Thesis (M. Tech. (Engineering Electrical)) -- Central University of Technology, Free State, [2014] / This dissertation evaluates the software and hardware components used to develop a Reconfigurable Assembly System with an Integrated Information Management System. The assembly system consists of a modular Cartesian robot and vision system. The research focuses on the reconfigurability, modularity, scalability and flexibility that can be achieved in terms of the software and hardware components used within the system. The assembly system can be divided into high-level control and low-level control components. All information related to the product, Cartesian positioning and processes to follow resides in the Information Management System. The Information Management System is the high-level component and consists of a database, web services and low-levelcontrol drivers. The high-level system responds to the data received from the low-level systems and determines the next process to take place. The low-level systems consist of the PLC (Programmable Logic Controller) and the vision system. The PLC controls the Cartesian robot’s motor controllers and handles all events raised by field devices (e g. sensors or push buttons). The vision system contains a number of pre-loaded inspections used to identify barcodes and parts, obtain positioning data and verify the products’ build quality. The Cartesian robot’s positioning data and the vision system’s inspections are controlled by the Information Management System. The results showed that the high-level control software components are able to add more modularity and reconfigurability to the system, as it can easily adapt to changes in the product. The high-level control components also have the ability to be reconfigured while the assembly system is online without affecting the assembly system. The low-level control system is better suited to handling the control of motor controllers, field devices and vision inspections over an industrial network.

With the growth in pipeline installations all over the world, there is a great demand for highly productive and robust welding systems. Mechanised pipe welding has been developed over the last 50 years and the present focus is towards development of automated pipeline welding systems. Pipeline welding automation is aimed at reducing costs and improving the installation quality. To attain fully automated pipe welding systems there is a need to rely on sensors and controls systems to mimic human like capabilities, such as visual inspection, in real time. The key aim of this work is to develop and evaluate methods of automatic assessment of weld bead shape and quality during narrow gap GMAW of transmission pipelines. This implies that the measured bead profile will be assessed to determine whether the bead shape will cause defects when the subsequent pass is deposited. Different approaches have been used to conquer the challenge that is emulating human reasoning, all with different objectives in mind. In spite of extensive literature research performed, very little information was found concerning the real time determination and assessment of bead shape quality and none of it was reported to be applied successfully to the pipeline industry. Despite the continuous development of laboratory laser vision systems commercial ones have been on the market for decades, some specifically developed for the welding application. Laser vision sensor systems provide surface profile information, and are the only sensors which can satisfactorily measure bead profile on a narrow groove. In order to be able to use them to automatically assess weld bead shape and quality, a deep understanding of their characteristics and limitations needs to be achieved. Once that knowledge was attained it was then applied to determine the best sensor configuration for this purpose. After that the development of human like judgment algorithms were developed to accomplish the aim that was set. Empirical rules were obtained from an experienced welder regarding the acceptability of bead shapes and were then applied in the developed system with good results. To scientifically evaluate and determine the rules to use in this system, further experiments would be required. The output of the system developed showed very accurate, reliable and consistent results that were true to the external measurements and comparisons performed. The developed system has numerous applications in the pipeline industry and it could easily be implemented on commercial systems.

近年來,許多調適性管制圖都只探討單一製程,然而現今存在許多相依製程的問題.因此本論文提出兩相依製程之調適性管制圖,並以ATS測量管制圖的績效.本論文所提出的變動抽樣間隔時間之調適性管制圖對於偵測製程中幅度及小幅度的偏移有良好的績效.此外,本論文所提出的變動抽樣樣本大小及變動抽樣間隔時間之調適性管制圖對於偵測製程極小幅度的偏移有良好的績效. / In recent years, many research papers about adaptive control charts all consider a single process step. However, there are many multiple process steps in industry process. In this article, we propose adaptive control charts to monitor two dependent process steps, and their average time to signal (ATS) is calculated by Markov chain approach to measure the performance of these proposed control charts. It has been shown that the performance of the adaptive sampling interval (ASI) control charts in detecting small and moderate shifts in process means is better than the fixed sampling interval control charts, especially for small shifts, and the proposed adaptive sample size and sampling interval (ASSI) control charts have better performance in detecting very small shifts in process means than the fixed sample size and sampling interval control charts and the adaptive sample size control charts.

