Orientador: Vicente Lopes Júnior / Banca: Nobuo Oki / Banca: José Manoel Balthazar / Resumo: Este trabalho tem como propósito projetar controladores para aplicação em tempo real em uma estrutura flexível, objetivando a redução de vibração estrutural. Os controladores são projetados segundo o enfoque de otimização convexa, com formulações envolvendo desigualdades matriciais lineares (LMIs). Duas diferentes sínteses de realimentação são consideradas. A primeira é o projeto de controladores por realimentação de estados, estimados por um observador. A segunda metodologia é baseada no controle H∞ via realimentação do sinal de saída. O modelo matemático da estrutura, usado no projeto dos controladores, foi obtido utilizando o método de Lagrange. A estrutura considerada representa um modelo de um edifício flexível controlado por uma massa móvel (Active Mass Damper -AMD) localizada no topo. A estrutura é submetida a dois tipos de excitações, sísmica e senoidal. Uma mesa de vibração (Shake Table) foi usada para aplicar as excitações. Para rodar o experimento de controle foi usado uma placa de aquisição (MultiQ - PCI) e o software de controle Wincon. Os controladores foram desenvolvidos usando o Simulink e executado em tempo real usando o Wincon. Testes experimentais foram realizados para comprovação e avaliação das metodologias propostas. / Abstract: The proposal of this work is to design real time controllers for application in flexible structure, aiming the structural vibration reduction. The controllers are designed by convex optimization involving linear matrix inequalities (LMIs) approaches. Two different methodologies to feedback the system are explained. The first one is the design controller by state feedback based on observer. The second one is based on H∞ output feedback control. The mathematical model of the structure, used in the controller design, was obtained by Lagrange's method. The structure can represent a flexible building, and it is controlled by a driving mass located at the top. The structure is submitted to seismic and sinusoidal excitations. A vibration table (Shake Table) was used to apply the excitations. The experimental tests were realized using an acquisition board (MultiQ - PCI) and the Wincon control software. The controllers were developed using Simulink, and it run in real time using the Wincon software. Experimental tests were accomplished to validate and evaluate the proposal methodologies. / Mestre

Orientador: Marcelo Carvalho Minhoto Teixeira / Coorientador: Rodrigo Cardim / Banca: Edvaldo Assunção / Banca: Alfredo Del Sole Lordelo / Resumo: Neste trabalho é realizada a análise da estabilidade de sistemas fuzzy Takagi-Sugeno (TS) contínuos no tempo, através de Funções de Lyapunov Fuzzy (FLF), Funções de Lyapunov Metzler (FLM) e de Funções de Lyapunov Fuzzy-Metzler (FLFM) introduzida nesta disser- tação. Novas propostas são feitas a partir destas análises, sendo apresentadas condições su- ficientes para a estabilidade assintótica destes sistemas no sentido de Lyapunov. As soluções obtidas são baseadas em desigualdades lineares matriciais (LMIs, do inglês Linear Matrix Ine- qualities) e dependem da solução de um conjunto de desigualdades de Lyapunov-Metzler, que podem ser de difícil solução. Então, foram apresentadas condições de estabilidade baseadas em uma subclasse de matrizes de Metzler que, quando factíveis, podem ser resolvidas através de LMIs com a necessidade de uma busca unidimensional. Foram propostos métodos que genera- lizam os já existentes na literatura, baseados em FLF, para a estabilidade assintótica dos sistemas fuzzy TS / Abstract: This work addresses the stability analysis of Takagi-Sugeno (TS) fuzzy systems via Fuzzy Lyapunov Functions (FLF), Metzler Lyapunov Functions (MLF) and Fuzzy-Metzler Lyapunov Functions (FMLF) that was proposed in this dissertation. New proposals are made from these analyses, and sufficient conditions for asymptotic stability of these systems in the sense of Lyapunov are presented. The results obtained are based on LMIs (Linear Matrix Inequalities) and depend on the solutions of a set of Lyapunov-Metzler inequalities, that are usually difficult to solve. Then, conditions for stability based on a subclass of Metzler matrices that, when feasible, can be described by a set of LMIs with an unidimensional search, are presented. The proposed methods generalize the similar methods available in the literature, based on FLF, for the asymptotic stability of TS fuzzy systems / Mestre

