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Controle chaveado e chaveado suave de sistemas não lineares incertos via modelos fuzzy T-S / Switched and smooth switched control of uncertain nonlinear systems via T-S fuzzy modelsAlves, Uiliam Nelson Lendzion Tomaz 14 December 2017 (has links)
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Previous issue date: 2017-12-14 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / O controle chaveado pode ser eficientemente utilizado no controle de sistemas fuzzy TakagiSugeno (T-S) incertos, que possuam funções de pertinência incertas e modelos locais conhecidos. Como estes sistemas fuzzy podem representar exatamente uma classe de sistemas não lineares incertos em uma região do espaço de estados, é interessante utilizá-los para descrever sistemas não lineares, usando no projeto do controlador o modelo fuzzy que descreve exatamente o sistema não linear. Porém, como a representação através de combinação convexa obtida é válida apenas em uma região do espaço de estados, garantias de que o estado do sistema permaneça nessa região devem ser obtidas. Neste trabalho são propostas condições que garantem a estabilização local, com a especificação da taxa decaimento, de uma classe de sistemas não lineares contínuos no tempo, incertos e com saturação no atuador, utilizando o controle chaveado. Os projetos dos controladores são realizados com base no modelo fuzzy T-S que representa exatamente o sistema não linear e os procedimentos de projeto fornecem uma região na qual as condições iniciais devam estar, tal que, o sistema não linear seja exatamente descrito pelo modelo fuzzy T-S incerto durante toda a trajetória de estado do sistema e ainda que esta trajetória permaneça dentro de uma região de operação previamente especificada. Em geral, o controle chaveado não possui restrição na frequência de chaveamento dos ganhos, o que pode levar ao chattering, que se manifesta pelo chaveamento em frequência infinitamente rápida dos ganhos de realimentação. Visando a eliminação do chattering no controle chaveado, propõe-se uma nova técnica de suavização do controle chaveado, o controle chaveado suave. Esta nova lei de controle pode ser utilizada nas mesmas condições do controle chaveado e é baseada no conceito do mínimo suave, definido neste trabalho. Além disso, são propostos procedimentos de projeto que consideram distúrbios para ambas as leis de controle chaveada e chaveada suave. Ademais, neste trabalho também se apresenta uma implementação da lei de controle chaveada em um sistema Ball Balancer fabricado pela Quanser. / The switched control can be efficiently used for controlling uncertain Takagi-Sugeno (T-S) fuzzy systems, which have uncertain membership functions and known local models. Because these fuzzy systems can exactly represent a class of uncertain nonlinear systems in a given operation region in the state space, it is interesting to use them to describe nonlinear systems, performing the controller design based on a T-S fuzzy model that exactly describes the nonlinear system. However, the perfect representation of the uncertain nonlinear system by the T-S fuzzy model as a convex combination is only valid in the operation region. Therefore, it is necessary to assure conditions such that the state of the system remains in that region. This work proposes conditions to ensure the local stabilization, with decay rate, of a class of uncertain continuoustime nonlinear systems with saturation on the actuator, using a switched control. The designs of the controllers are performed based on the T-S fuzzy model which exactly describes the nonlinear system and the design procedures provide a region in which the initial conditions must be such that the nonlinear system is exactly described by the uncertain T-S fuzzy model along the whole state trajectory of the system and this trajectory remains in a specified operation region. Usually, the switched control has no bound on the frequency of the feedback gains switching, and this can lead to chattering, which is manifested by infinitely fast frequency of the feedback gains switching. In order to avoid the chattering in the switched control, this work proposes a new technique to smooth the switched control, the smooth switched control. This new control law can be used under the same conditions as the switched control and it is based on the concept of smooth minimum, which is defined in this work. In addition, design procedures considering disturbances for both switched and smooth switched control laws are proposed. Furthermore, in this work it is also presented an implementation of the proposed switched control law in a Ball Balancer system manufactured by Quanser.
