Este trabalho demonstra um método de controle tolerante a falhas. O desejo de criar um sistema de controle que faça com que a aeronave tenha respostas similares às entradas do piloto com ou sem uma falha no sistema de comando de vôo requer um conhecimento das possíveis falhas e como tratá-las. O método proposto integra a aeronave, a lei de controle não linear utilizando a técnica backstepping e a alocação de controle. A técnica de alocação de controle faz com que a lei de controle possa ser projetada independentemente do método de detecção da falha e do projeto do controlador.

Este trabalho aborda o estudo de um sistema de referência inercial de posição e atitude e um sistema de controle para um helicóptero autônomo utilizando, como base para formulação e testes, o modelo linearizado da aeronave Yamaha R-MAX. Um sistema de referência inercial (INS) e um sistema de referência de atitude e orientação (AHRS) são utilizados para estimar a posição e atitude da aeronave, e estimadores robustos baseados no filtro de Kalman são empregados para minimizar os efeitos de incertezas paramétricas. É utilizada uma estratégia de controle em cascata com três malhas consistindo de uma malha interna para garantir a estabilidade do helicóptero (são utilizadas as técnicas LQR e H \'INFINITO\', separadamente), uma malha intermediária baseada em linearização por realimentação (FLC) para desacoplar os pares entrada/saída e uma malha externa baseada em um controlador proporcional-derivativo (PD) para permitir o rastreamento da trajetória. Resultados de simulação são apresentados para avaliar o desempenho de cada abordagem. / This work concerns the study of an inertial reference system and a control system for an autonomous helicopter using, as basis for the formulation and testing, the linearized mo del of the aircraft Yamaha R-MAX. An inertial navigation system (INS) and an attitude and orientation reference system (AHRS) are used to estimate the position and attitude of the aircraft and robust estimators based on Kalman filter are employed to minimize the effects of parametric uncertainties. A cascaded control architecture with three control methodologies is used, consisting of an inner-loop to ensure stability of the helicopter (the LQR and H \'INFINITE\' techniques are used, separately), a mid-loop based on linearization feedback (FLC) to decouple the dynamics ofthe lateral, longitudinal, vertical and heading axes and an outer-loop based on a proportional-derivative (PD) controller to enable trajectory tracking. Simulation results are presented to evaluate the performance of each approach.

Este trabalho trata do desenvolvimento de um sistema de controle para um módulo do instrumento astronômico BTFI (Brazilian Tunable Filter Imager), um filtro óptico sintonizável altamente versátil que está instalado no telescópio SOAR, localizado no Chile. Será empregado neste instrumento um novo interferômetro Fabry-Perot, capaz de realizar observações em uma ampla faixa de resoluções espectrais. Para operar com resolução espectral variável, o Fabry-Perot proposto neste projeto terá uma faixa mais ampla de ajuste do vão entre suas placas refletivas, utilizando atuadores piezelétricos amplificados com grande capacidade de deslocamento e sensores capacitivos de alta precisão. O novo controlador apresenta uma malha de controle totalmente digital, implementada com um DSP (Digital Signal Processor) sintetizado num dispositivo FPGA (Field-programmable Gate Array). Na primeira etapa do desenvolvimento, trabalhou-se com um sistema de posicionamento nanométrico utilizando um protótipo simplificado com um canal composto por um sensor capacitivo de distância e um atuador piezelétrico. A partir dos bons resultados obtidos no sistema de um canal, realizou-se a expansão para um sistema de controle multi-malha de três canais com protótipo do Fabry-Perot, mas sem o uso das placas de vidro refletivas definitivas. O sistema permite controlar o posicionamento para cada canal individualmente ou os três em simultâneo, com desempenho adequado para os requisitos do filtro óptico sintonizável Fabry-Perot. / This work aims the development of a control system for a module of the BTFI astronomical instrument (Brazilian Tunable Filter Imager), a highly versatile optical tunable filter, deployed on the SOAR Telescope. The instrument will employ a new Fabry-Perot interferometer, which is able to provide observations in a wide range of spectral resolutions. In order to achieve variable spectral resolution, the new Fabry- Perot proposed in this project will present a larger range for adjusting the air gap between its reflective plates, using amplified piezoelectric actuators presenting high stroke capability and high precision capacitive sensors. The new controller presents a full digital control loop, implemented in a DSP (Digital Signal Processor) synthesized through a FPGA device (Field-programmable Gate Array). During the first phase of the development, it was used a nanometric positioning system using a single channel prototype comprising one capacitive sensor and one piezoelectric actuator. The good results obtained using the single channel prototype led to the expansion to a 3- channel multi-loop control system on a Fabry-Perot prototype which comprises dummy plates. The system allows controlling the position of each channel separately or simultaneously, presenting performance in accordance with the requirements of a Fabry-Perot optical tunable filter.

