Nesta Dissertação são propostos dois esquemas de controle para sistemas não-lineares com atraso. No primeiro, o objetivo é controlar uma classe de sistemas incertos multivariáveis, de grau relativo unitário, com perturbações não-lineares descasadas dependentes do estado, e com atraso incerto e variante no tempo em relação ao estado. No segundo, deseja-se controlar uma classe de sistemas monovariáveis, com parâmetros conhecidos, grau relativo arbitrário, atraso arbitrário conhecido e constante na saída. Admitindo-se que o atraso na entrada pode ser deslocado para a saída, então, o segundo esquema de controle pode ser aplicado a sistemas com atraso na entrada. Os controladores desenvolvidos são baseados no controle por modo deslizante e realimentação de saída, com função de modulação para a amplitude do sinal de controle. Além disso, observadores estimam as variáveis de estado não-medidas. Em ambos os esquemas de controle propostos, garante-se propriedades de estabilidade globais do sistema em malha fechada. Simulações ilustram a eficácia dos controladores desenvolvidos. / Two control schemes for nonlinear time-delay systems are proposed in this thesis. The purpose of the first scheme is to control a class of uncertain multivariable systems, with relative degree one, nonlinear unmatched state dependent disturbances, and uncertain time-varying state delay. The purpose of the second scheme is to control a class of single-input-single-output systems, with known parameters, arbitrary relative degree, with constant and known arbitrary output delay. Assuming that input delays can be transferred to the output, so the second scheme can be applied to systems with input time-delay. The developed controllers are based on sliding mode control and output feedback, with modulation function to the control signal amplitude. Furthermore, observers estimate unmeasured state variables. In both schemes, global stability properties of the closed loop system are guaranteed. Simulations illustrate the effectiveness of the proposed approaches.

Existem métodos de integração de equações algébrico diferenciais não lineares (DAEs) considerados clássicos pela literatura. Porém, neste trabalho, através uma abordagem geométrica, apresenta-se um método de integração de DAEs. Tal método é inspirado na teoria de desacoplamento de sistemas não lineares explícitos, quando se considera que as saídas são restrições algébricas. Neste caso, a DAE pode ser identificada como dinâmica zero. O resultado principal desta abordagem é que, dada uma DAE, sob certas condições, é possível a construção de um sistema explícito, de tal maneira, que as soluções desse sistema explícito convergem para as soluções da DAE. / Classical methods for numerical integration of diferential algebraic equations (DAEs) can be formal in the literature. In this work, using a diferential geometric approach, a numerical method of integration of DAEs is established. This method is inspired in the decoupling theory of nonlinear explicit systems, when one considers that the outputs are algebraic constraints. The main result is the construction of an explicit system, whose solutions converge to the solutions of the DAE.

A utilização de Redes Neurais Artificias para fins de identificação e controle de sistemas dinâmicos têm recebido atenção especial de muitos pesquisadores, principalmente no que se refere a sistemas não lineares. Neste trabalho é apresentado um estudo sobre a utilização de um tipo em particular de Rede Neural Artificial, uma Perceptron Multicamadas com Atraso de Tempo, na estimação de estados da etapa fermentativa do processo de Reichstein para produção de vitamina C. A aplicação de Redes Neurais Artificiais a este processo pode ser justificada pela existência de problemas associados à esta etapa, como variáveis de estado não mensuráveis e com incertezas de medida e não linearidade do processo fermentativo, além da dificuldade em se obter um modelo convencional que contemple todas as fases do processo. É estudado também a eficácia do algoritmo de Levenberg-Marquadt, na aceleração do treinamento da Rede Neural Artificial, além de uma comparação do desempenho de estimação de estados das Redes Neurais Artificiais estudadas com o filtro estendido de Kalman, baseado em um modelo não estruturado do processo fermentativo. A análise do desempenho das Redes Neurais Artificiais estudadas é avaliada em termos de uma figura de mérito baseada no erro médio quadrático sendo feitas considerações quanto ao tipo da função de ativação e o número de unidades da camada oculta. Os dados utilizados para treinamento e avaliação da Redes Neurais Artificiais foram obtidos de um conjunto de ensaios interpolados para o intervalo de amostragem desejado. / ldentification and Control of dynamic systems using Artificial Neural Networks has been widely investigated by many researchers in the last few years, with special attention to the application of these in nonlinear systems. ls this works, a study on the utilization of a particular type of Artificial Neural Networks, a Time Delay Multi Layer Perceptron, in the state estimation of the fermentative phase of the Reichstein process of the C vitamin production. The use of Artificial Neural Networks can be justified by the presence of problems, such as uncertain and unmeasurable state variables and process non-linearity, and by the fact that a conventional model that works on all phases of the fermentative processes is very difficult to obtain. The efficiency of the Levenberg Marquadt algorithm on the acceleration of the training process is also studied. Also, a comparison is performed between the studied Artificial Neural Networks and an extended Kalman filter based on a non-structured model for this fermentative process. The analysis of lhe Artificial Neural Networks is carried out using lhe mean square errors taking into consideration lhe activation function and the number of units presents in the hidden layer. A set of batch experimental runs, interpolated to the desired time interval, is used for training and validating the Artificial Neural Networks.

