O estudo da estabilidade e desempenho em sistemas de controle é um tópico relevante na teoria de sistemas. Quando são assumidas incertezas no modelo da planta, existe uma maior dificuldade para garantir um nível de desempenho adequado do sistema dinâmico e a estabilidade pode ser comprometida. Neste trabalho são utilizados um regulador linear quadrático robusto e um filtro de Kalman robusto combinados em uma única formulação para tratar de sistemas dinâmicos incertos em tempo real. O caso de estudo selecionado é o pêndulo invertido. Seus principais desafios de controle encontrados na literatura: estabilização, seguimento e levantamento-captura, serão considerados. Os algoritmos utilizados são motivados pelo fato de que problemas estocásticos podem ser resolvidos por meio de argumentos determinísticos, baseados nos conceitos de função penalidade e mínimos quadrados regularizados. Desta forma, é possível a obtenção do melhor desempenho em contrapartida à máxima influência de incerteza admissível. A análise de desempenho do controlador robusto é realizada por meio de ensaios práticos incluindo incertezas na planta, ruído nos sensores e distúrbios no sinal de controle do pêndulo. / The study of stability and performance in control systems is a relevant topic in systems theory. When uncertainties are considered in the model of the plant, there is a greater difficulty in ensuring an appropriate performance level of the dynamic system, plus, the stability could be compromised as well. In this dissertation a robust linear quadratic regulator and a robust Kalman filter are used in a unified manner to deal with uncertain dynamic systems in real time. The selected case study is the inverted pendulum. Its main control challenges found in the literature will be considered: stabilization, tracking and catching swing-up. The used algorithms are motivated by the fact that stochastic problems can be solved through deterministic arguments based on the concepts of penalty function and regularized least-squares. Thus, it is possible to obtain an optimal performance for the maximum acceptable uncertainty. The performance analysis of the robust control is carried out by practical experiments including uncertainties in the plant, noise in the sensors and disturbance in the pendulum control signal.

Direct lift control for aircraft has been around in the aeronautical industry for decades but is mainly used in commercial aircraft with dedicated direct lift control surfaces. The focus of this thesis is to investigate if direct lift control is feasible for a fighter aircraft, similar to Saab JAS 39 Gripen, without dedicated control surfaces. The modelled system is an aircraft that is inherently unstable and contains nonlinearities both in its aerodynamics and in the form of limited control surface deflection and deflection rates. The dynamics of the aircraft are linearised around a flight case representative of a landing scenario. Direct lift control is then applied to give a more immediate relation from pilot stick input to change in flight path angle while also preserving the pitch attitude. Two different control strategies, linear quadratic control and model predictive control, were chosen for the implementation. Since fighter aircraft are systems with fast dynamics it was important to limit the computational time. This constraint motivated the use of specialised methods to speed up the optimisation of the model predictive controller. Results from simulations in a nonlinear simulation environment supplied by Saab, as well as tests in high-fidelity flight simulation rigs with a pilot, proved that direct lift control is feasible for the investigated fighter aircraft. Sufficient control authority and performance when controlling the flight path angle were observed. Both developed controllers have their own advantages and which strategy is the most suitable depends on what the user prioritises. Pilot workload during landing as well as precision at touch down were deemed similar to conventional control.

