Orientador: Edvaldo Assunção / Banca: Marcelo Carvalho M. Teixeira / Banca: Hilton Cleber Pietrobom / Resumo: Este trabalho aborda técnicas de controle em sistemas lineares realimentados com a derivada dos estados. Apresenta-se uma nova técnica de alocação de pólos, de forma que a resposta do sistema em malha fechada atenda alguns índices de desempenho. O projeto para o controlador é desenvolvido na forma de LMIs. Esse tipo de projeto é mais flexível no tratamento de robustez. Porém, é bem complicado inserir restriçõesi clássicas de índice de desempenho em LMIs. Para resolver essa situação usa-se o conceito de estabilidade regional (ou D-estabilidade) de sistemas. São apresentadas condições necessárias e suficientes para a D-estabilidade de sistemas lineares, realimentados com a derivada dos estados. Também são encontradas condições de suficiência para a D-estabilidade em sistemas com incertezas politópicas nos parâmetros. Apresenta-se a analogia que existe entre LMIs para sistemas com incertezas politópicas e LMIs para sistemas variantes no tempo. A eficiência da metodologia apresentada é avaliada através da solução de exemplos numéricos. / Abstract: This work focuses control techniques in linear systems using only state-derivative feed- back. It presents new techniques for pole-placement, where the transient response of a linear system is specified by design constraints. The design of the controller is described in LMI framework. This framework is more exible on the design of robust systems. However, it is more difficulty to incorporate classical design constraints in LMIs. The problem is solved using D-stability concept. We proposed necessary and sufficient condi- tions for D-stability of linear system using state derivative feedback. Are also proposed sufficient conditions to uncertain linear system and time-varying systems with bounded parameters. The validity and applicability of this approach are illustrated by examples. / Mestre

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:22:35Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2005-12-23Bitstream added on 2014-06-13T19:08:15Z : No. of bitstreams: 1 faria_fa_me_ilha.pdf: 449416 bytes, checksum: 5b125946a1b6572f4afaf42155ca56f0 (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Este trabalho aborda técnicas de controle em sistemas lineares realimentados com a derivada dos estados. Apresenta-se uma nova técnica de alocação de pólos, de forma que a resposta do sistema em malha fechada atenda alguns índices de desempenho. O projeto para o controlador é desenvolvido na forma de LMIs. Esse tipo de projeto é mais flexível no tratamento de robustez. Porém, é bem complicado inserir restriçõesi clássicas de índice de desempenho em LMIs. Para resolver essa situação usa-se o conceito de estabilidade regional (ou D-estabilidade) de sistemas. São apresentadas condições necessárias e suficientes para a D-estabilidade de sistemas lineares, realimentados com a derivada dos estados. Também são encontradas condições de suficiência para a D-estabilidade em sistemas com incertezas politópicas nos parâmetros. Apresenta-se a analogia que existe entre LMIs para sistemas com incertezas politópicas e LMIs para sistemas variantes no tempo. A eficiência da metodologia apresentada é avaliada através da solução de exemplos numéricos. / This work focuses control techniques in linear systems using only state-derivative feed- back. It presents new techniques for pole-placement, where the transient response of a linear system is specified by design constraints. The design of the controller is described in LMI framework. This framework is more exible on the design of robust systems. However, it is more difficulty to incorporate classical design constraints in LMIs. The problem is solved using D-stability concept. We proposed necessary and sufficient condi- tions for D-stability of linear system using state derivative feedback. Are also proposed sufficient conditions to uncertain linear system and time-varying systems with bounded parameters. The validity and applicability of this approach are illustrated by examples.

