This thesis considers the design of cascaded SISO control systems using the H∞ and QFT methodologies. In the first part of the thesis the actual advantages offered by Single Input Single Output (SISO) cascade loop structures are studied. In Quantitative Feedback Theory(QFT) it is emphasized that the use of cascaded loops is primarily for the reduction of bandwidth of the controllers. This in turn helps in considerable reduction of the adverse effects of high frequency noise. The question that arises then is whether or not there are any substantial benefits to be gained by cascade loop design in the low frequencies. It is shown using QFT methodology that there aren’t any advantages gained in the low frequencies with the use of cascaded design. In effect it is concluded that if the design is properly executed a single loop controller closed from the output to the input will be sufficient to meet the typical performance specifications. This is shown using an example where the mold level of a continuous casting process is to be controlled. The plant being used has considerable uncertainty so that features of robust control can be highlighted. In the second part the Robust Outer Loop bounds were generated analytically and examined for certain properties. It was compared to the bounds generated by already existing algorithms. In the third part the inner outer QFT design was modified with the inner loop being designed using H∞ with the concept of sensitivity shaping. This design was very similar to the pure QFT design with the added advantage of having some automation. In the fourth part the H∞ methodology was used to design a two loop control structure. The idea was to compare this design to the QFT design. It was seen that H∞ generated redundant controllers and pre filters.

Essa dissertação tem por objetivo o desenvolvimento de uma plataforma para testes de controladores de voo. Tal plataforma consiste em um hardware executando algoritmos de controle e atuando numa aeronave simulada em software de simulação de voo. O software de simulação escolhido, baseado na experiência prática de pilotos profissionais, foi o Microsoft Flight Simulator (MSFS), para o qual desenvolveu-se o modelo gráfico e dinâmico do quadricóptero AscTec Pelican. A comunicação entre o MSFS e o hardware é feita pela interface USB através do software FVMS v2.0 desenvolvido em ambiente DELPHI® 7.0 exclusivamente para este trabalho. O FVMS é capaz de ler o estado das variáveis de voo no MSFS, enviá-las para o hardware externo executar o controle, receber os sinais de controle de volta e utilizá-los no MSFS. O projeto e execução do hardware externo com controlador dsPIC também foi realizado neste mesmo trabalho. A título de avaliação de desempenho, também foi implementado um controlador robusto do tipo H∞ linear, desenvolvido pela equipe ART (Aerial Robots Team) da Escola de Engenharia de São Carlos. O mesmo controlador também foi aplicado na arquitetura software in the loop, na qual o controle é executado dentro do próprio FVMS, para comparação de desempenho entre os dois sistemas. Ao término do trabalho, as características de desempenho do sistema como um todo ficam bem evidenciadas através dos testes de estabilidade com e sem distúrbios executados em ambas arquiteturas de controle. / This dissertation aims to develop a platform for flight controllers tests. It platform consists of an electronic hardware where the control\'s algorithms will be executed and a virtual aircraft is simulated in flight simulation software. The chosen simulation software, based on practical experience of professional pilots, was Microsoft Flight Simulator (MSFS). The graphic and dynamic model of quadrotor AscTec Pelican was developed to perform inside the software. The communication between the MSFS and the hardware is made by USB interface through FVMS v2.0 software developed in DELPHI® 7.0 environment, exclusively for this work. The FVMS can read the status of the flight variables in MSFS, send them to the external hardware, receive control signals back and write them in MSFS. The design and implementation of external hardware with dsPIC controller was also developed ons ame work. For performance evaluation of the system, it was also implemented a robust linear H∞ controller, developed by ART team (Aerial Robots Team) of the School of Engineering of São Carlos. The same controller was also applied using software in the loop architecture, in which the control is performed inside FVMS, to compare performance between the two architectures. In the end of the work, the performance characteristics of the systems were well evidenced by the stability tests carried out with and without disturbances in both control architectures.

Este trabalho apresenta o projeto de dois controladores robustos, baseados no critério H∞ não linear, para o acompanhamento de trajetória de robôs móveis com rodas (RMRs). Estes controladores estabilizam o sistema em malha fechada e garantem que a norma L2 induzida entre os sinais de entrada (distúrbios) e saída seja limitada por um nível de atenuação &#947 > 0. Para o projeto, as equações dinâmicas não lineares do robô são descritas na forma quase linear a parâmetros variantes (quase-LPV), sendo os parâmetros parte do estado. Os controladores são resolvidos via desigualdades matriciais lineares (DMLs) e equações algébricas de Ricatti (EAR). Resultados em simulação com um estudo comparativo entre essas duas estratégias de controle e um controlador proporcional derivativo (PD) em conjunto com um controlador do tipo torque calculado são apresentados. Além disso, a implementação de dois métodos de localização de RMRs através de imagens é realizada. / This work presents the design of two robust controllers, based on nonlinear H∞ approach, for tracking trajectory of wheeled mobile robots (WMRs). These controllers stabilize the close-loop system and guarantee that induced L2 norm between input (disturbances) and output signals be bounded by an attenuation level &#947 > 0. For the design, the nonlinear dynamic equations of the robot are described in quasi linear parameter varying (quasi-LPV) form being the parameters part of the states. The controllers are solved via linear matrix inequalities (LMIs) and algebraic Riccati equation (ARE). Simulation results with a comparison study among these two control strategies and a proportional-derivative (PD) controller plus calculated torque are presented. Moreover, implementation of two methods of localization of WMRs based on images is accomplished.