Compte tenu de la forte croissance du trafic aérien aussi bien dans les pays émergents que dans les pays développés soutenue durant ces dernières décennies, la satisfaction des exigences relatives à la sécurité et à l’environnement nécessite le développement de nouveaux systèmes de guidage. L’objectif principal de cette thèse est de contribuer à la synthèse d’une nouvelle génération de lois de guidage pour les avions de transport présentant de meilleures performances en terme de suivi de trajectoire. Il s’agit en particulier d’évaluer la faisabilité et les performances d’un système de guidage utilisant un référentiel spatial. Avant de présenter les principales approches utilisées pour le développement de lois de commande pour les systèmes de pilotage et de guidage automatiques et la génération de directives de guidage par le système de gestion du vol, la dynamique du vol d’un avion de transport est modélisée en prenant en compte d’une manière explicite les composantes du vent. Ensuite, l’intérêt de l’application de la commande adaptative dans le domaine de la conduite automatique du vol est discuté et une loi de commande adaptative pour le suivi de pente est proposée. Les principales techniques de commande non linéaires reconnues d’intérêt pour le suivi de trajectoire sont alors analysées. Finalement, une loi de commande référencée dans l’espace pour le guidage vertical d’un avion de transport est développée et est comparée avec l’approche temporelle classique. L’objectif est de réduire les erreurs de poursuite et mieux répondre aux contraintes de temps de passage en certains points de l’espace ainsi qu’à une possible contrainte de temps d’arrivée / Safety and environmental considerations in air transportation urge today for the development of new guidance systems with improved accuracy for spatial and temporal trajectory tracking.The main objectives of this thesis dissertation is to contribute to the synthesis of a new generation of nonlinear guidance control laws for transportation aircraft presenting enhanced trajectory tracking performances and to explore the feasibility and performances of a flight guidance system developed within a space-indexed reference with the aim of reducing tracking errors and ensuring the satisfaction of overfly time constraints as well as final arrival time constraint. Before presenting the main approaches for the design of control laws for autopilots and auto-guidance systems devoted to transport aircraft and the way current Flight Management Systems generates guidance directives, flight dynamics of transportation aircraft, including explicitly the wind components, are presented. Then, the interest for adaptive flight control is discussed and a self contained adaptive flight path tracking control for various flight conditions taking into account automatically the possible aerodynamic and thrust parametric changes is proposed. Then, the main recognized nonlinear control approaches suitable for trajectory tracking are analyzed. Finally an original vertical space-indexed guidance control law devoted to aircraft trajectory tracking is developed and compared with the classical time-indexed approach

Cette thèse porte sur la commande variant dans le temps avec comme fil directeur l’application au contrôle d’attitude de satellites. Nous avons étudié trois types de commande: une commande à commutation, une commande LPV et une commande adaptative directe. Pour cette dernière nous avons proposé des résultats théoriques nouveaux portant sur la structuration du gain et de l’adaptation. Les résultats ont été validés en simulation et sont testés à bord d’un satellite. En partant de la loi à commutation actuellement utilisée sur les satellites Myriade, une première partie de nos travaux est dédiée à la commande LPV. Notre approche, basée sur la spécification des objectifs de commande à travers un modèle de référence LPV, permet d'obtenir de nouveaux algorithmes exprimés dans ce formalisme. Testées en simulation, ces lois de commande répondent à la problématique de notre application. Toutefois, le choix du modèle de référence LPV s'avère délicat. Cette difficulté a été levée en utilisant la commande adaptative. Dans cette approche, les spécifications sur le comportement temps-variant sont traduites par des contraintes au niveau des lois d'adaptation des gains de commande. Nous introduisons ainsi une nouvelle méthode de synthèse de lois adaptatives structurées. Les preuves de stabilité établies s'appuient sur des outils de la théorie de Lyapunov. Les résultats obtenus sur un simulateur complet montrent l'intérêt de tels algorithmes adaptatifs. Ils permettent en particulier de modifier la dynamique du satellite selon les capacités disponibles des actionneurs. Sur la base de ces résultats, une