Submitted by RICARDO GOUVEIA TEODORO (ricardo.teodoro@unesp.br) on 2018-10-16T20:04:29Z No. of bitstreams: 1 Tese - Ricardo Gouveia Teodoro 13-10-2018.pdf: 17108638 bytes, checksum: 32a3e14ede25e327e8ff29fb9d267225 (MD5) / Approved for entry into archive by Cristina Alexandra de Godoy null (cristina@adm.feis.unesp.br) on 2018-10-18T12:11:00Z (GMT) No. of bitstreams: 1 teodoro_rg_dr_ilha.pdf: 17108638 bytes, checksum: 32a3e14ede25e327e8ff29fb9d267225 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-10-18T12:11:00Z (GMT). No. of bitstreams: 1 teodoro_rg_dr_ilha.pdf: 17108638 bytes, checksum: 32a3e14ede25e327e8ff29fb9d267225 (MD5) Previous issue date: 2018-08-13 / A Estimulação Elétrica Funcional tem sido utilizada para auxiliar no restabelecimento de funções motoras em paraplégicos. Neste trabalho é proposto um procedimento experimental para identificar as incertezas politópicas de um modelo dinâmico do movimento do membro inferior, produzido por estimulação elétrica aplicada no quadríceps. Foram realizadas comparações entre controle em malha aberta e dois controladores em malha fechada. O projeto dos controladores foi baseado em desigualdades matriciais lineares (LMIs). Os resultados experimentais foram obtidos para 5 voluntários hígidos e 4 voluntários paraplégicos. Devido à incerteza dos parâmetros da planta, os resultados experimentais mostraram que o sinal de controle é incerto para um ponto de operação. Pela primeira vez aplicou-se controle chaveado com incerteza e estimulação elétrica para controlar o movimento do membro inferior. O controlador chaveado u_(σ,ξ) (t)apresentou o menor valor da derivada temporal da função de Lyapunov e compensou a incerteza do sinal de controle. / Functional Electrical Stimulation has been used to aid and restore motor functions in paraplegics. In this work, we propose an experimental procedure to identify the polytopic uncertainties of a dynamic model of the lower limb movement produced by electrical stimuli applied to the quadriceps. A comparison between open-loop control and two closed-loop controllers was performed. The controller design was based on linear matrix inequalities (LMIs). Experimental results were obtained for 5 healthy volunteers and 4 paraplegic volunteers. Due to plant parameters uncertainties, the experimental results showed that the control signal is uncertain for an operating point. For the first time, a robust switched controller and electrical stimulation were applied to control the movement of the lower limb. The switched controller u_(σ,ξ) (t)presented the smallest time-derivative value of the Lyapunov function and compensated the uncertainty in the control signal.

Orientador: Aparecido Augusto de Carvalho / Resumo: A Estimulação Elétrica Funcional tem sido utilizada para auxiliar no restabelecimento de funções motoras em paraplégicos. Neste trabalho é proposto um procedimento experimental para identificar as incertezas politópicas de um modelo dinâmico do movimento do membro inferior, produzido por estimulação elétrica aplicada no quadríceps. Foram realizadas comparações entre controle em malha aberta e dois controladores em malha fechada. O projeto dos controladores foi baseado em desigualdades matriciais lineares (LMIs). Os resultados experimentais foram obtidos para 5 voluntários hígidos e 4 voluntários paraplégicos. Devido à incerteza dos parâmetros da planta, os resultados experimentais mostraram que o sinal de controle é incerto para um ponto de operação. Pela primeira vez aplicou-se controle chaveado com incerteza e estimulação elétrica para controlar o movimento do membro inferior. O controlador chaveado u_(σ,ξ) (t)apresentou o menor valor da derivada temporal da função de Lyapunov e compensou a incerteza do sinal de controle. / Abstract: Functional Electrical Stimulation has been used to aid and restore motor functions in paraplegics. In this work, we propose an experimental procedure to identify the polytopic uncertainties of a dynamic model of the lower limb movement produced by electrical stimuli applied to the quadriceps. A comparison between open-loop control and two closed-loop controllers was performed. The controller design was based on linear matrix inequalities (LMIs). Experimental results were obtained for 5 healthy volunteers and 4 paraplegic volunteers. Due to plant parameters uncertainties, the experimental results showed that the control signal is uncertain for an operating point. For the first time, a robust switched controller and electrical stimulation were applied to control the movement of the lower limb. The switched controller u_(σ,ξ) (t)presented the smallest time-derivative value of the Lyapunov function and compensated the uncertainty in the control signal. / Doutor