Orientador: Edevar Luvizotto Junior / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo / Made available in DSpace on 2018-08-05T20:04:30Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Palhares_JulianaBarbosa_M.pdf: 1136611 bytes, checksum: 85a62466425d6655acb5af5bcc414c66 (MD5) Previous issue date: 2005 / Resumo: Nos sistemas de transporte de fluido líquido, têm-se a preocupação em combater às fugas ou vazamentos. Dessa fonna, este trabalho tem como objetivo aperfeiçoar o método de detecção de fugas em tubulações pelo método de resposta nos domínios fteqüência e tempo, utilizando como ferramentas matemáticas o Método da Matriz Transferência / Resposta em Freqüência e o Método das Características / Transfonnada Rápida de Fourier, sendo demonstradas as vantagens e desvantagens de cada método. E, como contribuição original, propõe um método de detecção de fugas através da análise de pulso de Alta Freqüência, localizando as fugas através da detenninação do tempo que um pulso emitido pela válvula leva para percorrer toda a tubulação e retomar à esta, denominado como Pulso Refletido / Abstract: In liquid fluid transport systems, there is a concem about avoiding leaks. Thus, this work has as objective to improve the leak detection method in pipes by úequency and time domains response method, being used as mathematical tools the method ofTransfer-Matrix / by úequency response and the Method of Characteristics / the Fast Fourier Transform, being demonstrated the advantages and disadvantages of each method. And, as new contribution, propose a leak detection method through the analysis of high frequency pulse, detecting the leaks through determination of time that a pulse produced by the valve takes to go through all pipe and come back, is denominated as a reflected pulse / Mestrado / Recursos Hidricos / Mestre em Engenharia Civil

Orientadores: Wagner Caradori do Amaral, Ricardo Jose Gabrielli Barreto Campello / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Eletrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-06T08:36:39Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Medeiros_AndersonViniciusde_M.pdf: 896535 bytes, checksum: 48d0d75d38fcbbd0f47f7c49823806f1 (MD5) Previous issue date: 2006 / Resumo: Esta dissertação apresenta uma metodologia para a geração e otimização de modelos fuzzy Takagi-Sugeno (TS) com Funções de Base Ortonormal (FBO) para sistemas dinâmicos não lineares utilizando um algoritmo genético. Funções de base ortonormal têm sido utilizadas por proporcionarem aos modelos propriedades como ausência de recursão da saída e possibilidade de se alcançar uma razoável capacidade de representação com poucos parâmetros. Modelos fuzzy TS agregam a essas propriedades as características de interpretabilidade e facilidade de representação do conhecimento. Enfim, os algoritmos genéticos se apresentam como um método bem estabelecido na literatura na tarefa de sintonia de parâmetros de modelos fuzzy TS. Diante disso, desenvolveu-se um algoritmo genético para a otimização de duas arquiteturas, o modelo fuzzy TS FBO e sua extensão, o modelo fuzzy TS FBO Generalizado. Foram analisados modelos locais lineares e não lineares nos conseqüentes das regras fuzzy, assim como a diferença entre a estimação local e a global (utilizando o estimador de mínimos quadrados) dos parâmetros desses modelos locais. No algoritmo genético, cada arquitetura contou com uma representação cromossômica específica. Elaborou-se para ambas uma função de fitness baseada no critério de Akaike. Em relação aos operadores de reprodução, no operador de crossover aritmético foi introduzida uma alteração para a manutenção da diversidade da população e no operador de mutação gaussiana adotou-se uma distribuição variável ao longo das gerações e diferenciada para cada gene. Introduziu-se ainda um método de simplificação de soluções através de medidas de similaridade para a primeira arquitetura citada. A metodologia foi avaliada na tarefa de modelagem de dois sistemas dinâmicos não lineares: um processo de polimerização e um levitador magnético / Abstract: This work introduces a methodology for the generation and optimization of Takagi-Sugeno (TS) fuzzy models with Orthonormal Basis Functions (OBF) for nonlinear dynamic systems based on a genetic algorithm. Orthonormal basis functions have been used because they provide models with properties like absence of output feedback and the possibility to reach a reasonable approximation capability with just a few parameters. TS fuzzy models aggregate to these properties the characteristics of interpretability and easiness to knowledge representation in a linguistic manner. Genetic algorithms appear as a well-established method for tuning parameters of TS fuzzy models. In this context, it was developed a genetic algorithm for the optimization of two architectures, the OBF TS fuzzy model and its extension, the Generalized OBF TS fuzzy model. Local linear and nonlinear models in the consequent of the fuzzy rules were analyzed, as well as the difference between local and global estimation (using least squares estimation) of the parameters of these local models. Each architecture had a specific chromosome representation in the genetic algorithm. It was developed a fitness function based on the Akaike information criterion. With respect to the genetic operators, the arithmetic crossover was modified in order to maintain the population diversity and the Gaussian mutation had its distribution varied along the generations and differentiated for each gene. Besides, it was used, in the first architecture presented, a method for simplifying the solutions by using similarity measures. The whole methodology was evaluated in modeling two nonlinear dynamic systems, a polymerization process and a magnetic levitator / Mestrado / Automação / Mestre em Engenharia Elétrica

