Orientadores: Pedro Luis Dias Peres, Ricardo Coração de Leão Fontoura de Oliveira / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-26T20:35:45Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Morais_CeciliadeFreitas_D.pdf: 1399566 bytes, checksum: 0b443117939165f3fa2bbcbd0d4a2b8e (MD5) Previous issue date: 2015 / Resumo: Este trabalho aborda os problemas de projeto de controladores e filtros para sistemas lineares sujeitos a saltos markovianos com matrizes de transição incertas. Consideram-se os domínios de tempo contínuo e discreto, incertezas politópicas nas matrizes dos modelos de cada modo e as normas H2 e H'INFINITO' como critérios de desempenho. São investigados controladores por realimentação de estados e de saída e filtros de ordem completa. Como primeira contribuição, propõe-se uma sistemática mais abrangente para representar as incertezas (politópicas, intervalares ou afins) que afetam tanto as matrizes do modelo da planta associada a cada modo de operação em particular quanto a matriz de transição que governa os saltos entre os modos em um único domínio dado pelo produto cartesiano de simplexos, chamado de multi-simplex. Adicionalmente, as condições propostas para controle e filtragem asseguram limitantes para as normas H2 e H'INFINITO' dos sistemas markovianos incertos associados à planta controlada ou ao sistema mais o filtro por meio de matrizes de Lyapunov polinomialmente dependentes dos parâmetros, enquanto as abordagens existentes na literatura restringem-se ao uso de matrizes de Lyapunov independentes de parâmetros, ou seja, uma matriz fixa associada a cada modo de operação. São propostas condições para síntese de controladores e filtros, que aplicam-se aos casos de disponibilidade completa, parcial ou nula dos modos, em termos de desigualdades matriciais lineares associadas a buscas em parâmetros escalares. Experimentos numéricos ilustram as vantagens das condições desenvolvidas, mostrando que o método proposto é mais abrangente, uma vez que pode incluir outras abordagens da literatura como casos particulares, e pode produzir resultados menos conservadores em termos dos limitantes das normas quando comparado a outras técnicas existentes na literatura / Abstract: This work addresses the problem of controller and filter design for Markov jump linear systems with uncertain transition matrices. Discrete-time and continuous-time domains, polytopic uncertainties affecting matrices of each operation mode and H-2 and H'INFINITY' norms, as performance criteria, are considered. State feedback controllers, static output feedback controllers and full order filters are investigated. As a first contribution, this work proposes a more general systematic to represent the uncertainties (polytopic, interval, or affine) affecting independently the matrices of the plant model associated to each operation mode and the transition matrix in a single domain created by the cartesian product of simplexes, called multi-simplex. Additionally, the conditions proposed for control and filtering assure bounds to the H2 and H'INFINITY' norms of uncertain Markov systems associated to the controlled plant or to the filtering system by means of polynomially parameter dependent Lyapunov matrices, while the existent approaches in the literature are restricted to the use of parameter independent Lyapunov matrices,i.e., a constant one for each operation mode. The control and filter synthesis conditions, regarding complete, partial, or null Markov mode availability, are expressed in terms of linear matrix inequalities associated with searches on scalar parameters. Numerical experiments illustrate the advantages of the developed conditions, showing that the proposed method is more general, since it can include other approaches as particular cases, and can provide less conservative results in terms of bounds to the norms when compared with other techniques from literature / Doutorado / Automação / Doutora em Engenharia Elétrica

