistemas de controle semi-ativos baseados em fluidos magneto-reológicos (MR) já são empregados no controle de vibrações desde máquinas de lavar a grandes pontes suspensas, e até mesmo no controle de vibração de edifícios sujeitos a abalos sísmicos. No controle de movimento, eles têm sido aplicados em aparelhos de fisioterapia, próteses de joelho humano e embreagens. No setor automobilístico, os sistemas semi-ativos são empregados em sistemas de controle da suspensão e sistemas anti-rolagem, e também no controle de sistemas de torque e tração. Visto a crescente importância dos sistemas de controle semi-ativo, este trabalho aborda este assunto dividindo-o em duas partes: a primeira, apresentada no volume 1, trata do projeto de atuadores magneto-reológicos e do seu modelamento dinâmico voltado para projetos de controle; e a segunda parte, apresentada no volume 2, trata de projeto de controladores para sistemas semi-ativos, mais especificamente voltados para o controle de suspensão veicular semi-ativa, buscando a melhoria do desempenho em conforto, segurança e dirigibilidade do veículo. Na primeira parte, a maior contribuição deste trabalho está em preencher uma lacuna na literatura no que diz respeito a uma técnica sistemática de projeto de atuadores magneto-reológicos e da forma mais adequada de sua representação dinâmica para projetos de controle, que é feita a partir de dados experimentais. Na segunda parte deste trabalho buscou-se desenvolver um sistema de controle economicamente viável para veículos utilitários (caminhonetes principalmente). Estes são os veículos que mais carecem de sistemas de suspensão capazes de atender a uma grande variedade de situações (variação de pista, variação de carga), e cujo mercado exige uma relação custo/benefício melhor que aquela dos mercados de carros de luxo, onde estes sistemas são empregados atualmente. Como resultados mais importantes deste trabalho têmse: uma proposição para o uso da lei de controle LQG/LTR em sistemas não estritamente próprios; um modelo de um veículo utilitário completo com sete graus de liberdade e capaz de representar as situações mais importantes do comportamento dinâmico deste tipo de veículo; o desenvolvimento de uma estratégia de controle robusto baseado na técnica LQG/LTR, adequada para trabalhar com atuadores semi-ativos, e que utiliza sensores de custo compatível com a aplicação. O sistema de controle proposto foi capaz de melhorar o desempenho em conforto e segurança, evitando situações de perda de aderência dos pneus e comportamentos dinâmicos indesejáveis destes veículos, que foi verificado experimentalmente e através de simulações em computador. / The application of semi-active systems to motion and vibration control has significantly grown during the last years, and it is becoming an economically viable option for several applications. Semi-active systems based on magneto-rheological (MR) fluids were applied to vibration control ranging from washing machines to suspended bridges, and also in vibration control of buildings under seismic tremors. Regarding the movement control, they have been used in gym apparati, human knee prosthesis and clutches. More specifically in the automotive industry, semi-active systems have been applied in suspension and anti-roll systems, and also in torque and traction control systems. This work treats this subject dividing it into two parts: the first one, presented in volume 1, deals with the design of semi-active actuators based on magneto-rheological fluids and dynamic modeling; and the second one, presented in volume 2, deals with the design of semi-active control for vehicular suspension systems. The control main objective is the performance improvement in comfort, safety and handling features of a vehicle. In the first part, the main contribution of this work is to fulfill a literature gap regarding a systematic procedure for design of magneto-rheological actuators and to find a better representation for the dynamic behavior regarding the control system development, which is done based on experimental data analysis. The second part of this work leaded with the development of a vehicular suspension system for utility vehicles (for SUVs, and mainly for light trucks), which need suspension systems able to face a great number of situations (road variation, load variation, etc.), and which present stability problems due to its high gravity center height. Important results of this work are: the development of a robust control strategy based on LQG/LTR techniques for non-strictly proper systems, the development of a dynamic model for light trucks and SUVs with seven degrees of freedom; the development of a robust control strategy based on the LQG/LTR synthesis, suit to work with semi-active actuators, and using sensors with costs compatible to the application. The proposed control system was able to improve the performance of comfort and safety, avoiding the loss of adherence between tires and the ground and other undesirable dynamic behaviors of these vehicles, that was verified experimentally and through computer simulations.