The purpose of this thesis in to introduce the systematic study of symmetries in binary differential equations (BDEs). We formalize the concept of a symmetric BDE, under the linear action of a compact Lie group. One of the main results establishes a formula that relates the algebraic and geometric effects of the occurrence of the symmetry in the problem. Using tools from invariant theory and representation theory for compact Lie groups we deduce the general forms of equivariant binary differential equations under compact subgroups of O(2). A study about the behavior of the invariant straight lines on the configuration of homogeneous BDEs of degree n is done with emphasis on cases in which n = 0 and n = 1. Also for the linear case (n = 1) the equivariant normal forms are presented. Symmetries of linear 1-forms are also studied and related with symmetries of tangent orthogonal vectors fields associated with it. / O objetivo desta tese é introduzir o estudo sistemático de simetrias em equações diferenciais binárias (EDBs). Neste trabalho formalizamos o conceito de EDB simétrica sobre a ação de um grupo de Lie compacto. Um dos principais resultados é uma fórmula que relaciona o efeito geométrico e algébrico das simetrias presentes no problema. Utilizando ferramentas da teoria invariante e de representação para grupos compactos deduzimos as formas gerais para EDBs equivariantes. Um estudo sobre o comportamento das retas invariantes na configuração de EDBs com coeficientes homogêneos de grau n é feito com ênfase nos casos de grau 0 e 1, ainda no caso de grau 1 são apresentadas suas formas normais. Simetrias de 1-formas lineares são também estudadas e relacionadas com as simetrias dos seus campos tangente e ortogonal.

Os processos de conformação de chapas metálicas são largamente usados na fabricação de produtos em diversas áreas, desde partes aeronáuticas a utensílios domésticos, devido a sua alta produtividade, confiabilidade e baixo custo de produção. Para se atingir tais qualidades, o desenvolvimento de um produto conformado deve levar em consideração os fatores metalúrgicos da chapa a ser usada. As chapas são geralmente produzidas por laminação a frio, o que as levam ter propriedades mecânicas distintas em relação à direção de laminação. Para modelar esta anisotropia, vários critérios de escoamento foram propostos. A fim de verificar a influência do critério de escoamento na distribuição de deformação no produto conformado, este trabalho teve como objetivo implementar os critérios de Hill (1979) e de Barlat et al. (1993) em um programa acadêmico que modela o processo de conformação de chapas via o método dos elementos finitos. O critério de Hill (1979) foi implementado e apresentou bons resultados, em acordo com a literatura. O critério de Barlat et al. (1993) foi deduzido em sua formulação para elementos finitos, embora não implementado. Com o critério de Hill (1979) foi possível analisar a distribuição da deformação para várias superfícies de escoamento, alterando-se apenas o valor de um parâmetro da função de escoamento. / The sheet metal forming processes are widely used in the manufacturing of products in several areas, from aviation to household utensils, due to its high productivity, reliability and low cost of production. To achieve these qualities, the design of a product made by sheet metal forming should take into consideration the metallurgical factors of the blank to be used. The blank is usually cold-rolled, which leads to different mechanical properties in the rolled and transverse directions. To take into account this anisotropy, several yield criteria were proposed. To check the influence of the yield criterion in the strain distribution of the final product, this study focused on the implementation of the yield criteria of Hill (1979) and Barlat et al. (1993) in an academic computer program that modeled the sheet metal forming process by the finite element method. The Hill (1979) criterion was implemented and had good results, in accordance with the literature. The Barlat et al. (1993) criterion was formulated for a finite element method analysis, though not implemented. By using Hill\'s non-quadratic yield criterion it was possible to analyze the strain distribution for various yield surfaces, changing only the value of one parameter of the yield function.

The purpose of this thesis in to introduce the systematic study of symmetries in binary differential equations (BDEs). We formalize the concept of a symmetric BDE, under the linear action of a compact Lie group. One of the main results establishes a formula that relates the algebraic and geometric effects of the occurrence of the symmetry in the problem. Using tools from invariant theory and representation theory for compact Lie groups we deduce the general forms of equivariant binary differential equations under compact subgroups of O(2). A study about the behavior of the invariant straight lines on the configuration of homogeneous BDEs of degree n is done with emphasis on cases in which n = 0 and n = 1. Also for the linear case (n = 1) the equivariant normal forms are presented. Symmetries of linear 1-forms are also studied and related with symmetries of tangent orthogonal vectors fields associated with it. / O objetivo desta tese é introduzir o estudo sistemático de simetrias em equações diferenciais binárias (EDBs). Neste trabalho formalizamos o conceito de EDB simétrica sobre a ação de um grupo de Lie compacto. Um dos principais resultados é uma fórmula que relaciona o efeito geométrico e algébrico das simetrias presentes no problema. Utilizando ferramentas da teoria invariante e de representação para grupos compactos deduzimos as formas gerais para EDBs equivariantes. Um estudo sobre o comportamento das retas invariantes na configuração de EDBs com coeficientes homogêneos de grau n é feito com ênfase nos casos de grau 0 e 1, ainda no caso de grau 1 são apresentadas suas formas normais. Simetrias de 1-formas lineares são também estudadas e relacionadas com as simetrias dos seus campos tangente e ortogonal.