Este trabalho apresenta o projeto de dois controladores robustos, baseados no critério H∞ não linear, para o acompanhamento de trajetória de robôs móveis com rodas (RMRs). Estes controladores estabilizam o sistema em malha fechada e garantem que a norma L2 induzida entre os sinais de entrada (distúrbios) e saída seja limitada por um nível de atenuação &#947 > 0. Para o projeto, as equações dinâmicas não lineares do robô são descritas na forma quase linear a parâmetros variantes (quase-LPV), sendo os parâmetros parte do estado. Os controladores são resolvidos via desigualdades matriciais lineares (DMLs) e equações algébricas de Ricatti (EAR). Resultados em simulação com um estudo comparativo entre essas duas estratégias de controle e um controlador proporcional derivativo (PD) em conjunto com um controlador do tipo torque calculado são apresentados. Além disso, a implementação de dois métodos de localização de RMRs através de imagens é realizada. / This work presents the design of two robust controllers, based on nonlinear H∞ approach, for tracking trajectory of wheeled mobile robots (WMRs). These controllers stabilize the close-loop system and guarantee that induced L2 norm between input (disturbances) and output signals be bounded by an attenuation level &#947 > 0. For the design, the nonlinear dynamic equations of the robot are described in quasi linear parameter varying (quasi-LPV) form being the parameters part of the states. The controllers are solved via linear matrix inequalities (LMIs) and algebraic Riccati equation (ARE). Simulation results with a comparison study among these two control strategies and a proportional-derivative (PD) controller plus calculated torque are presented. Moreover, implementation of two methods of localization of WMRs based on images is accomplished.

Essa dissertação tem por objetivo o desenvolvimento de uma plataforma para testes de controladores de voo. Tal plataforma consiste em um hardware executando algoritmos de controle e atuando numa aeronave simulada em software de simulação de voo. O software de simulação escolhido, baseado na experiência prática de pilotos profissionais, foi o Microsoft Flight Simulator (MSFS), para o qual desenvolveu-se o modelo gráfico e dinâmico do quadricóptero AscTec Pelican. A comunicação entre o MSFS e o hardware é feita pela interface USB através do software FVMS v2.0 desenvolvido em ambiente DELPHI® 7.0 exclusivamente para este trabalho. O FVMS é capaz de ler o estado das variáveis de voo no MSFS, enviá-las para o hardware externo executar o controle, receber os sinais de controle de volta e utilizá-los no MSFS. O projeto e execução do hardware externo com controlador dsPIC também foi realizado neste mesmo trabalho. A título de avaliação de desempenho, também foi implementado um controlador robusto do tipo H∞ linear, desenvolvido pela equipe ART (Aerial Robots Team) da Escola de Engenharia de São Carlos. O mesmo controlador também foi aplicado na arquitetura software in the loop, na qual o controle é executado dentro do próprio FVMS, para comparação de desempenho entre os dois sistemas. Ao término do trabalho, as características de desempenho do sistema como um todo ficam bem evidenciadas através dos testes de estabilidade com e sem distúrbios executados em ambas arquiteturas de controle. / This dissertation aims to develop a platform for flight controllers tests. It platform consists of an electronic hardware where the control\'s algorithms will be executed and a virtual aircraft is simulated in flight simulation software. The chosen simulation software, based on practical experience of professional pilots, was Microsoft Flight Simulator (MSFS). The graphic and dynamic model of quadrotor AscTec Pelican was developed to perform inside the software. The communication between the MSFS and the hardware is made by USB interface through FVMS v2.0 software developed in DELPHI® 7.0 environment, exclusively for this work. The FVMS can read the status of the flight variables in MSFS, send them to the external hardware, receive control signals back and write them in MSFS. The design and implementation of external hardware with dsPIC controller was also developed ons ame work. For performance evaluation of the system, it was also implemented a robust linear H∞ controller, developed by ART team (Aerial Robots Team) of the School of Engineering of São Carlos. The same controller was also applied using software in the loop architecture, in which the control is performed inside FVMS, to compare performance between the two architectures. In the end of the work, the performance characteristics of the systems were well evidenced by the stability tests carried out with and without disturbances in both control architectures.