Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Automação e Sistemas, Florianópolis, 2014. / Made available in DSpace on 2015-02-05T20:38:36Z (GMT). No. of bitstreams: 1 329138.pdf: 790615 bytes, checksum: b2a9bfc666f3d8f453110044e40214ac (MD5) Previous issue date: 2014 / O controle preditivo é uma técnica de controle avançado que vem recebendo cada vez mais atenção tanto da indústria quanto do meio acadêmico. Suas características como a capacidade de tratar restrições de maneira sistemática e a utilização de algoritmos que encontram soluções ótimas definem a grande vantagem de sua utilização. Na indústria já existem diversas aplicações do controle preditivo, porém, devido à necessidade de troca de informações com os sensores e atuadores do processo, sua utilização às vezes se torna inviável, principalmente quando o sistema a ser controlado possui muita esparsidade geográfica. Uma alternativa que vem se tornando interessante é a utilização de controladores preditivos distribuídos (DMPC), que são implementados localmente mas trabalham em conjunto, conseguindo ao final um desempenho similar ao controlador centralizado, porém com a vantagem da descentralização da computação das ações de controle. Este trabalho propõe uma estrutura DMPC onde o sistema é dividido em subsistemas, cada qual com o seu subproblema, e é tratado através de uma rede de agentes. Neste caso, a formulação utilizada engloba problemas de controle onde podem existir acoplamentos entre as saídas dos subsistemas. É proposto um algoritmo distribuído que coordena a rede de agentes e utiliza métodos de ponto-interior para resolver o conjunto de subproblemas, encontrando a solução ótima global. Além de testar a formulação do controlador distribuído de maneira numérica, é realizado um estudo utilizando a estratégia DMPC para o caso de alocação de recursos de energia. Neste caso, um conjunto de sistemas consumidores tem suas necessidades energéticas supridas por uma fonte comum, cuja capacidade é limitada e às vezes não atende as demandas. A estratégia DMPC foi testada neste caso através de uma metodologia hardware-in-the-loop em uma planta solar para demonstrar a boa funcionalidade e a possibilidade de aplicação de controladores distribuídos em sistemas reais.<br> / Abstract : Predictive control is an advanced control technique that has been getting in- creasing attention fromboth industry and academia. Its characteristics such as the ability to handle constraints in a systematic way and the use of algorithms that find optimal solutions define the great advantage of its use. In industry there are already several applications of predictive control, however, due to the necessity of information exchange with the sensors and actuators of the process, their use is sometimes not feasible, especially when the system to be controlled has much geographical sparsity. An alternative that is becoming interesting is the use of distributed predictive controllers (DMPC), which are implemented locally but work together, achieving at the end a performance similar to a centralized controller, but with the advantage of decentralization in the computation of control actions. This thesis proposes a DMPC struc- ture where the system is divided into subsystems, each with its subproblem, and is treated through a network of agents. In this case, the formulation used comprises control problems which may exist couplings between the outputs of the subsystems. It is proposed a distributed algorithm that coordinates the network of agents and use interior-point methods to solve the set of subpro- blems, finding the optimal global solution. Besides testing the formulation of the distributed controller in a numericalmanner, a study using the DMPC stra- tegy for the case of allocation of energy resources is performed. In this case, a set of consumer systems have their energy needs supplied by a common source, whose capacity is limited and sometimes does not meet the demands. The DMPC strategy was tested in this case through a hardware-in-the-loop methodology in a solar plant to demonstrate the good functionality and appli- cability of distributed controllers in real systems.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Automação e Sistemas, Florianópolis, 2014 / Made available in DSpace on 2015-02-05T20:50:18Z (GMT). No. of bitstreams: 1 330013.pdf: 4641284 bytes, checksum: 34a18f714534e4c4493daded820bd3b7 (MD5) Previous issue date: 2014 / Este trabalho trata da utilização de aerofólios cabeados (tethered airfoils) para geração de energia elétrica e apresenta uma visão detalhada sobre os conceitos de funcionamento e o cenário atual desta tecnologia. Considerando questões aerodinâmicas e características do comportamento do vento na atmosfera, são enumerados os aspectos preponderantes que fundamentam o emprego de sistemas deste tipo como uma alternativa vantajosa no aproveitamento da energia eólica. Suas principais alternativas de configuração para geração de energia elétrica são listadas, e elege-se a estrutura conhecida como Yoyo ou Pumping Kitecomo objeto de estudo para o decorrer da dissertação. Apresenta-se então o modelo dinâmico utilizado para representar o comportamento deste sistema. Após um sucinto debate sobre as diferentes abordagens de controle encontradas na literatura, detalha-se a estrutura de controle desenvolvida neste trabalho. Para auxiliar a tarefa de controle de voo é incluído um novo estado ao sistema, o qual é batizado de Ângulo de Giro. Fundamentado no conhecimento empírico da dinâmica da pipa, propõe-se um modelo matemático para descrever a evolução deste estado ao longo do tempo, modelo que é identificado e validado através de ensaios realizados em ambiente de simulação. Uma estraté-gia de controle constituída de dois laços é concebida. O laço interno é baseado na dinâmica do Ângulo de Giro e possibilita que a direção do deslocamento do aerofólio seja arbitrariamente imposta. Este laço de controle é caracterizado por um sistema não-linear de uma entrada e uma saída (SISO), e, a partir do modelo dinâmico do Ângulo de Giro, é projetada uma lei de controle baseada em realimentação linearizante. Já o laço externo é responsável por definir a trajetória de voo da pipa. A Lemniscata de Bernoulli é sugerida como uma aproximação da trajetória que proporciona a máxima produção de energia elétrica. Baseado na equação matemática desta figura, é elaborado um controlador cinemático que, a cada iteração, define a referência de Ângulo de Giro necessária para que o seguimento da trajetória desejada seja atingido. No intuito de alcançar a máxima geração de energia elétrica, é realizado um procedimento de otimização a fim de se definir o ponto de operação ideal do sistema. Os resultados de simulação obtidos através do uso deste controle são discutidos e comparados com os de outros trabalhos.