Orientador: Aparecido Augusto de Carvalho / Abstract: Electrical stimulation is a promising technique for motor rehabilitation in cases of spinal cord injury. Stimulator saturation is important in the control system designs applied to electrical stimulation. The negligence of the actuator saturation in the electrical stimulation can lead to unwanted control results, which evidences the muscular fatigue effects. For the first time a switched controller subject to actuator saturation for electrically stimulated lower limb is proposed. The dynamic limb extension model is nonlinear and uncertain. The uncertain nonlinear system described by Takagi-Sugeno fuzzy models operating within an operating region in the state space is considered in this study. In addition, fault in the actuator, muscle activation uncertainty, and muscular non-idealities, such as fatigue, spasms, and tremor were considered at three three severity levels. The switched controller is compared to parallel distributed compensation technique. Simulations denote better results of the switched controller by dealing with parametric uncertainties. On the other hand, a challenge for FES control systems is to monitor torque in muscle contractions. In isotonic contraction applications, measuring torque is difficult. The novelty in this study is the proposal of a new nonlinear model, whose state variables are angular position, angular velocity and angular acceleration. In this new model the torque variable is replaced by the angular acceleration. Experimental tests list the ... (Complete abstract click electronic access below) / Resumo: A estimulação elétrica é uma técnica promissora para reabilitação motora em casos de lesão medular. A saturação do estimulador também é um requisito importante no projeto de sistemas de controle aplicados à estimulação elétrica. A negligência da saturação do atuador pode conduzir a resultados de controle indesejados, que evidencia os efeitos de fadiga muscular. Pela primeira vez é proposto um controlador chaveado sujeito à saturação para membro inferior estimulado eletricamente. O modelo dinâmico de extensão do membro inferior é não linear e incerto. O sistema descrito por modelos fuzzy Takagi-Sugeno e operando dentro de uma região de operação no espaço de estados é considerado neste trabalho. Além disto, falha do atuador, incerteza de ativação muscular, e não idealidades musculares, tais como fadiga, espasmos e tremor foram considerados em três níveis de severidade. O controle chaveado é comparado com a compensação distribuída paralela. Simulações denotam melhores resultados do controlador chaveado lidando com incertezas paramétricas da planta. Por outro lado, um desafio dos sistemas de controle para estimulação elétrica funcional é monitorar a dinâmica do torque em contrações musculares. Em aplicações de contração isotônica, medir o torque é algo difícil. A novidade neste estudo é a proposta de um novo modelo não linear, cujas variáveis de estado são posição angular, velocidade angular e aceleração angular. Neste novo modelo a variável torque é substituída adequadamente pel... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Doutor

Increasing worldwide demand for petroleum motivates greater efficiency, safety, and environmental responsibility in upstream oil and gas processes. The objective of this research is to improve these areas with advanced control methods. This work develops the integration of optimal control methods including model predictive control, moving horizon estimation, high fidelity simulators, and switched control techniques applied to subsea riser slugging and managed pressure drilling. A subsea riser slugging model predictive controller eliminates persistent offset and decreases settling time by 5% compared to a traditional PID controller. A sensitivity analysis shows the effect of riser base pressure sensor location on controller response. A review of current crude oil pipeline wax deposition prevention, monitoring, and remediation techniques is given. Also, industrially relevant control model parameter estimation techniques are reviewed and heuristics are developed for gain and time constant estimates for single input/single output systems. The analysis indicates that overestimated controller gain and underestimated controller time constant leads to better controller performance under model parameter uncertainty. An online method for giving statistical significance to control model parameter estimates is presented. Additionally, basic and advanced switched model predictive control schemes are presented. Both algorithms use control models of varying fidelity: a high fidelity process model, a reduced order nonlinear model, and a linear empirical model. The basic switched structure introduces a method for bumpless switching between control models in a predetermined switching order. The advanced switched controller builds on the basic controller; however, instead of a predetermined switching sequence, the advanced algorithm uses the linear empirical controller when possible. When controller performance becomes unacceptable, the algorithm implements the low order model to control the process while the high fidelity model generates simulated data which is used to estimate the empirical model parameters. Once this online model identification process is complete, the controller reinstates the empirical model to control the process. This control framework allows the more accurate, yet computationally expensive, predictive capabilities of the high fidelity simulator to be incorporated into the locally accurate linear empirical model while still maintaining convergence guarantees.

