Orientador: Prof. Dr. Magno Enrique Mendoza Meza / Coorientadora: Profª. Drª. Silvia Lenyra Meirelles Campos Titotto / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do ABC, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Santo André, 2018.

Sistemas de levitação eletromagnética são de interesse quando se necessita de tecnologia envolvendo redução de atrito, atuação sem contato físico, máquinas rotativas e trens de alta velocidade. Devido à presença de não linearidades em sua dinâmica, pesquisadores têm dado atenção ao desenvolvimento de controladores mais sofisticados, com o objetivo de melhorar o desempenho desses sistemas. Controladores lineares apresentam limitações na faixa de operação da variável controlada e, geralmente apresentam baixa robustez quando aplicados em sistemas não lineares. O objetivo deste trabalho é desenvolver controladores não lineares com diferentes estruturas e analisá-los quando aplicados em um protótipo do sistema físico. Inicialmente, o sistema é modelado matematicamente através da abordagem fenomenológica. Em seguida, os parâmetros do modelo são identificados através de dados obtidos experimentalmente. Conhecendo bem a dinâmica do sistema através do modelo, são projetados três controladores de diferentes estruturas utilizando simulações computacionais. O primeiro é o PID clássico, controle linear amplamente utilizado em processos industriais. O segundo controlador é um PID com topologia não linear, denominado NPID. Este visa reduzir as limitações encontradas no PID linear, através de funções não lineares em seus termos. O último e mais complexo se trata do controle por modos deslizantes (SMC). Também com estrutura não linear, o SMC possui como característica intrínseca a robustez a variações da planta. Ao final, são realizadas simulações e os controladores avaliados são implementados de maneira digital em um hardware de controle e aplicados em uma planta piloto de levitação eletromagnética. Os resultados de desempenho obtidos permitem avaliar qual topologia de controlador melhor se enquadra diante dessa aplicação. / Electromagnetic levitation systems are of interest when it is necessary the use of technology involving reduction of friction, acting without physical contact, rotating machinery and high speed trains. Due to the nonlinear dynamics, researchers have paid attention to the development of more sophisticated controllers, in order to improve the performance of these systems. Linear controllers have limitations in the operating range of the controlled variable and generally have low robustness when applied to linear systems. The objective of this work is to develop nonlinear controllers with different structures and analyze them, when applied to a prototype of the physical system. Initially the system is modeled mathematically through the phenomenological approach. Then the model parameters are identified by experimentally obtained data. Knowing the dynamic of the system through the model, three different controllers are designed using computer simulations. The first is the classic PID, a linear control widely used in industrial processes. The second controller is a PID with nonlinear topology, called NPID. This controller is intended to reduce the limitations found in the linear PID through non linear functions on its terms. The last and most complex is the sliding mode control (SMC). Also a nonlinear structure, the SMC has the intrinsic characteristic of robustness to variations of the plant. In the end, the simulations are performed and the evaluated controllers are implemented in digital form in a hardware control and applied in a pilot plant of an electromagnetic levitation system. With the performance results it is possible to verify which controller topology best fits this application.

