O projeto de controladores baseado em dados tem como finalidade o ajuste dos parâ- metros de controle através de experimentos realizados no sistema, sem considerar mode- los que descrevem a dinâmica ou identificação do processo. Na literatura existem diferen- tes abordagens para este tipo de controle, e a análise e a aplicação de um destes métodos é o propósito desta dissertação. O objetivo deste trabalho é apresentar uma melhoria ao mé- todo de sintonia de controladores baseado em Referência Virtual (VRFT) para sistemas multivariáveis (MIMO), visto que a metodologia apresentada na literatura limita a apli- cação do método a uma classe restrita de processos. A metodologia de controle baseado em dados pode ser considerada consolidada para implementação em sistemas monovariá- veis, porém a extensão desta metodologia a sistemas MIMO é uma necessidade a fim de acrescentar a aplicabilidade em processos cujas diferentes variáveis a serem controladas interferem umas nas outras. Diferente do método apresentado na literatura, o método pro- posto neste trabalho permite a aplicação do VRFT em sistemas MIMO onde os requisitos de desempenho podem ser escolhidos de forma específica para cada variável. Além disso, a utilização de variável instrumental e/ou um filtro mostram-se adequadas para estimar os controladores quando os dados são afetados por ruído. Considerando que a eficácia da metodologia depende de fatores como as características da planta, o modelo de referên- cia e estrutura do controlador escolhidos, e a presença ou não de ruído, realiza-se uma comparação de resultados a fim de avaliar as melhorias obtidas. Finalmente, testes foram conduzidos em uma planta de nível do laboratório de controle, implementado o método proposto, o qual apresentou um desempenho satisfatório mostrando a aplicabilidade desta metodologia em sistemas reais. / Data-driven control methods are a variety of control designs that are developed to use batches of input-output data collected, from the process to be controlled without mak- ing explicitly use of parametric models of these processes. Although data driven control methods have been largely used in SISO systems, the extent of this methodology to mul- tivariable processes is yet a necessity, considering that the control design must take into account the multivariable nature of the process, that is, the interaction between different variables involved. The analysis and application of one of these methods is the main objective of this work, which is intended to present and improvement to the existing Virtual Reference Feedback Tuning Method (VRFT) for Multivariable systems, since the methodology disclosed in the literature restricts the application to a limited class of pro- cesses. Moreover, in this work it is proposed an extension of the VRFT method to the MIMO case, which does not present restrictions and closed loop performance of each variable can be determined accordingly. The method can be used to tune a centralized or decentralized controller. Furthermore, when the signals are corrupted by noise the use of an instrumental variable and/or an appropriate filter is proposed. All these contributions are demonstrated through simulations as well as tests conducted in a real plant, which showed satisfactory performance demonstrating the applicability of this method in real systems.