campagne d’essai en vol sur le satellite PICARD est actuellement en cours. / This manuscript considers time varying control, with a strong emphasis on a satellite attitude control application. Three types of control structures have been studied: a switch-based approach, LPV control and direct adaptive control. In this last field we have introduced new theoretical results which allow structuring the gain and the adaptation law. The results have been validated in simulation and are currently tested on board a satellite. Starting from the switch-based control law currently implemented on the Myriade satellites, a first part of our work isdedicated to LPV control. Based on the specification of the control objectives by using of an LPV reference model, our approach allows obtaining new control algorithms expressed within this framework. The simulations carried out with theLPV algorithms obtained by using this method show that they meet the needs of our application. Nonetheless, the choice of a reference model proves to be difficult. This obstacle has been surpassed by using direct adaptive control. In this approach, specifications regarding the timevarying behaviour are added through constraints on the laws defining the control gains adaptation. We thus introduce anew synthesis method, based on which structured adaptive control laws are obtained. Stability proofs are established based on tools of the Lyapunov theory.The results obtained on a complete simulator show the interest of using such adaptive algorithms, which allow in particular to modify the satellite dynamics depending on the available capacity of the actuators. Based on these positive results, a fight-test campaign on the PICARD satellite is underway.

En comparaison avec leurs homologues sériels, les robots parallèles possèdent de nombreux avantages : rigidité, temps de cycle et précision de positionnement. La faible taille de leur espace de travail opérationnel est cependant un inconvénient qui empêche leur développement. L’analyse cinématique décrit la division de l’espace de travail total en aspects, séparés entre eux par des singularités de Type 2. Parmi les solutions d’élargissement de l’espace de travail opérationnel issues de la littérature, que sont comparées entre elles, nous retiendrons la traversée des singularités grâce à une génération de trajectoire et une loi de commande dédiées. Cette solution est cependant sujette aux échecs de traversée et ne permet pas de certifier la réussite de l’opération. La première partie du travail consiste donc à développer un outil permettant de détecter le résultat des traversées. De tels algorithmes n’existent pas dans la littérature ; en effet, les solveurs du problème géométrique direct ne peuvent pas donner de résultats appropriés à proximité des singularités. Cependant les méthodes ensemblistes proposent une manière intéressante de tenir compte de la cinématique du robot. Nous nous basons sur cette considération pour développer un algorithme réalisant le suivi de la pose ainsi que de la vitesse de l’effecteur du robot. En simulation, nous démontrons sa capacité à détecter les changements de mode d’assemblage et son utilité pour générer des trajectoires permettant la traversée. La deuxième problématique consiste à améliorer le suivi de trajectoire par l’utilisation de techniques de commande avancée. Une revue de littérature nous permet d’identifier la commande adaptative et la commande prédictive comme deux schémas intéressants pour notre application. La synthèse d’un loi de commande adaptative par des outils linéaires est proposée et complétée par la prédiction des paramètres dynamiques suivant la méthode Predcitive Functionnal Control. Les gains apportés par les lois de commande proposées sont évalués en simulation. Afin de valider ces contributions, elles sont implémentées sur un robot parallèle plan à deux degrés de liberté nommé DexTAR. Nécessaire à la mise en oeuvre de l’algorithme de détection du mode d’assemblage, un étalonnage géométrique du robot est réalisé et les paramètres estimés sont certifiés de manière ensembliste. La capacité de l’algorithme à statuer sur le mode d’assemblage final est ensuite évaluée sur des trajectoires réelles. Ces résultats sont comparés avec ceux obtenus en simulation. De plus, les lois de commande développées sont implémentées sur le robot DexTAR et testés dans des cas de figure réalistes comme les traversées multiples ou la saisie d’objets.Les propositions formulées dans ce manuscrit permettent de répondre à ces problématiques, afin de faciliter l’utilisation des méthodes d’agrandissement de l’espace de travail par traversée de singularité de Type 2. / Compared to their serial counterparts, parallel robots have the edge in terms of rigidity,cycle time