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.

Uma antena-radar clássica é composta basicamente de uma fonte primária justaposta a um foco refletor parabólico. A lei de iluminação é estabelecida de maneira a satisfazer, tão precisamente quanto possível, a forma do feixe desejado. É a movimentação do conjunto que garante a cobertura de exploração desejada. O presente texto estuda o projeto e desenvolvimento de um servomecanismo capaz de suportar e posicionar uma antena de radar, dentro de parâmetros e restrições definidas. Os objetivos do trabalho são: levantar e estudar os fatores relevantes para especificação de um projeto de controle de posição de uma antena-radar através de servomecanismos; apresentar uma proposta de projeto de controle de posição através de servomecanismo; propor um modelo estrutural teórico consistente do conjunto antena-radar para fins de simulação dinâmica e análise modal da estrutura, e apresentar a implantação do sistema de controle proposto num projeto real de Engenharia, para o servomecanismo de uma antena de radar meteorológico. A proposta de controle foi aplicada com êxito no Modelo de Engenharia do Radar Meteorológico Doppler RMD700S-1M, desenvolvido pelo consórcio Omnisys/Atech, que foi instalado e opera em Mogi das Cruzes/SP. O texto apresenta, de forma estruturada, os fatores relevantes que devem ser levados em consideração para o desenvolvimento de um projeto deste tipo. Como conclusões do texto, são apresentadas considerações com relação ao projeto, apontando pontos positivos e negativos do desenvolvimento. / A classical radar antenna is basically composed of a primary source mounted at the focal point of a parabolic reflector. The illumination rule is established so that the desired beam-shape is attained, as precisely as possible. The physical motion of the set guarantees the coverage of the desired volume of exploitation. The actual text studies the design and development of a servomechanism capable of supporting and positioning a radar antenna, within well-defined parameters and restrictions. The aims of the dissertation are: determination and study of relevant factors for the specification of a control system design for the positioning of a servodriven radar antenna; presentation of a servo-driven positioning control system design proposal; proposal of a consistent theoretical structural model of the radar antenna set for the purpose of dynamic simulation and modal analysis of the structure and; presentation of the implementation of the proposed control system in a real Engineering design project: a servo-driven weather radar antenna. The control propose was successfully employed at the Engineering Model of the Doppler weather radar RMD700S-1M, developed by the trust Omnisys/Atech, installed and operant at Mogi das Cruzes/SP. The text presents, in a structured form, all relevant factor that must be taken into account in the development of such design. The conclusions drawn at the end of the dissertation are considerations regarding the design, which point out faults and weak points of the development.

Pessoas com deficiência motora têm poucas opções na seleção de cadeiras de rodas que atendam suas necessidades de deslocamento, comodidade e segurança para a realização das tarefas da vida diária, principalmente com as tecnologias assistivas disponíveis no Brasil. Com o intuito de auxiliar os cadeirantes, facilitando seus deslocamentos em vias públicas, foi desenvolvido um sistema de simulação numérica e um protótipo para teste de controle de suspensão autonivelante para aplicar em cadeiras de rodas. Baseado nos resultados numéricos obtidos por meio da simulação, a planta de teste de controle foi montada visando ao estudo do desempenho da dinâmica vertical. O sistema de inclinação lateral e frontal é apresentado com o uso de atuadores para controlar os movimentos de arfagem e rolagem de uma cadeira de rodas motorizada. Os sistemas foram expostos a diversas perturbações e os resultados mostram que o controle pode melhorar o conforto e a segurança de cadeirantes em percursos em vias públicas, dependendo da velocidade de aplicação da perturbação. / People with disabilities have little choice go select a wheelchairs which meets most of the displacement, comfort and safety requirements to perform their daily life tasks, particularly amid assistive technologies available in Brazil. In order to aid disabled persons, facilitating wheelchairs displacements on public roads courses, it was designed and developed a numeric simulation model and a prototype for the test of a wheelchair self-leveling suspension control system. Based upon the numeric results obtained from the model simulation, the control test platform was created aiming to ascertain the vertical dynamics performance. The lateral and frontal tilting system is presented, using actuators to control the leveling and rolling movements of a motorized wheelchair. The system underwent a variety of perturbations and the results demonstrate the control may improve comfort and safety for the wheelchairs displacements on public roads courses, depending on the velocity of application of the perturbation.