O projeto de controladores baseado em dados tem como finalidade o ajuste dos parâ- metros de controle através de experimentos realizados no sistema, sem considerar mode- los que descrevem a dinâmica ou identificação do processo. Na literatura existem diferen- tes abordagens para este tipo de controle, e a análise e a aplicação de um destes métodos é o propósito desta dissertação. O objetivo deste trabalho é apresentar uma melhoria ao mé- todo de sintonia de controladores baseado em Referência Virtual (VRFT) para sistemas multivariáveis (MIMO), visto que a metodologia apresentada na literatura limita a apli- cação do método a uma classe restrita de processos. A metodologia de controle baseado em dados pode ser considerada consolidada para implementação em sistemas monovariá- veis, porém a extensão desta metodologia a sistemas MIMO é uma necessidade a fim de acrescentar a aplicabilidade em processos cujas diferentes variáveis a serem controladas interferem umas nas outras. Diferente do método apresentado na literatura, o método pro- posto neste trabalho permite a aplicação do VRFT em sistemas MIMO onde os requisitos de desempenho podem ser escolhidos de forma específica para cada variável. Além disso, a utilização de variável instrumental e/ou um filtro mostram-se adequadas para estimar os controladores quando os dados são afetados por ruído. Considerando que a eficácia da metodologia depende de fatores como as características da planta, o modelo de referên- cia e estrutura do controlador escolhidos, e a presença ou não de ruído, realiza-se uma comparação de resultados a fim de avaliar as melhorias obtidas. Finalmente, testes foram conduzidos em uma planta de nível do laboratório de controle, implementado o método proposto, o qual apresentou um desempenho satisfatório mostrando a aplicabilidade desta metodologia em sistemas reais. / Data-driven control methods are a variety of control designs that are developed to use batches of input-output data collected, from the process to be controlled without mak- ing explicitly use of parametric models of these processes. Although data driven control methods have been largely used in SISO systems, the extent of this methodology to mul- tivariable processes is yet a necessity, considering that the control design must take into account the multivariable nature of the process, that is, the interaction between different variables involved. The analysis and application of one of these methods is the main objective of this work, which is intended to present and improvement to the existing Virtual Reference Feedback Tuning Method (VRFT) for Multivariable systems, since the methodology disclosed in the literature restricts the application to a limited class of pro- cesses. Moreover, in this work it is proposed an extension of the VRFT method to the MIMO case, which does not present restrictions and closed loop performance of each variable can be determined accordingly. The method can be used to tune a centralized or decentralized controller. Furthermore, when the signals are corrupted by noise the use of an instrumental variable and/or an appropriate filter is proposed. All these contributions are demonstrated through simulations as well as tests conducted in a real plant, which showed satisfactory performance demonstrating the applicability of this method in real systems.

O projeto de controladores baseado em dados tem como finalidade o ajuste dos parâ- metros de controle através de experimentos realizados no sistema, sem considerar mode- los que descrevem a dinâmica ou identificação do processo. Na literatura existem diferen- tes abordagens para este tipo de controle, e a análise e a aplicação de um destes métodos é o propósito desta dissertação. O objetivo deste trabalho é apresentar uma melhoria ao mé- todo de sintonia de controladores baseado em Referência Virtual (VRFT) para sistemas multivariáveis (MIMO), visto que a metodologia apresentada na literatura limita a apli- cação do método a uma classe restrita de processos. A metodologia de controle baseado em dados pode ser considerada consolidada para implementação em sistemas monovariá- veis, porém a extensão desta metodologia a sistemas MIMO é uma necessidade a fim de acrescentar a aplicabilidade em processos cujas diferentes variáveis a serem controladas interferem umas nas outras. Diferente do método apresentado na literatura, o método pro- posto neste trabalho permite a aplicação do VRFT em sistemas MIMO onde os requisitos de desempenho podem ser escolhidos de forma específica para cada variável. Além disso, a utilização de variável instrumental e/ou um filtro mostram-se adequadas para estimar os controladores quando os dados são afetados por ruído. Considerando que a eficácia da metodologia depende de fatores como as características da planta, o modelo de referên- cia e estrutura do controlador escolhidos, e a presença ou não de ruído, realiza-se uma comparação de resultados a fim de avaliar as melhorias obtidas. Finalmente, testes foram conduzidos em uma planta de nível do laboratório de controle, implementado o método proposto, o qual apresentou um desempenho satisfatório mostrando a aplicabilidade desta metodologia em sistemas reais. / Data-driven control methods are a variety of control designs that are developed to use batches of input-output data collected, from the process to be controlled without mak- ing explicitly use of parametric models of these processes. Although data driven control methods have been largely used in SISO systems, the extent of this methodology to mul- tivariable processes is yet a necessity, considering that the control design must take into account the multivariable nature of the process, that is, the interaction between different variables involved. The analysis and application of one of these methods is the main objective of this work, which is intended to present and improvement to the existing Virtual Reference Feedback Tuning Method (VRFT) for Multivariable systems, since the methodology disclosed in the literature restricts the application to a limited class of pro- cesses. Moreover, in this work it is proposed an extension of the VRFT method to the MIMO case, which does not present restrictions and closed loop performance of each variable can be determined accordingly. The method can be used to tune a centralized or decentralized controller. Furthermore, when the signals are corrupted by noise the use of an instrumental variable and/or an appropriate filter is proposed. All these contributions are demonstrated through simulations as well as tests conducted in a real plant, which showed satisfactory performance demonstrating the applicability of this method in real systems.