Orientador: Marcelo Carvalho Minhoto Teixeira / Banca: Edvaldo Assunção / Banca: Celso Pascoli Bottura / Resumo: Em alguns problemas práticos, por exemplo, no controle de vibrações de sistemas mecânicos utilizando acelerômetros como sensores, é mais fácil obter a da derivada do vetor de estado do que o vetor de estado. Esta dissertação mostra que plantas lineares e invariantes no tempo descritas pelas matrizes {A,B,C,D}, cuja saída é a derivada do vetor de estado, são não observáveis e não estabilizáveis com realimentação da saída, quando det(A)=0. A impossibilidade de rejeição de distúrbios constantes, somados à entrada da planta quando det(A) 6= 0, realimentando-se a saída com controladores estáticos, foi também demonstrada. Adicionalmente, são propostas novas técnicas de controle para uma classe de sistemas não lineares com incertezas variantes no tempo. Condições na forma de desigualdades matriciais lineares, em inglês Linear Matrix Inequalities (LMIs), para o projeto de sistemas de controle empregando realimentação derivativa estática da derivada do vetor de estado, que ao mesmo tempo estabiliza a planta e maximiza o limite de incerteza do termo não linear, são estabelecidas com base em funções quadráticas de Lyapunov. Posteriormente estendem-se as condições de estabilidade robusta para sistemas não lineares com incertezas variantes no tempo e incertezas politópicas, que podem também representar falhas estruturais. O projeto do controlador é realizado através de condições baseadas em LMIs que, quando factíveis, podem ser resolvidas facilmente utilizando técnicas de programação convexa. Essa metodologia permite a inclusão de restrições de desempenho no projeto, como por exemplo, na taxa de decaimento e na norma de ganho dos controladores, de modo a atender às restrições do projeto. São apresentadas análises e resultados considerando o sinal de controle nulo e empregando realimentação derivativa estática do vetor de estado... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: In some practical problems, for instance in the control of mechanical systems using accelerometers as sensors, it is easier to obtain the state-derivative vectors than the state vectors. This dissertation shows that (i) linear time-invariant plants given by the state-space model matrices {A,B,C,D} with output equal to the state-derivative vector are not observable and can not be stabilizable by using an output feedback if det(A) = 0 and (ii) the rejection of a constant disturbance added to the input of the aforementioned plants, considering det(A) 6= 0, and a static output feedback controller is not possible. The proposed results can be useful in the analysis and design of control systems with state-derivative feedback. Additionally, a new procedure for the control of a class of nonlinear systems with time-varying uncertainties using static statederivative feedback is proposed. Conditions based on Linear Matrix Inequalities (LMIs) for the design of robust controllers using state-derivative feedback, which simultaneously stabilizes the system and maximizes the uncertainty bound of the nonlinear term are proposed. Robust stability conditions for nonlinear systems with uncertainties and time-varying polytopic uncertainties, known as structural failures, are also presented. The controller design are based on LMIs which, when feasible, can be easily solved using convex programming techniques. This methodology allows the inclusion of performance constraints on the design, such as the decay rate and gain bounds in order to meet the design requirements. The dissertation considered cases where the control signal is equal to zero and with a state-derivative feedback. The elaboration of the theory for systems with n nonlinearities is illustrated through examples covering a single nonlinearity, with and without two polytopic uncertainties (and structural failures), and two nonlinearities... (Complete abstract click electronic access below) / Mestre