A escolha do modelo de referência é a principal tarefa a ser executada pelo projetista em um projeto de controle por modelo de referência. Uma má escolha do modelo de referência pode resultar em um desempenho de malha fechada que tem pouca semelhança com o especificado e a malha fechada pode até ser instável. Neste trabalho, esse problema será discutido no controle de plantas multivariáveis. O resultado experimental em uma planta de controle de nível de três tanques mostra uma aparentemente correta, ainda que ingênua, escolha do modelo de referência levando a um desempenho muito pobre em malha fechada. O problema é, então, analisado, expondo a ingenuidade do exemplo. Começa-se por reconhecer as restrições fundamentais impostas pelo sistema e, em seguida, deriva-se diretrizes gerais que respeitam essas restrições, para uma escolha eficaz do modelo de referência em sistemas multivariáveis. Também é proporcionada uma nova formulação para calcular o grau relativo mínimo de cada elemento do modelo de referência sem a necessidade de um modelo completo da planta. A aplicação destas orientações em simulações e na planta de três tanques ilustra sua eficácia. / The choice of the reference model is the main task to be performed by the designer in a model reference control design. A poor choice of the reference model may result in a closed-loop performance that bears no resemblance to the specifications and the closedloop may even be unstable. In this work we discuss this issue in the control of multivariable plants. Experimental results in a three tank level control plant show a seemingly correct, yet naive, choice of reference model leading to very poor closed-loop performance. The problem is then analyzed, exposing the naivete of the design example. We start by recognizing the fundamental constraints imposed by the system and then deriving general guidelines respecting these contraints for the effective choice of the reference model in multivariable systems. We also provide a novel formulation to compute the minimal relative degree of each element of the reference model without needing a complete model of the plant. The application of these guidelines to simulations and the three tank plant illustrates their effectiveness.

Os métodos de controle baseados em dados têm como diferencial utilizar os dados coletados de experimentos para realizar a sintonia do controlador de uma forma direta e sem utilizar nenhum modelo do processo. Um dos métodos já consagrados é o conhecido Iterative Feedback Tuning, método este caracterizado como um algoritmo iterativo de otimização que busca a minimização do critério de desempenho norma H2. O presente trabalho propõe uma extensão baseada no clássico algoritmo Iterative Feedback Tuning para sistemas em formato cascata com duas malhas de controle. O formato cascata com duas malhas de controle é uma estrutura comum e muito utilizada em aplicações de cunho industrial. A sintonia deste tipo de estrutura em metodologias clássicas de controle envolve geralmente duas etapas. Primeiramente a malha interna é sintonizada para então posteriormente a malha externa. A vantagem do método de controle baseado em dados proposto está em realizar a sintonia de ambas as malhas de forma simultânea e concomitantemente. É escolhida como aplicação um veículo aéreo não tripulado com quatro rotores, mais conhecido como quadricóptero. Esta aplicação tem uma dinâmica complexa, uma vez que o sistema é classificado como sendo não-linear e multivariável, algo demonstrado através do equacionamento dinâmico do quadricóptero que é apresentado. Uma série de simulações e experimentos práticos são apresentadas com o intuído de demonstrar a dinâmica descrita no modelo e também demonstrar a aplicação do algoritmo Cascade Iterative Feedback Tuning para os mesmos. / The methods of data-driven control have the distinction to use the data collected from experiments to perform the tuning of the controller directly and without using any process model. One method already established is the Iterative Feedback Tuning, this method is characterized as an iterative optimization algorithm that aims to minimize the H2 norm performance criterion. The present work proposes an extension based on the classical Iterative Feedback Tuning algorithm for cascade systems with two control loops. The cascade format with two loops is a common structure and widely used in industrial applications. In classical control methods, the tuning of this type of structure usually involves two steps. First, the inner loop is tuned and subsequently the outer loop. The advantage of the proposed data-driven control method is to perform this tuning of both controller simultaneously and concurrently. We choose as an application a unmanned aerial vehicle (UAV) with four rotors, better known as quadcopter. This application has a complex dynamic, since the system is classified as being non-linear and multivariable, demonstrated by the quadcopter dynamic equations. A series of simulations and practical experiments are presented to demonstrate the dynamicmodel described and also to validate the method CIFT algorithms.