Este trabalho apresenta uma extensão à formulação multivariável do método de controle baseado em dados conhecido como o Método da Referência Virtual, ou Virtual Reference Feedback Tuning (VRFT). Ao lidar com processos onde o ruído é significativo, as formulações tradicionais do VRFT, por mínimos quadrados ou variáveis instrumentais, apresentam propriedades estatísticas insatisfatórias, que acabam levando o sistema de controle em malha fechada a desempenhos muito distantes daqueles especificados pelo projetista. Portanto, visando aprimorar a qualidade destas estimativas e, consequentemente, os desempenhos em malha fechada, esta dissertação propõe a adição de regularização no método VRFT para sistemas multivariáveis. Regularização é uma ferramenta que vem sendo amplamente utilizada e desenvolvida nos últimos anos nas comunidades de Identificação de Sistemas e Machine Learning e é indicada para reduzir a alta covariância que existe nas estimativas - problema que ocorre na formulação do VRFT com variáveis instrumentais. Também, como contribuições deste trabalho destacam-se uma análise mais detalhada do problema de identificação com regularização para sistemas multivariáveis, assim como o desenvolvimento da matriz ótima de regularização para este cenário e as propriedades da nova formulação do VRFT. Para demonstrar a eficiência desta nova formulação do VRFT são desenvolvidos exemplos numéricos. / This work proposes a new extension for the multivariable formulation of the datadriven control method known as Virtual Reference Feedback Tuning. When the process to be controlled contains a significant amount of noise, the standard VRFT approach, that uses either the least squares method or the instrumental variable technique, yield estimates with very poor statistical properties, that may lead the control system to undesirible closed loop performances. Aiming to enhance these statistical properties and hence, the system’s closed loop performance, this work proposes the use of regularization on the multivariable formulation of the VRFT method. Regularization is a feature that has been widely used and researched on the System Identification and Machine Learning communities on the last few years, and it is well suited to cope the high variance issue that emerge on the VRFT method with instrumental variable. Also, a more detailed analysis on the use of regularization for identification of multivariable systems, the proof of the optimal regularization matrix and the exposure of the new regularized VRFT properties can be highlighted as novelties of this work.

Este trabalho trata da utilização de um método de sintonia de controladores baseado nos dados obtidos da planta. A proposta é a sintonia de controladores ressonantes para aplicação em inversores de frequência presentes em fontes ininterruptas de energia, com o intuito de seguimento de referência senoidal de tensão. Dentro deste contexto, será usado o algoritmo Virtual Reference Feedback Tuning, o qual é um método de identificação de controladores baseado em dados que não é iterativo e não necessita do modelo do sistema para identificar o controlador. A partir dos dados obtidos da planta e também da definição de um modelo de referência pelo projetista, o método estima os parâmetros de uma estrutura fixada previamente para o controlador através da minimização de uma função custo definida pelo erro entre a saída desejada e a saída real. Além disso, uma realimentação de corrente é necessária na malha de controle, onde seu ganho proporcional é definido por experimento empírico. Para demonstrar a utilização do método são apresentados resultados simulados e práticos de uma fonte ininterrupta de energia com potência de 5 kV A utilizando cargas lineares e não-lineares. É avaliado o desempenho do ponto de vista da qualidade do sinal de saída real obtido com controladores sintonizados a partir de diferentes modelos de referência, além do uso de sinais de excitação diversos para o algoritmo V RFT. Os resultados experimentais são obtidos em um inversor de frequência monofásico com uma plataforma em tempo real baseada na placa de aquisição de dados dSPACE DS1104. Os resultados mostram que, em relação as normas internacionais, o sistema de controle proposto possui bom comportamento para seguimento de referência, operando à vazio ou utilizando carga linear. / This work discusses about controller tuning methods based on plant data. The proposal is to tune resonant controllers for application to the frequency inverters found in uninterruptible power supplies, with the goal of following sinusoidal reference signals. Within this context, the Virtual Reference Feedback Tuning