Submitted by Ranulfo Acir de Oliveira Resende (acir_r@yahoo.com.br) on 2018-07-10T16:42:19Z No. of bitstreams: 1 Tese_Acir.pdf: 2525445 bytes, checksum: 3a47b07dbbf7f67ec6d03ba9b352e27b (MD5) / Approved for entry into archive by Maria Marlene Zaniboni null (zaniboni@bauru.unesp.br) on 2018-07-11T13:20:13Z (GMT) No. of bitstreams: 1 resende_rao_dr_bauru.pdf: 2525445 bytes, checksum: 3a47b07dbbf7f67ec6d03ba9b352e27b (MD5) / Made available in DSpace on 2018-07-11T13:20:13Z (GMT). No. of bitstreams: 1 resende_rao_dr_bauru.pdf: 2525445 bytes, checksum: 3a47b07dbbf7f67ec6d03ba9b352e27b (MD5) Previous issue date: 2018-05-25 / Esta Tese de Doutorado é composta pelo estudo da aplicação de simulações numéricas automatizadas para solucionar problemas de controle ótimo (PCO) não convexos. Um algoritmo para tratar PCOs não convexos é apresentado como a principal contribuição da Tese. Outra contribuição, a estrutura ASAF - Automated Simulation and Analysis Framework, codificada em linguagem Python e baseada em modernas ferramentas de modelagem, simulação, JModelica.org, e otimização, Interior-Point Optimizer (IPOPT), é utilizada como auxílio para aplicação do referido algorítmo. O algoritmo proposto foi testado de forma metodológica com escala métrica e quatro PCOs não convexos com soluções analíticas exatas conhecidas. A viabilidade de aplicação do algoritmo foi verificada por clássicos métodos estatísticos aplicados aos dados das simulações, alcançando-se os resultados esperados e fundamentando-se a possibilidade de se tratar PCOs não convexos de soluções desconhecidas. Assim, esta Tese apresenta uma contribuição relevante para o tratamento de PCOs não convexos, ao propor um algoritmo para, com uso eficaz dos crescentes recursos computacionais de metaprogramação e automatização, obter solução subótima recomendada aceitável. A mediana da efetividade do algoritmo é estimada, a partir de testes estatísticos, em 93%, com significância de 0,05 (95% de confiança). / This doctoral Thesis is comprised by the study of the application of automated numerical simulations to solve nonconvex optimal control problems (OCP). An algorithm to treat nonconvex OCPs is presented as the main contribution of the Thesis. Another contribution of the Thesis, the ASAF-Automated Simulation and Analysis Framework, coded in Python language and based on modern tools of modeling, simulation, JModelica.org, and optimization, Interior-Point Optimizer (IPOPT), is used as an aid in the application of this algorithm. The proposed algorithm was tested by a methodological procedure with a metric scale and four nonconvex OCPs with known exact analytical solutions. The feasibility of using the algorithm was verified by classic statistical methods applied to the simulations data, achieving the expected outcome and grounding the possibility to treat nonconvex OCPs of unknown solutions. Thus, this Thesis presents a relevant contribution to the treatment of nonconvex OCPs, by proposing an algorithm to, upon the effective use of the increasing computer resources of metaprogramming and automation, obtain an acceptable sub-optimal recommended solution. The median of the algorithm effectiveness is estimated, from statistical tests, in 93%, with a significance of 0.05 (95% confidence).

