O uso de atuadores chaveados tornou-se comum em muitas aplicações, por exemplo, no controle de atitude de sistemas aeroespaciais. Tipicamente estes atuadores estão sujeitos a restrições temporais de chaveamento por razões tecnológicas. Neste contexto o projeto de controladores tradicionais busca operar em ciclo limite com amplitudes e frequências adequadas. O presente trabalho consiste no desenvolvimento de duas formulações de controladores preditivos para sistemas com atuadores sujeitos a restrições temporais de chaveamento. Nas abordagens propostas, as ações de controle são especificadas por uma sequência de valores inteiros pertencentes ao conjunto {-1; 0; 1}, que representam os atuadores completamente acionados em uma das duas possíveis direções {-1 ou +1} ou atuadores desligados {0}. O sinal de controle ótimo é obtido pela minimização de uma função custo que penaliza os desvios da saída regulada com respeito à referência desejada. As restrições temporais de chaveamento são consideradas impondo-se restrições sobre o número mínimo de elementos iguais e consecutivos dentro da sequência de controle. Como resultado, chega-se a um problema de programação inteira linear mista (MILP - Mixed Integer Linear Programming), a ser resolvido em cada instante de amostragem. Alternativamente, uma forma explícita para a lei de controle pode ser obtida por meio de programação multiparamétrica (mpMILP - multi-parametric Mixed Integer Linear Programming). As formulações são investigadas por meio de simulações numéricas.

Circuitos eletrônicos chaveados apresentam uma dinâmica extremamente elaborada, que ultimamente, vem sendo objeto de intensivas pesquisas. A característica primordial destes circuitos é a operação chaveada entre diferentes topologias de circuitos, o que ocasiona uma variedade de comportamentos não lineares, que incluem a ocorrência de cenários específicos de bifurcações e mesmo a presença da evolução caótica que podem surgir repentinamente vai colisão de borda. Este trabalho tem por objetivo caracterizar e compreender a dinâmica destes comportamentos no âmbito de uma classe específica de sistemas chaveados que envolvem os conversores DC/DC. A análise destes circuitos concentra desde a análise convencional apresentada na literatura até o desenvolvimento de modelos não lineares apropriados para o estudo dos mesmos. A abordagem de modelamento de Mapas Iterativos Discreto resulta em mapas que oferecem informação mais completas sobre o comportamento dinâmico desses sistemas. Estes mesmos circuitos são usualmente empregados em sistemas de potência de satélites que, conseqüentemente, apresentam comportamentos característicos da dinâmica dos conversores DC/DC. Com isso, além da necessidade de se caracterizar os fenômenos existentes nos sistemas de potência com circuitos conversores, surge a necessidade de se controlar a dinâmica do mesmo, abrindo um campo para se explorar as mais diversas técnicas de controle de caos.

O presente trabalho ocupou-se do estudo da robustez do comportamento de um sistema afim por partes com tempos de transição minimamente espaçados que é encontrado em veículos lançadores e satélites. Os atuadores usados no controle de atitude desses sistemas são do tipo liga-desliga e possuem restrições temporais de chaveamento. Ciclos-limite e movimentos persistentes não-periódicos podem ocorrer. Na presença de incertezas de modelagem, o sistema está sujeito a bifurcações capazes de afetar o desempenho do controle. A natureza de comportamentos dinâmicos complexos nesse sistema foi investigada usando-se diagramas de bifurcação em função dos parâmetros de controle. Adotaram-se técnicas como mapas de Poincaré, espectro de Lyapunov e dimensões fractais calculadas usando transformada de wavelets. Revelou-se uma rica coexistência de dinâmicas complexas, tais como ciclos-limite de período-k e caos. Um atrator similar ao quase-periódico é caracterizado. Possíveis erros de modelagem do sistema de atuação foram caracterizados usando tanto representação paramétrica quanto não-estruturada. O método de Tsypkin foi utilizado para estudar a robustez da condição de existência de ciclo-limite. Assim, uma fronteira de robustez pôde ser identificada no espaço de parâmetros de controle. Essa fronteira foi validada por meio de simulação e comparada com aquela obtida pelo método da função descritiva, revelando as desvantagens deste método no projeto de controladores robustos para o sistema estudado. Também foi proposto um método de síntese de controladores robustos usando o lugar de Hamel. Os resultados mostram que é possível minimizar a amplitude de oscilação e o consumo de combustível robusta e simultaneamente.

