o trabalho tem como objetivo o estudo e a aplicação da técnica de hardware-in-the-loop como uma ferramenta de suporte no processo de desenvolvimento de uma mão artificial robótica. Os esforços se concentram no desenvolvimento de um ambiente computacional e um ambiente experimental para trabalharem em conjunto e simultaneamente. No ambiente computacional foi desenvolvido o modelo do sistema simulado em tempo real. No ambiente experimental, partes do protótipo da mão robótica foram implementadas. Em ambos os casos, foram desenvolvidos e empregados um controlador seguidor multivariável. Adotando este tipo de abordagem, partes do sistema simulado em tempo real poderão ser substituídas - à medida de suas necessidades - por partes físicas, como por exemplo: sensores, atuadores e novos hardwares de controle, possibilitando uma considerável redução de investimento em hardware e de tempo de projeto. / The purpose of this work is the study and the application of the hardware-in-the-loop technique as a support tool in the development process of an artificial robotic hand. The efforts concentrate on the development of a computational and experimental environment to work together and simultaneously. In the computational environment, the simulated system model was developed in real-time. In the experimental environment, prototype parts of the robotic hand were implemented. In both cases, a multivariable controIler was developed and utilized. By adopting this approach, parts of the system simulated in real time can be substituted - according to the needs - by physical parts, such as: sensors, actuators, and new control hardware, allowing a considerable investment reduction in hardware and in time of project.

Métodos de controle por modelo de referência, usualmente encontrados na literatura de controle baseado em dados, têm como principal característica a especificação do desempenho desejado em malha fechada através de um modelo de referência. Estes métodos são, no entanto, comumente desenvolvidos para tratar o problema de seguimento de referência, em detrimento do comportamento relativo à perturbação de carga. Nesse sentido, recentemente foi desenvolvido o método de controle baseado em dados Virtual Disturbance Feedback Tuning – VDFT, que pode ser interpretado como um método de controle por modelo de referência para perturbação, em que o controlador é sintonizado para alcançar em malha fechada o comportamento regulatório especificado. A escolha no entanto do modelo de referência para perturbação mostra-se desafiadora, especialmente considerando o cenário em que pouca ou nenhuma informação sobre o modelo paramétrico do sistema está disponível. Dessa forma, este trabalho tem como objetivo estudar o impacto da escolha deste modelo sobre a sintonia do controlador utilizando o método VDFT e propor uma abordagem sistemática para lidar com essa variável de projeto. A solução aqui concebida é a de flexibilizar o modelo de referência para perturbação e identificar parte do seu numerador juntamente aos parâmetros do controlador que, associada a um conjunto de diretivas de projeto, permitem aproximar o comportamento em malha fechada do inicialmente especificado. Esse resultado viabiliza a utilização do método VDFT com critério flexível no contexto de uma estrutura hierárquica de controle, em que uma malha externa de controle preditivo é associada à malha de controle por VDFT, evitando a etapa de identificação de um modelo para o processo. Por fim, a formulação do método VDFT, assim como sua adaptação flexível, é estendida a fim de levar em conta processos multivariáveis. Experimentos e resultados em simulação ilustram as contribuições deste trabalho. / Model reference control methods, usually found within data-based control literature, have as main feature the specification of the desired closed-loop performance through a reference model. These methods are however commonly developed to address the set point tracking problem, to the disadvantage of load disturbance rejection. In this sense, the data-based control method Virtual Disturbance Feedback Tuning – VDFT was recently developed, which could be interpreted as a model reference control method for disturbance, in which the controller is tuned in order to reach in closed-loop the specified regulatory behavior. Nonetheless, the choice of the disturbance reference model is challenging, especially considering the scenario where little or no information on the process’ parametric model is available. This work aims therefore to study the impact of the disturbance reference model choice on the controller tuning using the VDFT method and to propose a systematic approach to deal with this design variable. The solution here conceived is to loosen the disturbance reference model and identify part of its numerator along with the controller parameters, which, associated with a set of design directions, allow the closed-loop behavior to be drawn closer to the one initially specified. This result enables the use of the VDFT method with flexible criterion in the context of a hierarchical control structure, in which an external predictive control loop is associated to the VDFT control loop, avoiding thus the identification of a process model. Finally, VDFT method’s formulation, as well as its flexible adaptation, is extended in order to take into account multivariable processes. Experiments and simulation results illustrate the contributions of this work.