Submitted by Geandra Rodrigues (geandrar@gmail.com) on 2018-01-11T17:29:03Z No. of bitstreams: 1 exuperrybarroscosta.pdf: 14654639 bytes, checksum: f25579d82da6242e77a04745322538ad (MD5) / Approved for entry into archive by Adriana Oliveira (adriana.oliveira@ufjf.edu.br) on 2018-01-23T13:44:17Z (GMT) No. of bitstreams: 1 exuperrybarroscosta.pdf: 14654639 bytes, checksum: f25579d82da6242e77a04745322538ad (MD5) / Made available in DSpace on 2018-01-23T13:44:17Z (GMT). No. of bitstreams: 1 exuperrybarroscosta.pdf: 14654639 bytes, checksum: f25579d82da6242e77a04745322538ad (MD5) Previous issue date: 2017-09-15 / O presente trabalho propõe uma nova metodologia de Geração de Sinal Sub-Ótimo de Excitação e Estimação Ótima de Parâmetros de sistemas não lineares. É proposto que a avaliação de cada sinal deva considerar, entre outros fatores, a diferença entre os parâmetros reais da planta e os obtidos pela estimação. Entretanto esta métrica não é trivial de ser obtida uma vez que os valores reais são desconhecidos. Para tanto é adotada a hipótese de que, se um sistema real puder ser razoavelmente aproximado por uma caixa branca, é possível utilizar este modelo como referência para indicar o impacto de um sinal sobre a estimação paramétrica. Desta forma, é utilizada uma metodologia de otimização dividida em dois níveis: (i) Nível Interno; para um dado sinal de excitação um método de otimização não linear busca o conjunto ótimo de parâmetros que minimiza o erro entre os sinais de saída do modelos original e do de referência. (ii) No nível externo um método de otimização baseado em meta-heurística é responsável por encontrar o melhor sinal de excitação com base na função custo composta de uma soma ponderada de métricas que consideram o erro entre os sinais de saída do modelo otimizado e do de referência, a diferença quadrática entre seus parâmetros, e o custo em relação ao tempo e espaço necessários para executar o experimento. Portanto, a aplicação da metodologia proposta vem suprir a necessidade de estimar sistemas não lineares apropriadamente, encontrando um conjunto de parâmetros capaz de generalizar o comportamento do sistema real, através de um sinal de excitação que cumpra requisitos práticos do processo. A eficácia da metodologia proposta é analisada em detalhes através de resultados obtidos utilizando sistemas de fluídos, sistemas caóticos e de robótica móvel, tanto sobre rodas quanto subaquática. / The present work proposes a novel methodology for Sub-Optimal Excitation Signal Generation and Optimal Parameter Estimation of nonlinear systems. It is proposed that the evaluation of each signal must to take into account, among other factors, the difference between real system parameters and the obtained by estimation. However, this metric is not trivially obtained once the real parameters values are unknown. To do so it is adopted the hypothesis that, if the system can be fairly approximate by a white box model, it is possible to use this model as a benchmark to indicate the impact of a signal on a parametric estimation. In this way, the method uses an optimization methodology divided into two levels: (i) Inner Level; For a given excitation signal a nonlinear optimization method searches for the optimal set of parameters that minimizes the error between the output signals of the original and the benchmark models. (ii) At the outer level, an optimization method based on metaheuristics is responsible for finding the best excitation signal, based on the cost function composed of a weighted sum of metrics, that considers the error between the output signals of the optimized model and the benchmark, the quadratic difference between its parameters, and the cost in relation to the time and space required to execute the experiment. Thus, the application of the proposed methodology comes to supply the need to estimate nonlinear systems appropriately, finding a set of parameters capable of generalizing the behavior of the real system, through an excitation signal that fulfills practical requirements of the process. The proposed methodology is analyzed in detail through results obtained using fluid systems, chaotic systems and mobile robotics, both wheeled and underwater.

