Made available in DSpace on 2015-03-03T15:07:34Z (GMT). No. of bitstreams: 1 BrenoMMA_DISSERT.pdf: 2152939 bytes, checksum: 11e98e5a221057a9bd3545dd9b777bb5 (MD5) Previous issue date: 2012-04-12 / Coordena??o de Aperfei?oamento de Pessoal de N?vel Superior / This research aims at developing a variable structure adaptive backstepping controller (VS-ABC) by using state observers for SISO (Single Input Single Output), linear and time invariant systems with relative degree one. Therefore, the lters were replaced by a Luenberger Adaptive Observer and the control algorithm uses switching laws. The presented simulations compare the controller performance, considering when the state variables are estimated by an observer, with the case that the variables are available for measurement. Even with numerous performance advantages, adaptive backstepping controllers still have very complex algorithms, especially when the system state variables are not measured, since the use of lters on the plant input and output is not something trivial. As an attempt to make the controller design more intuitive, an adaptive observer as an alternative to commonly used K lters can be used. Furthermore, since the states variables are considered known, the controller has a reduction on the dependence of the unknown plant parameters on the design. Also, switching laws could be used in the controller instead of the traditional integral adaptive laws because they improve the system transient performance and increase the robustness against external disturbances in the plant input / Esta pesquisa objetiva desenvolver um controlador adaptativo backstepping a estrutura vari?vel (Variable Structure Adaptive Backstepping Controller, VS-ABC) utilizando observadores de estado para plantas monovari?veis, lineares e invariantes no tempo com grau relativo unit?rio. Para isso, os filtros K foram substitu?dos por um Observador Adaptativo de Luenberger e o algoritmo de controle utiliza leis chaveadas. As simula??es apresentadas comparam o desempenho do controlador quando as vari?veis de estado s?o estimadas por um observador, com o caso em que as vari?veis est?o dispon?veis para medic?o. Os controladores adaptativos backstepping mesmo com v?rias vantagens de desempenho, ainda possuem algoritmos muito complexos, principalmente quando n?o s?o medidas as vari?veis de estado do sistema, pois o uso de filtros nos sinais de entrada e sa?da da planta n?o ? algo trivial. Na inten??o de tornar o projeto do controlador mais intuitivo, pode-se utilizar um observador adaptativo em alternativa aos comumente utilizados filtros K. Al?m disso, o controlador tem uma menor depend?ncia dos par?metros desconhecidos da planta na fase de projeto, ja que as vari?veis de estado s?o consideradas conhecidas. E ainda, leis chaveadas podem ser utilizadas no controlador em vez das leis integrais tradicionais porque melhoram o desempenho transit?rio do sistema e aumentam a robustez perante dist?rbios externos na entrada da planta

Submitted by Renata Lopes (renatasil82@gmail.com) on 2017-03-03T13:37:53Z No. of bitstreams: 1 eduardodasilvacastro.pdf: 10234661 bytes, checksum: c58d694820eabc593fe5f1b06aa4f93d (MD5) / Approved for entry into archive by Adriana Oliveira (adriana.oliveira@ufjf.edu.br) on 2017-03-06T20:14:38Z (GMT) No. of bitstreams: 1 eduardodasilvacastro.pdf: 10234661 bytes, checksum: c58d694820eabc593fe5f1b06aa4f93d (MD5) / Made available in DSpace on 2017-03-06T20:14:38Z (GMT). No. of bitstreams: 1 eduardodasilvacastro.pdf: 10234661 bytes, checksum: c58d694820eabc593fe5f1b06aa4f93d (MD5) Previous issue date: 2011-02-02 / CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Com o desenvolvimento de novas tecnologias nas áreas de materiais, equipamentos eletrônicos e computação, a concepção de projetos estruturais vem sendo alterada. Estruturas cada vez mais leves e esbeltas vêm sendo construídas, o que, em alguns casos, tem levado a problemas de vibrações excessivas. Como forma de solucionar tais problemas pode-se empregar técnicas de controle ativo. O controle ativo estrutural consiste basicamente em impor forças de controle à estrutura visando a redução das amplitudes de vibração. Normalmente utiliza-se atuadores como macacos hidráulicos para a imposição das forças de controle. Uma das ferramentas mais importantes usadas na concepção de um sistema de controle ativo são os algoritmos numéricos usados no cálculo das forças de controle. Em geral estes algoritmos são baseados na resposta monitorada da estrutura e a eficácia do sistema de controle está diretamente ligada à qualidade dos algoritmos empregados. Dentre os algoritmos usados no controle ativo estão aqueles decorrentes