Made available in DSpace on 2017-07-10T17:11:48Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Dissertacao Mariana Uzeda2.pdf: 3273824 bytes, checksum: cb0d125fc8aae9dfe673029b5f5a30a5 (MD5) Previous issue date: 2014-08-29 / This work presents a comparative study between four different sliding mode variable structure control strategies (SMVSC) applied to autonomous underwater vehicles (AUV) positioning in 6 DOF, under the influence of wind, waves and marine currents. The addressed strategies are the conventional CEV-MD control based on Lyapunov stability, the CEV-MD control based on the equivalent control, the CEV-MD control based on the input-output stability and the CEVMD adaptive control. The accomplished comparisons seek a satisfactory tradeoff between the tracking performance and the closed-loop system stability in light of eliminating the chattering phenomenon. In that sense, the analysis and synthesis of the respective SMVSC control laws is carried out fromthe Lyapunov Stability Theory and the Barbalat s Lemma. As well as numerical simulations are implemented to obtaining the respective performances of each SMVSC control strategy presented. / Este trabalho apresenta um estudo comparativo entre quatro diferentes estratégias de controle de estrutura variável por modos deslizantes (CEV-MD) aplicadas ao posicionamento de veículos subaquáticos autônomos (VSA) em 6 GDL, sob a influência de ventos, ondas e correntes marinhas. As estratégias abordadas são o controle CEV-MD convencional baseado na estabilidade de Lyapunov, o controle CEV-MD baseado no controle equivalente, o controle CEV-MD baseado na estabilidade entrada-saída e o controle CEV-MD adaptativo. As comparações realizadas visam a eliminação do do fenômeno do chattering buscando um compromisso satisfatório entre o desempenho de rastreamento e a estabilidade do sistema em laço fechado. Nesse sentido, a análise e síntese das respectivas leis de controle CEV-MD é realizada a partir da Teoria de Estabilidade de Lyapunov e do Lema de Barbalat. Assim como simulações numéricas são implementadas para a obtenção dos respectivos desempenhos de cada estratégia de controle CEV-MD apresentada.

Este trabalho aborda o problema de controle ótimo por modos deslizantes via função penalidade para sistemas de tempo discreto. Para resolver este problema será desenvolvido uma estrutura matricial alternativa baseada no problema de mínimos quadrados ponderados e funções penalidade. A partir desta nova formulação é possível obter a lei de controle ótimo por modos deslizantes, as equações de Riccati e a matriz do ganho de realimentação através desta estrutura matricial alternativa. A motivação para propormos essa nova abordagem é mostrar que é possível obter uma solução alternativa para o problema clássico de controle ótimo por modos deslizantes. / This work introduces a penalty function approach to deal with the optimal sliding mode control problem for discrete-time systems. To solve this problem an alternative array structure based on the problem of weighted least squares penalty function will be developed. Using this alternative matrix structure, the optimal sliding mode control law of, the matrix Riccati equations and feedback gain were obtained. The motivation of this new approach is to show that it is possible to obtain an alternative solution to the classic problem of optimal sliding mode control.

Este trabalho aborda o problema de controle ótimo por modos deslizantes via função penalidade para sistemas de tempo discreto. Para resolver este problema será desenvolvido uma estrutura matricial alternativa baseada no problema de mínimos quadrados ponderados e funções penalidade. A partir desta nova formulação é possível obter a lei de controle ótimo por modos deslizantes, as equações de Riccati e a matriz do ganho de realimentação através desta estrutura matricial alternativa. A motivação para propormos essa nova abordagem é mostrar que é possível obter uma solução alternativa para o problema clássico de controle ótimo por modos deslizantes. / This work introduces a penalty function approach to deal with the optimal sliding mode control problem for discrete-time systems. To solve this problem an alternative array structure based on the problem of weighted least squares penalty function will be developed. Using this alternative matrix structure, the optimal sliding mode control law of, the matrix Riccati equations and feedback gain were obtained. The motivation of this new approach is to show that it is possible to obtain an alternative solution to the classic problem of optimal sliding mode control.