A aplicação de técnicas de controle multivariáveis com o auxílio de ferramentas computacionais vem sendo bastante empregada em projetos de sistemas de controle complexos, que tem como base o conceito de variáveis de estado. Neste trabalho, visamos desenvolver um sistema de controle seguidor com realimentação de estados para um protótipo de um sistema de hélices paralelas onde a dinâmica é não linear e possui três graus de liberdade sendo dois graus de liberdade controlados. Serão utilizados dois modelos matemáticos: um modelo linear e um modelo não linear. A representação linear será utilizada para gerar as matrizes de ganho do sistema de controle. O modelo não linear é obtido através de prototipagem virtual no ambiente de desenvolvimento ADAMS®, que utiliza técnicas de modelagem de sistemas multicorpos para a obtenção das equações dinâmicas do movimento. Em seguida o modelo não linear é exportado para o ambiente de simulações em MATLAB®. A simulação é utilizada para verificar se a técnica de controle linear utilizada tem a capacidade de controlar o sistema não linear e analisar o comportamento do conjunto controlador mais a planta não linear já que está sendo feita atribuição de auto-estrutura completa. Os resultados obtidos ilustram o desempenho e a eficiência da metodologia proposta. / The application of multivariable control techniques with the aid of computing tools has been largely used in projects of complex control systems that are based on the concept of state-variables. The objective of this paper is to show the development of a tracking-system with state-feedback for a prototype of a parallel propeller system presenting nonlinear dynamics with three degrees-of-freedom but having only two controlled. Two mathematical models are used: a linear model and a nonlinear model. The linear representation is used to design the gain matrices of the linear control system. The nonlinear model is obtained through the virtual prototyping environment system ADAMS®, using modeling techniques of multi-body systems to obtain the dynamic motion equations. Then, the nonlinear model is exported to SIMULINK® (MATLAB®). The simulation is used to verify if the applied linear control techniques are able to control the nonlinear model and to analyze the system behavior (control system plus nonlinear plant). The design of the control system is done using the entire eigenstructure assignment technique. The results show the performance and the efficiency of the proposed methodology.

o trabalho tem como objetivo o estudo e a aplicação da técnica de hardware-in-the-loop como uma ferramenta de suporte no processo de desenvolvimento de uma mão artificial robótica. Os esforços se concentram no desenvolvimento de um ambiente computacional e um ambiente experimental para trabalharem em conjunto e simultaneamente. No ambiente computacional foi desenvolvido o modelo do sistema simulado em tempo real. No ambiente experimental, partes do protótipo da mão robótica foram implementadas. Em ambos os casos, foram desenvolvidos e empregados um controlador seguidor multivariável. Adotando este tipo de abordagem, partes do sistema simulado em tempo real poderão ser substituídas - à medida de suas necessidades - por partes físicas, como por exemplo: sensores, atuadores e novos hardwares de controle, possibilitando uma considerável redução de investimento em hardware e de tempo de projeto. / The purpose of this work is the study and the application of the hardware-in-the-loop technique as a support tool in the development process of an artificial robotic hand. The efforts concentrate on the development of a computational and experimental environment to work together and simultaneously. In the computational environment, the simulated system model was developed in real-time. In the experimental environment, prototype parts of the robotic hand were implemented. In both cases, a multivariable controIler was developed and utilized. By adopting this approach, parts of the system simulated in real time can be substituted - according to the needs - by physical parts, such as: sensors, actuators, and new control hardware, allowing a considerable investment reduction in hardware and in time of project.