Orientadores: Pedro Luis Dias Peres, Ricardo Coração de Leão Fontoura de Oliveira / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-27T08:37:55Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Braga_MarcioFeliciano_D.pdf: 944285 bytes, checksum: 3305c11425207a3bbee3feae45b3b073 (MD5) Previous issue date: 2015 / Resumo: Esta tese investiga o problema de discretização de sistemas lineares incertos em dois cenários distintos. O primeiro supõe que as matrizes do sistema e a taxa de amostragem são incertas e invariantes no tempo, descritas em termos de politopos. No segundo caso supõe-se que todos os parâmetros incertos, incluindo o intervalo de amostragem, podem variar no tempo; que os parâmetros do sistema possuem limitantes conhecidos para a taxa de variação e são continuamente monitorados, de forma que uma nova amostra é coletada sempre que ocorrer uma mudança significativa nos parâmetros ou quando um intervalo máximo desde a última amostragem for atingido, caracterizando-se assim a chamada amostragem baseada em eventos. O objetivo é projetar controladores digitais para o sistema discretizado e garantir teoricamente a estabilidade robusta em malha fechada do sistema contínuo original. Considera-se também um atraso induzido pela rede no modelo discreto. Do ponto de vista da discretização, propõem-se extensões da expansão em série de Taylor até um grau arbitrário l aplicada ao sistema original como uma solução para tratar as expressões envolvendo exponenciais de matrizes incertas. O modelo discreto resultante é composto por matrizes polinomiais homogêneas de grau l com parâmetros pertencentes ao produto cartesiano de simplexos unitários, chamado multi-simplex, mais um termo aditivo limitado em norma que representa o erro residual de aproximação. Modelos mais acurados são obtidos com o aumento do grau l que, consequentemente, produz resíduos com menor norma, possibilitando resultados de síntese menos conservadores. Também são propostas condições na forma de desigualdade matriciais lineares para a síntese de controladores digitais robustos por realimentação de estados e de saída, cômputo de norma H2 e análise de estabilidade para sistemas discretos polinomiais com incertezas aditivas limitadas em norma. As condições empregam funções de Lyapunov com dependência polinomial nos parâmetros incertos para certificar a estabilidade em malha fechada do sistema controlado. Em alguns casos, as desigualdades matriciais possuem um parâmetro escalar, tornando-se lineares para valores fixos desse parâmetro. Os resultados obtidos são gradativamente menos conservadores com o aumento do grau da matriz de Lyapunov, podendo ainda ser melhorados com o auxílio de uma busca linear no parâmetro escalar. Experimentos numéricos são apresentados para ilustrar a versatilidade da metodologia proposta, aplicável a uma classe mais geral de problemas de controle por rede que os métodos existentes na literatura / Abstract: This thesis investigates the problem of discretization of uncertain linear systems in two distinct scenarios. The first one supposes that the matrices of the system and the sampling rate are uncertain and time-invariant, described in terms of polytopes. The second case considers that all uncertain parameters, including the sampling interval, can vary in time and that the parameters of the system have known bounds for the rate of variation and are continuously monitored, in such a way that a new sample is collected whenever a significant change in the parameters occurs or when a maximum time interval since the previous sample is reached, thus characterizing the so-called event-based sampling. The aim is to design digital controllers for the discretized system and to guarantee the closed-loop robust stability of the original continuous-time system. A network-induced delay is also considered in the discretetime model. From the discretization point of view, extensions of the Taylor series expansion of an arbitrary degree ℓ applied to the original system are proposed as a solution to deal with expressions involving the exponential of uncertain matrices. The resulting discrete-time model consists of homogeneous polynomial matrices of degree ℓ with parameters belonging to the Cartesian product of unit simplexes, called multi-simplex, plus an additive norm-bounded term which represents the approximation residual error. More accurate models are obtained with the increase in the degree ℓ which, consequently, yields residues with lower norms, allowing to produce less conservative synthesis results. Conditions based on linear matrix inequalities for the synthesis of robust state-feedback and output-feedback digital controllers, H2 norm computation, and stability analysis for polynomial discrete-time systems with additive norm-bounded terms are also proposed. The conditions employ Lyapunov functions with polynomial dependency on the uncertain parameters to certify the closed-loop stability of the controlled system. In some cases, the matrix inequalities have a scalar parameter, becoming linear for fixed values of the parameter. The obtained results are gradually less conservative with the increase of the degree of the Lyapunov matrix and can be further enhanced with the help of a line search in the scalar parameter. Numerical experiments are presented to illustrate the versatility of the proposed methodology, applicable to a more general class of networked control problems than the existing methods in the literature. / Doutorado / Automação / Doutor em Engenharia Elétrica

Orientador: José Claudio Geromel / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-27T15:48:12Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Souza_Matheus_D.pdf: 1998044 bytes, checksum: d17f66b354031b02e0d6e84df4e2a6d7 (MD5) Previous issue date: 2015 / Resumo: Nesta tese, apresentamos contribuições para a área de sistemas dinâmicos lineares amostrados, tanto com relação à análise quanto à síntese de controladores e filtros. A primeira parte deste texto introduz ao leitor os principais conceitos e resultados que são explorados na parte subsequente; a saber, enunciamos resultados clássicos da literatura de sistemas lineares e invariantes no tempo e de sistemas amostrados, passando, então, à análise de sistemas híbridos. Tal estudo está focado nos conceitos de estabilidade e de normas H2 e Hoo. A segunda parte do texto inclui o projeto de controladores e filtros amostrados ótimos. Exemplos acadêmicos validam a teoria desenvolvida / Abstract: In this thesis, we present a contribution to the area of linear sampled-data dynamical systems, regarding both analysis and synthesis of controllers and filters. The first part of the text introduces the reader to the main concepts and results that are exploited in the following part; namely, we state classical results on LTI systems and on sampled-data systems, moving, then, our attention to the analysis of hybrid systems. Such study is focused on stability and H2 and Hoo norms. The second part of the text includes the design of optimal sampled-data controllers and filters. Academic examples validate the developed theory / Doutorado / Automação / Doutor em Engenharia Elétrica