Orientador: Falcondes José Mendes de Seixas / Resumo: O foco principal deste trabalho é a investigação de métodos de controle capazes de rejeitar perturbações, incertezas e influências degenerativas do atraso no problema referente ao controle vetorial por campo orientado do Motor de Indução Trifásico (MIT), através de um modelo matemático não linear deste. Dá-se ênfase à utilização do método de controle Proporcional-Integral em conjunto com o Controle com Estrutura Variável e Modos Deslizantes, sendo que este tem como principal característica a rejeição de perturbações e incertezas. São realizadas análises da robustez da estabilidade e também das influências que as incertezas e atrasos exercem sobre o comportamento dinâmico deste sistema. Para corroborar com as análises, são feitas simulações utilizando exemplos numéricos num sistema linear de ordem dois e aplicações no MIT através de um modelo matemático não linear. / Abstract: This work deals the investigation of control methods capable of rejecting perturbations, uncertainties and degenerative influence of input time-delay in the Three-phase Induction Motor (TIM) vector control problem, through a nonlinear mathematical model. The main focus is the use of the Proportional-Integral control method in conjunction with the Variable Structure Control with Sliding Mode, which has as main characteristic the rejection of perturbations and uncertainties. Analyzes are performed on the stability robustness and also on the influence that the uncertainties and input time-delay on the dynamic behavior of this system. In order to corroborate with the analyzes simulations are made using numerical examples of two-order linear system and applications in a non-linear mathematical model of a Three-phase Induction Motor. / Doutor

[pt] A avaliação experimental de modelos de plasticidade incremental e a predição da vida à fadiga sobre cargas combinadas requer o uso de máquinas de testes multiaxiais. Neste trabalho é desenvolvida uma máquina tração-torção (MTT) para avaliar modelos de plasticidade incremental. Este sistema eletromecânico utiliza como atuadores principais dois motores de corrente contínua conectados a caixas de redução para gerar os carregamentos de tração axial e/ou torção. O projeto da MTT compreende a análise de sua integridade estrutural, seu dimensionamento, e o cálculo da vida à fadiga de seus principais componentes; o projeto e desenvolvimento de uma célula tração-torção (LTC - load torque cell); o desenvolvimento e implementação das técnicas de controle; e finalmente sua construção e avaliação. Uma técnica de controle PID por modos deslizantes (PID Sliding Mode control) foi especialmente desenvolvida para esta máquina, consistindo em aplicar um sinal de controle descontínuo que força o sistema a deslizar ao longo de uma superfície de convergência. Esta técnica de controle tem a capacidade de controlar continuamente a força axial e/ou o torque aplicado ao corpo de prova de maneira independente, o que permite gerar histórias de cargas não-proporcionais. Os métodos de controle são implementados em uma plataforma computacional em tempo real CompactRio. Deste modo, é possível gerar uma máquina de ensaios de fadiga multiaxial compacta, de fácil manuseio, que não precise de um sistema de controle complexo, e a um baixo custo. A máquina tração-torção foi projetada para atender a uma ampla gama de ensaios de fadiga multiaxial, com uma capacidade de força axial máxima de mais ou menos 200 kN e torque máximo de mais ou menos 1300 N.m. O desempenho da MTT foi avaliado experimentalmente através de ensaios de plasticidade incremental. Para tanto, foram usados corpos de prova de tração-torção para medir seus comportamentos sobre cargas multiaxiais. Ensaios de encruamento não-proporcional, ratcheting (fluência cíclica) multiaxial e ratcheting uniaxial foram realizados em corpos de prova de aço inox 316, aço 1020, alumínio 7075 e alumínio 6063 na MTT, assim como em uma máquina Instron de 100 kN. Um simulador de plasticidade incremental para carregamentos de tração-torção foi desenvolvido, incorporando o modelo de encruamento cinemático não-linear de Jiang-Sehitoglu, e o modelo incremental de encruamento não-proporcional de Tanaka. Os parâmetros do material foram calibrados a partir de ensaios experimentais, permitindo que as simulações fossem capazes de prever o comportamento do material sobre diferentes histórias de carregamento, assim como as taxas de encruamento não-proporcional e de ratcheting. Os experimentos e simulações confirmaram tanto a adequabilidade da MTT desenvolvida, quanto do simulador de plasticidade incremental implementado, baseado nos modelos não-lineares de Jiang-Sehitoglu e Tanaka. / [en] The experimental evaluation of incremental plasticity models and fatigue life prediction under combined loads requires the use of multiaxial testing machines. In this work, an axial-torsion machine (MTT) was developed to evaluate incremental plasticity models. This electromechanical system uses as a main actuators two DC motors connected to gearboxes to generate the axial and/or torsion loads. The design of axial-torsion machine comprises the analysis of its structural integrity, its