Une vallée hydroélectrique est constituée d'un nombre important de centrales interconnectées du fait de l'utilisation de la même ressource en eau. Pour pouvoir optimiser en temps réel sa production, il a été proposé dans cette thèse d'utiliser les méthodes associées aux systèmes à grande échelle pour développer les outils nécessaires. Cette étude de la commande globale du système a été orientée vers l'utilisation des méthodes de décomposition-coordination. Ces méthodes ont été examinées et appliquées à un cas d'étude simplifié (une partie de la vallée hydraulique) mis à disposition par EDF. Plus particulièrement, les méthodes de décomposition-coordination par les prix, ou encore par les prédictions des interactions, s'appuyant sur des commandes MPC, ont été considérées et comparées avec une commande centralisée. En vue d'une implémentation temps-réel, nous nous sommes intéressés à exprimer les problèmes d'optimisation comme des problèmes QP, pour ensuite obtenir des solutions explicites en utilisant une méthodologie de caractérisation géométrique. Nous avons proposé des formulations complètement explicites (niveau coordinateur et sous-systèmes) pour les deux méthodes. Des résultats de simulation avec des données réelles mises à disposition par EDF sont présentés. Afin de valider les méthodes conçues, une première phase d'implantation sur la plate-forme Supervision NG d'EDF permettant la communication avec un modèle de la vallée hydroélectrique (basé sur les équations de Saint Venant et la bathymétrie de la rivière), est enfin incluse dans ce mémoire. / This study is mainly about the hydroelectric production problem. What we aim to do, is to develop optimization tools for a chain of hydroelectric plants, using appropriate control methodologies. A hydroelectric valley is a large scale system, made up of interconnected plants. The study of the global control system has been focused to the use of decomposition-coordination methods. Those methods have been examined and applied to a simplified case study (a part of a hydroelectric valley) given by EDF. To be more specific, the price decomposition - coordination method and the interactions prediction method, based on MPC controls, have been considered and compared to a centralized control. Because of the need of implementation in real time, we have expressed the optimization problems as QP problems, so as to obtain explicit solutions using the geometric characterization methodology. We have proposed a completely explicit formulation (both at the coordinator level and at the subsystems level) for both methods. Simulation results with real data information given by EDF are also presented. To verify and validate the designed methods, a first step of implementation on the supervision platform NG by EDF, that allows the communication with a model of the hydroelectric valley (based on the equations of Saint Venant and on the river bathymetry) is finally also included in this thesis.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This dissertation presents as the main contribution the design and experimental validation of a robust H2 controller applied to boost converters with variations on the parameters load resistance, input voltage and operating point duty cycle. First, a polytopic model of the plant is presented, allowing to represent all the possible variations of the parameters within intervals previously established. Design conditions for a robust H2 controller, optimal under the quadratic stability, are detailed and used, allowing to efficiently calculate the controller gains. These gains are implemented with analog circuitry and the closed-loop system is tested by means of simulation and experimental results, which show a good match and illustrate a good performance. Finally, the small perturbation rejection capacity of the closed-loop system subject to parametric variations is evaluated using the H∞ guaranteed cost. / Esta dissertação apresenta como principal contribuição o projeto e a validação experimental de um controlador robusto H2 aplicado a conversores boost com variações nos parâmetros resistência de carga, tensão de entrada e razão cíclica do ponto de operação. Primeiramente, um modelo politópico da planta é apresentado, permitindo representar todas as situações de variações possíveis dos parâmetros mencionados, dentro de intervalos previamente estabelecidos. Condições de projeto de um controlador robusto H2, ótimo sob a estabilidade quadrática, são detalhadas e utilizadas, permitindo calcular eficientemente os ganhos do controlador. Estes ganhos são implementados de forma analógica e o sistema em malha fechada é testado por meio de resultados experimentais e de simulação, que apresentam uma boa correspondência e ilustram um bom desempenho. Por fim, a capacidade de rejeição de pequenas perturbações do sistema em malha fechada sujeito a variações paramétricas é avaliada utilizando o custo garantido H∞.