and positioning precision. However, the reduced size of their operationalworkspace is a drawback that limits their use in the industry. Kinematic analysis explainshow the workspace is divided in aspects, separated from each others by so-called Type 2singularities. Among existing solutions for workspace enlargement, which are evaluatedin this thesis, we chose to work on a method based on singularity crossing. This can beachieved thanks to dedicated trajectory generators and control strategies. Yet, failuresin crossing can still happen and crossing success cannot be certified.In consequence, the first part of the thesis consists in the development of an algorithmable to state on the results of a crossing attempt. Such a tool does not exist inthe literature, since solvers for the forward kinematics of parallel robots diverge aroundsingularities. Nonetheless, interval methods allow to bypass this problem by trackingend-effector velocity alongside with its pose. The ability of the algorithm to detect assemblymode change is proven in simulation, and its usefulness for reliable trajectoryplanning is shown.In a second part, we seek to improve trajectory tracking through the use of advancedcontrol techniques. A review on those techniques showed adaptive control and predictivecontrol methods to be well-fitted to our application. Linear synthesis of articularadaptive control is proposed and then derived in order to predict dynamic parametersthanks to the Predictive Functional Control method. Efficiency of the proposed controllaws is evaluated in simulation.1In order to validate both contributions, algorithms and control laws are implementedon a 2-degree of freedom planar parallel robot named DexTAR. As it is mandatory forassembly mode detection, the kinematic calibration of the robot is completed from whichcertified geometric parameters are derived. Assembly mode detection is performed onreal trajectories and results are compared to those obtained in simulation. Moreover,adaptive and predictive control laws are tested in realistic cases of singularity crossingand object manipulation.Overall, proposed contributions answer the problems that were stated previously andform an improvement to the workspace enlargement method based on Type 2 singularitycrossing.

La principale limitation du modèle connexionniste (réseau neuronal artificiel) CMAC (Cerebellar Model Articulation Controller) et son applicabilité à la résolution des problèmes inhérents au systèmes automatisés complexes (robots, véhicules autonomes, etc.) est liée à la taille de mémoire requise par ce type de modèle connexionniste. Il est pertinent de rappeler que la capacité de mémoire exigée par le CMAC dépend, en premier lieu, de la précision de la quantification des signaux d'entrée, puis, de la dimension de l'espace des entrées (espace caractéristique) du système modélisé. Dans le cas des applications requérant une exécution en temps-réel, la tendance est à la réduction de l'espace caractéristique (aussi petit que possible) et la précision (de la quantification : aussi faible que possible). Cependant, souvent, les systèmes complexes impliquent plusieurs entrées. Pour résoudre le problème inhérent à cet antagonisme et la taille de la mémoire, nous nous sommes intéressés, dans la présente thèse, à l'influence des paramètres intervenant dans la précision de la quantification et dans la capacité de la généralisation sur la qualité d'approximation du modèle CMAC. L'objectif escompté était d'arriver à des structures optimales du CAMC pour le contrôle des systèmes dynamiques complexes. Les robots bipèdes (humanoïdes) et des véhicules volants hypersoniques sont deux domaines d'applications très actuelles impliquant des systèmes complexes. Nous avons appliqué des concepts étudiés aux problèmes soulevés par les deux domaines précités. Des résultats obtenus à partir de la simulation ont montré que des structures optimales ou quasi-optimales conduisant à une réduction sensible d'erreur de modélisation peuvent être obtenues. Ces résultats ont montré que les choix effectués dans l'optimisation de la structure permet une réduction de la taille de la mémoire requise (par le CMAC) et une réduction du temps d'exécution à la fois / The main limitation of the CMAC (Cerebellar Model Articulation Controller) network in realistic applications for complex automated systems (robots, automated vehicles, etc…) is related to the required memory size. It is pertinent to remind that the memory used by CMAC depends firstly on the input signal quantification step and secondly on the input space dimension. For real CMAC based control applications, on the one hand, in order to increase the accuracy of the control the chosen quantification step must be as small as possible; on the other