Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro / Neste trabalho apresentamos as etapas para a utilização do método da Programação Dinâmica, ou Princípio de Otimização de Bellman, para aplicações de controle ótimo. Investigamos a noção de funções de controle de Lyapunov (FCL) e sua relação com a estabilidade de sistemas autônomos com controle. Uma função de controle de Lyapunov deverá satisfazer a equação de Hamilton-Jacobi-Bellman (H-J-B). Usando esse fato, se uma função de controle de Lyapunov é conhecida, será então possível determinar a lei de realimentação ótima; isto é, a lei de controle que torna o sistema globalmente assintóticamente controlável a um estado de equilíbrio. Como aplicação, apresentamos uma modelagem matemática adequada a um problema de controle ótimo de certos sistemas biológicos. Este trabalho conta também com um breve histórico sobre o desenvolvimento da Teoria de Controle de forma a ilustrar a importância, o progresso e a aplicação das técnicas de controle em diferentes áreas ao longo do tempo. / This dissertation presents the steps for using the method of Dynamic Programming or Bellman Optimization Principle for optimal control applications. We investigate the notion of control-Lyapunov functions (CLF) and its relation to the stability of autonomous systems with control. A control-Lyapunov function must satisfy the Hamilton-Jacobi- Bellman equation (H-J-B). Using this fact, if a control-Lyapunov function is known, it is possible to determine the optimal feedback law, in other words, the control law which makes the system globally asymptotically controllable at an equilibrium state. As an application, we present a mathematical model suitable for an optimal control problem of certain biological systems. This dissertation also presents a brief historic about the development of the Control Theory in a way of illustrate the importance and the progress of the control techniques, specially where it can be applied, according to the diverse areas and different times that this techniques were discovered and used.

Due, in part, to the nowadays considerable body of theoretical results for Markov Jump Linear Systems (MJLS), there has been recently an intense interplay between the classical switch systems and MJLS theory. Although the development of these theories came up independently, in a broad way MJLS can be seen as a class of switch systems with a stochastic switching mecanism. Motivated by the diversity of methods of these theories and its potentiality in the treatment of systems with requires tolerance to failure (the so-called safety-critical and highintegrity systems), it is our intention in this dissertation to make up a synthesis of the most relevant methods, setting against the two theories. In view of the huge amount of results of these theories, we focus here just on the stability problem. We begin presenting well known tools such as common Lyapunov functions and others which are related to involving classes of linear subsistems with certain particularities such as commutativity and solubility of Lie algebra. Rigth after, we present the concept of average dwell time, part Lyapunov functions and results about design of switch. Using the average dwell time at the linear systems with stable and unstable systems with the rules already demonstrated we claim some results about stability that applied at linear systems with markovian switch. / Devido em parte, ao considerável corpo de resultados teóricos para Sistemas Lineares com Saltos Markovianos (SLMS), tem havido recentemente uma intensa interação entre a teoria clássica de sistemas com chaveamento (switched systems) e a teoria de SLSM. Apesar do desenvolvimento dessas teorias terem acontecido essencialmente de maneira independentes, num sentido amplo SLMS pode ser visto como um sistema com chaveamento cujo mecanismo de chaveamento é estocástico. Motivados pela diversidade de métodos dessas teorias e sua enorme potencialidade no tratamento de sistemas que exigem comportamentos tolerantes a falhas (faz parte do que se denomina na literatura especializada como safety-critical and high integrity systems) é nossa intenção nesta dissertaçãoo fazer uma síntese dos métodos mais relevantes, contrapondo as duas teorias. Tendo em vista a enorme quantidade de resultados, focaremos apenas o problema de estabilidade. Começaremos o estudo com critérios já conhecidos como a construção de uma função comum de Lyapunov para os sistemas e outros que dizem respeito à estabilidade em classes de subsistemas lineares que possuem certas particularidades como comutatividade e solubilidade da álgebra de Lie gerada pela coleção de matrizes. Em seguida, apresentaremos os conceitos de tempo médio de habitação, funções de Lyapunov por partes e os resultados sobre design de switch. Através do estudo do tempo médio de habitação em sistemas lineares com matrizes estáveis e instáveis, juntamente com os critérios já estudados referentes às classes de subsistemas para as quais é possível a construção de uma função comum de Lyapunov, chegamos a alguns resultados para estabilidade, que aplicamos ao caso de chaveamento Markoviano.