do controle ótimo, definido por um regulador quadrático para sistemas de comportamento linear. Nesse caso, para o cálculo das forças de controle é necessária a determinação da matriz de Riccati, obtida através de métodos tais como: o algoritmo de Potter, o método da retro-integração temporal, o algoritmo LQR e o algoritmo baseado no método de Newton- Raphson, proposto nesta dissertação de mestrado. Um dos grandes obstáculos para a aplicação do controle ótimo em estruturas reais é que, em geral, os algoritmos de controle demandam o monitoramento de todos os graus de liberade (GLs) da estrutura. Alternativamente, pode-se utilizar métodos para a estimativa das respostas dinâmicas dos GLs não monitorados tais como os algoritmos denominados observadores apresentados neste trabalho. Finalmente pode-se afirmar que os ruídos inerentes aos sinais dos GLs monitorados podem prejudicar a qualidade do controle ativo. Desta forma faz-se também neste trabalho a avaliação da aplicação do filtro Kalman-Bucy visando a redução das perturbações geradas pelos ruídos em sistemas de controle ativo. Em suma, faz-se nesse trabalho uma avaliação de algoritmos numéricos aplicados ao controle ativo de vibrações mecânicas onde três aspectos inerentes aos algoritmos de controle são abordados: 1) exatidão no cálculo da matriz de Riccati; 2) eficiência do uso de algoritmos com a metodologia dos observadores de estado para estimativa de GLs não monitorados; 3) eficiência do uso do filtro de Kalman-Bucy para a redução de perturbações do sistema de controle geradas por ruídos. Os resultados obtidos mostram que o uso do algoritmo de Newton-Raphson, proposto neste trabalho, apresenta valores mais precisos para a determinação da Matriz de Riccati, levando a maiores reduções de vibrações com maiores magnitudes de forças de controle. Nota-se também que a técnica dos observadores de estado e do filtro de Kalman-Bucy se mostram eficientes nos sistemas de controle analisados. / With the development of new technologies in materials, electronics and computing, the conception of structural projects has been changed. Structures are getting lighter and slender, which in some cases, leads to vibration problems. Those problems can be solved with techniques of active control. The structural active control consists basically on imposing control forces on a structure aiming to reduce the amplitude of vibration. Usually hydraulic actuators are used for the imposition of control forces. One of the most important tool used in an active control system conception are numerical algorithms employed in the calculation of controlling forces. In general these algorithms are based on the response sensors of the structure and the efficiency of the control system is directly related to the quality of the employed algorithms. Among the algorithms used in active control are those arising from optimal control, wich are defined by a quadratic regulator for linear system. In this case, for the calculation of controlling forces is necessary to determine Riccati matrix, which may be obtained by means of Potter’s algorithm, the method of backward integration in time, the LQR algorithm and the algorithm based on Newton-Raphson method, proposed in this dissertation. One of the greatest obstacles for the application of optimal control in real structures is the need for control algorithms, in general, to request a monitoring of all degrees of freedom (DFs) of the structure. Alternatively, one way use methods for estimating the dynamic response of non-sensored DFs. This work presents the analysis of algorithms called state observers used in active control of structures. Finally it can be affirmed that the noise inherent to the DFs signs monitored may harm the quality of the active control. Thus it is also evaluated the implementation of Kalman-Bucy filter in order to reduce the disturbances generated by the noise in control system with state observers. In short, this work is an evaluation of numerical algorithms applied to active control of vibration and the aspects related to control algorithm are: 1) accuracy in the calculation of the Riccati matrix; 2) efficiency in the use of algorithms with the methodology of state observers to estimate unmonitored DFs, 3) influence of noise on the efficiency of active control of structures with state observers. The presented results support the conclusion that the proposed Newton-Raphson algorithm provides more precise values for the Riccati Matrix determination, leading to a better performance of control system. It was also noticed that the techniques of state observers and Kalman-Bucy filter had also good performance for the studied models.