[pt] A utilização de forças ópticas, elétricas e magnéticas para levitar e controlar nano-objetos em um ambiente de alto vácuo possibilitou o desenvolvimento do campo da levitodinâmica. A levitação óptica, em particular, permitiu a implementação de ressonadores massivos de alto fator de qualidade, conduzindo a resultados que incluem o resfriamento ao estado fundamental em escala mesoscópica e o desenvolvimento de sensores com sensibilidade ultrafina. Esses avanços possuem um potencial significativo tanto no âmbito da pesquisa fundamental quanto em termos de progresso tecnológico. O desenvolvimento e implementação de técnicas avançadas de controle é indispensável para o avanço experimental na levitodinâmica, visto que facilita a estabilização do movimento destes sistemas levitados, melhorando assim a sua sensibilidade e possibilitando a obtenção das propriedades necessárias para examinar princípios fundamentais. Esta dissertação concentra-se no estudo e controle de certos sistemas levitados opticamente: nanoesferas dielétricas aprisionadas no vácuo por um feixe Gaussiano altamente focalizado. Para realizar essa investigação, elucidaremos a descrição teórica destes sistemas e destacaremos algumas técnicas de controle importantes. Posteriormente, procederemos a investigações experimentais onde visamos atuar em dois contextos diferentes. Primeiramente, exploraremos a geração de forças não lineares como uma maneira de alterar o movimento dessas nanopartículas, visando compreender o efeito destes termos na sua dinâmica. Em segundo lugar, detalharemos o desenvolvimento de um aparato experimental que permite a estabilização tridimensional do movimento de uma nanopartícula por meio da aplicação apenas de controle elétrico, permitindo aprisionamento estável em alto vácuo. / [en] The harnessing of optical, electric and magnetic forces to levitate and control nano-objects in high vacuum environment has enable the development of the field of levitodynamics. Optical levitation, in particular, has allowed the implementation of massive high-quality factor resonators, yielding results that include ground-state cooling at the mesoscopic scale and high precision force and displacement sensor. These advancements hold significant potential for both fundamental research and technological progress. Precise control of levitated systems is indispensable for advancing experimental techniques in levitodynamics. This level of control facilitates motion stabilization, thereby enhancing the sensitivity of these systems and enabling the attainment of the desired properties necessary for examining fundamental principles. This dissertation focuses on the study and control of certain optically levitated systems: dielectric nanospheres trapped in vacuum by a highly focused Gaussian beam. To undertake this examination, we will elucidate the theoretical framework underlying these levitated systems and highlight some majorly important control techniques. Subsequently, we will proceed to experimental investigations where we aim to apply feedback forces in two different contexts. First, we will explore feedback forces as a way to change the dynamics of levitated nanoparticles, by means of adding nonlinear terms governing their motion. Secondly, we will detail the development of an experimental setup that allows 3D stabilization of motion by applying an all electrical control scheme, allowing stable trapping at high vacuum.

Neste trabalho aprimorou-se um método para aproximar soluções de uma classe de equações diferenciais algébricas (DAEs), conhecida como sistemas semi-implícitos quadrados. O método, chamado aqui de MII, fundamenta-se na teoria geométrica de desacoplamento para sistemas não lineares, aliada a técnicas eficientes de análise numérica. Ele usa uma estratégia mista com cálculos simbólicos e numéricos para construir um sistema explícito, cujas soluções convergem exponencialmente para as soluções do sistema implícito original. Duas versões do método são apresentadas. Com a primeira, chamada de MIIcond, procura-se obter matrizes numericamente estáveis, através de balanceamentos. E a segunda, MIIproj, aproveita uma interpretação geométrica para o campo vetorial obtido. As implementações foram desenvolvidas em Matlab/simulink com o pacote de computação simbólica. Através dos benchmarks, realizando inclusive comparações com outros métodos atualmente disponíveis, constatou-se que o MIIcond foi inviável em alguns casos, devido ao tempo de processamento muito extenso. Por outro lado, o MIIproj mostrou-se uma boa alternativa para esta classe de problemas, em especial para sistemas de alto índex. / This work improves a method to approximate solutions for a class of differential algebraic equations (DAEs), known as systems semi-implicit square. The method, called here MII, is based on geometric theory of decoupling for nonlinear systems combined with efficient techniques numerical analysis. It uses an algorithum that mixes symbolic and numerical calculations to build an explicit system, whose solutions converge exponentially to solutions of the original implicit system. Two versions of the method are given. The first one is called MIIcond, trying to obtain numerically stable matrices through balancing. The second one is the MIIproj, taking advantage of a geometricinterpretation of the vector field there obtained. The implementations were developed in Matlab/Simulink with the symbolic toolbox. Through benchmarks, including performing comparisons with other methods currently available, it was found that the MIIcond was not feasible in some cases, due to processing time too long. On the other hand, the MIIproj presented itself as good alternative to this class of problems, especially for systems of high index.