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro / Neste trabalho apresentamos as etapas para a utilização do método da Programação Dinâmica, ou Princípio de Otimização de Bellman, para aplicações de controle ótimo. Investigamos a noção de funções de controle de Lyapunov (FCL) e sua relação com a estabilidade de sistemas autônomos com controle. Uma função de controle de Lyapunov deverá satisfazer a equação de Hamilton-Jacobi-Bellman (H-J-B). Usando esse fato, se uma função de controle de Lyapunov é conhecida, será então possível determinar a lei de realimentação ótima; isto é, a lei de controle que torna o sistema globalmente assintóticamente controlável a um estado de equilíbrio. Como aplicação, apresentamos uma modelagem matemática adequada a um problema de controle ótimo de certos sistemas biológicos. Este trabalho conta também com um breve histórico sobre o desenvolvimento da Teoria de Controle de forma a ilustrar a importância, o progresso e a aplicação das técnicas de controle em diferentes áreas ao longo do tempo. / This dissertation presents the steps for using the method of Dynamic Programming or Bellman Optimization Principle for optimal control applications. We investigate the notion of control-Lyapunov functions (CLF) and its relation to the stability of autonomous systems with control. A control-Lyapunov function must satisfy the Hamilton-Jacobi- Bellman equation (H-J-B). Using this fact, if a control-Lyapunov function is known, it is possible to determine the optimal feedback law, in other words, the control law which makes the system globally asymptotically controllable at an equilibrium state. As an application, we present a mathematical model suitable for an optimal control problem of certain biological systems. This dissertation also presents a brief historic about the development of the Control Theory in a way of illustrate the importance and the progress of the control techniques, specially where it can be applied, according to the diverse areas and different times that this techniques were discovered and used.

Este trabalho aborda o problema de análise de estabilidade e estabilização de sistemas não-lineares racionais sujeitos a saturação. A abordagem utilizada neste estudo é baseada em representações algébricas diferenciais (DAR) de sistemas racionais e na versão modificada da condição de setor generalizada para lidar com a saturação. Inicialmente, métodos para caracterizar a estabilidade de sistemas em tempo discreto sujeitos a perturbações são propostos. Neste contexto, apresentam-se abordagens na forma de desigualdades matriciais lineares (do inglês, Linear Matrix Inequalities) para o cálculo de estimativas da região de atração do sistema, bem como limites para uma classe de perturbações admissíveis ℓ2 de forma a garantir que as trajetórias sejam limitadas e estimativas do ganho ℓ2 do sistema. Duas abordagens são consideradas: a primeira é baseada em uma única função de Lyapunov quadrática e a segunda considerando funções de Lyapunov quadráticas por partes. Em seguida, técnicas para síntese de compensadores anti-windup são propostas com o objetivo de aumentar a região de atração de sistemas em tempo contínuo. As condições são desenvolvidas e incorporadas em um algoritmo iterativo, sendo que a cada iteração é resolvido um problema de otimização convexa com restrições na forma de LMIs. Tais resultados são estendidos para lidar com sistemas incertos e sistemas sujeitos a perturbações. Com o objetivo de evitar métodos iterativos e facilitar a aplicação em sistemas multivariáveis propõe-se uma nova abordagem para sintetizar este tipo de compensador (diretamente na forma de LMIs). Extensões dos resultados são apresentadas para tratar sistemas em tempo discreto. Por fim, é apresentada uma abordagem para síntese de realimentação estática de estados. Estes métodos são baseados em condições de estabilização local permitindo, simultaneamente, calcular o ganho de realimentação de estados e uma função de Lyapunov que leva a uma estimativa maximizada da região de atração do sistema em malha fechada. Propõe-se também uma extensão dos resultados abordando sistemas em tempo discreto. Exemplos numéricos são apresentados com o objetivo de ilustrar a aplicação e verificar a eficiência dos métodos propostos. / This work addresses the problem of stability analysis and stabilization of nonlinear rational systems subject to saturation. The approach used in this study is based on the differential algebraic representation (DAR) of rational systems and on a modified version of the generalized sector condition to deal with saturation. First, methods to characterize the stability of discrete-time systems subject to disturbances are proposed. In this context, approaches based on linear matrix inequalities to compute estimates of the region of attraction of the system, as well as limits for a class of admissible ℓ2 disturbances to ensure bounded trajectories and estimates of the ℓ2-gain of the system are presented. Two approaches are considered: the first one based on a single quadratic Lyapunov function and the second one considering piecewise quadratic Lyapunov functions. Then, techniques for the synthesis of anti-windup compensators are proposed in order to enlarge the region of attraction of continuous-time systems. The conditions are developed and incorporated into an iterative algorithm, where at each iteration, a convex optimization problem with LMI constraints is solved. These results are extended to deal with uncertain systems and systems subject to disturbances. In order to avoid iterative methods and facilitate the application to multivariable systems, a new approach to synthesize this type of compensator (directly in terms of LMI) is proposed. Extensions of the results are also presented to deal with discrete-time systems. Finally, a method for the synthesis of static state feedback gains is proposed. This method is based on local stabilization conditions which allow to calculate the state feedback gain and a Lyapunov function leading to a maximized estimate of the region of attraction of the closed-loop system. The extension of these results for the case of discrete-time systems is also addressed. Numerical examples are presented in order to illustrate the application and to verify the efficiency of the proposed methods.