Orientador: Prof. Dr. Luiz Alberto Luz de Almeida / Coorientador: Prof. Dr. Carlos Eduardo Capovilla / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do ABC, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Santo André, 2018. / O trabalho apresenta uma extensao da limitacao estatica Loop Proximity (..2..) do modelo de histerese para incorporar a componente reversivel de magnetizacao dependente de taxa para modelar nucleos de ferrite de energia e, possivelmente, materiais ferromagneticos baseados em ferro e niquel para aplicacoes de baixa frequencia. O modelo proposto e baseado em a combinacao do modelo estatico (..2..) com um filtro discreto dinamico linear de uma resposta de impulso infinita. Dois casos em que a histerese depende da frequencia de excitacao apresentada usando dados sinteticos para validar a capacidade do modelo para representar o comportamento de nucleos fisicos reais. A tecnica de otimizacao por enxames de particulas e empregada como um metodo para estimacao de parametros no resultado modelo estatico-dinamico nao linear. Os resultados da simulacao sao apresentados indicando que trouxemos a comunidade eletronica de potencia um modelo de nucleo promissor e alternativo para componentes magneticos usado em fontes de energia renovaveis. / We present an extension of the static Limiting Loop Proximity ..2.. hysteresis model to incorporate reversible magnetization and rate-dependency to model power ferrite cores and, possibly, ferromagnetic materials based on iron and nickel for low-frequency applications. The proposed model is based on the combination of the ..2.. static model with a dynamical discrete linear filter of an infinite impulse response. Two cases where the hysteresis depends on the excitation frequency are presented using synthetic data to validate de capacity of the model to behave as real physical cores. The particle swarm optimization is employed as a method for parameter estimation in the resulting nonlinear static-dynamic model. Simulation results are presented indicating that we brought to the power electronic community apromising and alternative core model for magnetic components used in renewable power sources.

A presente tese aborda dois problemas distintos e independentes: triangularização de sistemas não-lineares com duas entradas e controle de sistemas sem arrasto que evoluem no grupo especial unitário SU(n). Em relação ao primeiro, estabeleceu-se, através da generalização de resultados bem conhecidos, condições geométricas para que um sistema com duas entradas seja descrito por uma forma triangular específica após uma mudança de coordenadas e uma realimentação de estado estática regular. Para o segundo problema, desenvolveu-se uma estratégia de controle que força o estado do sistema a rastrear assintoticamente uma trajetória de referência periódica que passa por um estado objetivo arbitrário. O método de controle proposto utiliza os resultados de convergência de tipo- Lyapunov que foram estabelecidos pela presente pesquisa e que tiveram como inspiração uma versão periódica do princípio da invariância de LaSalle. Apresentou-se, ainda, os resultados de simulação obtidos com a aplicação da técnica de controle desenvolvida a um sistema quântico consistindo de duas partículas de spin-1/2, com o objetivo de gerar a porta lógica quântica C-NOT. / This thesis treats two distinct and independent problems: triangularization of nonlinear systems with two inputs and control of driftless systems which evolve on the special unitary group SU(n). Concerning the first, one has established, by means of the generalization of well-known results, geometric conditions for a system with two inputs to be described by a specific triangular form after a change of coordinates and a regular static state feedback. For the second problem, one has developed a control strategy that forces the state of the system to track in an asymptotic manner a periodic reference trajectory which passes by an arbitrary goal state. The proposed control method uses Lyapunovlike convergence results that were established in this research and which were inspired in a periodic version of LaSalles invariance principle. Furthermore, one has shown the simulation results obtained from the application of the developed control technique to a quantum system consisting of two spin-1/2 particles, with the aim of generating the C-NOT quantum logic gate.