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Controle chaveado e chaveado suave de sistemas não lineares incertos via modelos fuzzy T-S /Alves, Uiliam Nelson Lendzion Tomaz. January 2017 (has links)
Orientador: Marcelo Carvalho Minhoto Teixeira / Resumo: O controle chaveado pode ser eficientemente utilizado no controle de sistemas fuzzy TakagiSugeno (T-S) incertos, que possuam funções de pertinência incertas e modelos locais conhecidos. Como estes sistemas fuzzy podem representar exatamente uma classe de sistemas não lineares incertos em uma região do espaço de estados, é interessante utilizá-los para descrever sistemas não lineares, usando no projeto do controlador o modelo fuzzy que descreve exatamente o sistema não linear. Porém, como a representação através de combinação convexa obtida é válida apenas em uma região do espaço de estados, garantias de que o estado do sistema permaneça nessa região devem ser obtidas. Neste trabalho são propostas condições que garantem a estabilização local, com a especificação da taxa decaimento, de uma classe de sistemas não lineares contínuos no tempo, incertos e com saturação no atuador, utilizando o controle chaveado. Os projetos dos controladores são realizados com base no modelo fuzzy T-S que representa exatamente o sistema não linear e os procedimentos de projeto fornecem uma região na qual as condições iniciais devam estar, tal que, o sistema não linear seja exatamente descrito pelo modelo fuzzy T-S incerto durante toda a trajetória de estado do sistema e ainda que esta trajetória permaneça dentro de uma região de operação previamente especificada. Em geral, o controle chaveado não possui restrição na frequência de chaveamento dos ganhos, o que pode levar ao chattering, que se manife... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: The switched control can be efficiently used for controlling uncertain Takagi-Sugeno (T-S) fuzzy systems, which have uncertain membership functions and known local models. Because these fuzzy systems can exactly represent a class of uncertain nonlinear systems in a given operation region in the state space, it is interesting to use them to describe nonlinear systems, performing the controller design based on a T-S fuzzy model that exactly describes the nonlinear system. However, the perfect representation of the uncertain nonlinear system by the T-S fuzzy model as a convex combination is only valid in the operation region. Therefore, it is necessary to assure conditions such that the state of the system remains in that region. This work proposes conditions to ensure the local stabilization, with decay rate, of a class of uncertain continuoustime nonlinear systems with saturation on the actuator, using a switched control. The designs of the controllers are performed based on the T-S fuzzy model which exactly describes the nonlinear system and the design procedures provide a region in which the initial conditions must be such that the nonlinear system is exactly described by the uncertain T-S fuzzy model along the whole state trajectory of the system and this trajectory remains in a specified operation region. Usually, the switched control has no bound on the frequency of the feedback gains switching, and this can lead to chattering, which is manifested by infinitely fast frequ... (Complete abstract click electronic access below) / Doutor
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Controle por modos deslizantes com compensa??o difusa aplicado a sistemas com descontinuidadeSantos, Jo?o Deodato Batista dos 13 November 2013 (has links)
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Previous issue date: 2013-11-13 / Coordena??o de Aperfei?oamento de Pessoal de N?vel Superior / The development of non-linear controllers gained space in the theoretical ambit and of
practical applications on the moment that the arising of digital computers enabled the
implementation of these methodologies. In comparison with the linear controllers more
utilized, the non -linear controllers present the advantage of not requiring the linearity of the
system to determine the parameters of control, which permits a more efficient control
especially when the system presents a high level of non-linearity. Another additional