O presente trabalho apresenta a teoria de sistemas dinâmicos dissipativos impulsivos. Apresentamos resultados suficientes e necessários para obtermos dissipatividade para sistemas impulsivos autônomos e não autônomos utilizando funções de Lyapunov. No que segue, desenvolvemos a teoria de estabilidade para a seção nula de um sistema dinâmico não autônomo com impulsos. Utilizando os resultados da teoria abstrata para sistemas não autônomos com impulsos, apresentamos o estudo da estabilidade de um modelo presa-predador com controle e impulsos. / The present work presents the theory of impulsive dissipative dynamical systems. We present necessary and sufficient conditions to obtain dissipativity for autonomous and non-autonomous impulsive dynamical systems via Lyapunov functions. In the sequel, we develop the theory of stability for the null section of non-autonomous dynamical systems with impulses. Using the results from the abstract theory we present the study of stability for a controlled prey-predator model under impulse conditions.

Este trabalho aborda o problema de análise de estabilidade e estabilização de sistemas não-lineares racionais sujeitos a saturação. A abordagem utilizada neste estudo é baseada em representações algébricas diferenciais (DAR) de sistemas racionais e na versão modificada da condição de setor generalizada para lidar com a saturação. Inicialmente, métodos para caracterizar a estabilidade de sistemas em tempo discreto sujeitos a perturbações são propostos. Neste contexto, apresentam-se abordagens na forma de desigualdades matriciais lineares (do inglês, Linear Matrix Inequalities) para o cálculo de estimativas da região de atração do sistema, bem como limites para uma classe de perturbações admissíveis ℓ2 de forma a garantir que as trajetórias sejam limitadas e estimativas do ganho ℓ2 do sistema. Duas abordagens são consideradas: a primeira é baseada em uma única função de Lyapunov quadrática e a segunda considerando funções de Lyapunov quadráticas por partes. Em seguida, técnicas para síntese de compensadores anti-windup são propostas com o objetivo de aumentar a região de atração de sistemas em tempo contínuo. As condições são desenvolvidas e incorporadas em um algoritmo iterativo, sendo que a cada iteração é resolvido um problema de otimização convexa com restrições na forma de LMIs. Tais resultados são estendidos para lidar com sistemas incertos e sistemas sujeitos a perturbações. Com o objetivo de evitar métodos iterativos e facilitar a aplicação em sistemas multivariáveis propõe-se uma nova abordagem para sintetizar este tipo de compensador (diretamente na forma de LMIs). Extensões dos resultados são apresentadas para tratar sistemas em tempo discreto. Por fim, é apresentada uma abordagem para síntese de realimentação estática de estados. Estes métodos são baseados em condições de estabilização local permitindo, simultaneamente, calcular o ganho de realimentação de estados e uma função de Lyapunov que leva a uma estimativa maximizada da região de atração do sistema em malha fechada. Propõe-se também uma extensão dos resultados abordando sistemas em tempo discreto. Exemplos numéricos são apresentados com o objetivo de ilustrar a aplicação e verificar a eficiência dos métodos propostos. / This work addresses the problem of stability analysis and stabilization of nonlinear rational systems subject to saturation. The approach used in this study is based on the differential algebraic representation (DAR) of rational systems and on a modified version of the generalized sector condition to deal with saturation. First, methods to characterize the stability of discrete-time systems subject to disturbances are proposed. In this context, approaches based on linear matrix inequalities to compute estimates of the region of attraction of the system, as well as limits for a class of admissible ℓ2 disturbances to ensure bounded trajectories and estimates of the ℓ2-gain of the system are presented. Two approaches are considered: the first one based on a single quadratic Lyapunov function and the second one considering piecewise quadratic Lyapunov functions. Then, techniques for the synthesis of anti-windup compensators are proposed in order to enlarge the region of attraction of continuous-time systems. The conditions are developed and incorporated into an iterative algorithm, where at each iteration, a convex optimization problem with LMI constraints is solved. These results are extended to deal with uncertain systems and systems subject to disturbances. In order to avoid iterative methods and facilitate the application to multivariable systems, a new approach to synthesize this type of compensator (directly in terms of LMI) is proposed. Extensions of the results are also presented to deal with discrete-time systems. Finally, a method for the synthesis of static state feedback gains is proposed. This method is based on local stabilization conditions which allow to calculate the state feedback gain and a Lyapunov function leading to a maximized estimate of the region of attraction of the closed-loop system. The extension of these results for the case of discrete-time systems is also addressed. Numerical examples are presented in order to illustrate the application and to verify the efficiency of the proposed methods.