<br> / Abstract: This work concerns the use of tethered airfoils for the generation of electric energy from the wind flow in the lower atmosphere, and presents a detailed vision over the working foundations and the current stage of the technology. Considering aerodynamic aspects and the wind behavior, a discussion is made on the main characteristics of this type of wind power system, which grant them advantages with respect to the conventional wind turbines. The main mechanical congurations found so far in the literature are listed, and the Yoyo (Pumping Kite) one is elected as the detailed object of study for the rest of the thesis. Thereafter a mathematical model to represent the dynamics of this pumping kite system is presented. The main existing approaches for controlling the airfoil flight are enumerated, and an own control scheme is conceived and justied. To this end, it is created a new state to the kite system, named as the turning angle. Based on empirical knowledge of the kite dynamics, it is proposed a mathematical model to describe the evolution in time of this state. This model is identified and validated by means of computer simulation experiments. The control scheme consists of two loops. The inner loop handles the turning angle dynamics, allowing the kite trajectory to be arbitrarily established. This control loop is characterized by a nonlinear system of one input and one output (SISO), and, given the already proposed model of the turning angle dynamics, a control law based on feedback linearization is designed. The generation of the kite flight trajectory occurs in the outer loop. It employs the Lemniscate of Bernoulli as an approximation of the optimal trajectory, allowing the maximization of the power output. Given the geometric characteristics of this figure, a kinematic controller is elaborated, which, at every iteration, calculates the turning angle reference needed for tracking the desired trajectory. Aiming at maximizing the electric energy generation, it is conceived an optimization procedure for determining the ideal operation point of the tethered airfoil system. Finally, simulation results of the closedloop system are presented, discussed, and compared with other results found in the literature.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Automação e Sistemas, Florianópolis, 2014. / Made available in DSpace on 2015-02-05T21:07:20Z (GMT). No. of bitstreams: 1 327790.pdf: 2450469 bytes, checksum: cecb6e5aa5a2f7d42da1904e1906c6b9 (MD5) Previous issue date: 2014 / O sensoriamento de condições ambientais é frequentemente empregado nas áreas de Agricultura de Precisão e Engenharia Ambiental, como para o monitoramento climático, na detecção de pragas, na irrigação e análise do solo, nos mapas de produtividade e no monitoramento de áreas florestais e de rios urbanos. As Redes de Sensores sem Fio (RSSF) vêm sendo propostas como infraestruturas para essas aplicações. As referidas redes produzem um grande volume de dados. Contudo, como são comumente compostas por sensores de baixo custo e com baixa confiabilidade, eventualmente dados anômalos (outliers) são gerados, afetando a qualidade final do monitoramento. Essas condições implicam na necessidade da utilização de métodos de fusão de informações que viabilizem o funcionamento da rede e aumentem a confiança nos dados monitorados. Tendo em vista tais características, o presente trabalho propõe uma arquitetura para a fusão de informação voltada a sensores de baixo custo. A arquitetura foi validada através de um estudo de caso envolvendo sensores de pressão atmosférica, compatíveis com a plataforma Arduino, cujos dados produzidos foram tratados por técnicas de fusão de informação. Na avaliação dos resultados obtidos, dois sensores de alto custo foram utilizados para fornecerem valores de referência. Os resultados obtidos mostram que alguns dos métodos de fusão de baixo nível e técnicas para a detecção de outliers estudados neste trabalho, quando combinados e organizados segundo a arquitetura proposta, conseguem substituir um único sensor centralizado e de alto custo, mantendo a confiabilidade obtida nos dados monitorados.<br> / Abstract : Detection of environmental conditions is frequently employed in the fields of precision agriculture and environmental engineering, being also used in irrigation and soil testing, productivity maps, and the moni-toring of forest areas and urban rivers. Wireless Sensor Networks (WSN) have been proposed as an infrastructure for these applications. These networks produce a large volume of data. However, as they are often comprised of sensors of low cost and reliability, anomalous data (outliers) is occasionally produced, affecting the final quality of the monitoring. These conditions require using information fusion methods that make it possible for the network to function while increasing the reliability of monitored data. Considering these characteristics, this work proposes an architecture for information fusion aimed at low-cost sensors. The architecture was validated through a case study involving atmospheric pressure sensors compatible with the Arduino platform. The data they produced was processed with information fusion techniques. In the evaluation of the obtained results, two high-cost sensors were used to provide reference values. The obtained results show that, when combined and organized according to the proposed architecture, some of the low-level fusion methods and the outlier detection techniques studied in this work are able to replace a single centralized, high-cost sensor while maintaining reliability of the monitored data.