advantage is the reduction of costs, since to obtain the efficient control through linear
controllers it is necessary the utilization of sensors and more refined actuators than when it is
utilized a non-linear controller. Among the non-linear theories of control, the method of
control by gliding ways is detached for being a method that presents more robustness, before
uncertainties. It is already confirmed that the adoption of compensation on the region of
residual error permits to improve better the performance of these controllers. So, in this work
it is described the development of a non-linear controller that looks for an association of
strategy of control by gliding ways, with the fuzzy compensation technique. Through the
implementation of some strategies of fuzzy compensation, it was searched the one which
provided the biggest efficiency before a system with high level of nonlinearities and
uncertainties. The electrohydraulic actuator was utilized as an example of research, and the
results appoint to two configurations of compensation that permit a bigger reduction of the
residual error / O desenvolvimento de controladores n?o lineares ganharam espa?o nos ?mbitos te?rico e de
aplica??es pr?ticas no momento que o surgimento de computadores digitais possibilitou a
implementa??o destas metodologias. Em compara??o aos controladores lineares mais
utilizados, os controladores n?o lineares apresentam a vantagem de n?o necessitarem da
lineariza??o do sistema para determinar os par?metros de controle, o que permite um
controle mais eficiente principalmente quando o sistema apresenta elevado grau de n?o
linearidade. Outra vantagem adicional ? a redu??o dos custos, uma vez que para obter o
controle eficiente atrav?s dos controladores lineares ? necess?ria a utiliza??o de sensores e
atuadores mais refinados do que quando se utiliza um controlador n?o linear. Dentre as
teorias de controle n?o linear, o m?todo de controle por modos deslizantes se destaca por ser
um m?todo que apresenta maior robustez frente ?s incertezas. J? ? comprovado que a
ado??o de t?cnicas de compensa??o na regi?o do erro residual permite melhorar ainda mais
o desempenho desses controladores. Assim, neste trabalho ? descrito o desenvolvimento de
um controlador n?o linear que busca a associa??o da estrat?gia de controle por modos
deslizantes com a t?cnica de compensa??o fuzzy. Mediante a implementa??o de algumas
estrat?gias de compensa??o fuzzy, buscou-se aquela que proporcionasse maior efici?ncia
frente a um sistema com elevado grau de n?o linearidades e incertezas. O atuador eletrohidr?ulico
foi utilizado como exemplo de estudo, e os resultados apontam para duas
configura??es de compensa??o que permitem uma maior redu??o do erro residual
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Caracterização de uma microválvula fabricada usando o polímero piezoelétrico poli(fluoreto de vinilideno) (PVDF) integrada a saída de um microbocal sônico / Characterization of a microvalve using the piezoelectric polymer poly(viniyidene fluoride) (PVDF) integrated to a micronozzle endRodrigo Sérgio Wiederkehr 17 December 2007 (has links)
Este trabalho descreve a seqüência de fabricação de uma microválvula piezoelétrica posicionada na saída de um microbocal sônico. A técnica usada para fabricar os microbocais foi o jateamento utilizando pó de alumina e o substrato usado foi de vidro. As microválvulas são atuadores fabricados com o polímero poli(fluoreto de vinilideno) (PVDF) que é um material piezoelétrico. Os microbocais têm um formato convergente-divergente com diâmetro na entrada de 1 mm e com diâmetro na garganta em cerca de 240 microns. O atuador foi fabricado no modo bimorfo (duas folhas do polímero coladas com polarização opostas) com dimensões de 3 mm de largura por 6 mm de comprimento. Ambas as folhas do polímero são recobertas por um filme condutor de 200 nm de espessura usados como eletrodos. Aplicando uma voltagem entre os eletrodos uma folha expande enquanto a outra contrai gerando um movimento vertical do atuador. O movimento vertical pode ser maior ou menor dependendo do valor da tensão aplicada. Os dispositivos foram testados usando uma linha de gás, aplicando tensões