Numerical methods of designing control systems are currently an active area of research. Convex optimization with linear matrix inequalities (LMIs) is one such method. Control objectives like minimizing the H_2, H_infinity norms, limiting the actuating effort to avoid saturation, pole-placement constraints etc., are cast as LMIs and an optimal feedback controller is found by making use of efficient interior-point algorithms. A full-state feedback controller is designed and implemented in this thesis using this method which then forms the basis for designing a static output feedback (SOF) controller. A profile was generated that relates the change in the SOF control gain matrix required to keep the same value of the generalized H_2 norm of the transfer function from the road disturbance to the actuating effort with the change in the sprung mass of the quarter-car system. The quarter-car system makes use of a linear brushless permanent magnet motor (LBPMM) as an actuator, a linear variable differential transformer (LVDT) and two accelerometers as sensors for feedback control and forms a platform to test these control methodologies. For the full-state feedback controller a performance measure (H_2 norm of the transfer function from road disturbance to sprung mass acceleration) of 2.166*10^3 m/s^2 was achieved ensuring that actuator saturation did not occur and that all poles had a minimum damping ratio of 0.2. The SOF controller achieved a performance measure of 1.707*10^3 m/s^2 ensuring that actuator saturation does not occur. Experimental and simulation results are provided which demonstrate the effectiveness of the SOF controller for various values of the sprung mass. A reduction in the peak-to-peak velocity by 73 percent, 72 percent, and 71 percent was achieved for a sprung mass of 2.4 kg, 2.8 kg, and 3.4 kg, respectively. For the same values of the sprung mass, a modified lead-lag compensator achieved a reduction of 79 percent, 77 percent and, 69 percent, respectively. A reduction of 76 percent and 54 percent in the peak-to-peak velocity was achieved for a sprung mass of 6.0 kg in simulation by the SOF controller and the modified lead-lag compensator, respectively. The gain of the modified lead-lag compensator needs to be recomputed in order to achieve a similar attenuation as that of the SOF controller when the value of the sprung mass is changed. For a sprung mass of 3.4 kg and a suspension spring stiffness of 1640 N/m the peak-to-peak velocity of the sprung mass was attenuated by 42 percent.

O presente trabalho aborda o desenvolvimento de um algoritmo de controle para um sistema de suspensão ativa para elevadores de alto desempenho. Esses dispositivos são muito usados no caso de suspensões veículos automotivos, mas não tanto em elevadores. Visando compreender os fenômenos envolvidos e executar testes do controle proposto através de simulações, é realizado um estudo da modelagem matemática desse sistema. O elevador estudado é de cabine com duplo andar (double-deck) e será usado em uma guia de 200 [m] de curso em um edifício de aproximadamente 500 [m] de altura. A velocidade de estado estacionário do elevador é 40 km/h. Buscando situar este trabalho no campo de pesquisa proposto, é apresentada uma introdução aos critérios e técnicas de controle linear utilizadas. O desenvolvimento do controlador é baseado no uso de um modelo matemático linear em espaço de estados que representa a dinâmica do sistema em um dos planos ortogonais. A síntese do controlador por realimentação no espaço de estados foi feita usando o método da alocação de pólos, com ajuda do regulador quadrático linear, realimentando os estados com um observador de ordem total. Um modelo computacional foi construído e utilizado para a realização de simulações computacionais com o controlador proposto. Os resultados de simulações do sistema passivo e ativo são apresentados e discutidos. / The present work proposes the development of an algorithm to control active suspension systems for high performance elevators. These devices are used in suspensions for automotive vehicles, but not in such a way in elevators. Aiming at the understanding of the involved phenomena and making tests of the controller considered through simulations, a mathematical model of this system is developed. The studied elevator is a double-deck one and will be used in a 200 [m] guide in an approximately 500 [m] height skyscraper. The steady state speed of the elevator is 40 km/h. Trying to contextualize this work, it is presented an introduction to the criteria and techniques of linear control applied in this work. The development of the controller is based on the use of a linear mathematical model in the states space that represents the dynamics of the system in one of the two orthogonals planes. The synthesis of the feedback controller in the states space was made using the pole placement method with the aid of the linear quadratic regulator, and the feedback of the states with a full order observer. A computational model was constructed. The results of passive and active simulations of the system are presented and discussed.

