Este trabalho visa o desenvolvimento de uma metodologia para a re-identificação do modelo usado em controladores preditivos (MPC) desenvolvidos em uma estrutura em duas camadas: uma camada estática que calcula os targets para as variáveis manipuladas e uma dinâmica que implementa os targets para as entradas. Espera-se que esse procedimento de reidenticação seja acionado sempre que for observada uma significativa degradação do modelo de controle do processo. Neste trabalho assume-se que a re-identicação do modelo deve ser realizada em malha fechada. No método aqui proposto, admite-se que o código fonte do programa do controlador preditivo não está disponível, e conseqüentemente, o método proposto não deve requerer qualquer modificação no código fonte. No método aqui proposto, o sinal de excitação é introduzido através dos coeficientes da função objetivo da camada estática que calcula os targets para as entradas. O método proposto é testado por simulação em dois processos diferentes. O primeiro processo é uma coluna de destilação para a qual estão disponíveis vários modelos lineares obtidos em diferentes condições operacionais. O segundo processo aqui estudado é um reator químico não linear que deve ser representado localmente por um modelo linear. / This work aims at the development of a methodology to the re-identification of the model to be used in a MPC, which is developed in a two layers structure: a target calculation layer and a dynamic layer where the targets to the inputs are implemented. It is expected that the reidentification procedure should be started whenever it is observed a significant degradation of the process model. Here, it is assumed that the model re-identification is to be performed in closed-loop. In the method proposed here, it is assumed that the source code of the MPC controller is not available, and consequently, the proposed method should not require any modification the source code. In the method proposed here, the excitation signal is introduced through the coefficients of the objective function of the target calculation layer. The proposed method is tested by simulation in two different processes. The first one is a distillation column where several linear models obtained at different operating conditions are available. The second process studied here is a nonlinear chemical reactor that is locally represented by a linear model.

Neste trabalho, é apresentado um estudo sobre um sistema de micro geração de energia a partir da vibração de uma viga em balanço utilizando um transdutor piezoelétrico. A análise é feita levando-se em consideração as dimensões da viga utilizada, tipo de gerador piezoelétrico e diferentes tipos de cargas acopladas a este. O sistema de geração tem sua excitação realizada por um atuador piezoelétrico, que é alimentado por uma fonte de tensão com amplitude, frequência e forma de onda ajustáveis. A avaliação da potência de saída e influência dos diferentes tipos de carga acoplados a saída são analisados. As cargas utilizadas são: puramente resistiva, resistiva-capacitiva e não linear, por meio de um retificador de onda completa. Para avaliar experimentalmente os resultados analíticos foi utilizado um protótipo de uma viga em balanço construída com uma barra de alumínio exposta a uma excitação, induzida por um outro transdutor piezoelétrico ligado a uma placa dSpace controlada por um computador. Os parâmetros do sistema são identificados sendo possível determinar sua influência na saída e realizando assim uma análise pontual do micro gerador piezoelétrico quando submetido a uma carga qualquer. Os resultados da geração com os diferentes tipos de cargas são comparados, bem como a influência destas na dinâmica do sistema. As potências máximas são apresentadas em diferentes modos de vibração depois de otimizadas. Foram obtidos os seguintes resultados: 3;357mW com uma resistência de 200k no primeiro modo; 13;17mW com uma resistência de 50k no segundo modo; para o terceiro e quarto modos de vibração a máxima potência é obtida com a resistência de 10k, sendo 10;22mW e 15;63mW, respectivamente. A alteração da frequência de vibração é de aproximadamente 0;2% para os modos de vibração em função da resistência máxima e mínima. Para a carga resistiva-capacitiva, o comportamento da geração não é afetado significativamente para os valores de resistência de 1M e 100k. Com os valores de 10k e 1k a potência ativa se eleva em 30%, aproximadamente. O comportamento da carga não linear é aproximado por uma impedância com característica capacitiva. Sendo que, com a elevação da frequência, a impedância vista pelo gerador piezoelétrico é diminuída. A energia armazenada é de 0;8039mJ, 2;5245mJ e 1;3041mJ para o primeiro, segundo e terceiro modos de vibração, respectivamente. / This work presents a study of a energy harvesting system based on vibration from a cantilever beam utilizing a piezoelectric generator. The analysis considers the dimensions of the beam, type of piezoelectric generator and di erent types of loads coupled. A piezoelectric actuator is handles for the system excitement, powered by a voltage source with adjustable amplitude, frequency and shape. Are evaluate the output power and the in uence of di erent charge types coupled to the piezoelectric generator. The loads are purely resistive, resistive-capacitive and non-linear, by a full-wave bridge recti er. To check experimentally the analytical results, are used a prototype of a cantilever beam constructed with an aluminum bar exposed to an excitation induced by another piezoelectric transducer attached to a dSpace board controlled by a computer. The system parameters are individually identi ed to determine their in uence on output, allowing the punctual analysis of the piezoelectric harvesting when subjected to any load. The results of power generation are compare with di erent types of loads as well as its in uence on the dynamic of the system. After a optimization, the greatest power delivered to the load happen in di erent vibrational modes. We obtain the following results: 3:357mW with a 200k resistance in the rst mode; 13:17mW with a 50k resistance in the second mode, for the third and fourth vibration modes greatest power is obtained with the 10k resistance, being 10:22mW and 15:63mW, respectively. The modi cation of the vibration frequency are approximately 0:2% for all vibration modes depending on the largest and smallest resistance. For the resistive-capacitive load, the generation behavior are not a ect to the 1M and 100k resistance. With the 10k and 1k values, the active power increases by approximately 30%. The nonlinear load behavior are approach by an impedance with capacitive characteristics. With increasing of frequency, the impedance seen by the piezoelectric harvester is decreased. The energy stored is 0:8039mJ, 2:5245mJ and 1:3041mJ for the rst, second and third vibration modes, respectively.