Orientador: Gilberto Pechoto de Melo / Resumo: O uso da metodologia de observadores de estado para detecção de dano requer a análise da observabilidade do modelo físico-matemático do sistema e aponta para a necessidade de posicionar sensores de forma otimizada. Visto que plataformas veiculares podem se apresentar como sistemas com amortecimento não proporcional, é apresentada uma metodologia para o cálculo de índices de posicionamento H2 para este tipo de sistema. Para a plataforma veicular analisada com amortecimento proporcional, índices de posicionamento H2 são comparados com índices grammianos, sendo demonstrado que ambos resultam em uma mesma configuração ótima de sensores. A análise da observabilidade é conduzida a partir dos principais modos de vibrar , sendo utilizada a norma H2 para definição de quais modos devem ser retidos no modelo reduzido. Observadores robustos, atuando em paralelo com o sistema, são utilizados para localização e quantificação da severidade do dano. É mostrado que, para plataformas veiculares excitadas pela base com deslocamentos do tipo degrau, um índice de dano que compara as saídas medidas e estimadas permite alcançar este objetivo. / Abstract: The use of state observer's methodology for damage detection requires the observability analysis of the physical-mathematical model of the system and points to the need of positioning sensors optimally. Since vehicle platforms can be presented as systems with non-proportional damping, a methodology for calculating H2 positioning indices for this type of system is presented. For the vehicle platform analyzed with proportional damping, H2 positioning indices are compared with Grammian indices, showing that both result in the same optimal sensor con guration. The observability analysis is conducted from the main modes of vibration, using the H2 norm to define which modes should be retained in the reduced model. Robust observers acting in parallel with the system are used to locate and quantify the severity of the damage. It is shown that, for vehicle platforms stimulated by the base with step-type displacements, a damage index that compares the measured and estimated outputs reaches this goal. / Mestre

En la presente tesis se desarrolla un sistema de control de la mezcla de aire y gasolina en un motor alternativo de cuatro tiempos, basado en redes neuronales. Para que el catalizador logre un grado de depuración aceptable con todos los gases contaminantes simultáneamente, debe mantenerse la proporción de aire y combustible, dentro de una banda muy estrecha. En estado estacionario, este objetivo se cumple sin demasiados problemas, pero el funcionamiento habitual de un vehículo es en régimen muy transitorio, donde los sistemas convencionales no logran evitar desviaciones importantes del punto de consigna. Estos se basan además en una gran cantidad de tablas estáticas, que deben calibrarse de forma experimental, lo cual es bastante costoso tanto en tiempo como en dinero.Para evitar estos problemas se ha diseñado un modelo matemático de un motor, que comprende todo el proceso de formación de la mezcla, sensores, la generación del par motor y la dinámica del vehículo. La realización final se ha realizado en el lenguaje de simulación MatLab/Simulink®. Los datos requeridos son fácilmente obtenibles bien por metrología, bien de forma experimental. Se ha validado con un motor SEAT de 1,6 l y 74 kW.Como primer paso se ha aplicado una estrategia de control convencional bastante simple, consistente en un controlador feedforward estático, más un controlador feedback de tipo PI ó PID. Esto ha permitido el estudio de las principales características del motor desde el punto de vista de control. Con los resultados obtenidos se ha diseñado un observador basado en una red neuronal, que elimine los retardos puros del sistema y que pueda ser utilizado para cerrar el lazo de control. Primero se ha usado una red feedforward, pero vistos los malos resultados, se ha desarrollado una red neuronal recurrente a partir de la red de Elman, que se ha modificado convenientemente para adaptarla a las dificultades propias del problema. El algoritmo de entrenamiento utilizado se basa en el de retropropagación clásico, y modifica no sólo los pesos entre capas, sino también los correspondientes a las neuronas de contexto, las cuales permiten memorizar estados internos. La principal mejora consiste en separar las neuronas de contexto en tantos grupos como entradas tiene la red, y entrenarlos por separado, de modo que cada grupo se adapte a la dinámica particular de la entrada a la que va asociado. Se muestra mediante simulación el comportamiento del conjunto motor más observador en lazo cerrado, y se compara con el esquema convencional. Se prueba asimismo la robustez del sistema frente a distintas consignas, ruido en la planta y defectos de sintonía. / In the present thesis a control system for the air-fuel mixture in a reciprocating four-stroke engine is developed, based on neural networks. The air-fuel ratio has to be kept within a very narrow window so that the catalyst achieves an acceptable degree of purification simultaneously with all the polluting gases. In steady state, this goal can be fulfilled without difficulties, but the usual operation of a vehicle is in a very transient state, where the conventional systems are not able to avoid important excursions from the set point. They also rely on a great number of look-up tables, which have to be tuned experimentally, thus with an enormous investment of money and time.To avoid those problems a mathematical model of an engine has been designed, in such a way that it comprises of the