Neste trabalho é feita uma análise de um sistema de controle de atitude com atuadores chaveados buscando entender seu comportamento qualitativo na presença de ruído de sensor de taxa de variação do desvio angular. O sistema é modelado como linear por partes e a caracterização da sua dinâmica é feita utilizando-se ferramentas típicas de análise não linear, como espectro de Lyapunov, mapa de Poincaré e diagramas de bifurcação. Também são utilizadas simulações de trajetórias no espaço de fase e respectivas séries temporais, além de gráficos de bacias de atração. Mostra-se que o efeito do ruído é amplificado em regiões do espaço de parâmetros onde existe multiestabilidade. Nestas regiões verifica-se salto de trajetórias entre atratores periódicos e quase-periódicos, além de comportamento intermitente. É detectado um conjunto não-atrativo responsável por transientes de comportamento quase-periódico. Este conjunto também influencia a dinâmica de salto de trajetórias entre atratores.

Neste trabalho foi realizado um estudo experimental de um laser de CO2 composto por um oscilador chaveado por um obturador eletromecânico e um amplificador contínuo, conjunto este conhecido pela sigla MOPA (Master Oscilator Power Amplifier). O oscilador apresenta uma configuração de cavidade ressonante muito simples para operação em regime de q-switching a partir de lasers de CO2 contínuos. De um lado da cavidade tem-se um espelho de acoplamento plano de Germânio e de outro lado um conjunto feito de uma lente positiva e um espelho plano 100% refletor. O feixe do laser é focalizado pela lente sobre o espelho 100% refletor e um chopper é colocado perto deste espelho para chavear as perdas da cavidade. Com esta cavidade ressonante foram obtidos pulsos de laser com taxas de repetição de 50 a 900 Hz, potências de pico entre 30 e 1500W e larguras de pulso entre 0,5 e 1,1s. A este oscilador foi adicionado um amplificador a fim de estudar a operação laser na configuração MOPA. O amplificador é feito de duas células de descarga a baixa pressão, bombeamento contínuo, com 40 cm cada uma. O amplificador gerou uma faixa de ganhos entre 1,3 e 2,4. Um modelo teórico foi desenvolvido para comparação entre os resultados teóricos e experimentais. Com o modelo teórico e com os resultados experimentais obtidos neste trabalho é possível dimensionar um sistema de maior potência ou energia por pulso.

Circuitos eletrônicos chaveados apresentam uma dinâmica extremamente elaborada que, ultimamente, vem sendo objeto de intensivas pesquisas. A característica primordial desses circuitos é a operação comutada entre diferentes topologias de circuitos, o que ocasiona uma variedade de comportamentos não lineares. Importantes exemplos desses circuitos, os conversores DC/DC são os componentes fundamentais dos subsistemas de potência de satélites, e apresentam comportamentos típicos de sistemas não lineares descontínuos, entre os quais, "salto" entre diferentes níveis de tensão, operação em regime quase-periódico, e evolução caótica oriundos de específicos cenários de bifurcação. Além das bifurcações encontradas tradicionalmente em sistemas não lineares contínuos, há bifurcações típicas de sistemas descontínuos, e que resultam da operação em diferentes topologias suaves-por-partes, as bifurcações de colisão de borda, a grazing, a sliding, a boundary-equilibrium bifurcation. Dentre os objetivos deste trabalho, espera-se caracterizar a ocorrência dessas bifurcações e suas conseqüências no caso das configurações típicas de subsistemas de potência de satélite. A partir dessa caracterização, tenciona-se contribuir com soluções de engenharia que impliquem em subsistemas mais robustos e previsíveis. Outra área a ser explorada neste projeto diz respeito a verificar a aplicabilidade dos métodos de controle não linear como controle de caos, e controle através de sincronização baseando-se nas abordagens de controle e sincronização aplicados a redes complexas.