DC e AC nos eletrodos do atuador. Para controle, também foram realizadas medidas em bocais sem atuadores. No caso onde foram aplicadas tensões DC nos atuadores, a pressão de entrada foi constante de 266 Pa. Aplicando uma tensão de +300 V DC nos eletrodos, o atuador teve um movimento vertical na direção oposta ao do microbocal de 20 microns (movimento de abertura). Neste caso o fluxo de gás medido, quando a razão de pressão entre a entrada e a saída atingiu 0,5, foi de 150 cm3/min. Aplicando uma tensão de -300 V DC (o que significa um movimento vertical de fechamento de 13 microns), o fluxo de gás medido, quando a razão de pressão foi de 0,5, foi de 134 cm3/min. Assim, existe uma faixa de fluxo entre 134 cm3/min e 150 cm3/min que pode ser controlada através do atuador. Em uma das medidas onde se aplicou uma tensão AC (200 V com 5 Hz de freqüência), foi utilizada uma pressão de entrada 13300 Pa. Neste caso, para uma razão de pressão de 0,5, onde o bocal se encontrava blocado, foi observado um fluxo de 847 cm3/min. Considerando que o fluxo do bocal sem atuador, nas mesmas condições de medida foi de 614 cm3/min, concluímos que o dispositivo no modo AC funciona como uma microbomba. A relevância deste trabalho está a utilização do poli(fluoreto vinilideno) (PVDF) na fabricação de um atuador para uso como microválvula. Este material que ainda não havia sido testado para esta finalidade. A fabricação dos microbocais foi feita em um substrato de vidro usando a técnica de jateamento também é inédita. Esta técnica é bastante usada na fabricação de microestruturas na superfície do vidro. Mas nunca tinha sido usada para a fabricação de microbocais que são canais em formato cônico que atravessam o substrato. / This work describes the fabrication and test of a microvalve integrated in a micronozzle. The technique used to fabricate the micronozzles was powder blasting using aluminum oxide powder and glass as substrate. The microvalves are actuators made from PVDF (poli(vinylidene fluoride)), that is a piezoelectric polymer. The micronozzles have convergent-divergent shape with diameter of 1mm at the entrance and throat around 240µm. The actuators were fabricated as a bimorph structure (two piezoelectric sheets were clamped together with opposite polarization) with dimensions 3 mm width and 6 mm length. Both sheets are recovered with a conductive thin film with 200 nm of thickness used as electrodes. Applying voltage between the electrodes one sheet expands while the other contracts and this generate a vertical movement to the entire actuator. If the voltage is changed, this movement can be higher or lower. The devices were tested in a gas line applying DC and AC voltages between the actuator\'s electrodes. Measurements were also realized using a micronozzle without actuator, for control. In the case where DC voltage was applied between the actuators electrodes, the inlet pressure was kept constant in 266 Pa. Applying +300V DC voltage between the electrodes, the actuator moved 20µm vertically in the opposite direction of the micronozzle (it opened). In this case the volume flux rate, for a pressure ratio (outlet / inlet) of 0.5, was 150 cm3/min. Applying -300V DC between the electrodes (that means it closed 13 microns in the micronozzle direction), for a pressure ratio of 0.5, the volume flux rate was 134 cm3/min. With these results, we conclude that it is possible to control the flow through the device in the range between 134 and 150 cm3/min. Flow measurements were also performed applying AC voltage (200V AC with frequency of 5 Hz) between the actuator electrodes and with the inlet pressure kept constant in 13300 Pa. In this case, with a pressure ratio (outlet / inlet) of 0.5, blocking the micronozzle, the flow rate measured was 847 cm3/min. Considering that the flow rate measured for the micronozzle without actuator was 614 cm3/min, in the same measurement conditions, we concluded that the device, in AC mode, was working as a micropump. The relevance of this work was the use of the poly(vinylidene) (PVDF) in the fabrication of the actuators and use it as a microvalve. The micronozzles were fabricated in a glass substrate using the powder blasting technique that was also new.