Orientador: Marcelo Carvalho Minhoto Teixeira / Resumo: Esta tese propõe projetos de controle H_infinito e controle H_infinito chaveado para uma classe de sistemas lineares com incertezas invariantes no tempo, nos quais apenas a derivada do vetor de estado é considerada para realimentação. Neste cenário, as estratégias propostas utilizam dinâmicas auxiliares, cujas variáveis de estado estão disponíveis para realimentação, para controlar a planta original. São propostas estruturas e procedimentos de projeto por meio de desigualdades matriciais lineares. A primeira estrutura de controle apresentada, considera a saturação do atuador e um integrador para definir a estratégia de controle, e se as condições propostas são factíveis, assegura que o ponto de equilíbrio do sistema de malha fechada seja localmente assintoticamente estável, para todas as condições iniciais em uma região elipsoidal, contida em uma determinada região definida para a nova dinâmica. Na segunda estrutura, é proposta uma técnica sem o uso de integradores para definir as estratégias para o controle chaveado e controle H_infinito chaveado, para plantas com e sem saturação da entrada de controle. Na terceira estrutura, considera-se um caso mais geral porém com o uso de integradores para definir as estratégias para o controle chaveado e controle H_infinito chaveado, para plantas sem saturação da entrada de controle. Embora todos os projetos propostos considerem a dinâmica auxiliar, são asseguradas as propriedades de estabilidade, taxa de decaimento e custo garantido pa... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: This thesis proposes H_infinite switched control designs for a class of linear systems with time invariant uncertainties, where only the derivative of the state vector is considered for feedback. In this scenario, the proposed strategies use auxiliary dynamics, whose state variables is accessible for feedback, to control the original plant. The proposed structures and design procedures are based on LinearMatrix Inequalities (LMIs). The first structure considers the actuator saturation and an integrator to define the control strategy, and if the proposed conditions are feasible, it assures that the equilibrium point of the closed-loop system is locally asymptotically stable, for all initial conditions in an ellipsoidal region, which is within a given region defined for this new dynamic. In the second structure, we adopted a technique without the use of integrators to define the strategies for the switched control and H_infinite switched control, for plants with and without control input saturation. In the third structure, we study a more general case, however, with the use of integrators to define the strategies for the switched control and H_infinite switched control, for plants without control input saturation. Although all proposed designs consider the auxiliary dynamics, it is assured the stability, decay rate proprieties, and H_infinite guaranteed cost for the original plant. Simulation examples and practical implementation illustrate the effectiveness of the proposed app... (Complete abstract click electronic access below) / Doutor

Due to the unsustainable space debris environment in Low Earth Orbit, debris objects must be removed to ensure future safe satellite operations. One proposed concept for deorbiting larger space debris objects, such as decommissioned satellites or spent upper rocket stages, is to use a chaser spacecraft connected to the debris object by an elastic tether, but the required technology is immature and there is a lack of flight experience. The inoperable satellite, Envisat, has been chosen as a representative object for controlled re-entry by performing several high thrust burns. The aim of this paper is to develop a control system for the deorbit phase of such a mission. Models of the spacecraft dynamics, the tether, and sensors are developed to create a simulator. Two different tether models are considered: the massless model and the lumped mass model. A switched linear-quadratic-Gaussian (LQG) controller is designed to control the relative