Made available in DSpace on 2015-03-04T18:50:29Z (GMT). No. of bitstreams: 1 TODOROV.pdf: 2505366 bytes, checksum: 70fea144a82f0db66f9a5ee795fc9c45 (MD5) Previous issue date: 2011-06-02 / Fundação Carlos Chagas Filho de Amparo a Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro / Esta tese apresenta contribuições para a teoria de controle robusto de sistemas lineares a tempo continuo sujeitos a variações abruptas em sua estrutura, modeladas através de um processo de Markov com espaço de estados discreto e, possivelmente, infinito contável. Esta classe é denominada sistemas lineares com saltos Markovianos na literatura especializada. Os principais resultados do trabalho se fundamentam em um estudo do raio de estabilidade dessa classe de sistemas, que inclui sua introdução para o caso de dimensão infinita, além da caracterização espectral de um limitante para o raio de estabilidade real. Adicionalmente, é feito um estudo detalhado do caso de sistemas escalares, e uma margem de robustez com respeito a perturbações na matriz de taxas de transição do processo de saltos é proposta. Outra contribuição introduzida na tese é a proposição de uma abordagem alternativa para o controle robusto, baseada em um operador adjunto, que parece nao ter antecedentes na literatura de sistemas lineares com saltos Markovianos. Através desse resultado prova-se que a abordagem usual para o controle robusto de sistemas lineares com saltos Markovianos, baseada no teorema do ganho pequeno e em análise H1, pode ser arbitrariamente conservadora em algumas situacoes. Também são tratados problemas variados envolvendo o controle H2 robusto e H2=H1, e a robustez de sistemas lineares com saltos Markovianos sujeitos a múltiplas perturbações. Alguns exemplos práticos, incluindo o controle de um manipulador robótico sub-atuado, o acoplamento de osciladores lineares, e o controle de um modelo macroeconômico, são tratados através dos algoritmos apresentados na tese. Os métodos computacionais aqui desenvolvidos se baseiam em programação convexa, com eficiência polinomial.

Nesta Dissertação, exploramos o assunto "redução de custos operacionais" através da otimização da trajetória de vôo vertical de uma aeronave hipotética. A otimização da trajetória horizontal não foi abordada neste trabalho devido à menor liberdade que as empresas aéreas têm em definirem a rota a ser voada, uma vez que as aeronaves devem voar sempre sobre aerovias definidas. A otimização da trajetória de vôo é baseada em estudos desenvolvidos pela NASA. Nestes estudos, a otimização da trajetória vertical é feita através da teoria do controle ótimo, com as equações de movimento simplificadas pelo uso do Método da Energia Específica. Assume-se que as trajetórias de vôo são constituídas por três segmentos distintos: subida (com energia específica incrementando monotonicamente), cruzeiro e descida (com energia específica diminuindo monotonicamente). A otimização é feita simultaneamente nas três trajetórias, o que significa que o perfil de subida e descida é afetado pela distância a ser voada. Para distâncias pequenas, a velocidade de subida tende a aumentar e a de descida, a se reduzir. Devido ao presente estado da tecnologia dos computadores de bordo, a implementação do algoritmo da teoria de controle ótimo nos FMC é muito difícil. Assim, foram criadas funções lineares de controle da velocidade da aeronave baseadas na sintetização de diversas trajetórias de vôo no modo de tração fixo. As vantagens advindas do emprego da teoria de controle ótimo foram medidas ao se comparar os resultados com aqueles derivados do método atual incorporado nos FMC, baseado no parâmetro "Cost Index". Em algumas trajetórias, verificaram-se reduções de custo operacional da ordem de 5%, especialmente em distâncias curtas (até 500 km). Isto pode ser explicado devido à maior importância relativa das trajetórias de subida e descida em curtas distâncias, o que tende a se tornar menos relevante quando a etapa em cruzeiro tende a aumentar. Também foram discutidas algumas técnicas empregadas por empresas aéreas para a redução do desgaste dos motores, como o derate e o flexible takeoff. Devido à relevância destes custos, sugere-se que o DOC venha a ser modelado com a participação de um termo derivado do custo de manutenção dos motores. Por fim, diversas técnicas para a diminuição de custos e a maximização de receitas foram analisadas, procurando demonstrar-se a variedade de recursos empregados pelas empresas aéreas para a redução de custos e melhoria da eficiência operacional. A grande variedade de procedimentos usados pelas empresas aéreas para a redução de seus custos impôs a necessidade de se restringir o escopo da pesquisa efetuada neste trabalho, sendo focado em maior profundidade o assunto "Otimização de Trajetórias Verticais".

