Made available in DSpace on 2016-12-12T17:38:37Z (GMT). No. of bitstreams: 1 CLAUDIO EDUARDO SOARES.pdf: 20046362 bytes, checksum: 135e6d7d3a6f98bef9152afe645904c4 (MD5) Previous issue date: 2011-04-28 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / The controllers based on the internal model principle have found emphasis on control systems due to its ability to perform robust tracking of signals whose generator models are embedded in their internal structures. Controllers with integral, resonant and repetitive terms are examples of this principle. However, the control systems are subject to physical limitations that restrict their operation under certain conditions. The amplitude saturation of the control action is the most common type of restriction found in real systems. The impacts of the saturation of control action are known as windup and its consequences for systems with integral action have already been exhaustive examined. However, the impacts of saturation of control action are not restricted to this type of controller. Other controllers based on the internal model principle are also affected by the windup phenomenon due to saturation of the action control. The impacts of the windup phenomenon for resonant, multi-resonant and repetitive controllers are investigated in this dissertation and an anti-windup technique is suggested to mitigate the impacts of the control saturation on these controllers. The proposed anti-windup technique is based on the conditional integration technique, originally developed for the controllers with integral action, and it is named conditional update. Simulation results are presented to validate the proposed technique. / Os controladores baseados no princípio do modelo interno têm encontrado destaque no controle de sistemas devido a sua capacidade de realizar o rastreamento robusto dos sinais cujos modelos geradores estejam embutidos nas suas estruturas internas. Os controladores com ação integral, ressonantes e repetitivos são exemplos da aplicação deste princípio. Contudo, os sistemas de controle estão sujeitos a limitações físicas que restringem suas condições de operação. A saturação da amplitude da ação de controle é o tipo de limitação mais comum encontrada nos sistemas reais. Os impactos da saturação da ação de controle são conhecidos como windup e suas consequências para os sistemas com ação integral já foram exaustivamente analisadas. Porém, os impactos da saturação da ação de controle não se restringem a este tipo de controlador. Outros controladores baseados no princípio do modelo interno também são afetados pelo fenômeno windup decorrente da saturação da ação de controle. Os impactos do fenômeno windup sobre os controladores ressonantes, multiressonantes e repetitivos são investigados nesta dissertação e uma técnica anti-windup é sugerida para atenuar os impactos da saturação da ação de controle sobre estes controladores. A técnica anti-windup proposta é baseada na técnica da integração condicional, originalmente desenvolvida para os controladores com ação integral e, por isso, denominada de atualização condicional. Resultados de simulação são apresentados para validação da técnica proposta.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This thesis contributes to the analysis, project and implementation of discrete-time controllers based on the Internal Model Principle, aiming to improve the performance of three-leg three-phase PWM inverters with insulating output transformer usually found in the output stage of medium power double-conversion UPS. Initially, an investigation about issues concerning to the discrete-time models of three-phase inverters with space vector modulation and the LC filter have been carried out. This investigation shows the impact of different switching sequences, sampling instants and filter cut-off frequency on the harmonic spectrum of sampled variables used for feedback. This is a concern when the switching frequency is low to limit the switching losses as in medium and high power UPS. In this way, this thesis proposes sampling methods that make possible to reduce the low order harmonics on the interest variables, which is relevant when state feedback is used. These methods allow to obtain discrete-time average linear models useful for the controller design. In addition, the saturation of the insulating transformer is addressed in details. The dc component arising from the digital implementation and from the circuit measures non idealities, and then amplified by an inadequate choice of the controller, may lead the transformer to saturate. In order to solve this problem, and in accordance with the Internal Model Principle, internal models adequate to the plant under consideration as well as discrete-time voltage controllers in stationary and synchronous frames which are not prone to amplify the dc component, are proposed. Another goal of this thesis is the improvement of the UPS output voltage transient response due to linear and non linear load steps. This is obtained considering the sampling methods before mentioned, combined with internal models with reduced number of poles and low sampling rate. It is demonstrated that it is possible to improve significantly the output voltage transient responses, as well as to satisfy the rigorous classification of the standard IEC62040-3 for UPS without degrading the steady state performance. In addition, these control structures have enough stability margins, as proved in each case, and they results in simple and attractive solutions to be implemented in 8 or 16 bits fixed-point arithmetic microcontrollers and DSP with reduced memory space. The feasibility of the proposed solutions is verified with experimental results demonstrating both transient and steady-state performances. Finally, a comparative analysis of the proposed control structures, over the light of the standard IEC62040-3, is presented. / A presente tese de doutorado contribui para a análise, projeto e implementação de controladores discretos baseados no Princípio do Modelo Interno, com o intuito de aprimorar o desempenho de inversores trifásicos PWM a três braços com transformador isolador usualmente utilizados no estágio de saída de UPS de dupla conversão de média potência. Inicialmente se realiza uma investigação sobre os aspectos relacionados à obtenção do modelo discreto de inversores trifásicos com modulação space vector e do filtro de saída. Essa investigação mostra o impacto de diferentes seqüências de comutação, instantes de amostragem e freqüência de corte do filtro no conteúdo harmônico das variáveis amostradas usadas para realimentação. Isso é uma preocupação quando a freqüência de comutação é baixa para limitar as perdas em UPS de média e alta potência. Nesse sentido essa tese propõe métodos de amostragem que possibilitam reduzir as harmônicas de baixa ordem nas variáveis de interesse o que adquire importância quando se realiza a realimentação dos estados da planta. Esses métodos permitem a obtenção de modelos médios lineares úteis para o projeto do controlador. Além disso, a saturação do transformador de isolação é analisada em detalhe. A componente contínua oriunda da implementação digital e das não idealidades dos circuitos de medição, e amplificada por uma escolha inadequada do controlador, pode levar o transformador à saturação. Com o intuito de solucionar esse problema, e de acordo com a teoria do Princípio do Modelo Interno, são propostos modelos internos adequados à planta em questão bem como controladores discretos de tensão em eixos estacionários e síncronos, que não tem tendência a amplificar a componente contínua. Outro dos objetivos dessa tese é o aprimoramento da resposta transitória das tensões de saída da UPS na presença de degraus de carga linear e não linear. Isso é obtido considerando-se os métodos de amostragem mencionados acima, combinado com modelos internos com número de pólos e taxa de amostragem reduzidos. Demonstra-se que é possível aprimorar significativamente a resposta transitória das tensões de saída bem como satisfazer a exigente classificação da norma IEC62040-3 para UPS, sem degradar o desempenho de regime permanente. Além disso, essas estruturas de controle possuem suficiente margem de estabilidade, como provado em cada caso, e estas resultam em soluções simples e atrativas para serem implementadas em microcontroladores e DSP de aritmética de ponto fixo, com palavras de 8 e 16 bits e capacidade reduzida de memória. A viabilidade prática das propostas realizadas é verificada com resultados experimentais em regime permanente e transitório. Finalmente, apresenta-se uma análise comparativa das estruturas de controle propostas, sob o enfoque da norma IEC62040-3.