Atualmente, existe uma grande variedade de metodologias de controle que poderiam ser utilizadas e aplicadas a processos industriais. Algumas destas metodologias têm um projeto complexo, exigindo um estudo extra de engenharia para projetar um controlador com um desempenho excelente. Outros controladores não apresentam um desempenho tão bom, embora apresentem um projeto extremamente simples. Entre a mais simples e a mais complexa metodologia, existem soluções de controle intermediárias, baseadas nas teorias de controle ótimo, que apresentam uma relativa simplicidade de projeto combinada com um desempenho superior. A presente tese apresenta a aplicação de duas técnicas de controle aplicadas a uma Rede de Trocadores de Calor (RTC) com bypasses: o controle LQR (Regulador Linear Quadrático) e o controle H-Infinito, apresentando os resultados obtidos em simulação no Matlab/Simulink e também resultados experimentais. Além disso, foi desenvolvido um procedimento para a validação experimental de um modelo matemático do trocador de calor casco e tubo 1-1 proposto por NOVAZZI (2006). A obtenção dos resultados experimentais foi realizada através de uma RTC em escala piloto, projetada e construída no Laboratório de Engenharia Química do Centro Universitário da FEI, com a instrumentação necessária e devidamente interconectada a um computador PC através de uma placa de aquisição de dados. A simulação e os ensaios experimentais realizados com os controladores LQR e H-Infinito aplicados na RTC apresentaram resultados adequados quando comparados à dinâmica da RTC em malha aberta (600s.), pois exigiram em torno de 200s. para impor uma mudança de setpoint ou rejeitar os distúrbios aplicados na vazão fria e na temperatura quente de entrada. Além disso, os controladores foram capazes de eliminar as interações entre as variáveis de processo. / Nowadays, there are a lot of different control methodologies that could be used on industrial processes. Some of these methodologies have a complex design and also demands an extra engineering effort to design the controller with a superior performance. Some other controllers may not lead to a desirable performance although they are too easy to design. Midway between the simplest and the most complex controller designs, there are an intermediate solutions based on optimal control theory, that present a relative simplicity in design combined with a superior performance. The contribution of this work is to apply the LQR control (Linear Quadratic Regulator) and the H-Infinity control on a Heat Exchanger Network (HEN) with bypasses, presenting the simulations and the experimental results. An experimental validation of the shell and tube heat exchanger mathematical model was successfully developed based on a procedure proposed. The experimental results were obtained with an HEN assembled on the Chemical Engineering Laboratory located at Centro Universitario da FEI. The instrumentation was adequately performed and the signals were interconnected on PC computer by using a data acquisition card. The simulation and the experimental results with the LQR and the H-Infinity control demanded 200s. to achieve a new steady state hen disturbances or set point variation were applied on the HEN. Compared with the HEN setting time (600s.), the controllers demonstrated reasonable results to perform a disturbance rejection and a set point variation.