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Automação e Sistemas, Florianópolis, 2014 / Made available in DSpace on 2015-02-05T21:10:02Z (GMT). No. of bitstreams: 1 332111.pdf: 6583385 bytes, checksum: d74b4962bdf5b0a4e8002e9ad9aa1bc3 (MD5) Previous issue date: 2014 / A Produção de Pequenas Séries (PPS) é um tipo de manufatura caracterizado pela alta diversidade de produtos a serem produzidos associada a tamanhos de lotes reduzidos - possivelmente unitários. Neste sistema de produção as tecnologias empregadas para configuração e monitoramento do processo devem priorizar a produção sem defeitos, inclusive no primeiro item do lote, que pode ser o único. Falhas neste sistema de produção ou defeitos inseridos nos produtos facilmente inviabilizam economicamente todo o lote. Neste contexto, a linha de produção deve ser capaz de efetuar uma troca rápida de configuração para produzir um novo lote em um cenário de vários lotes de tamanho reduzido. É preciso também garantir completo monitoramento da produção do lote, sem falhas, ou quando ocorrer uma falha, ações corretivas devem ser executadas imediatamente. As pesquisas recentes demonstram que sistemas baseados em agentes é uma abordagem promissora para o cenário da PPS. Diante disso, a contribuição desta tese é a apresentação de uma nova Arquitetura de Referência para a implementação de Sistemas Multiagente na configuração e monitoramento da Produção de Pequenas Séries. A abordagem propõe uma Arquitetura de Referência, chamada MAS4SSP, baseada em uma solução unificada, sinérgica e com alto nível de abstração. Para garantir isto, a abordagem emprega como Modelo de Referência o framework JaCaMo que segue o paradigma orientado a multiagente (MAOP). A integração com a linha de produção é realizada com o emprego da tecnologia de comunicação Web Service que é utilizada pelo Sistema Multiagente (cliente) e por um sistema SCADA baseado em aplicação Web, o ScadaBR (servidor). A interface com o usuário pode ser desenvolvida como um recurso adicional na plataforma JaCaMo, ou pode ser realizada uma integração com sistemas legados de produção (como ERP, PCP, MRP) utilizando também a tecnologia de Web Service. Além da Arquitetura de Referência a tese apresenta um Modelo Genérico de Modelagem e Implementação que serve como guia para o desenvolvedor. Esta abordagem foi instanciada em um experimento simulado no contexto de uma PPS de Placas de Circuito Impresso (PCI). Por fim, os resultados e as conclusões sobre a Arquitetura de Referência e o Modelo Genérico de Modelagem e Implementação são apresentados em conjunto com sugestões de trabalhos futuros.<br> / Abstract: Small Series Production (SSP) is a type of manufacturing characterized by a high diversity of products to be produced associated with a reduced batch sizes - possibly unitary. In this production system, the technologies employed for process setup and monitoring must prioritize production without defects, including the first item of the lot, which may be the one. Faults in this production system or defects in the product easily become the whole batch economically unfeasible. In this context, the production line should be able to monitor the process and make a quick change of the configuration to produce a new batch in a scenario of several batches with small sizes. The system should also ensure the batch production without failure or when a fault occurs, the corrective actions must be executed immediately. Recent research shows that agent-based systems are a promising approach for the SSP. The contribution of this thesis is the presentation of a new Reference Architecture for the implementation of Multi-Agent Systems to setup and monitoring Small Series Production. The approach proposes a Reference Architecture, called MAS4SSP, based on a unified, synergistic and high level of abstraction solution. To ensure this, the approach employs as a Reference Model the JaCaMo framework that follows the Multi-Agent Oriented Paradigm (MAOP). The integration with the production line is realized with the use of Web Service as communication technology between the Multi-Agent System (client) and a SCADA system - ScadaBR (server). The user interface can be developed as an additional resource in JaCaMo platform or can be an integration system with legacy production systems (such as ERP, MES, MRP) also using Web Service. Beyond the Reference Architecture, this thesis presents a Generic Modeling and Implementation Model which serves as a guide for the developer and that was instantiated in a controlled experiment - a SSP line of Printed Circuit Boards (PCB). Finally, the conclusions and perspectives about the Reference Architecture and the Generic Modeling and Implementation Model are presented together with suggestions for future works.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Automação e Sistemas, Florianópolis, 2014. / Made available in DSpace on 2015-02-05T21:18:17Z (GMT). No. of bitstreams: 1 329960.pdf: 1016550 bytes, checksum: 247c4dee44c73c24ff2947f7c9e4d4aa (MD5) Previous issue date: 2014 / Abstract : The synthesis of modern anti-windup controllers for saturated systemsis a very important problem specially when high performance and guaranteeof stability are required. For such objectives it is not possible toavoid the system saturated behavior and special techniques must beused for analysis and synthesis of controllers for linear systems subjectto control saturation.In this work the existing results on analysis and synthesis of a classof anti-windup compensators based on the formulation of LMI (LinearMatrix Inequalities) problems for minimization of a L2 energy criteriaor enlargement of the domain of asymptotic stability are studied. TheseLMI problems use Lyapunov stability conditions as well as a representationof the saturation through modified sector conditions. Additionally,conditions for pole placement on the anti-windup controller are used.Then, considering the Projection Lemma, an alternative LMI formulationis proposed for the considered problem. This formulation is shownto be a generalization of existing methods and the results of both formulationsare compared using a numerical example.Finally the advantages and disadvantages of the proposed LMI formulationare highlighted. The additional degree of freedom in the LMIproblem is probably the main contribution for future research since theresulting flexibility can be exploited to include additional objectives tothe synthesis problem.