O método de identificação por minimização do erro de predição está relacionado com um problema de otimização não convexo. É comum utilizar algoritmos iterativos para resolver o problema de otimização. Contudo, os algoritmos iterativos podem ficar presos em mínimos locais da função custo ou convergir para a borda do domínio de busca. Uma análise da função custo e condições suficientes para garantir a convergência dos algoritmos iterativos para o mínimo global são apresentadas neste trabalho. Observa-se que estas condições dependem do espectro do sinal de entrada utilizado no experimento. Este trabalho apresenta ferramentas para melhorar a convergência dos algoritmos para o mínimo global, as quais são baseadas na manipulação do espectro do sinal de entrada. / The Prediction Error Method is related to a non-convex optimization problem. It is usual to apply iterative algorithms to solve this optimization problem. However, iterative algorithms can get stuck at a local minimum of the cost function or converge to the border of the searching space. An analysis of the cost function and sufficient conditions to ensure the convergence of the iterative algorithms to the global minimum are presented in this work. It is observed that this conditions depend on the spectrum of the input signal used in the experiment. This work presents tools to improve the convergence of the algorithms to the global minimum, which are based on the manipulation of the input spectrum.

Na modelagem caixa branca obtém-se um modelo para um processo a partir do equacionamento dos fenômenos físicos/químicos envolvidos. Estes modelos são para- metrizados, mas os valores dos parâmetros utilizados muitas vezes são desconhecidos. Nestes casos ´e necessário efetuar um procedimento de identificação paramétrica o que representa um problema altamente desafiador, com muitas questões teóricas e práticas em aberto, quando os parâmetros aparecem de forma n˜ao linear no modelo. O objetivo deste trabalho ´e apresentar e estudar um método capaz de determinar se uma estrutura de modelo predeterminada pode ser identificada e que possa ser utilizado em conjunto com algum outro método de identificação, para identificar o sistema. O método que será apresentado é baseado em álgebra diferencial e é conhecido como algoritmo de Ritt. O algoritmo de Ritt transforma uma estrutura de modelo polinomial predeterminada em regressões lineares nos parâmetros a partir das quais pode-se utilizar os métodos dos mínimos quadrados ou variáveis instrumentais para identificar o sistema. Apresentaremos alguns estudos de caso e faremos a análise de identificabilidade para cada um deles. Em alguns casos identificaremos o sistema e estudaremos a consistência e precisão das estimativas. / In white box modeling we obtain a model for a process from the equations of the physical/chimical phenomena involved. These models are parameterized, but the parameters used are often unknown. In these cases it is necessary to perform a parametric identification procedure which represents a highly challenging problem, with many theoretical and practical open questions when the parameters are non- linears in the model. The aim of this work is to present and study a method able to determine whether a predetermined model structure can be identified and that can be used in conjunction with another identification method to identify the system. The method that will be presented is based on differential algebra and is known as Ritt algorithm. The Ritt’s algorithm transforms a predetermined model structure in linear regression in the parameters from which one can use the least squares method or instrumental variables to identify the system. We will present some case studies and realise the analysis of identifiability for each case. For some cases we will identify the system, and then present a study for the consistency and precision of the estimates.