Orientador: Marcelo Carvalho Minhoto Teixeira / Banca: Edvaldo Assunção / Banca: Celso Pascoli Bottura / Resumo: Em alguns problemas práticos, por exemplo, no controle de vibrações de sistemas mecânicos utilizando acelerômetros como sensores, é mais fácil obter a da derivada do vetor de estado do que o vetor de estado. Esta dissertação mostra que plantas lineares e invariantes no tempo descritas pelas matrizes {A,B,C,D}, cuja saída é a derivada do vetor de estado, são não observáveis e não estabilizáveis com realimentação da saída, quando det(A)=0. A impossibilidade de rejeição de distúrbios constantes, somados à entrada da planta quando det(A) 6= 0, realimentando-se a saída com controladores estáticos, foi também demonstrada. Adicionalmente, são propostas novas técnicas de controle para uma classe de sistemas não lineares com incertezas variantes no tempo. Condições na forma de desigualdades matriciais lineares, em inglês Linear Matrix Inequalities (LMIs), para o projeto de sistemas de controle empregando realimentação derivativa estática da derivada do vetor de estado, que ao mesmo tempo estabiliza a planta e maximiza o limite de incerteza do termo não linear, são estabelecidas com base em funções quadráticas de Lyapunov. Posteriormente estendem-se as condições de estabilidade robusta para sistemas não lineares com incertezas variantes no tempo e incertezas politópicas, que podem também representar falhas estruturais. O projeto do controlador é realizado através de condições baseadas em LMIs que, quando factíveis, podem ser resolvidas facilmente utilizando técnicas de programação convexa. Essa metodologia permite a inclusão de restrições de desempenho no projeto, como por exemplo, na taxa de decaimento e na norma de ganho dos controladores, de modo a atender às restrições do projeto. São apresentadas análises e resultados considerando o sinal de controle nulo e empregando realimentação derivativa estática do vetor de estado... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: In some practical problems, for instance in the control of mechanical systems using accelerometers as sensors, it is easier to obtain the state-derivative vectors than the state vectors. This dissertation shows that (i) linear time-invariant plants given by the state-space model matrices {A,B,C,D} with output equal to the state-derivative vector are not observable and can not be stabilizable by using an output feedback if det(A) = 0 and (ii) the rejection of a constant disturbance added to the input of the aforementioned plants, considering det(A) 6= 0, and a static output feedback controller is not possible. The proposed results can be useful in the analysis and design of control systems with state-derivative feedback. Additionally, a new procedure for the control of a class of nonlinear systems with time-varying uncertainties using static statederivative feedback is proposed. Conditions based on Linear Matrix Inequalities (LMIs) for the design of robust controllers using state-derivative feedback, which simultaneously stabilizes the system and maximizes the uncertainty bound of the nonlinear term are proposed. Robust stability conditions for nonlinear systems with uncertainties and time-varying polytopic uncertainties, known as structural failures, are also presented. The controller design are based on LMIs which, when feasible, can be easily solved using convex programming techniques. This methodology allows the inclusion of performance constraints on the design, such as the decay rate and gain bounds in order to meet the design requirements. The dissertation considered cases where the control signal is equal to zero and with a state-derivative feedback. The elaboration of the theory for systems with n nonlinearities is illustrated through examples covering a single nonlinearity, with and without two polytopic uncertainties (and structural failures), and two nonlinearities... (Complete abstract click electronic access below) / Mestre