<br> / A síntese de controladores para sistemas com saturação é um problema especialmente importante quando há requisitos de alto desempenho e garantias formais de estabilidade. Em face de tais objetivos rigorosos não é possível evitar o comportamento saturado do sistema e técnicas especiais precisam ser empregadas na análise e síntese de controladores para estes sistemas não-lineares. Neste trabalho de mestrado é estudado uma técnica existente para a análise e síntese de uma classe de compensadores anti-windup modernos baseados na formulação de problemas LMI (Desigualdades Matriciais Lineares, em inglês). Esta técnica pode considerar a minimização de um critério de energia L-2 ou a maximização de um domínio de estabilidade assintótica. Em ambos os casos o problema LMI formulado utiliza um critério de estabilidade baseado em Lyapunov bem como condições de setor modificadas para a representação das saturações. Adicionalmente, são utilizadas condições para a obtenção de controladores anti-windup com restrições de posicionamento dos polos do controlador. Então, utilizando o Lema da Projeção, uma formulação alternativa para o problema LMI considerado é proposta. Esta formulação é uma generalização dos métodos existentes e os resultados de ambas formulações são comparados usando um exemplo numérico. Por fim, as vantagens e desvantagens dessa formulação alternativa para o problema LMI são destacadas. O fato de que esta nova formulação fornece um grau de liberdade adicional ao problema LMI é provavelmente a principal contribuição para trabalhos futuros, visto que esta flexibilidade pode permitir a inclusão de objetivos adicionais ao problema de síntese do controlador anti-windup.

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Automação e Sistemas, Florianópolis, 2014. / Made available in DSpace on 2015-03-18T20:58:03Z (GMT). No. of bitstreams: 1 332240.pdf: 5367886 bytes, checksum: 1ab5bb9dc97bbd102d3929b240ec612b (MD5) Previous issue date: 2014 / Este trabalho apresenta um estudo teórico e experimental de um esquema alternativo para a economia de ar comprimido em sistemas de posicionamento pneumáticos que necessitam mover cargas elevadas. Este novo esquema adiciona uma válvula on/off de rápida comutação em uma realimentação entre as câmaras do atuador pneumático. Primeiramente, a modelagem matemática foi desenvolvida, tanto para entender o comportamento do sistema com válvula auxiliar, quanto no desenvolvimento do algoritmo para a economia de ar comprimido. A modelagem consiste em equacionar o comportamento dinâmico e estático dos principais componentes, como a válvula auxiliar on/off de rápida comutação, válvula proporcional e sistema de atuação pneumático. O algoritmo para economia de ar comprimido leva em conta a diferença de pressões nas câmaras do atuador e o sinal de controle de referência para a tomada de decisão de acionamento das válvulas. O sistema usa dois controladores, sendo que o sinal de controle enviado à válvula proporcional provém de um controlador PI com compensação da não linearidade da zona morta a partir da sua inversa suavizada e para o sinal enviado a válvula on/off de rápida comutação, uma técnica de Modulação por Largura de Pulso associada com um controlador PI foi implementada. Os resultados teórico-experimentais foram obtidos por intermédio da modelagem não linear detalhada do sistema e da utilização de uma bancada de testes. O modelo teórico apresentou um comportamento próximo do comportamento real de forma que foi utilizado para a determinação da diferença de pressão necessária para conseguir uma realimentação entre as câmaras do atuador pneumático e atingir os requisitos de posicionamento do sistema. Essa diferença de pressão é um parâmetro importante para garantir o funcionamento do algoritmo para economia de ar comprimido. Os resultados experimentais mostraram que, com esta configuração, até 47 % de ar comprimido pode ser economizado levando em conta a resposta ao degrau e de até 54% para o seguimento de trajetória senoidal. O custo extra para o acréscimo da válvula auxiliar pode ser compensado pela economia de ar comprimido. O período para retorno do investimento é de aproximadamente 0,9 anos para a sequência de entrada em degrau e 0,72 anos para o seguimento de trajetória senoidal, caso transdutores de pressão estejam disponíveis no sistema.