A partir de leis de controle utilizadas para modelagem de robôs móveis, é apresentado a implementação das mesmas no robô móvel MAGELLAN PRO do Laboratório de Robótica Móvel da Divisão de Eletrônica e Computação desta instituição. Em trabalhos anteriores foi desenvolvido a implementação para o modelo cinemático, em que são verificados que incertezas de natureza dinâmica influenciam o erro de postura do referido robô, ocasionando imprecisão em trajetórias mais complexas do robô. A lei de controle é desenvolvida a partir de modelo dinâmico proposto por Yamamoto, que considera não ocorrer um perfeito rastreamento de velocidade. É utilizada uma Rede Neural Artificial (RNA) com pesos ajustáveis, que trabalha juntamente ao controlador cinemático, para compensação dos distúrbios dinâmicos desconhecidos e limitados e também a dinâmica não-modelada do tipo não-estruturada, presentes em várias trajetórias propostas para o robô móvel. As trajetórias são diversificadas, para o controlador cinemático e para o controlador dinâmico, e são tornadas mais complexas para o controlador dinâmico, permitindo uma avaliação da melhora do mesmo em relação ao outro no problema de rastreamento de trajetória do robô móvel.

O trabalho consiste na implementação e na análise da lei de controle TECS (Total Energy Control System) em sistemas de automanete. Objetivando-se estabelecer uma comparação de desempenho, foram implementados, ainda, mais dois tipos de controladores (de velocidade e de ângulo de trajetória) baseados em leis de controle convencionais. Os modelos não-linear e linear e as topologias de controle utilizadas foram desenvolvidas através do software MatLab/Simulink (versão R13). Os ganhos dos controladores foram encontrados por meio de algoritmos de otimização, baseados nos índices de desempenho comumente utilizados na indústria aeronáutica. Visando-se a praticidade no manuseio dos modelos aeronáuticos em estudo, foi desenvolvida também uma ferramenta de interface com o usuário, capaz de demonstrar o comportamento dos modelos longitudinais de duas aeronaves conhecidas no mercado, em três pontos distintos do envelope de vôo.

The role of feedback in the design of aircraft stability and control is becoming increasingly important. The basic reason driving this trend is the necessity to cope with a growing number of more stringent requirements, which are sometimes conflicting. This work presents a design methodology applicable to flight control laws, which can be either a control and stability augmentation system (CSAS) or an automatic flight control system (AFCS). A key feature of the proposed method is the definition of a simple cost function, which incorporates both performance and robustness requirements. The optimization of this cost function is employed to tune some of the control law parameters. It is also presented how to integrate this optimization procedure with the other important design steps, such as requirements definition, data filtering, control law structure definition, shaping the input-output transmission via pre-filters, etc. It is emphasized, at this point, that the format of this cost function is able to encapsulate, in a straightforward manner, the requirements normally applicable to the feedback portion of flight control laws. It is also flexible enough to accommodate different choices of data preprocessing, as well as different choices of feedback structure. The final design step is the setting of appropriate scheduling function for each of the defined scheduled parameters. For illustration purposes, four design examples are presented, namely a yaw damper, a bank angle rate/side slip angle regulator, a pitch attitude rate regulator and a pressure altitude regulator. The aircraft model under consideration is based on available data from Boeing 747. Sensors and actuators dynamics, as well as transport delays due to digital control implementation, are considered. The results show that the proposed methodology is able to satisfactorily fulfill the design requirements normally applicable to flight control laws.