A formulation of impedance control for redundant manipulators is developed as a particular case of an optimal control problem. This formulation allows the planning and design of an impedance controller that benets from the stability and eficiency of an optimal controller. Moreover, to circumvent the high computational costs of computing an optimal controller, a sub-optimal feedback controller based on the state-dependent Ricatti equation (SDRE) approach is developed. This approach is then compared with the quadratic programming (QP) control formulation, commonly used to resolve redundancy of robotic manipulators. Numerical simulations of a redundant planar 4-DOF serial link manipulator show that the SDRE control formulation offers superior performance over the control strategy based QP, in terms of stability, performance and required control effort. / Uma formulação do controle de impedância para manipuladores redundantes é desenvolvida como um caso particular de um problema de controle ótimo. Essa formulação permite o planejamento e projeto de um controlador de impedância que se beneficia da estabilidade e eficiência de um controlador ótimo. Para evitar lidar com os elevados custos computacionais de se computar um controlador ótimo, um controlador em malha fechada sub-ótimo, baseado na abordagem das equações de Ricatti dependentes de estado (SDRE), é desenvolvido. Essa abordagem é comparada com a formulação de um controlador baseado em programação quadrática (QP), usualmente utilizado para resolver problemas de redundância em manipuladores robóticos. Simulações numéricas de um manipulador serial plano de quatro graus de liberdade mostram que o controlador baseado em SDRE oferece performance superior em relação a um controlador baseado em programação quadrática, em termos de estabilidade, performance e esforço de controle requerido do atuador.

"Maintaining an efficient and reliable infrastructure requires continuous monitoring and control. In order to accomplish these tasks, algorithms are needed to process large sets of data and for modeling based on these processed data sets. For this reason, computationally efficient and accurate modeling algorithms along with data compression techniques and optimal yet practical control methods are in demand. These tools can help model structures and improve their performance. In this thesis, these two aspects are addressed separately. A principal component analysis based adaptive neuro-fuzzy inference system is proposed for fast and accurate modeling of time-dependent behavior of a structure integrated with a smart damper. Since a smart damper can only dissipate energy from structures, a challenge is to evaluate the dissipativity of optimal control methods for smart dampers to decide if the optimal controller can be realized using the smart damper. Therefore, a generalized deterministic definition for dissipativity is proposed and a commonly used controller, LQR is proved to be dissipative. Examples are provided to illustrate the effectiveness of the proposed modeling algorithm and evaluating the dissipativity of LQR control method. These examples illustrate the effectiveness of the proposed modeling algorithm and dissipativity of LQR controller."