dimensioning and fatigue life prediction its major components; the design and development of a load torque cell – LTC; the development and implementation of control techniques, and finally, its construction and its performance evaluation. A PID Sliding Model control technique has been specially developed for this machine, which consists in applying a discontinuous control signal that forces the system to slide along a surface convergence. This control technique has the ability to control the axial force and/or torsion applied to specimen test in an independent manner, which allows to generate a non-proportional loading histories. The control methods are implemented on a computing platform in real time CompactRio. Thus, it s possible to developed a compact multiaxial fatigue testing machine, easy to handle, which does not require a complex control system, and at a low cost. The tensiontorsion machine was designed to meet a wide range of multiaxial fatigue tests, with a maximum capacity of axial force of more or less 200 kN and torque of more or less 1300 N.m. The MTT performance was evaluated experimentally by incremental plasticity testing. For this purpose, tensile / torsion specimens were used to measure their behavior under multiaxial loads. Testing of non-proportional hardening, multiaxial ratcheting and uniaxial ratcheting (cyclic creep) were performed on specimens of 316 stainless steel, 1020 steel, 7075 aluminum and 6351T6 aluminum in the MTT, as well as a Instron Machine of more or less 100 kN. A simulator of incremental plasticity to tensile-torsion loads has been developed, incorporating the non-linear kinematic hardening model of Jiang-Sehitoglu, and non-proportional hardening model of Tanaka. The material parameters were calibrated using experimental tests, allowing the simulations to predict the material behavior under different load histories, as well as rates of non-proportional hardening and ratcheting. The experiments and simulations confirmed both the suitability of the developed MTT, as well as the simulator of incremental plasticity implemented, based on non-linear models of Jiang-Sehitoglu and Tanaka.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This master thesis presents a current sliding mode observer for voltage sensorless grid connected converters. To perform the grid synchronization a sliding mode current observer in stationary axes αβ is proposed. Aiming its implementation in digital signal processors or microcontroller both the synchronism and control are developed in discrete time domain. Firstly the line currents are measured, then the transformation to stationary axes is carried out and the sliding mode current observer is proposed. Based on a Fortescue discrete component theory an algorithm to separation of sequence positive phase is proposed aiming to obtained the positive grid angular position to realized the synchronous coordinates axes transformation. The current control is carried out by two PI controllers designed in a discrete time domain. The good performance of the proposed method is proven through the simulation and experimental results. / Esta dissertação apresenta o controle de corrente em eixos síncronos de conversores conectados a rede de energia elétrica sem o uso de sensores de tensão de linha. Para realizar o sincronismo com a rede elétrica é proposto um observador de corrente por modos deslizantes em eixos de coordenadas estacionárias αβ. Tanto o controle como o sincronismo são desenvolvidos em tempo discreto visando sua implementação em processador digital de sinais ou microcontrolador. Primeiramente são medidas as correntes de duas fases do sistema, então é realizada a transformação para eixos estacionários e proposto o observador de corrente por modos deslizantes. Com o auxílio de um algoritmo baseado na teoria das componentes discretas de Fortescue para a separação de sequência de fase positiva, é obtida posição angular elétrica da rede visando a transformação para eixos de coordenadas síncronas. O controle das correntes é realizado através de dois controladores PI projetados em tempo discreto. Através de resultados de simulação e experimentais obtidos é comprovado o bom desempenho do método proposto.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This master thesis proposes a current control technique based on sliding mode strategy and disturbance observer for high-performance drive applied to permanent magnet synchronous motors and can be extended to other systems. The combination of sliding mode control and disturbance observer applied to the current control presents the characteristics necessary to minimize the coupling between the axes, rejection of external disturbances and parametric variations. A continuous time control scheme is developed, the stability proofs are performed from the Lyapunov analysis. The performance of the propose technique is evaluates through simulation results. Moreover, this master thesis presents a discrete-time sliding mode controller combined with a discrete-time disturbance observer. The development in discrete-time enables the implementation in digital processors. The conditions of reach of the proposed controller considering