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:22:31Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2011-02-28Bitstream added on 2014-06-13T18:49:28Z : No. of bitstreams: 1 moreira_mr_me_ilha.pdf: 1357345 bytes, checksum: 0cd0261b936a9aacf1f408322f1ec3be (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Em alguns problemas práticos, por exemplo, no controle de vibrações de sistemas mecânicos utilizando acelerômetros como sensores, é mais fácil obter a da derivada do vetor de estado do que o vetor de estado. Esta dissertação mostra que plantas lineares e invariantes no tempo descritas pelas matrizes {A,B,C,D}, cuja saída é a derivada do vetor de estado, são não observáveis e não estabilizáveis com realimentação da saída, quando det(A)=0. A impossibilidade de rejeição de distúrbios constantes, somados à entrada da planta quando det(A) 6= 0, realimentando-se a saída com controladores estáticos, foi também demonstrada. Adicionalmente, são propostas novas técnicas de controle para uma classe de sistemas não lineares com incertezas variantes no tempo. Condições na forma de desigualdades matriciais lineares, em inglês Linear Matrix Inequalities (LMIs), para o projeto de sistemas de controle empregando realimentação derivativa estática da derivada do vetor de estado, que ao mesmo tempo estabiliza a planta e maximiza o limite de incerteza do termo não linear, são estabelecidas com base em funções quadráticas de Lyapunov. Posteriormente estendem-se as condições de estabilidade robusta para sistemas não lineares com incertezas variantes no tempo e incertezas politópicas, que podem também representar falhas estruturais. O projeto do controlador é realizado através de condições baseadas em LMIs que, quando factíveis, podem ser resolvidas facilmente utilizando técnicas de programação convexa. Essa metodologia permite a inclusão de restrições de desempenho no projeto, como por exemplo, na taxa de decaimento e na norma de ganho dos controladores, de modo a atender às restrições do projeto. São apresentadas análises e resultados considerando o sinal de controle nulo e empregando realimentação derivativa estática do vetor de estado... / In some practical problems, for instance in the control of mechanical systems using accelerometers as sensors, it is easier to obtain the state-derivative vectors than the state vectors. This dissertation shows that (i) linear time-invariant plants given by the state-space model matrices {A,B,C,D} with output equal to the state-derivative vector are not observable and can not be stabilizable by using an output feedback if det(A) = 0 and (ii) the rejection of a constant disturbance added to the input of the aforementioned plants, considering det(A) 6= 0, and a static output feedback controller is not possible. The proposed results can be useful in the analysis and design of control systems with state-derivative feedback. Additionally, a new procedure for the control of a class of nonlinear systems with time-varying uncertainties using static statederivative feedback is proposed. Conditions based on Linear Matrix Inequalities (LMIs) for the design of robust controllers using state-derivative feedback, which simultaneously stabilizes the system and maximizes the uncertainty bound of the nonlinear term are proposed. Robust stability conditions for nonlinear systems with uncertainties and time-varying polytopic uncertainties, known as structural failures, are also presented. The controller design are based on LMIs which, when feasible, can be easily solved using convex programming techniques. This methodology allows the inclusion of performance constraints on the design, such as the decay rate and gain bounds in order to meet the design requirements. The dissertation considered cases where the control signal is equal to zero and with a state-derivative feedback. The elaboration of the theory for systems with n nonlinearities is illustrated through examples covering a single nonlinearity, with and without two polytopic uncertainties (and structural failures), and two nonlinearities... (Complete abstract click electronic access below)

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:30:49Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2009-09-12Bitstream added on 2014-06-13T20:00:53Z : No. of bitstreams: 1 cadim_r_dr_ilha.pdf: 1217588 bytes, checksum: e5c74b6a258852f996ebb5ae3e66b97a (MD5) / Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) / Neste trabalho são apresentados estudos teóricos, projetos de controladores e simulações numéricas de alguns sistemas de controle automáticos, que no decorrer das pesquisas geraram novas contribuições. Primeiramente foi feito um breve estudo sobre os sistemas fuzzy Takagi- Sugeno (TS) e realizadas algumas simulações envolvendo exemplos acadêmicos como o sistema bola-viga e o levitador magnético. Em decorrência desses estudos foi proposto um novo método para o controle de sistemas mecânicos não-lineares, descritos através de modelos fuzzy TS, considerando o acesso somente às derivadas das variáveis de estado da planta, com projeto baseado em desigualdades matriciais lineares, em inglês Linear Matrix Inequalities (LMIs) e estabilidade assegurada através de funções de Lyapunov. Adicionalmente, foram feitos estudos sobre realimentação derivativa, e proposto um novo método para projetar a matriz de realimentação