自從Engle（1982）觀察金融資產報酬序列具有波動叢聚的現象，進而提出自迴歸條件變異數異質（Autoregressive Conditional Heteroskedasticity）模型後，解決了傳統的時間序列模型如自我迴歸移動平均（Autoregressive Moving Average；簡稱ARMA）模型在財務金融的實證研究上對變異數異質（Heteroskedasticity）的現象不能做有效解釋的問題後。陸續的延申模型如Bollerslev（1986）一般化自我迴歸條件異質變異（General Autoregressive Conditional Heteroskedasticity；簡稱GARCH）模型、Chou（1988）的GARCH - M（General Autoregressive Conditional Heteroskedasticity in Mean；簡稱GARCH - M）模型，已廣泛的應用於分析股票市場股價持續波動的問題上。 同時，由於國際股市間通常存在著訊息傳遞的現象，國際股市波動命題已在學術界廣泛的被討論，因此本文選取與台灣經濟景氣息息相關的美國、日本來分析訊息的傳遞型式，並且討論風險貼水項在解釋股價指數報酬上是否具有解釋能力。此外，若美、日、台三地的股價指數無法擊敗隨機漫步模型Ⅰ，則三地股票市場是效率市場，股價指數將是完全隨機不可預測的，因此本文經由BDS檢定方法來檢定隨機漫步模型Ⅰ是否足以表徵三地的價格過程，做為在是否進行多變數GARCH模型估計的參考。同時，若市場間的非同步現象嚴重的話將對估計結果產生影響，因此，本文也對三地股市非同步現象加以探討，視其是否有非同步調整的必要再加以調整，以避免估計時產生誤差。 接著，本文亦就股價指數歷史資料橫斷面探討國際間股市的互動性，經由Tank and Kwok（1997）模型加以延申，進行台灣、美國、日本國際投資組合多角化效益之分析，探討的命題主要是週末效果、元月效果，和Rogalski效果是否顯著存在於台灣、美國、日本股票市場，即分析上述效果是否對國際投資組合均報酬、報酬波動、風險分散利益產生影響。 總言之，經由上述的實證過程，將使我們對美、日、台股市具有更進一步的了解。同時，三地股票市場訊息的連結與傳遞型式分析，也可做為投資人在進行股票市場投資與國際投資組合建構時的決策參考。

Ce travail a pour but de mesurer les concentrations en polluants atmosphériques à l'aide de capteurs à base d'un semi-conducteur métallique, le dioxyde d'étain. Ceux-ci ont été testés avec deux gaz réducteurs qui sont le monoxyde de carbone (0-20 ppm) et un mélange d'hydrocarbures (0-10 ppm) et deux gaz oxydants qui sont l'ozone (0-500 ppb) et le dioxyde d'azote (0-500 ppb). Un des inconvénients majeurs de ce type de capteur est leur manque de sélectivité. Ainsi l'association de plusieurs capteurs différents dans des systèmes multicapteurs peut être une solution à ce problème.<br />Nous avons mis au point un banc de mesure automatisé capable de générer les concentrations appropriées de gaz avec un taux d'humidité contrôlé. Il permet d'effectuer l'acquisition en continu de quatre dispositifs (mono ou multicapteurs) en cycles de température. <br />Nous avons suivi l'évolution des performances de différents capteurs élaborés par sérigraphie au cours du temps. Au terme de ces expériences, nous avons montré l'intérêt de l'utilisation de certains de ces capteurs pour deux composantes majeures de pollution : l'ozone et les hydrocarbures. Lors de ce travail, les effets capacitifs et les effets d'électrode ne se sont pas révélés être des paramètres utiles pour notre application. Néanmoins, les montées en température sont porteuses d'informations supplémentaires.<br />Ainsi, deux systèmes multicapteurs ont été réalisés. L'un associe trois capteurs indépendants et l'autre consiste en trois couches déposées sur un même substrat chauffant. Ces trois couches sont initialement identiques (dioxyde d'étain) mais deux sont recouvertes d'une couche mince, de platine pour l'un et de silice pour l'autre. De plus, un système constitué de trois capteurs commerciaux fonctionnant en isotherme a aussi été testé. Pour chacun des systèmes étudiés, nous avons construit des modèles de comportement à l'aide d'un algorithme dit de « Réseaux de Neurones ». Alors que les modèles réalisés à l'aide de mélanges gazeux synthétiques se sont révélés inutilisables pour des mesures en pollution réelle, il a été montré qu'un modèle étalonné directement avec de l'air prélevé en milieu urbain se révèle efficace pour la mesure des concentrations en ozone et en hydrocarbures. La portabilité de ces modèles entre différents multicapteurs de même type a été prouvée, mais leur durée de vie s'est avérée limitée à une dizaine de jours.