A importância das redes de comunicação industriais em modernos sistemas de automação e controle industriais tem aumentado significativamente nos últimos anos, devido aos avanços nas áreas de processadores e softwares embarcados, que permitem o desenvolvimento de dispositivos com elevada capacidade de processamento a custos reduzidos. Estas características também são muito importantes em sistemas automotivos, visto que existe uma tendência para a substituição de sistemas mecânicos e hidráulicos em veículos e o espaço disponível para implementação é bastante reduzido. Esta substituição passa pela elaboração de complexos algoritmos de controle, os quais, quando operam sobre uma rede de comunicação, precisam considerar explicitamente os efeitos do canal de comunicação compartilhado na dinâmica do sistema em malha fechada. Este trabalho apresenta uma análise do impacto da comunicação em rede sobre sistemas de controle. Mais especificamente, analisa-se o comportamento do protocolo Flexray, recentemente desenvolvido por um consórcio de importantes empresas e que incorpora interessantes conceitos para escalonamento de mensagens síncronas e assíncronas. No trabalho foram realizados experimentos com três diferentes tipos de controladores aplicados ao estudo de caso de uma suspensão ativa, onde o sistema tem sua malha fechada sobre a rede FlexRay. / The importance of communication networks on modern automation systems has increased significantly over the last years, mostly due to advances in embedded microprocessor and software technologies, which enable the development of devices with high processing power at reduced costs. These characteristics are very important for vehicle systems, since there is nowadays a trend to replace mechanical and hydraulic systems, and the space available for implementation is limited. This replacement requires very complex control algorithms, which, when operating on a communication network, have to consider explicitly the effects introduced by the shared communication channel on the closed loop system dynamics. This work presents an analysis of the network communication impact over control systems. More specifically, it is of interest to analyse the behavior of the FlexRay protocol, which has been recently developed by a Consortium of important companies and incorporates interesting concepts of synchronous and asynchronous message scheduling. In this work, some experiments were performed with three controllers, which were developed using different methodologies, applied to the case study of an active suspension system, where the loop is closed over the FlexRay protocol.

O presente trabalho aborda o desenvolvimento de um algoritmo de controle para um sistema de suspensão ativa para elevadores de alto desempenho. Esses dispositivos são muito usados no caso de suspensões veículos automotivos, mas não tanto em elevadores. Visando compreender os fenômenos envolvidos e executar testes do controle proposto através de simulações, é realizado um estudo da modelagem matemática desse sistema. O elevador estudado é de cabine com duplo andar (double-deck) e será usado em uma guia de 200 [m] de curso em um edifício de aproximadamente 500 [m] de altura. A velocidade de estado estacionário do elevador é 40 km/h. Buscando situar este trabalho no campo de pesquisa proposto, é apresentada uma introdução aos critérios e técnicas de controle linear utilizadas. O desenvolvimento do controlador é baseado no uso de um modelo matemático linear em espaço de estados que representa a dinâmica do sistema em um dos planos ortogonais. A síntese do controlador por realimentação no espaço de estados foi feita usando o método da alocação de pólos, com ajuda do regulador quadrático linear, realimentando os estados com um observador de ordem total. Um modelo computacional foi construído e utilizado para a realização de simulações computacionais com o controlador proposto. Os resultados de simulações do sistema passivo e ativo são apresentados e discutidos. / The present work proposes the development of an algorithm to control active suspension systems for high performance elevators. These devices are used in suspensions for automotive vehicles, but not in such a way in elevators. Aiming at the understanding of the involved phenomena and making tests of the controller considered through simulations, a mathematical model of this system is developed. The studied elevator is a double-deck one and will be used in a 200 [m] guide in an approximately 500 [m] height skyscraper. The steady state speed of the elevator is 40 km/h. Trying to contextualize this work, it is presented an introduction to the criteria and techniques of linear control applied in this work. The development of the controller is based on the use of a linear mathematical model in the states space that represents the dynamics of the system in one of the two orthogonals planes. The synthesis of the feedback controller in the states space was made using the pole placement method with the aid of the linear quadratic regulator, and the feedback of the states with a full order observer. A computational model was constructed. The results of passive and active simulations of the system are presented and discussed.