Orientador: Ketty Abaroa de Rezende / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Matemática, Estatística e Computação Científica / Made available in DSpace on 2018-08-16T08:12:09Z (GMT). No. of bitstreams: 1 MontufarLopez_HernanRoberto_D.pdf: 8015438 bytes, checksum: 1175f8d0f78fe476b09178b6e50f10ec (MD5) Previous issue date: 2010 / Resumo: Em [6] são apresentadas condições necessárias e suficientes para a estabilidade estrutural e o teorema de densidade para campos de vetores em 2-variedades com singularidades simples dos seguintes tipos: cone, guarda-chuva de Whitney, ponto duplo e ponto triplo. Nesta tese, estudamos os fluxos induzidos por estes campos de vetores, que denominamos fluxos Gutierrez-Sotomayor, do ponto de vista topológico utilizando a teoria de Conley. Apresentamos uma fórmula dinâmico-topológica que relaciona o índice de Conley de uma variedade com singularidades simples M que possui uma estratificação que a decompõe numa união disjunta da sua parte regular e da sua parte singular. Usando essa estratificação mostramos que se a singularidade está na parte singular S de M o seu índice pode ser calculado tanto com respeito a M como com respeito a S. Definimos uma função de Lyapunov, neste contexto, e mostramos sua existência para fluxos sem órbitas periódicas e sem ciclos singulares. Em seguida, por uma análise da seqüência de homologia longa exata de um par índice determinamos propriedades que um grafo de Lyapunov deve satisfazer para estar associado a um fluxo. Também abordamos a questão da realização de grafos de Lyapunov abstratos. Para isto, primeiramente apresentamos a igualdade de Poincaré-Hopf, para o caso bidimensional, que caracteriza a relação entre o primeiro número de Betti das 1-variedades ramificadas que são fronteiras de um bloco isolante com seu número de componentes de fronteira e o índice numérico de Conley. Em seguida, mostramos que dados números inteiros positivos que satisfaçam a condição de Poincaré-Hopf sempre é possível construir um bloco isolante que satisfaz estes dados dinâmicos e homológicos / Abstract: In [6] a characterization and genericity theorem for C1-structurally stable vector fields tangent to a 2-dimensional compact subset M of Rk are established. Also in [6], new types of structurally stable singularities and periodic orbits are presented. In this thesis we study the continuous flows associated to these vector fields, which we refer to as the Gutierrez-Sotomayor flows on manifolds M with simple singularities using Conley Index Theory. We consider a stratification of M which decomposes it into a union of its regular and singular strata. We prove certain Euler type formulas which relate topology of M and dynamics on the singular strata. We show the existence of a Lyapunov function for Gutierrez-Sotomayor flows without periodic orbits and singular cycles in this context. Using long exact sequence analysis of index pairs we determine necessary and sufficient conditions for a Gutierrez-Sotomayor flow to be defined on an isolating block. We organize this combinatorially with the aid of Lyapunov graphs and using a Poincar'e-Hopf equality we give necessary conditions for a Lyapunov graph to be associated to a Gutierrez-Sotomayor flow and we also prove these conditions are sufficient / Doutorado / Geometria e Topologia / Doutor em Matemática