position of the debris object, and a switched proportional-integral-derivative (PID) controller is designed for attitude control. Feedforward compensation is used to counteract the couplings between relative position and attitude dynamics. An analysis of the system suggests that the tether should be designed in regard to the control system and it is found that the lumped mass model comes with higher cost than reward compared to the massless tether model in this case. Simulations show that the control system is able to control the system under the influence of modeling errors during a multi-burn deorbit strategy and even though more extensive models are suggested to enable assessment of the feasibility to perform this mission in reality, this study has resulted in extensive knowledge and valuable progress in the technical development. / En ökande mängd rymdskrot har lett till en ohållbar miljö i låga omloppsbanor och föremål måste nu tas bort för att säkerställa framtida satellitverksamhet. En föreslagen metod för att avlägsna större skrotföremål, såsom avvecklade satelliter och använda övre raketsteg, är att koppla en jagande rymdfarkost till föremålet med en elastisk lina. Dock är den teknik som behövs inte mogen och det finns en brist på praktisk erfarenhet. Den obrukbara satelliten Envisat har valts som representativt objekt för kontrollerat återinträde genom flera perigeumsänkande raketmanövrar. Syftet med detta arbete är att utveckla ett system för att kontrollera de två sammankopplade rymdfarkosterna under avlägsningsfasen under ett sådant uppdrag. Modeller för farkosternas dynamik, den sammankopplande linan och sensorer byggs för att utveckla en simulator. Två olika modeller för linan undersöks: den masslösa modellen och den klumpade nodmassmodellen. En omkopplande regulator designas genom minimering av kvadratiska kriterier för att kontrollera skrotföremålets relativa position till den jagande farkosten. Vidare designas en omkopplande proportionerlig-integrerande-deriverande (PID) regulator för att reglera pekningen hos den jagande farkosten. Kompensering genom framkoppling används för att motverka de korskopplingar som förekommer mellan translations- och rotationsdynamiken. En analys av systemet visar att linan bör designas med reglersystemet i åtanke och det framkommer att nackdelarna överväger fördelarna för den klumpade nodmassmodellen jämfört med den masslösa modellen. Simuleringar visar att reglersystemet klarar att kontrollera systemet under ett scenario med flera manövrar och under inverkan av modellfel. Även om mer omfattande modeller föreslås för att möjliggöra en fullständig bedömning av genomförbarheten för detta uppdrag så har denna studie resulterat i en omfattande kunskapsvinst och värdefulla framgångar i det tekniska utvecklingsarbetet.

Dans le présent travail de thèse, nous souhaitons approfondir l’étude des systèmes à commutation pour des problèmes aux dérivées partielles en explorant de nouvelles pistes d’investigation, incluant notamment la question de la synthèse de contrôle garanti par décomposition de l’espace des états, la synthèse de contrôle nécessitant la réduction de modèle, le contrôle des différentes sources d’erreur sur des quantités d’intérêt, et la mesure des incertitudes sur les états et les paramètres du modèle. Nous envisageons l’utilisation de méthodes de calcul ensemblistes associées à des méthodes de réduction de modèle, ainsi que l’utilisation d’observateurs d’état pour l’estimation en ligne du système. / In this thesis, we focus on switched control systems described by partial differential equations, and investigate the issues of guaranteed control of such systems using state-space decomposition methods. The use of state-space decomposition methods requires model order reduction, control of the different sources of error for quantities of interest, and measure of uncertainties on the states and parameters of the system. We are considering using set-based computation methods, in association with model order reduction techniques, along with the use of state-observers for on-line estimation of the system.