Orientadores: Flávio Vasconcelos da Silva, Ana Maria Frattini Fileti / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química / Made available in DSpace on 2018-08-16T18:45:23Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Costa_ThiagoVazda_M.pdf: 15859888 bytes, checksum: 391c96e4f2ff3598497e8840686f8166 (MD5) Previous issue date: 2010 / Resumo: Uma malha de controle com baixo desempenho implica em um aumento dos custos de produção, causando descarte de produto fora da especificação e desgaste desnecessário dos elementos finais de controle. A depender do processo controlado, uma malha deficiente pode também acarretar em paradas não previstas na planta e até mesmo em danos ao meio ambiente. Diante do exposto, o controle preditivo baseado em modelos (MPC) é um dos poucos algoritmos comprovadamente capazes de estabilizar processos na presença de não-linearidades e restrições. Para atender aos seus objetivos de controle, o algoritmo clássico MPC utiliza um procedimento de otimização baseado no modelo linear da planta. Contudo, o afastamento da região de projeto do modelo linear resulta na perda de sua efetividade e consequente do controlador que o utiliza. Deste modo, objetivou-se a partir de uma descrição não-linear do sistema a melhoria do desempenho do controlador. Os objetivos específicos dessa dissertação foram o estudo e análise de um controlador GPC (generalized predictive controller) operando em paralelo com uma rede de modelos lineares locais, identificada por meio do algoritmo LOLIMOT (local linear model trees), capaz de adequar o modelo de predição do controlador para a faixa de operação atual do processo. Para a avaliação e análise da qualidade do controlador proposto foi montado um aparato experimental para controle de pH. A estratégia de controle foi implementada em um sistema em código aberto para monitoramento e controle do processo. Portanto, considerando a característica estática não-linear do processo foram realizados estudos comparativos entre o GPC tradicional (baseado em um único modelo linear) e a abordagem proposta. Os resultados mostraram que a rede foi capaz de representar satisfatoriamente a saída do sistema, resultando em uma estrutura simples, com modelos locais na forma de estruturas ARX. Também foi demonstrado que o GPC utilizando a rede de modelos lineares locais desempenhou de forma satisfatória e até mesmo superior ao GPC tradicional.Observou-se que a saída calculada pelo controlador proposto foi consideravelmente menos agressiva que o controlador tradicional, levando a uma considerável diminuição do esforço de controle empregado ao sistema. Os resultados obtidos demonstraram que houve uma economia de até 45% no esforço de controle. Observou-se ainda que o sistema desenvolvido é conveniente para aplicações reais, já que a estratégia de controle preditivo concebida em Scilab obteve sucesso na solução do problema de controle dentro do intervalo de amostragem inclusive quando incorporado o problema QP (programação quadrática) com restrições. Tendo em vista que a estrutura destes sistemas permite que sejam utilizados nas mesmas aplicações destinadas a modelos lineares, comprovou-se também a viabilidade e aplicabilidade do uso das redes de modelos lineares locais diretamente em algoritmos de controle avançado já disponíveis para indústria, como nos controladores GPC / Abstract: Low performance control loops imply in higher production costs, leading to off-specification production loss and unnecessary wear of the final control elements. Depending on the controlled process, the deficient loop can also lead to non-expected plant stops and even on environment damage. In this sense, model predictive control (MPC) is one of the few algorithms proved capable to stabilize processes in the presence of nonlinearities and constraints. To meet its control objectives, the classic MPC algorithm is based on an optimization problem which relies in the system's linear model. Although, the removal of the linear model from its designed condition deteriorates the model's and controller's effectiveness. Hence, the general objective of the presented work relies in the non-linear description of the system for improving the control performance. The main objectives were the study and analysis of a generalized predictive controller (GPC) operating in parallel with a linear local model network, identified by the LOLIMOT algorithm, able to adequate the controller's prediction model for the process operation range. For the quality assessment of the proposed controller, tests were evaluated in an experimental apparatus for pH control. The control strategy was implemented in an open source system for monitoring and control. Therefore, considering the static nonlinear characteristics of the process, comparative studies were applied between the traditional GPC (based on an single global model) and the proposed approach. The results showed that the dynamic network was able to effectively represent the system output, resulting in a simple structure, given the fact that the local models are indeed local ARX models. It was also shown that the GPC using the linear local model network performed satisfactorily and even better than the single model GPC. It was observed that the output calculated by the proposed controller has been considerably less aggressive than the traditional controller, leading to a considerable reduction in the system's control effort. The results showed that there was a saving up to 45% in the control effort. It was also observed that the developed monitoring and control system is suitable for real applications, since the predictive control strategy, implemented in Scilab, succeeded in solving the control problem within the sampling time even with the embedded constrained QP (quadratic programming) problem. Considering that the structure of these systems allows them to be used in similar applications to linear models, it was also proved the viability and applicability of using the linear local models network directly into advanced control algorithms already available to industry as in the GPC controllers / Mestrado / Sistemas de Processos Quimicos e Informatica / Mestre em Engenharia Química