A aplicação da técnica não linear Backstepping para a proteção do Envelope de Voo em uma aeronave é estudada nesse trabalho. O objetivo principal é projetar controladores para proteger a aeronave de operar fora dos valores máximos e mínimos do seu envelope de voo. Esses valores são definidos pelo fabricante na etapa de projeto da aeronave. A proteção está relacionada está relacionada à entrada que o piloto produz no "stick';", que é considerada como a entrada do sistema de proteção. Os projetos de proteção foram desenvolvidos para proteger ao envelope de aerodinâmica adversa e ao envelope de atitude incomum. Dentro desses envelopes a subdivisão é feita pela proteção longitudinal, segurando o ângulo de ataque no seu máximo valor e a proteção latero-direcional, mantendo o ângulo de rolamento no máximo valor. O Backstepping por ser uma técnica de controle não linear, permite trabalhar com as não linearidades favoráveis (que estabilizam o sistema) até achar uma lei de controle que garanta a estabilidade baseada na teoria de Lyapunov. Ao longo do trabalho são apresentados os projetos de controle de proteção que foram divididos em Longitudinal e Latero-Direcional. Cada um deles é composto de dois controladores de rastreio (?, q, ?, ?, ?, p, r) que trabalham em paralelo e são compactados através de uma função de comutação. Já nos capítulos finais são apresentados as simulações, os resultados as conclusões e as recomendações.

Com o início do projeto do satélite universitário ITASAT tornaram-se necessárias pesquisas sobre os diversos subsistemas que compõem um satélite, entre elas a área de suprimento de energia. Esta dissertação procura apresentar um estudo sobre unidades de controle de potência utilizadas no suprimento de energia de satélites que têm a energia solar, através da conversão fotovoltaica, como fonte de energia. Após uma breve revisão dos subsistemas e da história dos satélites, são apresentadas e analisadas as duas principais arquiteturas usadas para o controle de potência: Rastreamento da Potência de Pico (Peak Power Tracking - PPT) e Transferência Direta de Energia (Direct Energy Transfer - DET). O Sequential Switching Shunt Series Regulator (S4R), topologia analisada neste trabalho, é baseado na arquitetura DET e dois modelos foram gerados para sua análise. O primeiro modelo, usado em simulações com o software SPICE, obtém-se a partir do método Switch Network. O segundo modelo é obtido através do método State Space Averaging e é usado em simulações com o software MATLAB. São mostrados e comparados os resultados das simulações e os resultados experimentais, obtidos com o protótipo de um Regulador Shunt Chaveado e com o protótipo do S4R. Por último, concluí-se que o Sequential Switching Shunt Series Regulator é uma solução viável e eficaz para o controle de potência em unidades de suprimento de energia de satélites como o satélite universitário ITASAT.

Due, in part, to the nowadays considerable body of theoretical results for Markov Jump Linear Systems (MJLS), there has been recently an intense interplay between the classical switch systems and MJLS theory. Although the development of these theories came up independently, in a broad way MJLS can be seen as a class of switch systems with a stochastic switching mecanism. Motivated by the diversity of methods of these theories and its potentiality in the treatment of systems with requires tolerance to failure (the so-called safety-critical and highintegrity systems), it is our intention in this dissertation to make up a synthesis of the most relevant methods, setting against the two theories. In view of the huge amount of results of these theories, we focus here just on the stability problem. We begin presenting well known tools such as common Lyapunov functions and others which are related to involving classes of linear subsistems with certain particularities such as commutativity and solubility of Lie algebra. Rigth after, we present the concept of average dwell time, part Lyapunov functions and results about design of switch. Using the average dwell time at the linear systems with stable and unstable systems with the rules already demonstrated we claim some results about stability that applied at linear systems with markovian switch. / Devido em parte, ao considerável corpo de resultados teóricos para Sistemas Lineares com Saltos Markovianos (SLMS), tem havido recentemente uma intensa interação entre a teoria clássica de sistemas com chaveamento (switched systems) e a teoria de SLSM. Apesar do desenvolvimento dessas teorias terem acontecido essencialmente de maneira independentes, num sentido amplo SLMS pode ser visto como um sistema com chaveamento cujo mecanismo de chaveamento é estocástico. Motivados pela diversidade de métodos dessas teorias e sua enorme potencialidade no tratamento de sistemas que exigem comportamentos tolerantes a falhas (faz parte do que se denomina na literatura especializada como safety-critical and high integrity systems) é nossa intenção nesta dissertaçãoo fazer uma síntese dos métodos mais relevantes, contrapondo as duas teorias. Tendo em vista a enorme quantidade de resultados, focaremos apenas o problema de estabilidade. Começaremos o estudo com critérios já conhecidos como a construção de uma função comum de Lyapunov para os sistemas e outros que dizem respeito à estabilidade em classes de subsistemas lineares que possuem certas particularidades como comutatividade e solubilidade da álgebra de Lie gerada pela coleção de matrizes. Em seguida, apresentaremos os conceitos de tempo médio de habitação, funções de Lyapunov por partes e os resultados sobre design de switch. Através do estudo do tempo médio de habitação em sistemas lineares com matrizes estáveis e instáveis, juntamente com os critérios já estudados referentes às classes de subsistemas para as quais é possível a construção de uma função comum de Lyapunov, chegamos a alguns resultados para estabilidade, que aplicamos ao caso de chaveamento Markoviano.