La commande en logique floue permet de s'affranchir de l'utilisation de modèles mathématiques parfois difficiles à obtenir. Sa capacité à traduire la connaissance d'un opérateur humain en règles d'expertise énoncées dans un langage simple en fait une technique très prometteuse. Néanmoins, lorsque le nombre de variables entrant en jeu devient trop important, la base de règles explose très vite, et des problèmes liés à sa réalisation pratique en découlent. Cette thèse s'inscrit dans la mouvance des travaux actuels sur la commande floue et s'attache au problème de l'explosion combinatoire du nombre de règles. Dans une première partie, les principes de base de la logique floue et de la commande floue sont rappelés. Dans une deuxième partie, des solutions visant à simplifier la synthèse d'un contrôleur flou sont présentées. Deux cas sont considérés : la base de règles existe déjà, la base de règles n'est pas disponible et la synthèse d'un contrôleur flou de complexité réduite est à réaliser. Dans la pratique, on ne dispose généralement pas de cette base de règles, aussi, on insiste davantage sur le deuxième cas de figure. Une fois la structure du contrôleur flou défini, le nombre de paramètres à régler pouvant atteindre un nombre important, il est intéressant d'utiliser des techniques d'apprentissage afin d'automatiser la mise au point du contrôleur flou. Les paramètres de ce dernier (gains et fonctions d'appartenance, en entrée et en sortie) sont ici réglés à travers la méthode, très simple, de descente du gradient. Dans une troisième partie, la démarche proposée dans ce mémoire est appliquée avec succès à la commande de deux processus multivariables : un bac mélangeur et un procédé biologique de traitement des eaux-usées.

Industrirobotar är idag en väsentlig del i tillverkningsindustrin där de bland annat används för att minska kostnader, öka produktivitet och kvalitet och ersätta människor i farliga eller slitsamma uppgifter. Höga krav på noggrannhet och snabbhet hos robotens rörelser innebär också höga krav på de matematiska modeller som ligger till grund för robotens styrsystem. Modellerna används där för att beskriva det komplicerade sambandet mellan robotarmens rörelser och de motorer som orsakar rörelsen. Tillförlitliga modeller är också nödvändiga för exempelvis mekanisk design, simulering av prestanda, diagnos och övervakning. En trend idag är att bygga lättviktsrobotar, vilket innebär att robotens vikt minskas men att den fortfarande kan hantera en lika tung last. Orsaken till detta är främst att minska kostnaden, men också säkerhetsaspekter spelar in. En lättare robotarm ger dock en vekare struktur där elastiska effekter inte längre kan försummas i modellen om man kräver hög prestanda. De elastiska effekterna beskrivs i den matematiska modellen med hjälp av fjädrar och dämpare. Denna avhandling handlar om hur dessa matematiska modeller kan tas fram genom systemidentifiering, vilket är ett viktigt verktyg där mätningar från robotens rörelser används för att bestämma okända parametrar i modellen. Det som mäts är position och moment hos robotens alla motorer. Identifiering av industrirobotar är ett utmanande problem bland annat eftersom robotens beteende varierar beroende på armens position. Den metod som föreslås i avhandlingen innebär att man först identifierar lokala modeller i ett antal positioner. Var och en av dessa beskriver robotens beteende kring en viss arbetspunkt. Sedan anpassas parametrarna i en global modell, som är giltig för alla positioner, så att den så väl som möjligt beskriver det lokala beteendet i de olika positionerna. I avhandlingen analyseras olika metoder för att ta fram lokala modeller. För att få bra resultat krävs att experimenten är omsorgsfullt utformade. För att minska osäkerheten i den globala modellens identifierade parametrar ingår också valet av optimala positioner för experimenten. Olika metoder för att identifiera parametrarna jämförs i avhandlingen och experimentella resultat visar användbarheten av den föreslagna metoden. Den identifierade robotmodellen ger en bra global beskrivning av robotens beteende. Resultatet av forskningen har även gjorts tillgängligt i ett datorverktyg för att noggrant kunna ta fram lokala modeller och identifiera parametrar i dynamiska robotmodeller. / Industrial robots are today essential components in the manufacturing industry where they are used to save costs, increase productivity and quality, and eliminate dangerous and laborious work. High demands on accuracy and speed of the robot motion require that the mathematical models, used in the motion control system, are accurate. The models are used to describe the complicated nonlinear relation between the robot motion and the motors that cause the motion. Accurate dynamic robot models are needed in many areas, such as mechanical design, performance simulation, control, diagnosis, and supervision. A trend in industrial robots