Orientador: Eurípedes Guilherme de Oliveira Nóbrega / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-18T21:47:12Z (GMT). No. of bitstreams: 1 InocenteJunior_NilsonRoberto_M.pdf: 4529986 bytes, checksum: b2f87d6e91f48c6ad7f200beee40d1b7 (MD5) Previous issue date: 2011 / Resumo: O monitoramento da integridade de estruturas, também referido na literatura pelo termo Structural Health Monitoring (SHM), é um campo multidisciplinar de pesquisa que abrange técnicas, tecnologias e métodos que permitam um diagnóstico contínuo e inteligente da integridade de estruturas mecânicas. O desenvolvimento de estruturas mecânicas com maior durabilidade, maior segurança e menor custo de manutenção são as principais razões que justificam o investimento na pesquisa e desenvolvimento nessa área, por diversos setores da indústria e de serviços. Neste trabalho é estudada a aplicação de técnicas de identificação multivariável baseadas em subespaços, juntamente com geração e análise de resíduos de paridade como ferramentas para a realização da detecção de danos em estruturas mecânicas, o que representa a base de todo o procedimento de um diagnóstico estrutural completo. A realização deste trabalho envolveu a construção de uma bancada experimental para análise de danos em elementos de placa, com múltiplos sensores e atuadores. Como um dos passos principais deste trabalho também esteve o desenvolvimento de um método de identificação por subespaços com segmentação espectral, o que viabilizou uma melhoria na qualidade e redução no custo computacional da identificação da estrutura. Além disso, também foram estudadas técnicas de fusão dos dados de sinais dos sensores, visando melhoria na robustez da detecção. Os principais resultados obtidos neste trabalho servirão de base para o desenvolvimento de um sistema inteligente de diagnóstico estrutural em tempo real / Abstract: Structural Health Monitoring (SHM) is a multidisciplinary research field, which covers techniques, technologies and methods which are essential to perform a continuous and intelligent diagnosis about mechanical structure integrity. The development of structures with improved durability, improved operational safety and reduced maintenance cost are the main reasons that justify the investments in research and development in this area, by a numerous amount of industrial and services sectors. In this work, the application of multivariable identification subspace-based identification techniques with parity residue generation and analysis are studied as tools to perform structural damage detection, which is the basis of a complete structural diagnosis procedure. The realization of this work involved the construction of an experimental workbench to detect damages in plate elements, equipped with multiple sensors and actuators. The development of a subspace-based identification method with spectral segmentation that made possible to improve the quality and to reduce the computational cost of system identification was one of the major steps achieved in this work. Also, some data fusion techniques were studied, aiming to perform a more robust detection. The main results obtained in this work will be the basis to develop an intelligent and real-time structural diagnosis system / Mestrado / Mecanica dos Sólidos e Projeto Mecanico / Mestre em Engenharia Mecânica