<br> / Abstract : This work presents a theoretical and experimental study of an alternative scheme to compressed air saving in pneumatic positioning systems with need move high loads. This new scheme adds a fast switching on/off valve in a feedback between the chambers of the pneumatic actuator. Firstly, the mathematical modeling was developed to understand the behavior of the system with an auxiliary on/off valve and to developing of the algorithm to compressed air saving. The mathematical modeling consists in equating the static and dynamic behavior of the main components, like fast switching on/off valve, proportional valve and pneumatic actuator system. The algorithm to compressed air saving, takes into account the pressure difference in the actuator chambers and the control signal reference to make decision to activation of valves. The system use two controllers, being the proportional valve signal from a PI controller with compensation of nonlinearity dead zone from a smoothed inverse and in the signal sent to auxiliary fast switching on/off valve, a Pulse Width Modulation technique associated with a PI controller was implemented. The theoretical and experimental results were obtained, firstly with the simulation of the mathematical model and after from tests conducted on test bench. The theoretical model presents a behavior very close to the real behavior. Having the validated model, one can obtain the pressure difference required to achieve a feedback between the chambers of the pneumatic actuator and achieve the positioning requirements of the system. This difference in pressure is an important parameter for the algorithm for compressed air saving. The experimental results showed that, with this configuration, until 47 % of compressed air can be saved to step response and of up to 54% for the sinusoidal trajectory tracking. The extra cost for the addition of auxiliary valve can be offset by compressed air saving. The payback period is of approximately 0.9 years to steps inputs and of approximately 0.72 years to the sinusoidal trajectory tracking, if the pressure transducers are available in the system.

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Automação e Sistemas, Florianópolis, 2014. / Made available in DSpace on 2015-03-18T21:02:34Z (GMT). No. of bitstreams: 1 332876.pdf: 5037067 bytes, checksum: 461ee717f0dbeebbc532185f6381b850 (MD5) Previous issue date: 2014 / Abstract : This work presents control strategies and stability analysis for switched systemswith a proposed application to photovoltaic energy generation systems.The conditions are based on Linear Matrix Inequalities (LMIs).Initially, a general description of the photovoltaic systems is presented coveringthe following aspects: the modeling of a photovoltaic array, some commonconnection topologies, the main objectives, techniques for maximizingthe generated power, among other informations. This content is necessary forthe control design method proposed in this work.Next, a design technique for the stabilization of affine switched systems isshown. The methodology used is based on the Lyapunov?s theory for stabilityof systems, describing sufficient conditions for the proposed switchingrule design in the form of LMIs and solving them using existing softwarepackages. In the sequel, the switching strategy is extended for a class ofnonlinear systems of great interest, especially for the control of photovoltaicsystems. This class is composed of systems containing sector-bounded nonlinearities.Furthermore, a method for stability analysis of switched systemsis proposed, extending the class of switched systems analyzed by the currentliterature. Numerical examples illustrate all the approaches developed.At the end, the application of the nonlinear control techniques to photovoltaicgeneration systems is presented. The main objectives considered are thetracking of the maximum power generation, with robustness to variations ofthe input parameters of the photovoltaic array, and the delivery of only activepower to the grid. Finally, simulation results demonstrate the applicabilityof the methodology for the control of this type of system, evidencing thecompliance of the stated objectives.<br> / Resumo expandido : Durante a última década, a tecnologia de sistemas fotovoltaicos tem mostrado potencial para se tornar uma das principais fontes de energia para o mundo, com crescimento contínuo e robusto, mesmo em tempos de crise econômica e financeira. Visando ampliar o aproveitamento da energia gerada e até mesmo reduzir os custos do sistema, o projeto de técnicas de controle eficientes apresenta grande importância para este tipo de sistema. Em sistemas fotovoltaicos o controle é realizado através de conversores de potência, que são sistemas chaveados. Por este motivo, o foco principal deste trabalho é a apresentação de estratégias de controle e análise de estabilidade para sistemas chaveados com uma proposta de aplicação para sistemas de geração de energia fotovoltaica. As condições de projeto e análise são todas baseadas em desigualdades matriciais lineares (LMIs). Inicialmente, uma descrição geral dos sistemas fotovoltaicos é apresentada, contendo a modelagem de um arranjo fotovoltaico, algumas topologias comuns de conexão, os principais objetivos, técnicas para a maximização da potência gerada, dentre outras informações necessárias para o projeto da técnica de controle proposta para este sistema. Na sequência é mostrada uma técnica de projeto de estratégias de chaveamento, cujo objetivo principal é garantir estabilidade e desempenho de sistemas comutados. A metodologia usada é baseada na teoria de estabilidade de Lyapunov, de modo a descrever condições suficientes para o projeto da lei de chaveamento em forma de LMIs e resolvê-las usando pacotes computacionais existentes. O método se aplica à classe de sistemas chaveados onde cada subsistema tem um campo vetorial afim e considera-se uma lei de chaveamento baseada no máximo entre funções auxiliares. A estabilidade do sistema em malha fechada é garantida mesmo se modos deslizantes ocorram em qualquer superfície de chaveamento resultante do projeto. Os resultados são apresentados para os casos de realimentação completa e realimentação parcial dos estados do sistema. Em seguida, uma das principais contribuições da tese, a proposta de uma extensão da lei de chaveamento para uma classe de sistemas chaveados não lineares é apresentada. O sistema pode conter não linearidades dependentes do