Neste trabalho é apresentada uma abordagem fuzzy para a estabilização de uma classe de sistemas não-lineares com parâmetros descritos por saltos Markovianos. Uma nova modelagem fuzzy de sistemas é formulada para representar esta classe de sistemas na vizinhança de pontos de operação escolhidos. A estrutura deste sistema fuzzy é composta de dois níveis, um para descrição dos saltos Markovianos e outro para descrição das não-linearidades no estado do sistema. Condições suficientes para a estabilização estocástica do sistema fuzzy considerado são derivadas usando uma função de Lyapunov acoplada. O projeto de controle fuzzy é então formulado a partir de um conjunto de desigualdades matriciais lineares. Em adição, um exemplo de aplicação, envolvendo a representação da operação de um sistema elétrico de potência em esquema de co-geração por um sistema com saltos Markovianos, é construído para validação dos resultados. / This work deals with the fuzzy-model-based control design for a class of Markovian jump nonlinear systems. A new fuzzy system modeling is proposed to approximate the dynamics of this class of systems. The structure of the new fuzzy system is composed of two levels, a crisp level which describes the Markovian jumps and a fuzzy level which describes the system nonlinearities. A sufficient condition on the existence of a stochastically stabilizing controller using a Lyapunov function approach is presented. The fuzzy-model-based control design is formulated in terms of a set of linear matrix inequalities. In addition, simulation results for a single-machine infinite-bus power system in cogeneration scheme, whose operation is modeled as an Markovian jump nonlinear system, are presented to illustrate the applicability of the technique.

Pontos de equilíbrio assintoticamente estáveis de sistemas dinâmicos não lineares geralmente não são globalmente estáveis. Na maioria dos casos, há um subconjunto de condições iniciais, chamada região de estabilidade (ou área de atração), cujas trajetórias tendem ao ponto de equilíbrio quando o tempo tende ao infinito. Devido à importância das regiões de estabilidade em aplicações, e motivado principalmente pelo problema de analise de estabilidade transitória em sistemas elétricos de potência, uma caracterização completa da fronteira da região de estabilidade foi desenvolvida. Esta caracterização foi desenvolvida sob a suposição de que o sistema dinâmico é bem conhecido e que os parâmetros de seu modelo são constantes. Na prática, variações de parâmetros ocorrem e bifurcações desta podem ocorrer. Nesta tese, desenvolveremos uma caracterização completa da fronteira da região de estabilidade de sistemas dinâmicos autônomos não lineares admitindo a existência de pontos de equilíbrio não hiperbólicos do tipo Hopf na fronteira da região de estabilidade. Sob certas condições de transversalidade, apresentaremos uma caracterização completa da fronteira da região de estabilidade admitindo tanto a presença de pontos de equilíbrio não hiperbólicos do tipo Hopf como também a existência de órbitas periódicas na fronteira. Ofereceremos também uma caracterização da fronteira da região de estabilidade fraca do ponto de equilíbrio não hiperbólico Hopf supercrítico do tipo zero e uma caracterização topológica da sua região de atração. Além disso, exibiremos resultados relativos ao comportamento da região de estabilidade de um ponto de equilíbrio assintoticamente estável e da sua fronteira na vizinhança do valor crítico de bifurcação do tipo Hopf. / Asymptotically stable equilibrium points of nonlinear dynamical systems are generally not globally stable. In most cases, there is a subset of initial conditions, called stability region (or attraction area), in which trajectories tend to the equilibrium point when time approaches innity. Due to the importance of stability regions in applications, and mainly motivated by the problem of transient stability analysis in electric power systems, a complete characterization of the boundary of the stability region was developed. This characterization was developed under the assumption that the dynamic system is well known and the parameters of its model are constant. In practice, parameter variations happen and bifurcations may occur. In this thesis, we will develop a complete characterization of the boundary of the stability region of autonomous nonlinear dynamical systems admitting the existence of non-hyperbolic equilibrium points of the type Hopf on the boundary of the stability region. Under certain transversality conditions, we present a complete characterization of the boundary of the stability region admitting the presence of both non-hyperbolic equilibrium points of the type Hopf and periodic orbits on the boundary. Also a complete characterization of the boundary of the region of weak stability of a supercritical Hopf non-hyperbolic equilibrium point of the type zero and a topological characterization of its region of attraction is developed. Furthermore, the behavior of the stability region of an asymptotically stable equilibrium point and its boundary in the neighborhood of a critical value of bifurcation of the type Hopf is studied.