Orientador: Paulo Roberto Gardel Kurka / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica / Made available in DSpace on 2018-07-24T15:32:08Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Mathias_MauroHugo_D.pdf: 7532948 bytes, checksum: 3f7d919ebab4f2d9d68fbf29915d517a (MD5) Previous issue date: 1998 / Resumo: Esta tese trata do estudo de teorias, estratégias e metodologias de identificação de sistemas aplicado à análise de sinais de estruturas mecânicas. A abordagem do problema de identificação no contexto das áreas afins de análise de sinais, análise de séries temporais e análise modal é também discutida no trabalho. O enfoque central da pesquisa consiste em aplicar técnicas paramétricas do domínio do tempo na análise modal de estruturas mecânicas. Os procedimentos de identificação adotados descrevem o sistema estrutural através de modelos derivados do método Auto Regressivo de Médias Móveis (ARMA), correlacionando os parâmetros modais e coeficientes do modelo. Testes de simulação foram desenvolvidos para demonstrar as características dos métodos de identificação estudados. Finalmente um modelo modal experimental foi desenvolvido. Os parâmetros modais identificados do modelo foram estabelecidos a partir dos sinais de excitação e resposta medidos na estrutura através do procedimento experimental / Abstract: This thesis is related to system identification theories, strategies and methodologies applied to signal analysis of mechanical structures. The approach of the identification problem in the setting of signal analysis, time series models and modal analysis was also discussed in the work. The central subject of the research is outlined on the use of parametric time domain techniques applied to mechanical structural modal analysis. The identification procedures describes the structural system by models derived from an Auto Regressive Moving Average method (ARMA), highlighting the relations between modal parameters and model coefficients. Simulated test cases have been developed to demonstrate the characteristics of the identification methods studied. Finally an experimental modal model has been developed. The identified modal parameters were established from the excitation and response signals measured on the structures through the experimental test / Doutorado / Mecanica dos Sólidos e Projeto Mecanico / Doutor em Engenharia Mecânica

[pt] Este trabalho trata da comparação de quatro de métodos de identificação paramétrica para sistemas dinâmicos lineares, operando em ambiente estocástico. Dos métodos envolvidos, três são de correlações, enquanto um é uma derivação do método de mínimos quadrados. Inicialmente, foi apresentado o problema de identificação de sistemas, e são discutidos aspectos estruturais ligados à ele. A seguir é apresentado um resumo de cada método e efetuada a comparação entre eles, tanto sob o ponto de vista estrutural quanto computacional. Nesta última fase, foram feitas simulações, e utilizado dados reais. / [en] This work presents a comparison of effectiveness of form parametric identification methods for linear dynamical systems operating in a stochastic environment. Three of these methods are correlation ones, and the other is derived from the least squares method. First of all, the system identification problem was introduced, and then, the structural aspects related to it were discussed. Later on, it was presented a review ot the above mentioned methods as well as a comparison between them. Such a comparison was concerned both with structural and computational aspects. This last stage uses simulated and real data.

Master of Science / Department of Mechanical and Nuclear Engineering / Dale E. Schinstock / Control theory is the study of feedback systems, and a methodology investigated by many engineering students throughout most universities. Because of control theory's broad and interdisciplinary nature, it necessitates further study by application through experimental learning and laboratory practice. Typically, the hardware used to connect the theoretical aspects of controls to the practical can be expensive, big, and time consuming to the students and instructors teaching on the equipment. Alternatively, using cheaper sensors and hardware, such as encoders and motor drivers, can obfuscate the collected data in a way that creates a disconnect between developed theoretical models and actual system results. This disconnect can dissuade the idea that systems can and will follow a modeled behavior. This thesis attempts to assess the feasibility of a piece of laboratory apparatus named the NERMLAB. Multiple experiments will be conducted on the NERMLAB system and compared against time-tested hardware to demonstrate the practicality of the NERMLAB system in control theory application.

Quadrotors are a type of aircraft that lately has gained increased popularity within the UAV-scientific area. Many research groups around the world have implemented control systems that allow for autonomous flight of quadrotors with the help of the known dynamics. This thesis presents two approaches to modelling the dynamics of the quadrotor. The first is a linear greybox approach where the structure is derived from known equations and some constants are measured and some identified through system identification techniques. The second model is a blackbox model where a neural network is trained and used. The two models are then evaluated using known error measurements with the help of previously recorded flight data and the results are presented. It is for example shown that with the untreated flight data the traditional greybox model have accurate dynamics but is sensitive to noise and drifts in the measurements. It is also shown that better results generally can be achieved using a neural network model, especially for noisy unpreprocessed data.