A importância das redes de comunicação industriais em modernos sistemas de automação e controle industriais tem aumentado significativamente nos últimos anos, devido aos avanços nas áreas de processadores e softwares embarcados, que permitem o desenvolvimento de dispositivos com elevada capacidade de processamento a custos reduzidos. Estas características também são muito importantes em sistemas automotivos, visto que existe uma tendência para a substituição de sistemas mecânicos e hidráulicos em veículos e o espaço disponível para implementação é bastante reduzido. Esta substituição passa pela elaboração de complexos algoritmos de controle, os quais, quando operam sobre uma rede de comunicação, precisam considerar explicitamente os efeitos do canal de comunicação compartilhado na dinâmica do sistema em malha fechada. Este trabalho apresenta uma análise do impacto da comunicação em rede sobre sistemas de controle. Mais especificamente, analisa-se o comportamento do protocolo Flexray, recentemente desenvolvido por um consórcio de importantes empresas e que incorpora interessantes conceitos para escalonamento de mensagens síncronas e assíncronas. No trabalho foram realizados experimentos com três diferentes tipos de controladores aplicados ao estudo de caso de uma suspensão ativa, onde o sistema tem sua malha fechada sobre a rede FlexRay. / The importance of communication networks on modern automation systems has increased significantly over the last years, mostly due to advances in embedded microprocessor and software technologies, which enable the development of devices with high processing power at reduced costs. These characteristics are very important for vehicle systems, since there is nowadays a trend to replace mechanical and hydraulic systems, and the space available for implementation is limited. This replacement requires very complex control algorithms, which, when operating on a communication network, have to consider explicitly the effects introduced by the shared communication channel on the closed loop system dynamics. This work presents an analysis of the network communication impact over control systems. More specifically, it is of interest to analyse the behavior of the FlexRay protocol, which has been recently developed by a Consortium of important companies and incorporates interesting concepts of synchronous and asynchronous message scheduling. In this work, some experiments were performed with three controllers, which were developed using different methodologies, applied to the case study of an active suspension system, where the loop is closed over the FlexRay protocol.

Durante as últimas décadas, têm sido realizados vários estudos sobre a aplicação de veículos suspensos como em teleféricos, bondinhos, linhas de transporte e/ou montagem em indústrias, e robôs para finalidades diversas. Como veículos suspensos possuem comportamento de pêndulo, estão suscetíveis as ações de forças externas que geram oscilações e balanços indesejados no veículo que podem comprometer sua função e segurança. Um levantamento bibliográfico mostrou a deficiência de estudos de sistemas que mantenham a estabilidade física de veículos suspensos. Usando conceitos de conservação de energia e quantidade de movimento foi concebida a ideia de desmembrar o corpo do veículo suspenso em duas partes, uma massa fixa e uma massa móvel de atuação e estabilização da estrutura do veículo; dessa forma fazendo uso apenas de componentes internos ao veículo, uma vez que em sistemas suspensos é grande a dificuldade de aplicação de forças externas para correção de posicionamento. Neste trabalho foi desenvolvido um sistema ativo de autoestabilização para veículos suspensos capaz de amenizar os efeitos de forças externas que possam comprometer a atividade desempenhada pelo veículo. Para a autoestabilização foi montado um sistema de controle em malha fechada com sensor de detecção de inclinação (posição) e atuador com motor de corrente contínua para deslocar uma massa móvel dentro do robô suspenso, acionados por um microcontrolador embarcado. A eficiência do sistema foi comprovada com a montagem de um protótipo, onde uma programação baseada em controle proporcional e derivativo foi suficiente para garantir uma eficiente e rápida estabilização no robô quando sujeito a forças externas como atuação de ventos, por exemplo. / During the last decades, many researches and studies have been done about suspended vehicles such as chair lifts, cable cars, carrying and assemblies of parts in the industry, etc. Suspended vehicles behave like a pendulum and they are susceptible to the action of external forces which cause oscillations and unwanted swing at the vehicle that may affect function and security of the vehicle. For several applications it is important to keep the physical stability of suspended vehicles (or part of them), such as in autonomous robots for inspection. In suspended systems it is very difficult to apply external forces to correct its position due the swing; so, it is proposed a new stabilizing system for suspended vehicles based on the conservation of energy and quantity of motion. Using only internal components of the suspended vehicle, the mass of the system was separated in two parts: an active mobile part that stabilizes a fixed part such as the structure of the vehicle. In this work, it is described an active system for swing control on suspended vehicles, able to soften the effects of external forces that can dangerously damage the performance of the vehicle. An autonomous off-board microcontroller with feed-back program was assembled to stabilize the structure of the vehicle by using an inclination sensor attached to it. A DC motor is used to move the mobile part of the suspended vehicle to correct the equilibrium of the vehicles structure. The microcontroller program based on proportional-derivative control system was implemented and tests were performed on a prototype vehicle. A good performance of the system was obtained with an efficient and fast stabilization of the prototype structure under the action of external forces, such as wind forces.