Orientador: Geraldo Nunes Silva / Banca: Valeriano Antunes de Oliveira / Banca: Antônio Carlos Gardel Leitão / Banca: Laécio Carvalho de Barros / Banca: Márcia Cristina A. B. Federson / Resumo: Consideramos nesta tese inclusões dinâmicas vetoriais em escalas de tempo e estendemos para esta classe o resultado de compacidade das trajetórias que, p or sua vez, foi combinado com soluções de Euler, tamb ém intro duzidas nesta tese, para garantir a existência de trajetória qua ndo o camp o vetorial da inclusão dinâmica é semicontínuo sup erior. Porém, quando o camp o vetorial da inclusão dinâmica é semicontínuo inferior, é possível obter uma solução da inclusão dinâmica por meio de uma equação dinâmica cujo campo vetorial é contí nuo. Este campo é um a seleção da multifunção que de ne o camp o vetorial. Consideramos também um problema de controle ó ti mo e mostramos que este possui tra jetória admissível ótima sempre que o conjunto de soluções admissíveis é não-vazio e o campo satisfaz as condições de mensurabilidade, convexidade, compacidade e crescimento linear. Além disso, estendemos o Lema de Filippov para a classe de inclusões dinâmicas para mostrar que é possível fazer uma equivalência total do problema de controle no paradigma de inclusão dinâmica com o problema de controle padrão / Abstract: We consider in this t hes is vectors dynamic inclusions on time scales and extended for this class the result of compactness of the trajectories which, in turn, was combined with Euler solutions, also introduced i n this thesis, t o ensure t he existence of trajectory when the vector eld of t he dynamic inclusi on is upper semicontinuous. However, when the vector eld of the dynamic inclusion is lower semicontinuous, it is possible to obtain a solution of the dynamic inclusion through a dynamic equation whose vector eld is continuous. This eld is a selection of the multifunction de ning the vector eld. We also consider an optimal control problem and we showed that it has an optimal admissible trajectory whenever the admissible solutions set is nonempty and the eld sati s es measurability conditions, conve-xity, compactness and linear growth. Furthermore, we extend the Filippov's Lemma for the class of dynamic inclusions to show that it is possible to do a ful l equivalence of the control problem in the paradigm of dynamic inclusion with the standard control problem / Doutor

Orientador: Geraldo Nunes Silva / Banca: Vilma Alves de Oliveira / Banca: Masayoshi Tsuchida / Resumo: Estamos interessados em estudar uma generalização do Princípio do Máximo de Pontryagin para problema de controle ótimo com restrições mistas envolvendo funções nãodiferenciáveis, pois este princípio não se aplica para todos os tipos de problemas. O principal objetivo deste trabalho é apresentar as condições necessárias de otimalidade na forma do princípio do máximo que serão aplicadas para o problema de controle ótimo com restrições mistas envolvendo funções não-diferenciáveis. Para alcançar este objetivo apresentamos estudos sobre cones normais e cones tangentes os quais são utilizados no desenvolvimento da teoria de subdiferenciais. Após esse embasamento formulamos o problema de controle ótimo envolvendo funções não-diferenciáveis, e apresentamos as condições necessárias de otimalidade. / Abstract: We are interested in study a generalization of the Pontryagin Maximum Principle for optimal control problems with mixed constraints involving nondi erentiable functions, because this principle can not be applied for all the types of problems. The main objective of this work is to present the necessary conditions of optimality in the form of the maximum principle that will be applied for the optimal control problem with mixed constraints involving nondi erentiable functions. To achieve this objective we present studies above normal cones and tangent cones which are used in the development of the theory of subdi erentials. After this foundation we formulate the optimal control problem involving nondi erentiable functions, and we present the necessary conditions of optimality. / Mestre

O aumento do custo e da demanda de energia, juntamente com a escassez de recursos não renováveis e o crescente apelo para a sustentabilidade dos processos, incentiva o desenvolvimento de equipamentos e sistemas mais eficientes mediante a otimização e o controle dos recursos energéticos disponíveis. A proposta deste trabalho consiste em estabelecer uma abordagem termodinâmica para o controle e a otimização de processos visando o aumento da eficiência na operação dos mesmos. Para tanto, foi desenvolvido um problema de controle ótimo formulado com base no critério de eficiência termodinâmica de acordo com a 2ª Lei, com o objetivo de otimizar a transição entre estados com respeito a taxa de geração de entropia do sistema, mantendo as variáveis controladas como restrições de desigualdade dependentes do tempo. A estratégia proposta, chamada COBET (controle baseado na eficiência termodinâmica), foi aplicada a uma coluna de destilação binária para controlar a pureza do destilado e do produto de fundo, manipulando a razão de refluxo e a taxa de transferência de calor do refervedor. O COBET apresentou ajuste simples, tempo computacional razoável e desempenho de controle aceitável, quando comparado com controladores convencionais. Foi proposta uma estratégia alternativa, de modo a aprimorar o COBET, chamada R-COBET, que consiste no uso de restrições adicionais que garantem que as variáveis de controle permaneçam entre o estado inicial e final. O R-COBET obteve um desempenho