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[pt] IDENTIFICAÇÃO NÃO LINEAR CAIXA-PRETA DE SISTEMAS PIEZOELÉTRICOS / [en] NONLINEAR BLACK-BOX IDENTIFICATION OF PIEZOELECTRIC SYSTEMSMATHEUS PATRICK SOARES BARBOSA 10 September 2021 (has links)
[pt] Atuadores baseados em materiais piezelétricos apresentam características
ideais para aplicações como transmissão acústica e micromanipulação. No
entanto, não-linearidades inerentes a estes atuadores, como histerese e fluência,
aumentam o desafio de controla-los. Além disso, a crescente necessidade de
atuadores mais precisos e rápidos aliada a frequentes mudanças nas condições
ambientais e operacionais agravam ainda mais o problema. Modelagens analíticas
são específicas ao sistema ao qual foram feitas, o que significa que elas
não são facilmente escalonáveis e eficientes para todos os tipos de sistemas.
Adicionalmente, com o aumento da complexidade, os fenômenos que regem
a física do sistema não são totalmente conhecidos, tornando difícil o desenvolvimento
destes modelos. Este trabalho investiga esses desafios do ponto de
vista da metodologia de identificação de sistemas e modelos baseados em dados
para atuadores piezelétricos. A abordagem de modelagem caixa preta foi
testada com dados experimentais adquiridos em um ambiente de laboratório
para os estudos de caso de micromanipulação e transmissão acústica. Sinais de
uso geral foram empregados como entrada de excitação do sistema de modo a
acelerar a aquisição e estimação dos parâmetros. Parte dos modelos desenvolvidos
foram validados com um conjunto de dados separado. Em ambos os casos
foi necessário pré-processamento para otimização da quantidade de dados. Os
modelos testados incluem a Média Móvel AutoRegressiva com entradas eXógenas
(ARMAX), AutoRegressiva Não Linear com entradas eXógenas (NARX)
com uma estrutura de rede neural artificial e Média Móvel AutoRegressiva Não
Linear com entradas eXógenas (NARMAX). Os resultados mostram uma boa
capacidade de prever as não-linearidades do micro manipulador e, portanto, a
histerese em diferentes frequências de entrada. O sistema de transmissão acústica
foi modelado com sucesso. Embora os resultados mostrem que ainda há
espaço para melhorias, eles fornecem informações importantes sobre possíveis
otimizações para o sistema uma vez que os modelos apresentados são uteis
para janelas de predição curtas. / [en] Actuators based on piezoelectric materials have ideal characteristics for
applications such as acoustic transmission and micromanipulation. However,
the inherent nonlinearities of those actuators, such as hysteresis and creep,
greatly increase the challenge to control such devices. Furthermore, the increasing
need for more precise and faster actuators, allied with frequent changes in
the environmental and operational conditions, further worsens the problem.
Analytical models are application-specific, meaning that they are not easily
and efficiently scalable to all systems. Also, with increased complexity, the
understating of underlying phenomena is not fully documented, making it difficult
to develop such models. This work investigates those challenges from the
perspective of the system identification methodology and data-driven models
for piezoelectric actuators. The black-box approach is tested with experimental
data acquired in a laboratory setting for micromanipulator and acoustic transmission
case studies. In some datasets, general-purpose signals were employed
as the excitation input of the system to accelerate the data acquisition of the
whole system dynamic and estimation process. Additionally, some models were
validated on a separate dataset. In both cases, preprocessing was employed to
optimize the amount of data. The tested models include the AutoRegressive
Moving Average with eXogenous inputs (ARMAX), Nonlinear AutoRegressive
with eXogenous inputs (NARX) with an artificial neural network structure,
and Nonlinear AutoRegressive Moving Average with eXogenous inputs (NARMAX).
The results show a good ability to predict the nonlinearities of the
micromanipulator and, therefore, the hysteresis at different input frequencies.
The acoustic transmission system was successfully modeled. Although the results
show that there is still room for improvements, it provides insights into
possible optimizations for the setup as the models here devised are useful for
short prediction windows.