O presente trabalho aborda o desenvolvimento de um algoritmo de controle para um sistema de suspensão ativa para elevadores de alto desempenho. Esses dispositivos são muito usados no caso de suspensões veículos automotivos, mas não tanto em elevadores. Visando compreender os fenômenos envolvidos e executar testes do controle proposto através de simulações, é realizado um estudo da modelagem matemática desse sistema. O elevador estudado é de cabine com duplo andar (double-deck) e será usado em uma guia de 200 [m] de curso em um edifício de aproximadamente 500 [m] de altura. A velocidade de estado estacionário do elevador é 40 km/h. Buscando situar este trabalho no campo de pesquisa proposto, é apresentada uma introdução aos critérios e técnicas de controle linear utilizadas. O desenvolvimento do controlador é baseado no uso de um modelo matemático linear em espaço de estados que representa a dinâmica do sistema em um dos planos ortogonais. A síntese do controlador por realimentação no espaço de estados foi feita usando o método da alocação de pólos, com ajuda do regulador quadrático linear, realimentando os estados com um observador de ordem total. Um modelo computacional foi construído e utilizado para a realização de simulações computacionais com o controlador proposto. Os resultados de simulações do sistema passivo e ativo são apresentados e discutidos. / The present work proposes the development of an algorithm to control active suspension systems for high performance elevators. These devices are used in suspensions for automotive vehicles, but not in such a way in elevators. Aiming at the understanding of the involved phenomena and making tests of the controller considered through simulations, a mathematical model of this system is developed. The studied elevator is a double-deck one and will be used in a 200 [m] guide in an approximately 500 [m] height skyscraper. The steady state speed of the elevator is 40 km/h. Trying to contextualize this work, it is presented an introduction to the criteria and techniques of linear control applied in this work. The development of the controller is based on the use of a linear mathematical model in the states space that represents the dynamics of the system in one of the two orthogonals planes. The synthesis of the feedback controller in the states space was made using the pole placement method with the aid of the linear quadratic regulator, and the feedback of the states with a full order observer. A computational model was constructed. The results of passive and active simulations of the system are presented and discussed.