Orientador: Gilberto Pechoto de Melo / Resumo: As metodologias de monitoramento da integridade estrutural baseadas em observadores de estado, em sua grande maioria, utilizam o resíduo obtido a partir da diferença entre a medida e a estimativa de dada resposta dinâmica do sistema para o processo de detecção de danos. Contudo, em determinadas situações, tem-se interesse em realizar o monitoramento através de certa resposta dinâmica que não pode ser medida diretamente. Desta forma, a principal contribuição deste trabalho é propor uma metodologia de detecção de danos para sistemas mecânicos, cujo resíduo é obtido a partir da diferença entre as estimativas do comportamento dinâmico de determinada região do sistema. Estas estimativas são geradas por dois observadores de estado de ordem plena em paralelo, ambos projetados a partir do modelo físico-matemático do sistema em monitoramento sem danos, cujos os ganhos ótimos são determinados pelo método LQR, do inglês Linear Quadratic Regulator. A diferença entre os observadores consiste em serem baseados em conjuntos de medidas distintos. Simulações computacionais são apresentadas para demonstrar a aplicação desta metodologia, de maneira que são discutidas as vantagens e desvantagens em monitorar o sistema utilizando diferentes tipos de força de excitação. Os resultados obtidos são satisfatórios para a detecção dos tipos de dano considerados neste trabalho. / Abstract: Structural health monitoring methodologies based on state observers, for the most part, use the residual obtained from the di erence between the measurement and the estimate of the given dynamic response of the system to the damage detection process. However, in certain situations, it is interesting to carry out the monitoring through a certain dynamic response that can not be measured directly. In this way, the main contribution of this work is to propose a methodology of damage detection for mechanical systems, whose residue is obtained from the di erence between the estimates of the dynamic behavior of a certain region of the system. These estimates are generated by two parallel full-order state observers, both designed from the physical-mathematical model of the monitoring system without damages, whose optimal gains are determined by the LQR (Linear Quadratic Regulator) method. The di erence between observers is that they are based on di erent sets of measures. Computational simulations are presented to demonstrate the application of this methodology, so that the advantages and disadvantages of monitoring the system using di erent types of excitation force are discussed. The results obtained are satisfactory for the detection of the types of damage considered in this work. / Mestre

A formulation of impedance control for redundant manipulators is developed as a particular case of an optimal control problem. This formulation allows the planning and design of an impedance controller that benets from the stability and eficiency of an optimal controller. Moreover, to circumvent the high computational costs of computing an optimal controller, a sub-optimal feedback controller based on the state-dependent Ricatti equation (SDRE) approach is developed. This approach is then compared with the quadratic programming (QP) control formulation, commonly used to resolve redundancy of robotic manipulators. Numerical simulations of a redundant planar 4-DOF serial link manipulator show that the SDRE control formulation offers superior performance over the control strategy based QP, in terms of stability, performance and required control effort. / Uma formulação do controle de impedância para manipuladores redundantes é desenvolvida como um caso particular de um problema de controle ótimo. Essa formulação permite o planejamento e projeto de um controlador de impedância que se beneficia da estabilidade e eficiência de um controlador ótimo. Para evitar lidar com os elevados custos computacionais de se computar um controlador ótimo, um controlador em malha fechada sub-ótimo, baseado na abordagem das equações de Ricatti dependentes de estado (SDRE), é desenvolvido. Essa abordagem é comparada com a formulação de um controlador baseado em programação quadrática (QP), usualmente utilizado para resolver problemas de redundância em manipuladores robóticos. Simulações numéricas de um manipulador serial plano de quatro graus de liberdade mostram que o controlador baseado em SDRE oferece performance superior em relação a um controlador baseado em programação quadrática, em termos de estabilidade, performance e esforço de controle requerido do atuador.

Orientador: Prof. Dr. Sinuê Dayan Barbero Lodovici / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do ABC, Programa de Pós-Graduação em Matemática, 2014. / O objetivo principal deste texto é apresentar o teorema de Hopf 3.16 nos espaços R3, H3 e S3, resultado clássico sobre superfícies com curvatura média constante (CMC). Antes disto, apresentamos alguns conceitos importantes de Geometria Diferencial, entre eles o Teorema de Gauss-Bonnet 2.13 e o Teorema de Hadamard 2.36. Por fim, de maneira breve, enunciamos o teorema de Hopf em espaços produto (H2XR e S2XR). / The main objective of this paper is to present the Hopf's theorem (3.16) in spaces R3, H3 and S3, a classical result on surfaces with constant mean curvature (CMC). Before this, we present some important concepts of Differential Geometry, including the Gauss- Bonnet Theorem (2.13) and Hadamard's Theorem (2.36). Finally, and briefly, we state the Hopf's theorem in product spaces (H2XR and S2XR).