whole mixture formation process, sensors, the torque generation and the vehicle dynamics. Finally it has been implemented in the simulation language MatLab/Simulink®. The required data is easily available both from metrology, and experimental work. It has been validated with a 1,6 litre 74 kW SEAT engine.As a first step, a quite simple conventional control strategy has been applied, consisting of a static feedforward controller, and a PI or PID feedback controller. This has permitted studying the main features of the engine from the control point of view.With the obtained results an observer based on a neural network has been designed, which eliminates the delays of the system and that can be used to close the control loop. First a feedforward network has been used, but due to the bad results, a recurrent neural network has been developed starting from the Elman network, which has been properly modified in order to adapt it to the characteristic difficulties of the problem. The training algorithm used is based on that of classical backpropagation, and it modifies not only the weights interconnecting different layers, but also those corresponding to the context neurons, which allow the memorising of internal states. The main improvement consists in separating the context neurons in as many groups as the network has inputs, and to train them separately, so that each group adapts to the particular dynamics of the input with which it is associated. The behaviour of the engine plus the observer in closed loop is shown by means of simulation, and is compared with the conventional scheme. It is proven the robustness of system response to different set points, noise in the plant and tuning defects.

Made available in DSpace on 2016-08-31T13:33:39Z (GMT). No. of bitstreams: 1 ClaytonAMO_DISSERT.pdf: 1420692 bytes, checksum: 6fff19d912e4ebade2d582644a6d1364 (MD5) Previous issue date: 2014-02-21 / In this paper, we propose an appropriate genetic algorithm to design state observers for multivariable control systems, which response time meets the specifications previously provided by the user of the system, in terms of the maximum overshoot, and in terms of the settling time. For this, will be designed and evaluated different forms of initialization and different forms of setup the genetic algorithm. Furthermore, we intend to investigate the performance results of this technique in control systems utilizing state observers full order or reduced order. Through this analysis, intend to contribute to the specification of an appropriate genetic algorithm to design state observers for multivariable control systems, by making this an efficient alternative to traditional methods in the literature / Neste trabalho, será proposto um algoritmo genético adequado ao projeto de observadores de estado para sistemas de controle multivariável, cuja resposta temporal atenda às especificações previamente fornecidas pelo usuário do sistema, tanto em termos do máximo sobressinal, quanto em termos do tempo de acomodação. Para isso, serão concebidas e avaliadas diferentes formas de inicialização e diferentes formas de configuração de algoritmo genético. Por outro lado, pretende-se investigar os resultados de desempenho desta técnica em sistemas de controle que utilizem os observadores de estado de ordem plena, ou de ordem reduzida. Por meio desta análise, pretendemos contribuir com a especificação de um algoritmo genético adequado ao projeto de observadores de estado para sistemas de controle multivariável, fazendo-se desta uma alternativa eficiente aos métodos tradicionais presentes na literatura

Nesta Dissertação são propostos dois esquemas de controle para sistemas não-lineares com atraso. No primeiro, o objetivo é controlar uma classe de sistemas incertos multivariáveis, de grau relativo unitário, com perturbações não-lineares descasadas dependentes do estado, e com atraso incerto e variante no tempo em relação ao estado. No segundo, deseja-se controlar uma classe de sistemas monovariáveis, com parâmetros conhecidos, grau relativo arbitrário, atraso arbitrário conhecido e constante na saída. Admitindo-se que o atraso na entrada pode ser deslocado para a saída, então, o segundo esquema de controle pode ser aplicado a sistemas com atraso na entrada. Os controladores desenvolvidos são baseados no controle por modo deslizante e realimentação de saída, com função de modulação para a amplitude do sinal de controle. Além disso, observadores estimam as variáveis de estado não-medidas. Em ambos os esquemas de controle propostos, garante-se propriedades de estabilidade globais do sistema em malha fechada. Simulações ilustram a eficácia dos controladores desenvolvidos. / Two control schemes for nonlinear time-delay systems are proposed in this thesis. The purpose of the first scheme is to control a class of uncertain multivariable systems, with relative degree one, nonlinear unmatched state dependent disturbances, and uncertain time-varying state delay. The purpose of the second scheme is to control a class of single-input-single-output systems, with known parameters, arbitrary relative degree, with constant and known arbitrary output delay. Assuming that input delays can be transferred to the output, so the second scheme can be applied to systems with input time-delay. The developed controllers are based on sliding mode control and output feedback, with modulation function to the control signal amplitude. Furthermore, observers estimate unmeasured state variables. In both schemes, global stability properties of the closed loop system are guaranteed. Simulations illustrate the effectiveness of the proposed approaches.