estado limitadas em setor, como é o caso da não linearidade existente no modelo de painéis fotovoltaicos. As funções não lineares podem conter também parâmetros incertos, contanto que a função permaneça dentro dos limites do setor dado para toda a faixa de valores de interesse do parâmetro. Além disso, condições de projeto de leis de chaveamento independentes do equilíbrio são fornecidas e, portanto, neste caso a técnica se torna robusta a mudanças no ponto de operação desejado. Por fim, considerações sobre limitar a frequência de chaveamento são discutidas. A aplicação das técnicas descritas anteriormente para topologias comuns de conexão de sistemas fotovoltaicos é apresentada em seguida. Alguns dos desafios superados são a presença de referências variáveis, não linearidades limitadas em setor e medição parcial de estados no mesmo sistema. A aplicabilidade da metodologia para controlar o sistema fotovoltaico é ilustrada através de simulações baseadas em um exemplo numérico usando parâmetros de um sistema real. Como resultado requisitos importantes são satisfeitos, como o rastreamento do ponto de máxima potência e robustez com relação aos parâmetros incertos do painel fotovoltaico. Para a obtenção da robustez foram derivadas equações para determinar um setor que contem a não linearidade para quaisquer valores dos parâmetros. As dificuldades e perspectivas para o caso mais complexo (conexão com a rede elétrica) também são apresentadas. Motivado pela falta de técnicas de análise de estabilidade de sistemas seccionalmente afins contendo modos deslizantes na literatura atual, condições LMI suficientes para resolver este problema são propostas, resultando em outra importante contribuição da tese. As condições são baseadas em uma função de Lyapunov composta pela combinação convexa de funções quadráticas diferentes para cada região do sistema. As condições propostas incluem o importante caso onde o ponto de equilíbrio está localizado na fronteira entre subsistemas afim. Adicionalmente, condições suficientes para análise independentemente da parametrização das superfícies de chaveamento são derivadas, isto é, a superfície de chaveamento pode ser desconhecida neste caso. A nova técnica leva a uma metodologia unificada para a análise de estabilidade de sistemas seccionalmente afins e de sistemas chaveados afins com uma superfície de chaveamento previamente projetada. Esta tese é organizada em sete capítulos, quatro apêndices e referências. O Capítulo 1 tem o objetivo de contextualizar e motivar de forma breve o assunto da tese. O conhecimento básico sobre sistemas fotovoltaicos necessário para a aplicação proposta no documento é concentrado no Capítulo 2. O Capítulo 3 apresenta uma técnica de projeto de uma lei de chaveamento para o controle de sistemas chaveados com campos vetoriais afim. Esta técnica serve de base para as principais contribuições teóricas desta tese, apresentadas nos Capítulos 4, 5 e 6. No Capítulo 4, é apresentado o projeto de leis de chaveamento para sistemas chaveados contendo não linearidades limitadas em um setor, enquanto o Capítulo 5 apresenta a aplicação desta técnica para o controle de sistemas fotovoltaicos. No Capítulo 6, um método para análise de estabilidade de sistemas seccionalmente afins é introduzida. Exemplos numéricos são utilizados para ilustrar todas as contribuições da tese em seus respectivos capítulos. Algumas conclusões são discutidas no Capítulo 7, incluindo uma lista de sugestões para trabalhos futuros. Por fim, três apêndices demonstram o equacionamento de ferramentas de circuitos elétricos trifásicos utilizadas na tese e um apêndice apresenta resumos das publicações geradas pelo autor durante o período de doutorado.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Automação e Sistemas, Florianópolis, 2015. / Made available in DSpace on 2015-09-29T04:09:35Z (GMT). No. of bitstreams: 1 334759.pdf: 9176122 bytes, checksum: 3cdeb518e3c806bbf43e8bc028fcd139 (MD5) Previous issue date: 2015 / O presente trabalho aborda os problemas de modelagem, simulação, projeto e implementação de uma estratégia de controle para um motor a combustão interna (MCI) do ciclo Otto, onde os objetivos de controle são manter a operação em regiões mais eficientes e reduzir o consumo de combustível, indo de encontro aos objetivos de eficiência energética de um veículo híbrido série em desenvolvimento. A estratégia de controle adotada para o MCI é baseada em modos deslizantes e foi motivada pelos bons resultados apresentados em um artigo da literatura recente, que com ações complementares sobre o ponto de ignição e injeção de combustível, aliado à operação com mistura pobre, garante tanto a robustez desejada para o controle da rotação quanto redução no consumo de combustível. Para o projeto do controlador, um modelo de valores médios foi ajustado para descrever as dinâmicas do MCI em estudo, sendo que a estimação dos parâmetros e a validação do modelo bem como o projeto do controlador se deram por simulações no ambiente Matlab/Simulink®. O controlador foi validado em um MCI de baixa cilindrada que foi completamente instrumentado e gerenciado por uma central eletrônica de código aberto, que pela possibilidade de alterações em hardware e software facilitou a realização dos testes necessários e a implementação do controlador. Os resultados experimentais foram satisfatórios e os objetivos de controle foram alcançados, demonstrando a viabilidade e o bom desempenho do controlador implementado, ambos requisitos de grande interesse para a aplicação em que o MCI está inserido.