Orientador: Edvaldo Assunção / Banca: Marcelo Carvalho Minhoto Teixeira / Banca: José Paulo Fernandes Garcia / Banca: Cristiano Quevedo Andrea / Banca: Márcio Roberto Covacic / Resumo: Neste trabalho sao propostas metodologias de modificacao de zeros para solucionar o problema do rastreamento do sinal de referencia em sistemas discretos determinısticos, sistemas discretos incertos e sistemas discretos nao-lineares considerando-se uma entrada de perturbacao na planta. Em um primeiro momento e projetado um controlador discreto para minimizar a norma H∞ entre a entrada ex'ogena e o sinal de saıda com o objetivo de reduzir o efeito da perturbacao sobre a saıda do sistema determinıstico. Posteriormente, minimiza-se a norma H∞ entre o sinal de referencia e o erro de rastreamento atraves da modificacao otima de zeros do sistema discreto, constituindo desta maneira o rastreador de sinal de referencia. Essa nova estrutura de projeto do controlador e estendida para o projeto do controlador robusto H∞, supondo incertezas politopicas na planta e tambem para sistemas nao-lineares. No caso de sistemas com incertezas politopicas na planta, um controlador discreto e projetado para minimizar o custo garantido H∞ entre a entrada exogena e o sinal de saıda com o objetivo de reduzir o efeito da perturbacao sobre a saıda do sistema discreto incerto. Posteriormente e projetado um rastreador para sinais de referˆencia em sistemas com incertezas politopicas, utilizando-se modificacao de zeros. Por fim, estende-se a metodologia de rastreamento do sinal de referencia com rejeicao do disturbio para sistemas nao-lineares. A formulacao do projeto e descrita na forma de inequacoes matriciais lineares, pois estas permitem a descricao de problemas de otimizacao convexa / Abstract: The tracking problems in uncertain, deterministic and nonlinear discrete time systems, with the presence of a disturbance signal in the plant, are solved in this work proposing a zero variation methodology. A discrete state feedback controller is designed in order to minimize the H∞-norm between the exogen input and the output signal, such that the effect of the disturbance is attenuated in deterministic systems. After, the tracking problem is solved using the variation of the zeros minimizing the H∞-norm from the reference input signal to the error tracking signal. This new structure is extended to design of H∞ robust controller, supposing politopic uncertainties and other one supposing nonlinearities in the plant. In uncertain systems case, a discrete controller is designed in order to minimize the H∞ guaranteed cost between the exogen input and the output signal such that the effect of the disturbance is attenuated in uncertain systems. Then, the tracking problem in uncertain systems is solved using the variation of the zeros minimizing the H∞ guaranteed cost from the reference input signal to the error tracking signal. Finally, the zero variation methodology is extended to nonlinear systems. The design is formulated in the Linear Matrix Inequalities (LMI) framework, such that the optimal solution of the stated control problem is obtained when feasible solution exists / Doutor

Orientador: Marcelo Carvalho Minhoto Teixeira / Banca: Edvaldo Assunção / Banca: José Paulo Fernandes Garcia / Banca: Aldayr Dantas de Araujo / Banca: Ramon Romankevicius Costa / Resumo: Neste trabalho são apresentados estudos teóricos, projetos de controladores e simulações numéricas de alguns sistemas de controle automáticos, que no decorrer das pesquisas geraram novas contribuições. Primeiramente foi feito um breve estudo sobre os sistemas fuzzy Takagi- Sugeno (TS) e realizadas algumas simulações envolvendo exemplos acadêmicos como o sistema bola-viga e o levitador magnético. Em decorrência desses estudos foi proposto um novo método para o controle de sistemas mecânicos não-lineares, descritos através de modelos fuzzy TS, considerando o acesso somente às derivadas das variáveis de estado da planta, com projeto baseado em desigualdades matriciais lineares, em inglês Linear Matrix Inequalities (LMIs) e estabilidade assegurada através de funções de Lyapunov. Adicionalmente, foram feitos estudos sobre realimentação derivativa, e proposto um novo método para projetar a matriz de realimentação discreta no tempo da derivada do vetor de estado, tal que o sinal de controle obtido seja equivalente a uma dada lei de controle contínua no tempo com realimentação do vetor de estado. O controlador discreto é obtido com base no controlador contínuo, utilizando um método de aproximação, baseado em LMIs. É suposto que a planta é controlável, linear e invariante no tempo, com uma (SI) ou múltiplas (MI) entradas. Este procedimento permite o uso de métodos de projeto bem conhecidos de realimentação das variáveis de estado em sistemas contínuos no tempo, para calcular diretamente os ganhos de realimentação da derivada das variáveis de estado em sistemas discretos no tempo. Os projetos com realimentação derivativa podem ser úteis no controle de sistemas mecânicos, utilizando-se acelerômetros como sensores. Finalizando, um outro assunto abordado neste trabalho e que também trouxe contribuições relevantes... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: In this work, theoretical studies, controller designs and numeric simulations of several automatic control systems that generated new contributions are presented. Firstly, a study on Takagi-Sugeno fuzzy systems modeling, control designs and simulations with practical examples, such as a ball-beam system and a nonlinear magnetic suspension system, are described. With these studies a simple method, based on Linear Matrix Inequalities (LMIs) and Lyapunov functions, for designing a control system using the Takagi-Sugeno fuzzy models in mechanical systems, where the available signals for the control are state-derivative, is proposed. Additionally, new results about state-derivative feedback including a simple method for designing a digital state-derivative feedback gain such that the control law is equivalent to a known and adequate continuous-time state feedback control law with a guaranteed stability are proposed. The digital controller is obtained by the continuous controller, using an approach method, based on LMIs. It is assumed that the plant is a linear controllable, time-invariant, Single-Input (SI) or Multiple-Input (MI) system. This procedure allows the use of well-known continuous-time state feedback design methods to directly design discrete-time state-derivative feedback control systems. The state-derivative feedback can be useful in the vibration control of mechanical systems, where the main sensors are accelerometers. Finally, we have the study with the design of state-feedback Variable Structure Controllers (VSC) for a class of continuous-time switched plants where is assume that the state vector is available for feedback. The design is based on Lyapunov-Metzler (LM) inequalities and also on Strictly Positive Real (SPR) systems stability results. The recent definition of Lyapunov-Metzler-SPR (LMSPR) systems is presented and a new direct application... (Complete abstract click electronic access below) / Doutor

Orientador: Edvaldo Assunção / Banca: Marcelo Carvalho Minhoto Teixeira / Banca: Celso Correia de Souza / Resumo: Neste trabalho propõem-se novas técnicas para otimização da norma de controladores robustos de sistemas dinâmicos lineares sujeitos a falhas estruturais, utilizando realimentação dos estados. As técnicas de projeto utilizadas baseiam-se em LMIs (do inglês Linear Matrix Inequalities) formuladas com base na teoria de estabilidade segundo Lyapunov, utilizando o lema de Finsler e o lema projetivo recíproco. As LMIs utilizadas tiveram o acréscimo da restrição da taxa de decaimento, incluindo o parâmetro g nas LMIs, responsável por diminuir o tempo de duração do transitório dos sistemas realimentados. Foram realizadas comparações qualitativas e quantitativas entre os métodos de projeto com otimização da norma dos controladores, visando alternativas de controladores com menor norma e melhor desempenho que atendam às restrições do projeto. O trabalho se encerra com uma seção de conclusões e perspectivas futuras / Abstract: This work proposes new techniques to optimize robust controllers norm of linear systems subject to structural failures, with states feedback. The design techniques used are based on LMIs (Linear Matrix Inequalities) formulated on the basis of Lyapunov's stability theory, using Finsler's lemma and reciprocal projection lemma. The LMIs have used the addition of the decay rate restriction, including a parameter g in the LMIs, responsible for decreasing the settling time of the feedback system. Qualitative and quantitative comparisons were made between methods of design and optimization of the robust controllers norm, seeking alternatives with small norm and better performance that meet the design constraints. The work ends with a section of conclusions and future prospects / Mestre