Este trabalho aborda o problema de controle baseado em eventos para sistemas em tempo discreto, considerando que o sistema possui os dispositivos atuadores e sensores em nós diferentes e separados por uma rede de comunicação. A estratégia baseada em eventos consiste em reduzir a utilização da rede ao transmitir as informações do sensor para o atuador apenas quando um evento é gerado pela violação de um determinado limiar pela função de disparo. Primeiramente, são formuladas condições para a estabilidade de um sistema linear com realimentação estática de estados sob a estratégia proposta, com base na teoria de Lyapunov. Como as condições são postas na forma de desigualdades matriciais lineares (LMIs, do inglês linear matrix inequalities), problemas de otimização convexos podem ser utilizados na determinação dos parâmetros da função de disparo, bem como na resolução do problema de co-design, ou seja, do projeto simultâneo do controlador e da função de disparo, os quais são providos na sequência. A partir deste resultado básico, a metodologia é estendida para o caso em que ocorre a saturação do atuador. A seguir, é apresentada a extensão da metodologia para o caso em que o estado da planta não está disponível para o sensor, sendo então utlizado um observador de estados, considerando-se tanto o caso em que o modelo da planta utilizado no observador corresponde exatamente à dinâmica real da planta quanto o caso em que este modelo apresenta incertezas. Exemplos numéricos são apresentados para ilustrar todas as classes de sistemas consideradas, com os quais constata-se que a estratégia proposta é eficiente na redução da utilização dos recursos da rede de comunicação. / This work approaches the problem of event-triggered control for discrete time systems, considering that the system has the actuator and sensor devices in different nodes, separated by a communication network. The event-triggered strategy consists in reducing the utilization of the network by only transmitting the information from the sensor to the actuator when an event is generated by the violation of a determined threshold by the trigger function. Firstly, conditions for the stability of a linear system with a static state feedback under the proposed strategy are formulated based on the Lyapunov theory. Since the conditions are given in the form of linear matrix inequalities (LMIs), convex optimization problems can be used for the determination of the trigger function parameters, as well as the co-design of the feedback gain and the trigger function, which are given next. From this basic result, the methodology is extended to the case where occurs the saturation of the actuator. Following, the extension of the methodlogy to the case in which the plant states are not available for measure is presented, and a state-observer is used, considering both the case that the plant model corresponds exactly to the real plant dynamics and the case where this model has uncertainties. Numeric examples are shown to illustrate all the system classes considered, with which it is found that the proposed strategy is efficient in the reduction of the network resources utilization.

Este trabalho apresenta estratégias de controle para a sincronização de dois sistemas não-lineares do tipo Lur'e sob controle saturante. O objetivo no uso de controlador e para que os estados de um sistema escravo sigam a referência dos estados do sistema mestre. Resultados teóricos para a síntese de controladores são propostos considerando diferentes hipóteses sobre a não-linearidade do sistema Lur'e. Primeiramente esta e tratada como uma função genérica que satisfaz globalmente uma condição de setor, enquanto que posteriormente assume-se que a função não-linear e uma função linear por partes e um modelo equivalente baseado em funções saturação e empregado para descrever os efeitos da mesma no comportamento dinâmico do sistema. São considerados, ainda, duas estrat egias de controle: realimentação estática dos estados dos sistemas e realimentação dinâmica da saída dos sistemas, incluindo neste ultimo caso elementos referentes as não-linearidades inerentes do sistema Lur'e e um elemento anti-windup. O projeto dos parâmetros de cada controlador e feito através de problemas de otimização convexa com restrições na forma de desigualdades matriciais lineares (LMI s) tendo como objetivo maximizar o conjunto de estados inicias nos quais a sincronização e assegurada. A formulação dos problemas de otimização e obtida através de inequações matriciais lineares, utilizando-se a teoria de estabilidade de Lyapunov juntamente com métodos baseados em condições de setor para assegurar a convergência assintótica do erro de sincronização para zero, i.e. garantir que os estados do sistema mestre são seguidos pelos do escravo. Os métodos propostos são ilustrados por meio de exemplos numéricos tendo como objetivo a sincronização de dois circuitos de Chua. / This work presents control strategies for the synchronization of two nonlinear Lur'e systems subject to control saturation. The objective of the use of controllers is so that the states of a slave system follow the reference of the states of the master system. Theoretical results for the synthesis of controllers are proposed considering di erent hypothesis about the nonlinearity of the Lur'e system. Initially it is considered as being a generic function that satis es globally a sector condition, while afterwards it is assumed that the non-linear function is a piecewise-linear function and an equivalent saturation function model is employed in order to describe its effect on the system's dynamic behaviour. Two controller strategies are considered: a static feedback of the system's states and a dynamic feedback of the system's output, coupled, in the last case, with elements based on the system's non-linearities and an anti-windup element is considered. The design of the parameters of each controller is generated by convex optimization problems with restrictions in the form of linear matriz inequalities (LMI) having as objective maximizing the set of initial conditions for which synchronization is guaranteed. The optimization problems are formulated by the means of linear matrix inequalities based on Lyapunov's stability theory and a sector-based approach to ensure null synchronization error, i.e. to ensure the local asymptotic convergence of the slave state to the master one. The proposed methods are illustrated by numerical examples with the objective of the synchronization of two Chua's circuits.