hand, generally the input space dimension is greater than two. In order to overcome the problem relating the memory size, how both the generalization and step quantization parameters may influence the CMAC's approximation quality has been discussed. Our goal is to find an optimal CMAC structure for complex dynamic systems' control. Biped robots and Flight control design for airbreathing hypersonic vehicles are two actual areas of such systems. We have applied the investigated concepts on these two quite different areas. The presented simulation results show that an optimal or sub-optimal structure carrying out a minimal modeling error could be achieved. The choice of an optimal structure allows decreasing the memory size and reducing the computing time as well

La situation compromettante de l'environnement due à la pollution, et les coûts élevés des combustibles fossiles ont engagé des nouvelles politiques et réglementations et ont fortement incité l’augmentation de l’utilisation de nouvelles sources d'énergie renouvelables. De nombreux pays dans le monde ont augmenté de façon importante le développement de ces sources d'énergie. Deux des systèmes d'énergies renouvelables les plus couramment utilisés sont les systèmes éoliens (SE) et les systèmes photovoltaïques (SP). SE convertissent l'énergie du vent en énergie électrique au moyen d'un processus électromécanique et SP convertissent directement l'énergie solaire en énergie électrique au moyen d'un processus semi-conducteur. Ces systèmes présentent de nombreux défis qui doivent être résolus afin de gagner du terrain sur les systèmes d'énergies traditionnelles. L'un de ces défis est d'augmenter l'efficacité du système avec la commande des éléments de puissance. Afin d'atteindre cet objectif, il est nécessaire de mieux comprendre le comportement dynamique de ces systèmes et de développer des nouveaux modèles mathématiques et des nouvelles techniques de commande. Ces techniques nécessitent souvent des informations du système qui ne sont pas disponibles --- ou sont trop chères si on devait les mesurer. Pour résoudre ce problème, il est nécessaire de créer des algorithmes qui puissent estimer cette information, cependant, ce n'est pas une tâche facile, car les signaux des sources d'énergie dans SE et SP (c.-à-d. la vitesse du vent, rayonnement solaire, température) entrent dans les modèles mathématiques par une relation non linéaire. Ces algorithmes doivent pouvoir estimer ces signaux --- ou les signaux qui dépendent d’eux--- avec une bonne précision. Aussi, il est nécessaire de concevoir des lois de commande qui opèrent les systèmes à leur point maximum de puissance. Dans ce travail, nous proposons des nouveaux algorithmes d'estimation et des lois de commande qui sont liés à l'augmentation de l'efficacité énergétique dans SE et SP. Des travaux antérieurs liés à l'estimation des signaux mentionnés, les considéraient comme constants. Dans cette thèse, les algorithmes d'estimation proposés considèrent l'état variable des ces signaux. Dans toutes ces nouvelles propositions, la stabilité asymptotique est prouvée en utilisant les théories de Lyapunov. Les lois de commande sont calculées en utilisant les modèles non linéaires des systèmes. En outre, certaines des ces solutions sont étendues au cas général, qui peut être utilisé sur une large classe des systèmes non linéaires. Le premier, est un estimateur de paramètres pour les systèmes non linéaires. Il permet d'estimer les paramètres non linéaires variant dans le temps. La deuxième proposition est la conception d’un schéma pour une classe de systèmes non linéaires adaptatifs qui permet de compenser les incertitudes et les perturbations qui satisfont à la "condition de correspondance". / The compromising situation of the environment due to pollution, and the high costs of the fossil fuels have originated new policies and regulations that have stimulating the interest on alternative energy sources. Many countries around the world have increased in an important way the penetration of these energy sources. Two of the most widely used renewable energy systems are the wind turbines systems (WTS) and the photovoltaic systems (PVS). WTS convert wind energy in electric energy by means of an electromechanical process and PVS convert solar energy directly in electric energy by means of a semiconductive process. These systems show many challenges that need to be solved in order to gain ground to the traditional energy systems. One of these challenges is increase the overall system efficiency by controlling the power conditioning elements. In order to achieve this, is necessary to better understand the dynamic behavior of these systems and develop new mathematical models and new control techniques. These techniques often