Esta dissertação apresenta um estudo dos filtros de Kalman para sistemas singulares em tempo discreto. Novos algoritmos são formulados para as estimativas filtradas, preditoras e suavizadas com as correspondentes equações de Riccati para sistemas singulares variantes no tempo. Nesta dissertação considera-se também uma aproximação do problema de filtragem de Kalman como um problema determinístico de ajuste ótimo de trajetória. A formulação proposta permite considerar um atraso no sinal de medida, sendo permitida a correlação entre os estados e os ruídos da medida. Apresentam-se também as provas da estabilidade e da convergência destes filtros. / This dissertation presents a study of Kalman filters for singular systems in discrete time. New algorithms are developed for the Kalman filtered, predicted and smoothed estimate recursions with the corresponding Riccati equations for time-variant singular systems. This dissertation addresses the Kalman filtering problem as a deterministic optimal trajectory fitting problem. The problem is formulated taking into account one delay in the measured signals and correlations between state and measurement noises. In the final, this work presents the stability and convergence proofs of these filters.

Les nouveaux besoins en communications sans fil pussent le développement de systèmes de transmission RF en termes the reconfigurabilité, multistandard et à basse consommation. Ces travaux de thèse font l’objet de la proposition d’une nouvelle architecture de réception capable d’adresser ces aspects dans le contexte des réseaux WPAN. La technique de sous échantillonnage (BPS-Bandpass Sampling) est appliquée et permet d’exploiter et certain nombre d’avantages liées au traitement du signal à Temps Discret (DT-Discrete Time signal processing), notamment le filtrage et la décimation. Si comparées à la Radio Logicielle, ces techniques permettent de relâcher les contraintes liées aux ADCs en maintenant des caractéristiques multistandard et de reconfigurabilité. Un simulateur dans le domaine fréquentiel large bande a été développé sous MATLAB pour répondre à des limitations au niveau système comme par exemple le repliement spectral et le produit gain bande. En addition avec une nouvelle méthode de conception système, cet outil permet de séparer les différentes contraintes des blocs pour la définition d’un plan de fréquence et the filtrage optimaux. La séparation des différentes contributions dans la dégradation du SNDR (notamment le bruit thermique, bruit de phase, non linéarité et le repliement), permet de relâcher de spécifications critiques liées à la consommation de puissance. L’architecture à sous échantillonnage proposée dans la thèse est résultat d’une comparaison quantitative des différentes architectures à sous échantillonnage, tout en appliquant la méthode et l’outil de conception système développés. Des aspects comme l’optimisation du filtrage entre les techniques à temps continu et temps discret et le plan de fréquence associé, permettent de trouve l’architecture qui représente le meilleur compromis entre la consommation électrique et l’agilité, dans le contexte voulu. Le bloc de filtrage à temps discret est identifié comme étant critique, et une étude sur les limitations d’implémentation circuit est menée. Des effets come les capacités parasites, l’imparité entre les capacités, le bruit du commutateur, la non linéarité, le gain finit de Ampli OP, sont évalués à travers d’une simulation comportementale en VHDL-AMS. On observe la robustesse des circuits orientés temps discret par rapport les contraintes des nouvelles technologies intégrés. Finalement, le système est spécifié en termes de bruit de phase, qui peuvent représenter jusqu’à 30% de la consommation en puissance. Dans ce but, une nouvelle méthode numérique est proposée pour être capable d’évaluer le rapport signal sur distorsion due au jitter SDjR dans le processus de sous échantillonnage. En plus, une conclusion non intuitive est survenue de cette étude, où on que réduire la fréquence d’échantillonnage n’augmente pas les contraintes en termes de jitter pour le système. L’architecture proposée issue de cette étude est sujet d’un développement circuit pour la validation du concept. / New needs on wireless communications pushes the development in terms reconfigurable, multistandards and low power radio systems. The objective of this work is to propose and design new receiver architecture capable of addressing these aspects in the context of the WPAN networks. The technique of Bandpass Sampling (BPS) is applied and permits to exploit a certain number of advantages linked to the discrete time (DT) signal processing, notably filtering and decimation. Compared to the Software-defined Radio (SDR), these techniques permit to relax the ADC constraints while keeping the multi standard and reconfigurable features. A wide band system level simulation tool is developed using MATLAB platform to overcome system level limitations such spectral aliasing and gain bandwidth product. In addition to a new system design method, the tool helps separating the blocks constraints and defining the optimum frequency plan and filtering. Separating the different contributions on the SNDR degradation (noise, phase noise, non linearity, and aliasing), critical specifications for power consumption can be relaxed. The proposed BPS architecture on the thesis is a result of a quantitative comparison of different BPS architectures, applying the system design method and tool. Aspects such filtering optimization between continuous and discrete time filtering and the associated frequency plan permitted to find the architecture which represents the best trade-off between power consumption and agility on the aimed context. The DT filtering block is therefore identified as critical block, which a study on the circuit implementation limitations is carried out. Effects such parasitic capacitances and capacitance mismatch, switch noise, non linear distortion, finite gain OTA, are evaluated through VHDL-AMS modelling. It is observed the robustness of discrete time oriented circuits. Finally, phase noise specifications are given considering that frequency synthesis circuits may represent up to 30% of the power consumption. For that goal, a new numerical method is proposed, capable of evaluating the signal to jitter distortion ratio SDjR on the BPS process. Moreover, a non intuitive conclusion is given, where reducing the sampling frequency does not increase the constraints in terms of jitter. The proposed architecture issue from this study is in stage of circuit level design in the project team of LETI for final proof of concept.

The present doctoral thesis concentrate efforts in the consolidation of the benefits introduced by the plug-in repetitive action in the performance of pulse-width modulated voltage source inverters. The work is focused in the application of these inverters in double conversion uninterruptible power systems to comply the most demanding requirements of the international standards. The use of the plug-in repetitive action, in this application, is suitable because the inverter demands the advantageous characteristics of cyclic disturbance rejection by it introduced. In this scenario, this thesis is divided in two parts. The first one comprise the proposition of algorithms to solve some disadvantageous characteristics of the repetitive actions, such as the reduced stability margin and the unsuitable performance under reference signals with variable frequency. The second one, by the other hand, comprise the questions related to the design of these repetitive action controllers. It is included the proposition of a methodology that link the design of these controllers with the output filter of a double conversion UPS. Finally, it is worth to emphasize that are presented simulation and experimental results, obtained on a 1kVA laboratory prototype, that validate the proposes carried out. / A presente tese de doutorado concentra esforços na consolidação dos benefícios introduzidos pela ação de controle repetitiva auxiliar no desempenho de inversores de tensão modulados por largura de pulso. O trabalho está focado na aplicação destes inversores em fontes ininterruptas de energia (UPS) de dupla conversão, com o intuito de atender aos mais exigentes requisitos de desempenho das normas internacionais. A utilização da ação de controle repetitiva auxiliar, nesta aplicação, é adequada porque o inversor demanda as características vantajosas de rejeição de distúrbios cíclicos por ela introduzida. Neste contexto, esta tese se divide em duas partes. A primeira parte compreende na proposição de algoritmos para solucionar algumas das características desvantajosas dos controladores de ação repetitiva, tal como a reduzida margem de estabilidade e o desempenho não satisfatório para sinais de referências de freqüência variável. A segunda parte, por outro lado, trata das questões relacionadas ao projeto destes controladores de ação repetitiva, sendo proposta uma metodologia que integra o projeto destes controladores ao filtro de saída de uma UPS de dupla conversão. Por fim, destaca-se que são apresentados resultados de simulação e experimentais, obtidos em um protótipo de 1kVA, para validar as propostas deste trabalho.