the transport delay of digital implementation are still evaluated. The stability proofs of the proposed scheme are presented. Simulation results are shown. In addition, it is developed an experimental platform for drive and control of the permanent magnet synchronous motor in which the experimental results are obtained. / Esta dissertação propõe uma técnica de controle de corrente baseada na estratégia por modos deslizantes e observador de distúrbios para acionamento de alto desempenho aplicada a motores síncronos de ímãs permanentes, podendo ser estendida a outros sistemas. A combinação do controle por modos deslizantes e do observador de distúrbio aplicada ao controle de corrente apresenta as características necessárias para minimização do acoplamento existente entre os eixos, rejeição a distúrbios externos e variações paramétricas. É desenvolvido um esquema de controle em tempo contínuo, são apresentadas as provas de estabilidade a partir de critério de Lyapunov. O desempenho da técnica proposta é avaliado através de resultados de simulação. Além disso, é apresentado um controlador por modos deslizantes associado ao observador de distúrbio em tempo discreto. O desenvolvimento em tempo discreto possibilita a implementação em processadores digitais de sinais. Ainda são avaliadas as condições de alcance do controlador proposto considerando o atraso de transporte da implementação digital. Provas de estabilidade do esquema proposto e resultados de simulação são apresentados. Este trabalho faz o desenvolvimento de uma bancada experimental para o acionamento e controle do motor síncrono de ímãs permanentes na qual são obtidos os resultados experimentais apresentados.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This Thesis proposes sensorless vector control schemes that combine designed observers in the discrete-time domain to estimate the rotor position and speed for a permanent magnet synchronous generator of non-salient poles. Two control schemes are proposed. The first scheme is based on a discrete sliding mode current observer in series with an adaptive electromotive force observer. Then, the sliding conditions that assure the sliding motion around the sliding surface are derived to ensure the stability of the current observer as well as an innovative design procedure is proposed for it. Moreover, the electromotive force observer is designed using Lyapunov s Discrete Direct Method, which provides the estimated rotor position and speed. The second scheme extends the developed methodology for the former, considering the parametric uncertainties and eliminating the high frequency components of chattering. The second scheme uses a discrete sliding mode current observer as in the first scheme. However, the electromotive force observer is replaced by a phase-locked loop in series with a discrete sliding mode robust differentiator, which follows the proposed methodology for the discrete sliding mode current observer. Experimental results validate the theoretical analysis and demonstrate the performance of the proposed control schemes considering a small scale wind energy conversion system. In addition, proposed schemes are compared with others of the literature. It should be noticed that the whole approach is carried out in discrete time domain making it suitable for a microcontroller or digital signal processor implementation. / Esta Tese propõe esquemas de controle vetorial sem sensores mecânicos de posição e de velocidade que combinam observadores projetados no domínio de tempo discreto para estimar essas variáveis para um gerador síncrono a ímãs permanentes de polos não salientes. Dois esquemas de controle são propostos. O primeiro esquema baseiase em um observador de corrente por modos deslizantes discretos em série com um observador adaptativo de força eletromotriz. Então, as condições de deslizamento que asseguram os modos deslizantes em torno da superfície de deslizamento são estabelecidas no domínio de tempo discreto para garantir a estabilidade do observador de corrente e um inovador procedimento de projeto para ele é proposto. Em seguida, o observador de força eletromotriz é projetado usando o método direto de Lyapunov discreto, que fornece a posição e a velocidade rotóricas estimadas. O segundo esquema estende a metodologia desenvolvida para o primeiro, considerando as incertezas paramétricas bem como eliminando as componentes de alta frequência de chattering. O segundo esquema usa um observador de corrente por modos deslizantes discretos como o primeiro. Entretanto, o observador de força eletromotriz é substituído por um retentor de fase em série com um diferenciador robusto por modos deslizantes discretos, que segue a metodologia proposta para o observador de corrente. Resultados experimentais validam a análise teórica desenvolvida e demonstram o desempenho dos esquemas de controle propostos considerando um sistema de conversão de energia eólica de pequeno porte. Além disso, os esquemas propostos são comparados com outros da literatura. Ressalta-se que a toda abordagem é desenvolvida no domínio de tempo discreto tornando-a apta para uma implementação em microcontroladores e em processadores digitais de sinais.