<br> / Abstract : This thesis presents the problems of modeling, simulation, design and experimental validation of a control strategy for a spark-ignition internal combustion engine, where the control objectives are to maintain the engine speed at a desired value and to consume the minimum mass of fuel that allows the former objective to be met, in line with the energy efficiency objectives of a series hybrid powertrain in development. The control strategy for the engine is based on sliding modes and was motivated by the good results of an article from recent literature, in which the complementary operation mode on the spark advance and fuel injection, with adequate lean burn conditions, ensures both engine speed at its desired value and reduction in the fuel consumption. For the controller design, a mean value model was fitted to describe the engine dynamics, where the parameter estimation and the model validation as well as the controller design have been made by simulations on the Matlab/Simulink® environment. The controller was validated in a small engine, fully instrumented and controlled by an open source fuel injection, where the experimental procedures and the controller implementation was facilitated by possibility of hardware and software modifications. Experimental results were very expressive and the controller successfully fulfilled the two control objectives, showing the feasibility and the good performance of the proposed strategy, both requirements of high interest for the application in which the engine is inserted.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Automação e Sistemas, Florianópolis, 2016. / Made available in DSpace on 2017-06-27T04:07:12Z (GMT). No. of bitstreams: 1 346009.pdf: 9344378 bytes, checksum: 3270eb4a53087a9a2c7c72a9e4f53a57 (MD5) Previous issue date: 2016 / Atualmente nos processos de produção tornou-se muito delicado o tema dos erros na medição de vazão, já que esses erros representam geralmente perdas econômicas para as empresas. Com a finalidade de minimizar esses erros deve-se ter o cuidado de que os dados de medição dos instrumentos se encontrem dentro das especificações de incerteza de medição e para isso é importante realizar calibrações periódicas. Uma forma de realizar a calibração nos medidores de vazão é através das comparações mássicas (método gravimétrico), já que a massa é uma propriedade fundamental da matéria e seu valor não é alterado sob diferentes condições de temperatura e pressão, o que faz com que o processo de calibração de vazões mássicas ocorra de forma mais fácil. Em vista disso, o presente trabalho apresenta a descrição de dois sistemas de calibração implementados, ambos para baixas vazões de líquidos, de até 6 kg/h, e baseados no método gravimétrico. Um primeiro protótipo de baixo custo foi construído para identificar os pontos mais críticos e permitir a construção mais acertada de um segundo protótipo, a versão melhorada do primeiro. Para ambos os protótipos, foi usado um medidor de vazão tipo Coriolis como transdutor em avaliação, que serviu como padrão para avaliação das bancadas. O primeiro protótipo apresentou desvios da ordem de 2% quando seus resultados foram comparados com as indicações do medidor Coriolis. No segundo protótipo, foram corrigidos os pontos fracos do primeiro protótipo, e com isso foi possível diminuir 42 vezes o erro do primeiro protótipo em relação ao transdutor empregado como padrão, atingindo valores da ordem de 0,03%. A construção do segundo protótipo foi realizada de forma a permitir sua operação com diferentes fluidos de trabalho, sendo assegurada através de projeto a compatibilidade com água, diferentes tipos de óleo mineral e gasolina. Uma avaliação da incerteza de medição dos ensaios realizados com o segundo protótipo indicou uma incerteza expandida de ±0,002 kg/min, sendo esse valor inferior à incerteza encontrada para o medidor Coriolis, o tipo com melhores especificações metrológicas do mercado.<br> / Abstract : Currently in production processes, flow measurement errors have become a serious issue, these errors generally represent economic losses. In order to minimize them, one must it ensure that the measurement data of the instruments are within the specifications of measurement uncertainty and, for this purpose, it is important to perform periodic calibrations. One way to perform flow meter calibrations is through mass comparisons (gravimetric method), since the mass is a fundamental property of matter and its value is not changed under different conditions of temperature and pressure, which allows the mass flow calibration process to occur more easily. In view of this, the present work presents the description of two calibration systems implemented for operating with low flow rates of liquids, up to 6 kg/h, and based on the gravimetric method. A first prototype of low cost was built to identify the most critical points and, thus, support the development of a second prototype, an improved version of the first. For both prototypes, a Coriolis flowmeter was used in the position of the transducer to be evaluated, but it, in fact, served as a standard for evaluating the responses of both systems. The first prototype presented errors around 2% when its measurements are compared with the indications of the Coriolis meter. The second prototype corrected the main weaknesses of the first prototype, achieving errors 42 times lower than the ones presented by the first prototype (absolute errors are of approximately 0.03%). The second prototype was designed to allow its operation with different working fluids, being ensured through project compatibility with water, different types of mineral oil, and gasoline. An evaluation of the measurement uncertainty of the second prototype indicated an expanded measurement uncertainty of ±0.002 kg/min, which is lower than the uncertainty value found for the Coriolis meter, the flowmeter principle with better metrological specifications in the market.