algorithm is used, which is a data-driven controller identification method that is not iterative and does not require a system model to identify the controller. Data obtained from the plant and also the definition of a reference model by the designer, are used by the method to estimate the parameters of a previously fixed controller structure through the minimization of a cost function, which is defined by the error between desired and actual outputs. Moreover, a current feedback is required in the control loop where the proportional gain is defined by empirical experiment. To demonstrate the method’s application, simulated and practical results of an uninterruptible power supply with capacity of the 5 kV A will be presented employing linear and nonlinear loads. Evaluates the performance in terms of system’s actual output quality, obtained with controllers tuned with different reference models. Distinct excitation signals are also used to feed the VRFT algorithm. The experimental results achieved from use of an single-phase inverter and a real-time platform based on data acquisition board dSPACE DS1104. The results show that, with respect to international standards, the proposed control system has good performance for tracking reference, operating at empty or using linear load.

Este trabalho trata da utilização de um método de sintonia de controladores baseado nos dados obtidos da planta. A proposta é a sintonia de controladores ressonantes para aplicação em inversores de frequência presentes em fontes ininterruptas de energia, com o intuito de seguimento de referência senoidal de tensão. Dentro deste contexto, será usado o algoritmo Virtual Reference Feedback Tuning, o qual é um método de identificação de controladores baseado em dados que não é iterativo e não necessita do modelo do sistema para identificar o controlador. A partir dos dados obtidos da planta e também da definição de um modelo de referência pelo projetista, o método estima os parâmetros de uma estrutura fixada previamente para o controlador através da minimização de uma função custo definida pelo erro entre a saída desejada e a saída real. Além disso, uma realimentação de corrente é necessária na malha de controle, onde seu ganho proporcional é definido por experimento empírico. Para demonstrar a utilização do método são apresentados resultados simulados e práticos de uma fonte ininterrupta de energia com potência de 5 kV A utilizando cargas lineares e não-lineares. É avaliado o desempenho do ponto de vista da qualidade do sinal de saída real obtido com controladores sintonizados a partir de diferentes modelos de referência, além do uso de sinais de excitação diversos para o algoritmo V RFT. Os resultados experimentais são obtidos em um inversor de frequência monofásico com uma plataforma em tempo real baseada na placa de aquisição de dados dSPACE DS1104. Os resultados mostram que, em relação as normas internacionais, o sistema de controle proposto possui bom comportamento para seguimento de referência, operando à vazio ou utilizando carga linear. / This work discusses about controller tuning methods based on plant data. The proposal is to tune resonant controllers for application to the frequency inverters found in uninterruptible power supplies, with the goal of following sinusoidal reference signals. Within this context, the Virtual Reference Feedback Tuning algorithm is used, which is a data-driven controller identification method that is not iterative and does not require a system model to identify the controller. Data obtained from the plant and also the definition of a reference model by the designer, are used by the method to estimate the parameters of a previously fixed controller structure through the minimization of a cost function, which is defined by the error between desired and actual outputs. Moreover, a current feedback is required in the control loop where the proportional gain is defined by empirical experiment. To demonstrate the method’s application, simulated and practical results of an uninterruptible power supply with capacity of the 5 kV A will be presented employing linear and nonlinear loads. Evaluates the performance in terms of system’s actual output quality, obtained with controllers tuned with different reference models. Distinct excitation signals are also used to feed the VRFT algorithm. The experimental results achieved from use of an single-phase inverter and a real-time platform based on data acquisition board dSPACE DS1104. The results show that, with respect to international standards, the proposed control system has good performance for tracking reference, operating at empty or using linear load.