A importância das redes de comunicação industriais em modernos sistemas de automação e controle industriais tem aumentado significativamente nos últimos anos, devido aos avanços nas áreas de processadores e softwares embarcados, que permitem o desenvolvimento de dispositivos com elevada capacidade de processamento a custos reduzidos. Estas características também são muito importantes em sistemas automotivos, visto que existe uma tendência para a substituição de sistemas mecânicos e hidráulicos em veículos e o espaço disponível para implementação é bastante reduzido. Esta substituição passa pela elaboração de complexos algoritmos de controle, os quais, quando operam sobre uma rede de comunicação, precisam considerar explicitamente os efeitos do canal de comunicação compartilhado na dinâmica do sistema em malha fechada. Este trabalho apresenta uma análise do impacto da comunicação em rede sobre sistemas de controle. Mais especificamente, analisa-se o comportamento do protocolo Flexray, recentemente desenvolvido por um consórcio de importantes empresas e que incorpora interessantes conceitos para escalonamento de mensagens síncronas e assíncronas. No trabalho foram realizados experimentos com três diferentes tipos de controladores aplicados ao estudo de caso de uma suspensão ativa, onde o sistema tem sua malha fechada sobre a rede FlexRay. / The importance of communication networks on modern automation systems has increased significantly over the last years, mostly due to advances in embedded microprocessor and software technologies, which enable the development of devices with high processing power at reduced costs. These characteristics are very important for vehicle systems, since there is nowadays a trend to replace mechanical and hydraulic systems, and the space available for implementation is limited. This replacement requires very complex control algorithms, which, when operating on a communication network, have to consider explicitly the effects introduced by the shared communication channel on the closed loop system dynamics. This work presents an analysis of the network communication impact over control systems. More specifically, it is of interest to analyse the behavior of the FlexRay protocol, which has been recently developed by a Consortium of important companies and incorporates interesting concepts of synchronous and asynchronous message scheduling. In this work, some experiments were performed with three controllers, which were developed using different methodologies, applied to the case study of an active suspension system, where the loop is closed over the FlexRay protocol.

Active secondary suspension in trains has been studied for a number of years, showing promising improvements in ride comfort. However, due to relatively high implementation and maintenance costs, active technology is not being used in service operation to a large extent. The objective of this study is to develop an active lateral secondary suspension concept that offers good ride comfort improvements and enables centring of the carbody above the bogies when negotiating curves at unbalanced speed. Simultaneously, the active suspension concept should be a cost-effective solution for future series production. The thesis consists of an introductory part and three appended papers. The introductory part describes the concept of active secondary suspension together with different actuator types and control methods. Further, the present simulation model and applied comfort evaluation methods are presented. The introductory part also comprises a summary of the appended papers, an evaluation of track forces and suggestions for further work. Paper A presents the initial development of an active lateral secondary suspension concept based on sky-hook damping in order to improve vehicle dynamic performance, particularly on straight tracks. Furthermore, a Hold-Off-Device (HOD) function has been included in the suspension concept in order to centre the carbody above the bogies in curves and hence avoid bumpstop contact. Preparatory simulations as well as the subsequent on-track tests in the summer of 2007 showed that the active suspension provides improved passenger ride comfort and has significant potential to be a cost-effective solution for future implementation. In Paper B, measurement results from on-track tests performed in 2008 are presented. The active secondary suspension concept was slightly modified compared to the one presented in the first paper. One modification was the implementation of a gyroscope in order to enable detection of transition curves and to switch off the dynamic damping in these sections. Ride comfort in the actively suspended carbody was significantly improved compared to that in the passively suspended car. The satisfactory results led to implementation of the active suspension system in long-term tests in service operation in the beginning of 2009. In Paper C, a quarter-car model in MATLAB has been used to investigate a more advanced control algorithm: H∞ instead of sky-hook. H∞ control provides more flexibility in the design process due to the possibility to control several parameters. In particular, this is done by applying weight functions to selected signals in the system. When comparing the two control strategies through simulations, the results show that H∞ control generates similar carbody accelerations at the same control force as sky-hook; however, the relative displacement displacement is somewhat lower.

The SherpaTT rover is prepared for further autonomous long distance traverses in terrain akin to the Martian environment. However, it features a fueled power generator which cannot be employed in extra-terrestial scenarios. As the rover is meant to approach a higher technology readiness level, a photovoltaic power subsystem is proposed to guide future design iterations. This thesis presents the solar array sizing, design, and integration processes considered for two Martian mission sites: Iani Chaos at 2°S and Ismenius Cavus at 34°N. An alternative use case for the active suspension system is presented so that the proposed solar arrays may be inclined and oriented into power generating configurations that are more favorable than those achieved with passive suspension rovers. This results in traverse gains of up to 34% and 25% for clear days at Iani Chaos and Ismenius Cavus, respectively.