Made available in DSpace on 2015-03-04T18:51:12Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Dissertacao Daniela Paula.pdf: 457309 bytes, checksum: 2cece1f133cd1224c92821fe3bd36e8b (MD5) Previous issue date: 2009-07-27 / Coordenacao de Aperfeicoamento de Pessoal de Nivel Superior / Due, in part, to the nowadays considerable body of theoretical results for Markov Jump Linear Systems (MJLS), there has been recently an intense interplay between the classical switch systems and MJLS theory. Although the development of these theories came up independently, in a broad way MJLS can be seen as a class of switch systems with a stochastic switching mecanism. Motivated by the diversity of methods of these theories and its potentiality in the treatment of systems with requires tolerance to failure (the so-called safety-critical and highintegrity systems), it is our intention in this dissertation to make up a synthesis of the most relevant methods, setting against the two theories. In view of the huge amount of results of these theories, we focus here just on the stability problem. We begin presenting well known tools such as common Lyapunov functions and others which are related to involving classes of linear subsistems with certain particularities such as commutativity and solubility of Lie algebra. Rigth after, we present the concept of average dwell time, part Lyapunov functions and results about design of switch. Using the average dwell time at the linear systems with stable and unstable systems with the rules already demonstrated we claim some results about stability that applied at linear systems with markovian switch. / Devido em parte, ao considerável corpo de resultados teóricos para Sistemas Lineares com Saltos Markovianos (SLMS), tem havido recentemente uma intensa interação entre a teoria clássica de sistemas com chaveamento (switched systems) e a teoria de SLSM. Apesar do desenvolvimento dessas teorias terem acontecido essencialmente de maneira independentes, num sentido amplo SLMS pode ser visto como um sistema com chaveamento cujo mecanismo de chaveamento é estocástico. Motivados pela diversidade de métodos dessas teorias e sua enorme potencialidade no tratamento de sistemas que exigem comportamentos tolerantes a falhas (faz parte do que se denomina na literatura especializada como safety-critical and high integrity systems) é nossa intenção nesta dissertaçãoo fazer uma síntese dos métodos mais relevantes, contrapondo as duas teorias. Tendo em vista a enorme quantidade de resultados, focaremos apenas o problema de estabilidade. Começaremos o estudo com critérios já conhecidos como a construção de uma função comum de Lyapunov para os sistemas e outros que dizem respeito à estabilidade em classes de subsistemas lineares que possuem certas particularidades como comutatividade e solubilidade da álgebra de Lie gerada pela coleção de matrizes. Em seguida, apresentaremos os conceitos de tempo médio de habitação, funções de Lyapunov por partes e os resultados sobre design de switch. Através do estudo do tempo médio de habitação em sistemas lineares com matrizes estáveis e instáveis, juntamente com os critérios já estudados referentes às classes de subsistemas para as quais é possível a construção de uma função comum de Lyapunov, chegamos a alguns resultados para estabilidade, que aplicamos ao caso de chaveamento Markoviano.