Submitted by UILIAM NELSON LENDZION TOMAZ ALVES null (uiliamlendzionalves@gmail.com) on 2018-01-10T10:33:36Z No. of bitstreams: 1 FINAL_tese_Uiliam_final_09_01_2018.pdf: 2789913 bytes, checksum: 5ec4b9950f95b6ed998d4af0a8f6d330 (MD5) / Approved for entry into archive by Cristina Alexandra de Godoy null (cristina@adm.feis.unesp.br) on 2018-01-10T10:44:02Z (GMT) No. of bitstreams: 1 alves_unlt_dr_ilha.pdf: 2789913 bytes, checksum: 5ec4b9950f95b6ed998d4af0a8f6d330 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-01-10T10:44:02Z (GMT). No. of bitstreams: 1 alves_unlt_dr_ilha.pdf: 2789913 bytes, checksum: 5ec4b9950f95b6ed998d4af0a8f6d330 (MD5) Previous issue date: 2017-12-14 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / O controle chaveado pode ser eficientemente utilizado no controle de sistemas fuzzy TakagiSugeno (T-S) incertos, que possuam funções de pertinência incertas e modelos locais conhecidos. Como estes sistemas fuzzy podem representar exatamente uma classe de sistemas não lineares incertos em uma região do espaço de estados, é interessante utilizá-los para descrever sistemas não lineares, usando no projeto do controlador o modelo fuzzy que descreve exatamente o sistema não linear. Porém, como a representação através de combinação convexa obtida é válida apenas em uma região do espaço de estados, garantias de que o estado do sistema permaneça nessa região devem ser obtidas. Neste trabalho são propostas condições que garantem a estabilização local, com a especificação da taxa decaimento, de uma classe de sistemas não lineares contínuos no tempo, incertos e com saturação no atuador, utilizando o controle chaveado. Os projetos dos controladores são realizados com base no modelo fuzzy T-S que representa exatamente o sistema não linear e os procedimentos de projeto fornecem uma região na qual as condições iniciais devam estar, tal que, o sistema não linear seja exatamente descrito pelo modelo fuzzy T-S incerto durante toda a trajetória de estado do sistema e ainda que esta trajetória permaneça dentro de uma região de operação previamente especificada. Em geral, o controle chaveado não possui restrição na frequência de chaveamento dos ganhos, o que pode levar ao chattering, que se manifesta pelo chaveamento em frequência infinitamente rápida dos ganhos de realimentação. Visando a eliminação do chattering no controle chaveado, propõe-se uma nova técnica de suavização do controle chaveado, o controle chaveado suave. Esta nova lei de controle pode ser utilizada nas mesmas condições do controle chaveado e é baseada no conceito do mínimo suave, definido neste trabalho. Além disso, são propostos procedimentos de projeto que consideram distúrbios para ambas as leis de controle chaveada e chaveada suave. Ademais, neste trabalho também se apresenta uma implementação da lei de controle chaveada em um sistema Ball Balancer fabricado pela Quanser. / The switched control can be efficiently used for controlling uncertain Takagi-Sugeno (T-S) fuzzy systems, which have uncertain membership functions and known local models. Because these fuzzy systems can exactly represent a class of uncertain nonlinear systems in a given operation region in the state space, it is interesting to use them to describe nonlinear systems, performing the controller design based on a T-S fuzzy model that exactly describes the nonlinear system. However, the perfect representation of the uncertain nonlinear system by the T-S fuzzy model as a convex combination is only valid in the operation region. Therefore, it is necessary to assure conditions such that the state of the system remains in that region. This work proposes conditions to ensure the local stabilization, with decay rate, of a class of uncertain continuoustime nonlinear systems with saturation on the actuator, using a switched control. The designs of the controllers are performed based on the T-S fuzzy model which exactly describes the nonlinear system and the design procedures provide a region in which the initial conditions must be such that the nonlinear system is exactly described by the uncertain T-S fuzzy model along the whole state trajectory of the system and this trajectory remains in a specified operation region. Usually, the switched control has no bound on the frequency of the feedback gains switching, and this can lead to chattering, which is manifested by infinitely fast frequency of the feedback gains switching. In order to avoid the chattering in the switched control, this work proposes a new technique to smooth the switched control, the smooth switched control. This new control law can be used under the same conditions as the switched control and it is based on the concept of smooth minimum, which is defined in this work. In addition, design procedures considering disturbances for both switched and smooth switched control laws are proposed. Furthermore, in this work it is also presented an implementation of the proposed switched control law in a Ball Balancer system manufactured by Quanser.