Orientadores: Pedro Luis Dias Peres, Ricardo Coração de Leão Fontoura de Oliveira / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-17T02:43:49Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Lacerda_MarcioJunior_M.pdf: 670231 bytes, checksum: d76f3fe0db3898a759d391b46114898c (MD5) Previous issue date: 2010 / Resumo: Este trabalho apresenta novas condições na forma de desigualdades matriciais lineares para a síntese de filtros robustos H2 e H¥ de ordem completa, para sistemas incertos, contínuos e discretos no tempo. Os parâmetros incertos invariantes no tempo pertencem a um politopo com vértices conhecidos. Graças à existência de um número maior de variáveis de folga e à utilização de relaxações baseadas em matrizes polinomiais homogêneas, desigualdades matriciais lineares podem ser obtidas das condições propostas para o projeto de filtros robustos, com desempenho superior aos métodos existentes. A superioridade e eficiência do método proposto para o projeto dos filtros robustos são ilustradas por meio de comparações numéricas e exemplos da literatura / Abstract: This work presents new convex optimization procedures for full order robust H2 and H? filter design for continuous and discrete-time uncertain linear systems. The time-invariant uncertain parameters are supposed to belong to a polytope with known vertices. Thanks to the use of a larger number of slack variables and homogeneous polynomial relaxations, linear matrix inequalities for the design of robust filters can be derived from the proposed conditions, outperforming the existingmethods. The superiority and efficiency of the proposed method for robust filter design are illustrated by means of numerical comparisons in benchmark examples from the literature / Mestrado / Automação / Mestre em Engenharia Elétrica

Orientador: Pedro Luis Dias Peres / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Eletrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-14T19:01:41Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Tognetti_TaisCalliero_D.pdf: 1438301 bytes, checksum: 87c3292b4b408bcddec959f4f9e45317 (MD5) Previous issue date: 2009 / Resumo: Esta tese apresenta contribuições para a solução de problemas de análise de estabilidade e síntese de controladores por realimentação de estados de sistemas dinâmicos que possuem elementos não-lineares, por meio de condições na forma de desigualdades matriciais lineares e funções de Lyapunov. Para sistemas chaveados sujeitos a saturação nos atuadores, são fornecidas condições convexas para o cálculo de ganhos chaveados e robustos. A saturação é modelada como uma não-linearidade de setor e uma estimativa do domínio de estabilidade é determinada. Para sistemas lineares com incertezas politópicas e não-linearidades pertencentes a setores, são fornecidas condições convexas de dimensão finita para construir funções de Lur'e com dependência polinomial homogênea nos parâmetros. Se satisfeitas, as condições garantem a estabilidade para todo o domínio de incertezas e para todas as não-linearidades pertencentes ao setor e permitem o cômputo de controladores estabilizantes robustos por realimentação linear e não-linear. Para sistemas bilineares instáveis, contínuos e discretos no tempo, é proposto um procedimento para calcular um ganho estabilizante de controle por realimentação de estados. O método baseia-se na solução alternada de dois problemas de otimização convexa descritos por desigualdades matriciais lineares, fornecendo uma estimativa do domínio de estabilidade. Extensões para tratar controladores robustos e lineares variantes com parâmetros são também apresentadas. / Abstract: This thesis presents contributions to the solution of the problems of stability analysis and synthesis of state feedback controllers for dynamic systems with non-linear elements, by means of conditions based on linear matrix inequalities and Lyapunov functions. For switched systems subject to saturation in the actuators, convex conditions to design switched and robust controllers are presented. The saturation is modeled as a sector non-linearity and an estimate of the domain of stability is determined. For linear systems with polytopic uncertainties and sector non-linearities, convex conditions of finite dimension to build Lur'e functions with homogeneous polynomially parameter dependence are provided. If satisfied, the conditions guarantee the stability of the entire domain of uncertainty for all sector non-linearities, allowing the design of linear and non-linear robust state feedback stabilizing controllers. For continuous and discrete-time unstable bilinear systems, a procedure to design a state feedback stabilizing control gain is proposed. The method is based on the alternate solution of two convex optimization problems described by linear matrix inequalities, providing an estimate of the domain of stability. Extensions to handle robust and linear parameter varying controllers are also presented. / Doutorado / Automação / Doutor em Engenharia Elétrica

Neste trabalho apresentamos um assunto que tem contribuído em diversas áreas, o conhecido Problemas de Lurie. Para exemplificar sua aplicabilidade estudamos a Rede Neural de Hopfield e a relacionamos com o problema. Alguns teoremas são apresentados e um dos resultados do Problema de Lurie é aplicado ao modelo de Hopfield. / In the present work we show some properties of the so called Luries type equation. We treat particularly the stability conditions problem, and show how this theory is applied in a Hopfield neural network.