require system information that is not possible ---or is too expensive--- measure. In order to solve this problem, is necessary to create algorithms that are able to estimate this information, however, this is not an easy task, because the signals of the energy sources in WTS and PVS (i.e., wind speed, irradiance, temperature) enter in the mathematical models in a nonlinear relation. These algorithms have to be able to estimate these signals ---or the signals that depend on them--- with good precision. Also, it is necessary to design control laws that operate the systems at their maximum power point. In this work, we propose novel estimation algorithms and control laws that are related with the increase of the energetic efficiency in WTS and PVS. Previous works related with estimation of the mentioned signals considered them as constants. In this thesis, the proposed estimation algorithms consider the time-varying condition of these signals. In all of these novel propositions, uniform asymptotic stability is proved using Lyapunov theories. The control laws are derived using the overall nonlinear models of the systems. In addition, some of these solutions are extended to the general case, which can be used on a large-class of nonlinear systems. The first one, is a novel parameter estimator for nonlinear systems. It allows to estimate time-varying nonlinear parameters. The second general proposition is a framework for a class of adaptive nonlinear systems that allows to compensate for uncertainties and perturbations that satisfy the matching condition.

The subject of this thesis is the real-time implementation of algebraic derivative estimators as observers in nonlinear control of magnetic levitation systems. These estimators are based on operational calculus and implemented as FIR filters, resulting on a feasible real-time implementation. The algebraic method provide a fast, non-asymptotic state estimation. For the magnetic levitation systems, the algebraic estimators may replace the standard asymptotic observers assuring very good performance and robustness. To validate the estimators as observers in closed-loop control, several nonlinear controllers are proposed and implemented in a experimental magnetic levitation prototype. The results show an excellent performance of the proposed control laws together with the algebraic estimators. / O tema dessa dissertação é a implementação em tempo real dos estimadores algébricos de derivadas como observadores no controle não-linear de levitação magnética. Esses estimadores são baseados no cálculo operacional e implementados como filtros FIR, resultando em uma implementação viável em tempo real. O método algébrico permite estimar os estados do sistema de maneira rápida e não-assintótica. Para os sistemas de levitação magnética, os estimadores algébricos podem substituir os observadores assintóticos assegurando boas propriedades de robustez e performance. A fim de validar os estimadores como observadores no controle em malha fechada, vários controladores não-lineares são propostos e implementados em um protótipo experimental. Os resultados mostram uma excelente performance dos controladores propostos juntamente com os estimadores algébricos.

Nesta dissertação é apresentado um estudo comparativo entre seis controladores H \'infinito\' não lineares aplicados em um robô móvel com rodas. Três estratégias de controle são avaliadas. Na primeira, o modelo do robô é considerado completamente conhecido. Na segunda, o modelo matemático é considerado desconhecido e é realizada uma estimativa baseada em métodos inteligentes. E finalmente, na terceira estratégia, o modelo nominal é conhecido e técnicas inteligentes são usadas para estimar somente incertezas paramétricas do robô. As técnicas inteligentes usadas são baseadas em redes neurais e em lógica fuzzy. Esses controladores são resolvidos através de desigualdades matriciais lineares (DMLs) e equações algébricas de Riccati. Todos os resultados obtidos são baseados em dados experimentais. / This dissertation is present a comparative study between six nonlinear H \'infinity\' controllers applied to a wheeled mobile robot. Three control strategies are adopted. In the first, the model of the robot is considered completely known. In the second, the mathematical model is considered unknown and is accomplished an estimate based on intelligent methods. And finally, in the third strategy, the nominal model is known and intelligent techniques are used only to estimate parametric uncertainties of the robot. The intelligent techniques used are based in neural networks and in fuzzy logic. These controllers are solved via linear matrix inequalities (LMIs) and algebraic Riccati equations. All results obtained are based in experimental data.