Orientador: Marcelo Carvalho Minhoto Teixeira / Resumo: 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 manife... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: 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 frequ... (Complete abstract click electronic access below) / Doutor

Submitted by DIOGO RAMALHO DE OLIVEIRA null (diogo.oliveira.ee@gmail.com) on 2017-06-22T14:35:42Z No. of bitstreams: 1 Tese_Diogo.pdf: 2317981 bytes, checksum: fa048901c893f57ba87ceec19383ae14 (MD5) / Approved for entry into archive by Luiz Galeffi (luizgaleffi@gmail.com) on 2017-06-22T17:28:20Z (GMT) No. of bitstreams: 1 oliveira_dr_dr_ilha.pdf: 2317981 bytes, checksum: fa048901c893f57ba87ceec19383ae14 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-06-22T17:28:20Z (GMT). No. of bitstreams: 1 oliveira_dr_dr_ilha.pdf: 2317981 bytes, checksum: fa048901c893f57ba87ceec19383ae14 (MD5) Previous issue date: 2017-05-31 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) / 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 exatamente representado via modelos fuzzy T-S. Uma lei de controle chaveada, que utiliza a realimentação do vetor de estado expandido, é proposta. As condições de projeto evitam a presença de uma possível descontinuidade do sinal de controle, eliminam a necessidade de obter as expressões das funções de pertinência para implementar a lei de controle, garantem um desempenho H∞ e asseguram que as trajetórias do vetor de estado e do sinal de controle permanecem dentro de uma região de operação na qual o modelo fuzzy T-S é válido. Por fim, três exemplos são apresentados. O primeiro exemplo estuda o controle de um sistema caótico denominado Lorenz. Mostra que, para distúrbios de grande magnitude, os procedimentos propostos apresentaram melhores resultados do que os obtidos com outro método recentemente encontrado na literatura, que considera o pleno acesso às funções de pertinência. No segundo exemplo, uma implementação prática em um sistema de controle de uma suspensão ativa de bancada, considerando uma mola não linear e falha no atuador, confirma a eficácia da abordagem proposta. O último exemplo utiliza um pêndulo invertido para abordar o problema de controle considerando a estabilidade local do sistema. As simulações ilustram que o esquema proposto, que utiliza o vetor de estado expandido, é capaz de evitar uma possível descontinuidade do sinal de controle. / 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 of a possible discontinuity of the control signal, eliminate the necessity of finding the membership function expressions to implement the control law, guarantee an H∞ performance and ensure that the state trajectory and the control signal remain within a region in which the T-S fuzzy model is valid. Finally, three examples are presented. The first example studies the control of a chaotic Lorenz system. It shows that, for disturbances with large magnitude, the proposed procedures provided better results than the obtained with another recent method found in the literature, that considers full access to the membership functions. In the second example, a practical implementation of an active suspension control system, considering a nonlinear spring and an actuator fault, confirms the effectiveness of the proposed approach. The last example uses an inverted pendulum system to address the local stability control problem. The simulations illustrate that the control scheme, which uses the extended state vector, is able to avoid a possible discontinuity of the control signal. / CNPq: 142035/2013-0

Submitted by IVAN FRANCISCO YUPANQUI TELLO null (ivan.yupanqui.tello@hotmail.com) on 2017-06-28T18:37:59Z No. of bitstreams: 1 minha dissertacao.pdf: 4687608 bytes, checksum: 8a9fc873657ce7c21593f7e3653e4b0c (MD5) / Approved for entry into archive by Luiz Galeffi (luizgaleffi@gmail.com) on 2017-06-28T20:46:09Z (GMT) No. of bitstreams: 1 tello_ify_me_ilha.pdf: 4687608 bytes, checksum: 8a9fc873657ce7c21593f7e3653e4b0c (MD5) / Made available in DSpace on 2017-06-28T20:46:09Z (GMT). No. of bitstreams: 1 tello_ify_me_ilha.pdf: 4687608 bytes, checksum: 8a9fc873657ce7c21593f7e3653e4b0c (MD5) Previous issue date: 2017-06-20 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) / 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. / This work presents a series of results related to the control techniques for uncertain switched linear systems that ensure performance indicators and guaranteed cost in the design. Initially the technique discussed in this study is the use of Lyapunov-Metzler Inequalities and properties of Strictly Positive Real Systems (SPR), so the Lyapunov-Metzler-SPR systems (LMSRP) are revised, which allow the development of a method of stabilization for systems that have switching and uncertainties in the model, using for this the state feedback. The stability analysis is described by Linear Matrix Inequalities, LMIs, that when are feasible, these are easily solved through tools available in convex programming literature. We also deal with the synthesis via state feedback with switching in the gain that ensures the performance criterion Hoo. In order to validate the proposed strategy simulations and experiments were performed on a bench active suspension system and a ball balancer system, equipments manufactured by Quanser. The results prove the effectiveness of the proposed method both in simulations and in bench tests.