discreta no tempo da derivada do vetor de estado, tal que o sinal de controle obtido seja equivalente a uma dada lei de controle contínua no tempo com realimentação do vetor de estado. O controlador discreto é obtido com base no controlador contínuo, utilizando um método de aproximação, baseado em LMIs. É suposto que a planta é controlável, linear e invariante no tempo, com uma (SI) ou múltiplas (MI) entradas. Este procedimento permite o uso de métodos de projeto bem conhecidos de realimentação das variáveis de estado em sistemas contínuos no tempo, para calcular diretamente os ganhos de realimentação da derivada das variáveis de estado em sistemas discretos no tempo. Os projetos com realimentação derivativa podem ser úteis no controle de sistemas mecânicos, utilizando-se acelerômetros como sensores. Finalizando, um outro assunto abordado neste trabalho e que também trouxe contribuições relevantes... / In this work, theoretical studies, controller designs and numeric simulations of several automatic control systems that generated new contributions are presented. Firstly, a study on Takagi-Sugeno fuzzy systems modeling, control designs and simulations with practical examples, such as a ball-beam system and a nonlinear magnetic suspension system, are described. With these studies a simple method, based on Linear Matrix Inequalities (LMIs) and Lyapunov functions, for designing a control system using the Takagi-Sugeno fuzzy models in mechanical systems, where the available signals for the control are state-derivative, is proposed. Additionally, new results about state-derivative feedback including a simple method for designing a digital state-derivative feedback gain such that the control law is equivalent to a known and adequate continuous-time state feedback control law with a guaranteed stability are proposed. The digital controller is obtained by the continuous controller, using an approach method, based on LMIs. It is assumed that the plant is a linear controllable, time-invariant, Single-Input (SI) or Multiple-Input (MI) system. This procedure allows the use of well-known continuous-time state feedback design methods to directly design discrete-time state-derivative feedback control systems. The state-derivative feedback can be useful in the vibration control of mechanical systems, where the main sensors are accelerometers. Finally, we have the study with the design of state-feedback Variable Structure Controllers (VSC) for a class of continuous-time switched plants where is assume that the state vector is available for feedback. The design is based on Lyapunov-Metzler (LM) inequalities and also on Strictly Positive Real (SPR) systems stability results. The recent definition of Lyapunov-Metzler-SPR (LMSPR) systems is presented and a new direct application... (Complete abstract click electronic access below)

Orientador: Marcelo Carvalho Minhoto Teixeira / Banca: Edvaldo Assunção / Banca: José Paulo Fernandes Garcia / Banca: Aldayr Dantas de Araujo / Banca: Ramon Romankevicius Costa / Resumo: Neste trabalho são apresentados estudos teóricos, projetos de controladores e simulações numéricas de alguns sistemas de controle automáticos, que no decorrer das pesquisas geraram novas contribuições. Primeiramente foi feito um breve estudo sobre os sistemas fuzzy Takagi- Sugeno (TS) e realizadas algumas simulações envolvendo exemplos acadêmicos como o sistema bola-viga e o levitador magnético. Em decorrência desses estudos foi proposto um novo método para o controle de sistemas mecânicos não-lineares, descritos através de modelos fuzzy TS, considerando o acesso somente às derivadas das variáveis de estado da planta, com projeto baseado em desigualdades matriciais lineares, em inglês Linear Matrix Inequalities (LMIs) e estabilidade assegurada através de funções de Lyapunov. Adicionalmente, foram feitos estudos sobre realimentação derivativa, e proposto um novo método para projetar a matriz de realimentação discreta no tempo da derivada do vetor de estado, tal que o sinal de controle obtido seja equivalente a uma dada lei de controle contínua no tempo com realimentação do vetor de estado. O controlador discreto é obtido com base no controlador contínuo, utilizando um método de aproximação, baseado em LMIs. É suposto que a planta é controlável, linear e invariante no tempo, com uma (SI) ou múltiplas (MI) entradas. Este procedimento permite o uso de métodos de projeto bem conhecidos de realimentação das variáveis de estado em sistemas contínuos no tempo, para calcular diretamente os ganhos de realimentação da derivada das variáveis de estado em sistemas discretos no tempo. Os projetos com realimentação derivativa podem ser úteis no controle de sistemas mecânicos, utilizando-se acelerômetros como sensores. Finalizando, um outro assunto abordado neste trabalho e que também trouxe contribuições relevantes... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: In this work, theoretical studies, controller designs and numeric simulations of several automatic control systems that generated new contributions are presented. Firstly, a study on Takagi-Sugeno fuzzy systems modeling, control designs and simulations with practical examples, such as a ball-beam system and a nonlinear magnetic suspension system, are described. With these studies a simple method, based on Linear Matrix Inequalities (LMIs) and Lyapunov functions, for designing a control system using the Takagi-Sugeno fuzzy models in mechanical systems, where the available signals for the control are state-derivative, is proposed. Additionally, new results about state-derivative feedback including a simple method for designing a digital state-derivative feedback gain such that the control law is equivalent to a known and adequate continuous-time state feedback control law with a guaranteed stability are proposed. The digital controller is obtained by the continuous controller, using an approach method, based on LMIs. It is assumed that the plant is a linear controllable, time-invariant, Single-Input (SI) or Multiple-Input (MI) system. This procedure allows the use of well-known continuous-time state feedback design methods to directly design discrete-time state-derivative feedback control systems. The state-derivative feedback can be useful in the vibration control of mechanical systems, where the main sensors are accelerometers. Finally, we have the study with the design of state-feedback Variable Structure Controllers (VSC) for a class of continuous-time switched plants where is assume that the state vector is available for feedback. The design is based on Lyapunov-Metzler (LM) inequalities and also on Strictly Positive Real (SPR) systems stability results. The recent definition of Lyapunov-Metzler-SPR (LMSPR) systems is presented and a new direct application... (Complete abstract click electronic access below) / Doutor

Orientador: Edvaldo Assunção / Resumo: Neste trabalho é proposta a resolução do problema do regulador linear quadrático (Linear Quadratic Regulator - LQR) via desigualdades matriciais lineares (Linear Matrix Inequalities - LMIs) para sistemas lineares e invariantes no tempo sujeitos a incertezas politópicas, bem como para sistemas lineares sujeitos a parâmetros variantes no tempo (Linear Parameter Varying - LPV). O projeto dos controladores é baseado na realimentação derivativa. A escolha da realimentação derivativa se dá devido à sua fácil implementação em certas aplicações como, por exemplo, no controle de vibrações. Os sinais usados na realimentação são aceleração e velocidade, sendo obtidos por meio de acelerômetros. Por meio do método proposto é possível obter condições LMIs para a síntese de controladores que garantam a estabilização do sistema em malha fechada, sendo que os controladores possuem desempenho otimizado. Para a formulação das condições LMIs, uma função de Lyapunov do tipo quadrática é utilizada. Exemplos teóricos e simulações são utilizados como forma de validação dos métodos propostos, além de mostrar que os novos resultados apresentam condições menos conservadoras. Além disso, ao final é apresentada uma implementação prática em um sistema de suspensão ativa, produzida pela Quanser®. / Abstract: The resolution of linear quadratic regulator (LQR) problem via linear matrix inequalities (LMIs) for linear time-invariant systems subject to polytopic uncertainties, as linear systems subjects to linear parameter varying (LPV), is proposed in this work. The controllers' designs are based on the state derivative feedback. The aim to the choice of the state derivative feedback is your easy implementation in a class of mechanical systems, such as in vibration control, for example. The signals used for feedback are acceleration and velocity, it is obtained by means of accelerometers. Through the proposed method it is possible to obtain LMIs conditions for the synthesis of controllers that guarantee the stabilisation of the closed-loop system, being that the controllers have optimised performance. For the LMIs conditions formulations, a Lyapunov function of type quadratic is used. As a form of validation, theoretical examples and simulations are performed, besides to show that the new results are less conservative. Furthermore, a practical implementation in an active suspension system, produced by Quanser®, is performed. / Mestre