aceitável, menor integral do erro quadrático das variáveis de controle e maior lucro, quando comparado ao COBET. A fim de demonstrar a aplicabilidade da metodologia proposta a outras funções objetivo, uma função empírica de eficiência baseada na 1ª Lei da Termodinâmica foi determinada e utilizada no problema de controle ótimo, sujeito às mesmas restrições consideradas no controlador R-COBET. Também se aplicou a metodologia proposta a um reator CSTR com o intuito de controlar a temperatura e a concentração do produto, considerando-se o controlador na forma R-COBET, e obteve-se um desempenho similar ao do estudo da coluna de destilação. Com estas análises, concluiu-se que a metodologia proposta pode ser aplicada com sucesso a problemas de controle ótimo com estados final e inicial definidos. / The increasing demand of energy and its rising costs, in addition to the non-renewable resources depletion and to the growing interest in the sustainability in industrial processes, stimulate the development of equipment and systems that are more efficient through the control and optimization of available energy resources. The purpose of this work is to establish a thermodynamic approach to process control and optimization, in order to improve operational efficiency. To this end, it is developed in this work an optimal control problem formulated on the basis of a thermodynamic efficiency criterion, as dictated by the 2nd Law. The principle is to optimize the transition between states with respect to thermodynamic efficiency – regarded as the square of entropy generation rate – while maintaining the controlled variables as time dependent inequality constraints. The proposed strategy, called here TEBC (Thermodynamic Efficiency Based Control) was applied to a binary distillation column in order to control distillate and bottom product purities within specifications while manipulating the reflux ratio and reboiler heat transfer rate. When compared to other controllers, TEBC presented practical tuning, reasonable computational time and acceptable control performance. An alternative strategy was also proposed in order to improve TEBC, called R-TEBC, which considers additional constraints to ensure that control variables remain between the initial and final states. The R-TEBC achieved acceptable performance, smaller integral squared error in the control variables and larger profit, when compared to TEBC. In order to demonstrate the applicability of the proposed methodology to other objective functions, an empirical efficiency function was proposed for the distillation column example and used in the optimal control problem, in the form of a R-TEBC controller. Moreover, an exothermic CSTR reactor with product concentration and reactor temperature as controlled variables was also studied, using additional constraints (R-TEBC), and the results was similar to those obtained in the distillation column. With this analysis, it was concluded that the proposed methodology can be applied to optimal control problems of this kind with fixed initial and final states.

Este trabalho desenvolveu uma metodologia de otimização da localização de material piezelétrico para avaliar vibrações estruturais. O principal objetivo foi estabelecer um procedimento para a determinação concomitante da localização mais adequada para atuadores e sensores piezelétricos através de uma formulação de um problema de otimização topológica. De acordo com a metodologia proposta, a localização desses atuadores e sensores é determinada através da maximização da controlabilidade e da observabilidade, ambas medidas por intermédio do seu gramiano, definindo onde o material deve ter propriedades piezelétricas. Os resultados do processo de otimização foram avaliados em malha fechada através do uso de dois controladores ótimos (LQR e LQG), utilizados em simulações para atenuar as oscilações estruturais resultantes da aplicação de perturbações externas. O desenvolvimento dos algoritmos de controle foi realizado com a utilização de um modelo modal truncado em seus primeiros modos de vibração. Os resultados mostram a eficácia do processo de otimização topológica quanto à localização de atuadores e sensores na estrutura. Além disso, verificou-se que a localização do material piezelétrico melhora o amortecimento estrutural, sendo importante para o desempenho das técnicas de controle utilizadas. / This work proposes a topology optimization methodology for the location of piezoelectric actuator/sensors for active vibration control. The main objective is to develop a procedure to determine the most suitable location for piezoelectric sensors and actuators using a topology optimization formulation. According to the proposed method, the location of these actuators and sensors is determined the maximization of the controllability and observability, both measured by the gramian matrix, defining where the material should have piezoelectric properties. The results of the optimization process are evaluated in closed loop by using two (LQR and LQG) active controllers, which are used in simulations to attenuate structural oscillations resulting from the application of external disturbances. The development of control algorithms was performed with the use of a modal model truncated to lowest modes. Results show the effectiveness of the topology optimization process as the location of actuators and sensors in the structure. Furthermore, it was found that location of the piezoelectric material improves the structural damping, which is important for the performance of control techniques.