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[pt] DESENVOLVIMENTO E CONTROLE DE UM ACOPLADOR ELÁSTICO BASEADO EM ELASTÔMEROS PARA SEA / [en] DESIGN AND CONTROL OF AN ELASTOMER-BASED ELASTIC COUPLING FOR SEAFELIPE REBELO LOPES 02 October 2023 (has links)
[pt] Questões de segurança têm sido fatores cruciais para que robôs se tornem
aptos a trabalhar em colaboração com seres humanos. Esse esforço envolve
um controle de força mais refinado e uma certa flexibilidade nas juntas para
que a adaptação dos robôs ao ambiente real e às atividades comuns dos seres
humanos seja efetiva. Uma das tecnologias com esse objetivo é o Atuador
Elástico em Série (SEA - Series Elastic Actuator), que apresenta um bom
desempenho para controle de força, tolerância a impactos causados por agentes
externos, baixa impedância, e a redução de vibrações mecânicas. Em um SEA,
um elemento elástico passivo é adicionado entre o motor e o elo acionado,
a fim de gerar flexibilidade. Este elemento pode ser uma mola, ou outro
elemento deformável com flexibilidade caracterizada por sua geometria e pela
elasticidade do material utilizado. Esta tese propõe um Atuador Elástico em
Série Baseado em Elastômero (eSEA), cuja flexibilidade é obtida a partir de
um elastômero depositado entre dois elementos metálicos: um interno acoplado
ao atuador, e o outro externo acoplado ao elo. O eSEA foi projetado e avaliado
por software de CAD e Elementos Finitos, com o intuito de obter a flexibilidade
desejada para a aplicação. Foram produzidas duas versões do eSEA, com
duas durezas diferentes: 10 e 55 Shore A. Testes estáticos com células de
carga foram executados para caracterizar a rigidez dos eSEA. Os eSEA foram
instalados em manipuladores robóticos especialmente desenvolvidos para essa
tese. Experimentos compararam o desempenho das técnicas de controle com
e sem a influência dos eSEA, mostrando que o uso dos eSEA diminuiu os
erros de posicionamento do manipulador e possibilitou o controle de força sem
a necessidade de sensores específicos. A fim de criar um modelo para que a
estimativa do torque seja mais precisa a partir do eSEA, foram realizadas
técnicas de identificação para estimar uma função de transferência que melhor
representa o alongamento da borracha. E combinados com modelos NARX e
NARMAX do erro de estimativa, gerou-se um modelo híbrido para o elemento
elástico no qual soma-se a função de transferência com o erro modelado. / [en] Safety issues have been crucial factors for robots to become able to work
in collaboration with humans. This effort involves more refined force control
and a certain flexibility at the joints, for the robots to better adapt to real
environments and common human tasks. A technology with this objective is
the Series Elastic Actuator (SEA), which presents good performance for force
control, tolerance to impacts caused by external agents, low impedance, and
dampening of mechanical vibrations. In an SEA, a passive elastic element is
added between the motor and the driven link, in order to generate a desired
flexibility. This element can be a spring, or else another deformable element
with flexibility characterized by its geometry and material elasticity. This thesis
proposes an Elastomer-Based Series Elastic Actuator (eSEA), whose flexibility
is obtained from an elastomer deposited between two metallic elements: an
internal element attached to the actuator, and an external element attached to
the link. The eSEA was designed and evaluated by CAD and Finite Element
software, in order to obtain the desired flexibility for the application. Two
versions of the eSEA were produced, with two different hardnesses: 10 and
55 Shore A. Static tests with load cells were then executed to characterize
the stiffness of the eSEA. The eSEA elements were installed on robotic
manipulators especially developed for this thesis. Experiments compared the
performance of control techniques with and without the influence of eSEA,
showing that the use of the eSEA reduced manipulator positioning errors
and enabled force control without the need for specific sensors. In order to
create a model for more accurate torque estimation from eSEA, identification
techniques were performed to estimate a transfer function that best represents
the rubber elongation. And combined with NARX and NARMAX models of
the estimation error, a hybrid model was generated for the elastic element in
which the transfer function is added together with the modeled error.
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