Nesta Dissertação são propostos dois esquemas de controle para sistemas não-lineares com atraso. No primeiro, o objetivo é controlar uma classe de sistemas incertos multivariáveis, de grau relativo unitário, com perturbações não-lineares descasadas dependentes do estado, e com atraso incerto e variante no tempo em relação ao estado. No segundo, deseja-se controlar uma classe de sistemas monovariáveis, com parâmetros conhecidos, grau relativo arbitrário, atraso arbitrário conhecido e constante na saída. Admitindo-se que o atraso na entrada pode ser deslocado para a saída, então, o segundo esquema de controle pode ser aplicado a sistemas com atraso na entrada. Os controladores desenvolvidos são baseados no controle por modo deslizante e realimentação de saída, com função de modulação para a amplitude do sinal de controle. Além disso, observadores estimam as variáveis de estado não-medidas. Em ambos os esquemas de controle propostos, garante-se propriedades de estabilidade globais do sistema em malha fechada. Simulações ilustram a eficácia dos controladores desenvolvidos. / Two control schemes for nonlinear time-delay systems are proposed in this thesis. The purpose of the first scheme is to control a class of uncertain multivariable systems, with relative degree one, nonlinear unmatched state dependent disturbances, and uncertain time-varying state delay. The purpose of the second scheme is to control a class of single-input-single-output systems, with known parameters, arbitrary relative degree, with constant and known arbitrary output delay. Assuming that input delays can be transferred to the output, so the second scheme can be applied to systems with input time-delay. The developed controllers are based on sliding mode control and output feedback, with modulation function to the control signal amplitude. Furthermore, observers estimate unmeasured state variables. In both schemes, global stability properties of the closed loop system are guaranteed. Simulations illustrate the effectiveness of the proposed approaches.

Made available in DSpace on 2016-08-17T14:53:08Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Marcio Mendes Cerqueira.pdf: 4042726 bytes, checksum: a65c6a7174271eecc553e3a5b0ceb33a (MD5) Previous issue date: 2010-02-05 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / Motivated by the necessity of efficient algorithms, it s presented the development of a methodology for the design and analysis of state observers in open and closed loops that are dedicated to monitoring and control of dynamic systems. The development of observers are based on OE models, description in state space and Kalman filter. The models are evaluated for temperature control of a aluminum cube that is inside of a sterilizer oven. In addition to the models assessment in terms of its ability to represent behavior of plants, these models also evaluated for the design of discrete linear quadric regulator DLQR that are tuned by genetic algorithms. The monitoring models are evaluated for open and closed loops structures that are represented by algorithms in terms of difference equations, these algorithms are seen as software core for the indirect measurement systems. / Motivado pela necessidade de algoritmos eficientes, apresenta-se o desenvolvimento de uma metodologia para projeto e análise de observadores de estado em malhas aberta e fechada que são dedicados a monitoração e controle de sistemas dinâmicos. O desenvolvimento dos observadores estão fundamentados em modelos OE, descrição no espaço de estados e filtro de Kalman. Os modelos são avaliados para o controle da temperatura de um cubo de alumínio que encontra-se no interior de uma estufa. Além das avaliações dos modelos em termos de sua habilidade em representar comportamento de plantas, estes são também avaliados para o projeto do regulador linear quadrático discreto (RQLD) que são sintonizados por algoritmos genéticos. Aplicação dos modelos para monitoração é avaliada nas estruturas das malhas aberta e fechada que são representadas por algoritmos em da equação à diferença, tendo em vistas o desenvolvimento de núcleos de software para os sistemas de medição indireta.