The increasing reliance on oceans, rivers and waterways in a spectrum of human activities have demonstrated the large demand for advanced marine technologies that facilitate multifarious in-water services and tasks. The autonomous underwater vehicle (AUV) is a representative marine technology which has been contributing continuously to many ocean-related fields. An elaborate control system is essential to AUVs. However, AUVs present difficult control system design problems due to their nonlinear dynamics, the unpredictable environment and the poor knowledge about the hydrodynamic coupling of the vehicle degrees of freedom. When designing the motion controller, the practical constraints on the AUV system such as limited perceiving, computing and actuating capabilities should also be respected. The model predictive control (MPC) is an advanced control technology that leverages optimization to calculate the control command. Thanks to the optimization nature, MPC can conveniently handle the complex nonlinearity in system dynamics as well as the state and control constraints. MPC takes the receding horizon control paradigm which gains satisfactory robustness against model uncertainties and external disturbances. Therefore, MPC is an ideal candidate for solving the AUV motion control problems. On the other hand, since the optimization is solved by iterative numerical algorithms, the obtained control signal is an implicit function of the system state, which complicates the characterization of the closed-loop properties. Moreover, the nonlinear system dynamics makes the online optimization nonlinear programming (NLP) problems. The high computational complexity may cause an issue on the real-time control for embedded platforms with limited computing resources. In order to push the advanced MPC technology towards real-world AUV applications, this PhD dissertation is concerned with fundamental AUV motion control problems and attempts to address the aforementioned challenges and provide novel solutions. This dissertation proceeds with Chapter 1 by providing state-of-the-art introductions to related research areas. The mathematical model used for the AUV motion control is elaborated in Chapter 2. In Chapter 3, we consider the AUV navigation and control problem in constrained workspace. A unified receding horizon optimization framework consisting of the dynamic path planning and the nonlinear model predictive control (NMPC) tracking control is developed. Although the NMPC tracking controller well accommodates the practical constraints on the AUV system, it presents a brand new design philosophy compared with the existing control systems that are implemented on real AUVs. Since the existing AUV control systems are reliable controllers, AUV practitioners tend not to fully replace them but to improve the control performance by adding features. By considering this, in Chapter 4, we develop the Lyapunov-based model predictive control (LMPC) scheme which builds on the existing AUV control system and invoke online optimization to improve the control performance. Chapter 5 focuses on the path following (PF) problem. Unlike the trajectory tracking control which equally emphasizes the spatial and temporal control objectives, the PF control often prioritizes the path convergence over the speed assignment. To incorporate this objective prioritization into the controller design, a novel multi-objective model predictive control (MOMPC) scheme is developed. While the MPC technique provides several salient features (e.g., optimality, constraints handling, objective prioritization, robustness, etc.), those features come at a price: a computational bottleneck is formed by the heavy burden of solving online optimizations in real time. To explicitly address this issue, in Chapter 6, the computational complexity of the MPC algorithms is particularly emphasized. Two novel strategies which potentially alleviate the computational burden of the MPC-based AUV tracking control are proposed. In Chapter 7, some conclusive remarks are provided and a few avenues for future research are identified. / Graduate

Este trabalho trata do controle dos movimentos de um Veículo Submersível Autônomo (VSA). Veículos submersíveis são difíceis de controlar devido à alta não linearidade de seus modelos, ao forte acoplamento de movimentos, ao desconhecimento de certas dinâmicas, às incertezas do próprio modelo, devido a distúrbios externos impostos pelo ambiente e devido ao ruído de sensores. A dificuldade de controle pode ser exacerbada quando o veículo é subatuado. Para realização deste trabalho foi escolhido um VSA do tipo torpedo, cujo modelo matemático disponível na literatura foi devidamente modificado para garantir uma melhor descrição de seus movimentos em seis graus de liberdade (6-GL). O modelo foi então validado através de simulações numéricas. Para a síntese dos controladores utilizou-se uma técnica de controle avançada. Mais especificamente, utilizou-se a abordagem do controle H1 para sistemas multivariáveis. Assim foram obtidos controladores centralizados capazes de superar o problema do forte acoplamento de movimentos. Técnicas de controle avançado