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Automação e Sistemas, Florianópolis, 2017. / Made available in DSpace on 2017-06-27T04:18:33Z (GMT). No. of bitstreams: 1 346334.pdf: 3570409 bytes, checksum: cf0611888dc2b3fb314d44683117c3fd (MD5) Previous issue date: 2017 / Sistemas com parâmetros distribuídos representam uma vasta gama de processos da engenharia. Neste caso, as variáveis do sistema irão conter termos dependentes do tempo assim como gradientes espaciais e, portanto, é natural representa-los por equações diferenciais parciais. Exemplos podem ser encontrados em diversas áreas: desde processos químicos e térmicos, sistemas de produção e distribuição de energia, e problemas relacionados ao transporte de fluidos e ciência médica. Esta tese trata dois tipos de problemas: estabilização de equações diferenciais parciais lineares hiperbólicas com variável de controle na condição de contorno e controle regulatório de sistemas descritos por equações diferenciais parciais quasi-lineares hiperbólicas com variável de controle no domínio. Com relação ao primeiro, estudaram-se duas metodologias de controle: (i) uma lei de controle estática que garante convergência do sistema para o ponto de equilíbrio desejado. A metodologia de controle utiliza uma função de Lyapunov para encontrar os valores dos parâmetros do controlador que garantem estabilidade exponencial em malha fechada. Resultados de simulação para o problema de supressão de golfadas em sistemas de produção de petróleo são apresentados para ilustrar a eficiência do método; (ii) uma lei de controle baseada nas ferramentas clássicas do domínio da frequência. Neste caso, aplicamos a transformada de Laplace na equação diferencial parcial para obter uma função de transferência irracional e então, ferramentas clássicas do domínio da frequência são usadas para projetar o controlador, de maneira similar aos sistemas de dimensão finita com função de transferência racional. Estes resultados foram aplicados experimentalmente no problema de controle de oscilações termoacústicas do tubo de Rijke, mostrando a efetividade do método. Para o segundo problema, utiliza-se o método das características combinado com a técnica de controle por modos deslizantes. O método das características é usado para transformar o sistema de equações diferenciais parciais em um conjunto de equações diferenciais ordinárias que descrevem o sistema original. O projeto de controle é então realizado a partir deste conjunto de equações diferenciais ordinárias através de resultados bem conhecidos da teoria de equações diferenciais ordinárias. Os resultados obtidos foram testados experimentalmente em dois sistemas de escala industrial: uma planta solar e um fotobiorreator tubular.<br> / Abstract : Distributed parameter systems represent a wide range of engineeringprocesses. In this case, the system variables will contain temporally dependentterms as well spatial gradients and, therefore, it is natural to representthem by partial dierential equations. Examples can be found in manyelds: chemical and thermal processes, production and distribution energysystems, and problems related to uid transport and medical science.This thesis deals with two dierent problems: stabilization of linear hyperbolicpartial dierential equations with boundary control and regulatorycontrol of systems described by quasilinear hyperbolic partial dierentialequations with in domain control. Concerning the boundary control problem,we studied two control methodologies: (i) a static control law thatguarantees convergence of the system to the desired equilibrium point. Thiscontrol methodology uses a Lyapunov function to nd the values of thecontrol parameters that guarantee closed-loop exponential stability. Simulationresults for the slugging control problem in oil production facilities arepresented to illustrate the eciency of the methodology; (ii) a control lawbased on the frequency domain tools. In this case, we applied the Laplacetransform on the partial dierential equation to obtain an irrational transferfunction and then classical frequency domain tools are used to designthe control law. These results were applied experimentally to the controlproblem of thermoacoustic oscillations in the Rijke tube, showing the effectivenessof the method. Regarding the regulatory control problem, weuse the method of characteristics together with the sliding mode controlmethodology. The method of characteristics is used to transform the partialdierential equations into a system of ordinary dierential equations thatdescribes the original system without any kind of approximation. Then,the control design is performed on the ordinary dierential equations withwell-known results of the theory of lumped parameter systems. The resultswere validated experimentally in two industrial scale systems: a solar powerplant and a tubular photobioreactor.