Este trabalho trata da utilização de um método de sintonia de controladores baseado nos dados obtidos da planta. A proposta é a sintonia de controladores ressonantes para aplicação em inversores de frequência presentes em fontes ininterruptas de energia, com o intuito de seguimento de referência senoidal de tensão. Dentro deste contexto, será usado o algoritmo Virtual Reference Feedback Tuning, o qual é um método de identificação de controladores baseado em dados que não é iterativo e não necessita do modelo do sistema para identificar o controlador. A partir dos dados obtidos da planta e também da definição de um modelo de referência pelo projetista, o método estima os parâmetros de uma estrutura fixada previamente para o controlador através da minimização de uma função custo definida pelo erro entre a saída desejada e a saída real. Além disso, uma realimentação de corrente é necessária na malha de controle, onde seu ganho proporcional é definido por experimento empírico. Para demonstrar a utilização do método são apresentados resultados simulados e práticos de uma fonte ininterrupta de energia com potência de 5 kV A utilizando cargas lineares e não-lineares. É avaliado o desempenho do ponto de vista da qualidade do sinal de saída real obtido com controladores sintonizados a partir de diferentes modelos de referência, além do uso de sinais de excitação diversos para o algoritmo V RFT. Os resultados experimentais são obtidos em um inversor de frequência monofásico com uma plataforma em tempo real baseada na placa de aquisição de dados dSPACE DS1104. Os resultados mostram que, em relação as normas internacionais, o sistema de controle proposto possui bom comportamento para seguimento de referência, operando à vazio ou utilizando carga linear. / This work discusses about controller tuning methods based on plant data. The proposal is to tune resonant controllers for application to the frequency inverters found in uninterruptible power supplies, with the goal of following sinusoidal reference signals. Within this context, the Virtual Reference Feedback Tuning algorithm is used, which is a data-driven controller identification method that is not iterative and does not require a system model to identify the controller. Data obtained from the plant and also the definition of a reference model by the designer, are used by the method to estimate the parameters of a previously fixed controller structure through the minimization of a cost function, which is defined by the error between desired and actual outputs. Moreover, a current feedback is required in the control loop where the proportional gain is defined by empirical experiment. To demonstrate the method’s application, simulated and practical results of an uninterruptible power supply with capacity of the 5 kV A will be presented employing linear and nonlinear loads. Evaluates the performance in terms of system’s actual output quality, obtained with controllers tuned with different reference models. Distinct excitation signals are also used to feed the VRFT algorithm. The experimental results achieved from use of an single-phase inverter and a real-time platform based on data acquisition board dSPACE DS1104. The results show that, with respect to international standards, the proposed control system has good performance for tracking reference, operating at empty or using linear load.

O método VRFT (Virtual Reference Feedback Tuning) é um método baseado em dados utilizado para ajustar os parâmetros de um controlador. Uma das vantagens deste método é que não é necessário um conhecimento detalhado do modelo do processo a ser controlado. Neste trabalho é apresentado o desenvolvimento de um aplicativo Android que utiliza o método VRFT, e uma versão recursiva do mesmo, para ajustar os parâmetros de um controlador PID com base nos dados de entrada e saída coletados de um experimento realizado no processo. O experimento pode ser configurado, inicializado, monitorado, e interrompido através da aplicação móvel. Para viabilizar a comunicação com o controlador também foram desenvolvidos um gateway Bluetooth-Modbus e um protocolo de comunicação simples, que opera sobre o serviço de comunicação serial do protocolo Bluetooth. A solução proposta foi validada através de experimentos realizados em processos simulados e em um processo real, mostrando bons resultados em ambos os casos. / The Virtual Reference Feedback Tuning (VRFT) method is a data-driven method employed to tune the parameters of a controller. An advantage of this method lies in the fact that it does not need a detailed knowledge of the process model. This work presents the development of an Android application which employs the VRFT method and a newly developed recursive version of it to tune a PID controller based upon the data collected from an experiment conducted on the process. The experiment can be set up, started, monitored, and stopped from inside the mobile application. To communicate with the controller a Bluetooth-Modbus gateway and an application layer protocol, designed over the Bluetooth serial communication service, are employed, both newly developed. Finally, the entire solution is verified in two steps: first some experiments were conducted on a simulated process, then another experiment was conducted to tune a real commercial controller, both showing good results.