permitem também considerar as informações disponíveis sobre perturbações, incertezas, ruídos e diferentes tipos de entrada já na fase de síntese, o que permite obter controladores com desempenho adequado numa ampla faixa de operação. Neste trabalho, em particular, a técnica da Sensibilidade Mista foi escolhida para a síntese de controladores robustos. Nesta abordagem, formatam-se algumas funções de malha fechada ligadas a sensibilidade do sistema buscando garantir estabilidade e desempenho robusto para o sistema controlado. Usando a mesma técnica de controle desenvolveu-se ainda um controlador de dois graus de liberdade (2-GL), apropriado para aplicação no problema de guiagem, onde procura-se seguir trajetórias tridimensionais. Os controladores desenvolvidos foram testados em simulações numéricas, produzindo-se uma grande quantidade de resultados. A análise destes resultados revela o poder e flexibilidade das técnicas escolhidas. / This work focuses the motion control of an Autonomous Underwater Vehicle (AUV). Underwater vehicles are difficult to control due to high non-linearities of its model, coupling between dynamics, unknown dynamics, model uncertainties, disturbances and sensor noises. Difficulty is greater, when the system is subactuated. In this work, a mathematical model of a torpedo-like AUV available in the bibliography was chosen and refined, leading to a six degree of freedom (6-DOF) model. The model was further analyzed and validated by a number of numerical simulations. Advanced approaches were used for the synthesis of controllers. Speciffically, a H1 approach for multivariable systems was used. Thus, a centralized controller was developed, able to avoid the problem of high coupling between the variables. This advanced approach is also able to use informations about perturbations, uncertainties, noises and different types of input signals in the synthesis stage, leading to controllers with better performance in a large operation bandwidth. In this work, a Mixed Sensitivity approach was employed. This control approach is based on the shapping of well known closed-loop sensitivity functions, seeking to achieve stability and performance robustness. Using a similar technique, a controller with two degree of freedom (2-DOF) was also synthesised, to tackle the guidance problem tracking of 3-D trajectories was then fully achieved. The controllers developed were tested in a number of numerical simulations. Analyses of results reveals the power and flexibility of the employed techniques.

Este trabalho trata das aplicações da Teoria de Controle Ótimo ao problema de otimização da Política Monetária. Esse problema consiste em minimizar uma função que representa o custo da inflação para a sociedade, por meio de manipulações na variável de controle, que é a taxa de juros da economia. Serão considerados dois modelos para a dinâmica macroeconômica: um keynesiano e um novo-keynesiano. O problema de minimização sujeito à dinâmica keynesiana pode ser resolvido por meio dos conceitos tradicionais de controle ótimo, como o LQR e LQG. Por outro lado, o modelo novokeynesiano possui uma dinâmica mais complexa e não-recursiva, impossibilitando a aplicação direta dos métodos de programação estocástica. Assim, o problema de minimização sujeito à essa dinâmica requer métodos mais complexos, como o método do Lagrangiano ou o método do ponto de sela recursivo. É apresentada a solução analítica para o problema de controle ótimo em cada tipo de dinâmica. Em seguida, o problema de estimação de parâmetros é abordado. Métodos como o OLS e o GMM são empregados para estimar os parâmetros do modelo. Também são realizadas simulações para determinar numericamente as políticas de controle ótimo em alguns cenários. Por fim, a política monetária ótima é determinada para o período entre 2008 e 2009 e comparada com a política monetária adotada pelo governo. / This article discusses the applications of the Optimal Control Theory to the Monetary Policy optimization problem. This problem consists in minimizing a function that represents the inflation cost to society, through manipulation on the control variable, which is the interest rate of the economy. It will be considered two models for macroeconomic dynamics: a Keynesian and a new-Keynesian model. The minimization problem subject to Keynesian dynamics can be solved through traditional optimal control tools, such as LQR and LQG. On the other hand, the second model has a more complex and non-recursive dynamic, precluding the direct application of stochastic programming methods. Thus, the minimization problem restricted to this dynamic requires more complex methods, like the Lagrangian or the recursive saddlepoint method. It is presented the analytical solution to the optimal control problem for each type of dynamics. Then, the parameter estimation problem is addressed. Methods such as OLS and GMM are used to estimate the model parameters. Simulations are also carried out to determine numerically the optimal control policies in some scenarios. Finally, the optimal monetary policy is determined for the period between 2008 and 2009 and compared with the monetary policy adopted by the government.