is toward lightweight robot structures, where the weight is reduced but with a preserved payload capacity. This is motivated by cost reduction as well as safety issues, but results in a weaker (more compliant) mechanical structure with enhanced elastic effects. For high performance, it is therefore necessary to have models describing these elastic effects. This thesis deals with identification of dynamic robot models, which means that measurements from the robot motion are used to estimate unknown parameters in the models. The measured signals are angular position and torque of the motors. Identifying robot models is a challenging task since an industrial robot is a multivariable, nonlinear, unstable, and resonant system. In this thesis, the unknown parameters (typically spring-damper pairs) in a physically parameterized nonlinear dynamic model are identified, mainly in the frequency domain, using estimates of the nonparametric frequency response function (FRF) in different robot configurations/positions. Each nonparametric FRF then describe the local behavior around an operating point. The nonlinear parametric robot model is linearized in the same operating points and the optimal parameters are obtained by minimizing the discrepancy between the nonparametric FRFs and the parametric FRFs (the FRFs of the linearized parametric robot model). Methods for estimating the nonparametric FRF from experimental data are analyzed with respect to bias, variance, and nonlinearities. In order to accurately estimate the nonparametric FRF, the experiments must be carefully designed. To minimize the uncertainty in the estimated parameters, the selection of optimal robot configurations/positions for the experiments is also part of the design. Different parameter estimators are compared in the thesis and experimental results show the usefulness of the proposed identification procedure. The identified nonlinear robot model gives a good global description of the dynamics in the frequency range of interest. The research work is also implemented and made easily available in a software tool for accurate estimation of nonparametric FRFs as well as parametric robot models.

For high-voltage direct-current (HVDC) transmission, the strength of the ac system is important for normal operation. An ac system can be considered as weak either because its impedance is high or its inertia is low. A typical high-impedance systemis when an HVDC link is terminated at a weak point of a large ac system where the short-circuit capacity of the ac system is low. Low-inertia systems are considered to have limited number of rotating machines, or no machines at all. Examples of such applications can be found when an HVDC link is powering an isand system, or if it is connected to a wind farm. One of the advantages of applying a voltage-source converter (VSC) based HVDC systemis its potential to be connected to very weak ac systems where the conventional linecommutated converter (LCC) based HVDC system has difficulties. In this thesis, the modeling and control issues for VSC-HVDC links connected to weak ac systems are investigated. In order to fully utilize the potential of the VSC-HVDC system for weak-ac-system connections, a novel control method, i.e., powersynchronization control, is proposed. By using power-synchronization control, the VSC resembles the dynamic behavior of a synchronous machine. Several additional functions, such as high-pass current control, current limitation, etc. are proposed to deal with  issues during operation. For modeling of ac/dc systems, the Jacobian transfer matrix is proposed as a unified modeling approach. With the ac Jacobian transfer matrix concept, a synchronous ac system is viewed upon as one multivariable feedback system. In the thesis, it is shown that the transmission zeros and poles of the Jacobian transfer matrix are closely related to several power-system stability phenomena. The similar modeling concept is extended to model a dc system with multiple VSCs. It is mathematically proven that the dc system is an inherently unstable process, which requires feedback controllers to be stabilized. For VSC-HVDC links using power-synchronization control, the short-circuit ratio (SCR) of the ac system is no longer a limiting factor, but rather the load angles. The righthalf plane (RHP) transmission zero of the ac Jacobian transfer matrix moves closer to the origin with larger load angles, which imposes a fundamental limitation on the achievable bandwidth of the VSC. As an example, it is shown that a VSC-HVDC link using powersynchronization control enables a power transmission of 0.86 p.u. from a system with an SCR of 1.2 to a system with an SCR of 1.0. For low-inertia systemconnections, simulation studies show that power-synchronization control is flexible for various operation modes related to island operation and handles the mode shifts seamlessly. / QC20100607