O método VRFT (Virtual Reference Feedback Tuning) é um método baseado em dados utilizado para ajustar os parâmetros de um controlador. Uma das vantagens deste método é que não é necessário um conhecimento detalhado do modelo do processo a ser controlado. Neste trabalho é apresentado o desenvolvimento de um aplicativo Android que utiliza o método VRFT, e uma versão recursiva do mesmo, para ajustar os parâmetros de um controlador PID com base nos dados de entrada e saída coletados de um experimento realizado no processo. O experimento pode ser configurado, inicializado, monitorado, e interrompido através da aplicação móvel. Para viabilizar a comunicação com o controlador também foram desenvolvidos um gateway Bluetooth-Modbus e um protocolo de comunicação simples, que opera sobre o serviço de comunicação serial do protocolo Bluetooth. A solução proposta foi validada através de experimentos realizados em processos simulados e em um processo real, mostrando bons resultados em ambos os casos. / The Virtual Reference Feedback Tuning (VRFT) method is a data-driven method employed to tune the parameters of a controller. An advantage of this method lies in the fact that it does not need a detailed knowledge of the process model. This work presents the development of an Android application which employs the VRFT method and a newly developed recursive version of it to tune a PID controller based upon the data collected from an experiment conducted on the process. The experiment can be set up, started, monitored, and stopped from inside the mobile application. To communicate with the controller a Bluetooth-Modbus gateway and an application layer protocol, designed over the Bluetooth serial communication service, are employed, both newly developed. Finally, the entire solution is verified in two steps: first some experiments were conducted on a simulated process, then another experiment was conducted to tune a real commercial controller, both showing good results.

O método VRFT (Virtual Reference Feedback Tuning) é um método baseado em dados utilizado para ajustar os parâmetros de um controlador. Uma das vantagens deste método é que não é necessário um conhecimento detalhado do modelo do processo a ser controlado. Neste trabalho é apresentado o desenvolvimento de um aplicativo Android que utiliza o método VRFT, e uma versão recursiva do mesmo, para ajustar os parâmetros de um controlador PID com base nos dados de entrada e saída coletados de um experimento realizado no processo. O experimento pode ser configurado, inicializado, monitorado, e interrompido através da aplicação móvel. Para viabilizar a comunicação com o controlador também foram desenvolvidos um gateway Bluetooth-Modbus e um protocolo de comunicação simples, que opera sobre o serviço de comunicação serial do protocolo Bluetooth. A solução proposta foi validada através de experimentos realizados em processos simulados e em um processo real, mostrando bons resultados em ambos os casos. / The Virtual Reference Feedback Tuning (VRFT) method is a data-driven method employed to tune the parameters of a controller. An advantage of this method lies in the fact that it does not need a detailed knowledge of the process model. This work presents the development of an Android application which employs the VRFT method and a newly developed recursive version of it to tune a PID controller based upon the data collected from an experiment conducted on the process. The experiment can be set up, started, monitored, and stopped from inside the mobile application. To communicate with the controller a Bluetooth-Modbus gateway and an application layer protocol, designed over the Bluetooth serial communication service, are employed, both newly developed. Finally, the entire solution is verified in two steps: first some experiments were conducted on a simulated process, then another experiment was conducted to tune a real commercial controller, both showing good results.