La capacité de réaliser des tâches robotiques dextres à l'échelle nanométrique dans un microscope électronique à balayage (MEB) est un enjeu crucial pour les nanotechnologies. Les systèmes nano-robotiques dédiés à des applications sous MEB ont ainsi émergé dans de nombreux laboratoires de robotique. Ils peuvent être composés d'un ou de plusieurs actionneurs intégrés à des plateformes nano-robotiques avec un ou plusieurs effecteurs. L’actionneur Piézoélectrique Stick-Slip (PSS) est l'un des meilleurs candidats pour actionner les systèmes nano-robotiques dédiés à des applications sous MEB car il est capable d'effectuer un positionnement grossier avec une plage de déplacement millimétrique et un positionnement précis avec une plage de déplacement de quelques micromètres. La modélisation des actionneurs PSS est complexe notamment en raison de leur mode de fonctionnement hybride. La commande est également difficile à cause de plusieurs caractéristiques liées aux actionneurs PSS, soient le frottement, l’hystérésis et les vibrations non-amorties, qui dégradent leur performances en termes de précision et de vitesse. Ce travail porte sur la modélisation et la commande d'un système nano-robotique à 3 axes dédié à des applications sous MEB et actionné par des actionneurs piézoélectriques de type stick-slip. Chaque élément et caractéristique des actionneurs PSS ont été analysés et modélisés afin d’établir par la suite un modèle dynamique complet capable de décrire les deux modes de fonctionnement, à savoir le mode balayage et pas à pas. Pour chacun de ces deux modes, des lois de commande ont ainsi été développées pour les actionneurs PSS. Des stratégies de commande robuste ont été synthétisées pour des objectifs de positionnement rapide et à haute résolution en mode balayage. De telles performances sont fondamentales dans plusieurs tâches micro-/nano-robotique tels que le nano-assemblage rapide et précis et la nano-caractérisation des matériaux. Une commande proportionnelle en fréquence et en amplitude est synthétisée pour effectuer un déplacement millimétrique en mode pas à pas. Ceci est motivé par les applications robotiques pour lesquelles une large plage de déplacement est requise, tels que le scan de grandes surfaces et les phases d’approche d’une sonde d’un échantillon à manipuler. Une stratégie de commutation qui combine les modes balayage et pas à pas, est alors proposée pour remédier au manque de précision en mode pas à pas, lors de passage d’un grand à un petit déplacement. Ce travail a donné lieu à des résultats qui ouvrent de nouvelles perspectives pour l'utilisation des actionneurs PSS dans les systèmes nano-robotiques dédiés à des applications sous MEB. / The capability of doing dexterous robotic tasks at the nanometer scale inside a Scanning Electron Microscope (SEM) is a critical issue for nanotechnologies. SEM-integrated nano-robotic systems have consequently emerged in many robotics laboratories. They can be composed of one or more actuators assembled into nano-robotic platforms with one or several effectors. Piezoelectric Stick-Slip (PSS) actuators is one of the best candidate to actuate SEM-integrated nano-robotic systems because it is able to perform coarse positioning with millimeter displacement range and fine positioning with travel range of few micrometers. Modeling of PSS actuators is complex and difficult mainly because of their hybrid operating mode. Furthermore, control is challenging due to several characteristics related to PSS actuators, namely friction, hysteresis and undamped vibrations, which degrade their performance in terms of precision and speed. This work deals with modeling and control of a 3-axes SEM integrated nano-robotic system driven by piezoelectric stick-slip actuators. Each element and characteristic of PSS actuators are analyzed and modeled to thereafter establish a complete dynamic model able to describe the two functioning modes, namely the scanning and the stepping modes. PSS actuators are then controlled in each of these modes. Robust control strategies are developed to achieve high-resolution and fast positioning in scanning mode. Such performance is fundamental in several micro/nano-robotic tasks such as fast and accurate nano-assembly and nano-material characterization. A frequency/amplitude proportional controller is designed to perform millimeter displacement in stepping mode. This is motivated by robotic tasks where large motion is required, such as large surfaces scan and bringing a probe close to a sample to manipulate. A switched strategy, which combines scanning and stepping motion modes, is then proposed to remedy to the lack of precision in stepping motion, when passing from a large to a small displacement. This work has given rise to results which open new perspectives to the use of PSS actuators in SEM integrated nano-robotic systems.