Orientador: Marcelo Carvalho Minhoto Teixeira / Resumo: Esta tese propõe projetos de controle H∞ chaveado para uma classe de sistemas não lineares incertos descritos por modelos fuzzy Takagi-Sugeno (T-S) com funções de pertinência desconhecidas. Os projetos de controle necessitam somente dos limites inferiores e superiores das não linearidades do sistema, que podem depender de parâmetros incertos da planta. Em diversas aplicações práticas, em virtude das restrições operacionais dos equipamentos, no projeto de controle é necessário considerar que a lei de controle está sujeita à saturação do atuador. Primeiramente, utilizando uma metodologia encontrada na literatura para resolver o problema da saturação do atuador, propõe-se uma lei de controle chaveada que escolhe um ganho do controlador de realimentação do vetor de estado, que pertence a um conjunto de ganhos conhecidos, que minimiza a derivada da função de Lyapunov do tipo quadrática. Este procedimento elimina a necessidade de encontrar as expressões das funções de pertinência para implementar a lei de controle, garante um desempenho H∞ ao sistema realimentado e assegura que as trajetórias do vetor de estado permanecem dentro de uma região de operação na qual o modelo fuzzy T-S é válido. Adicionalmente, adota-se uma outra metodologia para resolver o problema da saturação do atuador, que utiliza o sinal de controle para compor um vetor de estado expandido. Desta forma, os limites do sinal de controle fazem parte da região de operação na qual o sistema não linear incerto é exatame... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: This thesis proposes local H∞ switched control designs for a class of uncertain nonlinear plants described by Takagi-Sugeno (T-S) fuzzy models with unknown membership functions. The control designs require only the lower and upper bounds of the system nonlinearities and of the system linear parameters, which can depend on uncertain parameters. In practical applications, due to the operational restrictions of the equipments, in the control design, it is necessary to consider that the control law is subject to actuator saturation. First, using a methodology found in the literature to solve the actuator saturation problem, one proposes a switched control law that chooses a state-feedback controller gain, which belongs to a given set of gains, that minimizes the time derivative of a quadratic Lyapunov function. This procedure eliminates the necessity of finding the membership function expressions to implement the control law, guarantees an H∞ performance and ensures that the state trajectory remains within a region in which the T-S fuzzy model is valid. In addition, the actuator saturation problem is approached with another methodology, using the control signal to compose an extended state vector. Then, the region in which the uncertain nonlinear system is exactly represented via T-S fuzzy models is composed by the bounds of the control signal. A switched control law, which chooses an extended state-feedback controller gain, is proposed. The design conditions avoid the presence o... (Complete abstract click electronic access below) / Doutor

Orientador: Rodrigo Cardim / Resumo: Neste trabalho são apresentados uma série de resultados relacionados com as técnicas de controle para sistemas lineares chaveados incertos que asseguram índices de desempenho e custos garantidos no projeto. Inicialmente a técnica abordada para este estudo consiste na utilização das desigualdades de Lyapunov-Metzler e as propriedades dos sistemas Estritamente Reais Positivos (ERP). São abordados os sistemas Lyapunov-Metzler-ERP (LMERP), que permitem o desenvolvimento de um método de projeto de estabilização para sistemas que apresentam comutação e incertezas no modelo, usando para isto a realimentação do vetor de estado. A análise de estabilidade é descrita por meio de Desigualdades Matriciais Lineares (em inglês: Linear Matrix Inequalities), LMIs, que, quando factíveis, são facilmente resolvidas por meio de ferramentas disponíveis de programação convexa. Neste trabalho trata-se também da síntese via realimentação de estado com chaveamento no ganho que assegura o critério de desempenho Hoo. Para a validação das estratégias de controle mencionadas foram realizadas simulações e experimentos práticos em um sistema de suspensão ativa de bancada e em um sistema ball balancer, equipamentos fabricados pela Quanser. Os resultados comprovam a eficácia dos método propostos tanto nas simulações quanto nos testes realizados em bancada. / Mestre