Orientador: Aparecido Augusto de Carvalho / Banca: Erica Regina Marani Daruichi Machado / Banca: Ernane José Xavier da Costa / Resumo: Por décadas, a aplicação de Estimulação Elétrica Neuromuscular (EENM) em pacientes paraplégicos e hemiplégicos tem melhorado significativamente sua qualidade de vida. Entretanto, comercialmente, essa técnica é aplicada sem o uso de uma lei de controle em malha fechada, o que limita sua eficiência. Assim, neste trabalho, projetou-se e implementouse um controlador PID embarcado para o uso com estimuladores elétricos neuromusculares. O projeto desse controlador se baseou em um modelo matemático linear de segunda ordem, que representa o comportamento da força muscular devido a um estímulo elétrico. Posteriormente, desenvolveram-se algoritmos na linguagem de programação Python que possibilitam o projeto automático de controladores PID com diferentes especificações para diferentes pacientes. Dessa forma, o usuário informa os parâmetros do paciente e as especificações desejadas para obter a configuração do controlador PID adequada. Além disso, desenvolveuse um programa em linguagem C para o microcontrolador PIC18F4520 que implementa este controlador utilizando o seu conversor A/D interno de 10 bits e um conversor D/A externo de 10 bits. Este controlador pode ser configurado via comunicação serial de forma simples e rápida, permitindo alterar os parâmetros do controlador PID e o tempo de amostragem. Por fim, os resultados obtidos a partir da simulação deste sistema no ambiente Proteus provou a viabilidade do controlador PID projetado. / Abstract: For decades the quality of life of hemiplegic and patients with spinal cord injuries has been improving through the research and use of Neuromuscular Electrical Stimulation (NMES) in rehabilitation engineering. However, most of the times it has been used without closed loop techniques, which is the approach used in this project, where an embedded PID controller has been designed and implemented to control the NMES. The plant to be controlled, i.e., the behaviour of the muscle response to an electrical stimulus, was represented using a secondorder linear model. The language Python was then used to develop PID control algorithms allowing the use of different specifications so that the user can supply the patient parameters to properly configure the PID controller for different patients. Later, these algorithms were implement in a PIC18F4520 microcontroller using C language, exploiting its internal 10 bit A/D converter and an external 10 bit D/A. The final circuit can be configured serially via a PC, adjusting the controller parameters and the sampling rate. The whole system was simulated in the Proteus environment, proving its viability. / Mestre

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:22:31Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2009-07-03Bitstream added on 2014-06-13T19:48:52Z : No. of bitstreams: 1 prado_ta_me_ilha.pdf: 795913 bytes, checksum: 9cef172cb872d59f74ed69d272a2753f (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Por décadas, a aplicação de Estimulação Elétrica Neuromuscular (EENM) em pacientes paraplégicos e hemiplégicos tem melhorado significativamente sua qualidade de vida. Entretanto, comercialmente, essa técnica é aplicada sem o uso de uma lei de controle em malha fechada, o que limita sua eficiência. Assim, neste trabalho, projetou-se e implementouse um controlador PID embarcado para o uso com estimuladores elétricos neuromusculares. O projeto desse controlador se baseou em um modelo matemático linear de segunda ordem, que representa o comportamento da força muscular devido a um estímulo elétrico. Posteriormente, desenvolveram-se algoritmos na linguagem de programação Python que possibilitam o projeto automático de controladores PID com diferentes especificações para diferentes pacientes. Dessa forma, o usuário informa os parâmetros do paciente e as especificações desejadas para obter a configuração do controlador PID adequada. Além disso, desenvolveuse um programa em linguagem C para o microcontrolador PIC18F4520 que implementa este controlador utilizando o seu conversor A/D interno de 10 bits e um conversor D/A externo de 10 bits. Este controlador pode ser configurado via comunicação serial de forma simples e rápida, permitindo alterar os parâmetros do controlador PID e o tempo de amostragem. Por fim, os resultados obtidos a partir da simulação deste sistema no ambiente Proteus provou a viabilidade do controlador PID projetado. / For decades the quality of life of hemiplegic and patients with spinal cord injuries has been improving through the research and use of Neuromuscular Electrical Stimulation (NMES) in rehabilitation engineering. However, most of the times it has been used without closed loop techniques, which is the approach used in this project, where an embedded PID controller has been designed and implemented to control the NMES. The plant to be controlled, i.e., the behaviour of the muscle response to an electrical stimulus, was represented using a secondorder linear model. The language Python was then used to develop PID control algorithms allowing the use of different specifications so that the user can supply the patient parameters to properly configure the PID controller for different patients. Later, these algorithms were implement in a PIC18F4520 microcontroller using C language, exploiting its internal 10 bit A/D converter and an external 10 bit D/A. The final circuit can be configured serially via a PC, adjusting the controller parameters and the sampling rate. The whole system was simulated in the Proteus environment, proving its viability.

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:22:32Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2013-05-29Bitstream added on 2014-06-13T19:26:16Z : No. of bitstreams: 1 silva_ea_me_ilha.pdf: 1235273 bytes, checksum: 4f8072b9552a55466c24ba7961ecb337 (MD5) / O objetivo principal desta dissertação foi a construção de um pêndulo invertido de baixo custo, com partes de uma impressora matricial, para ser utilizado no estudo de sistemas de controle. Após esta construção, foi obtido um modelo matemático linearizado desse sistema. Também, com base em experimento, realizado no laboratório, incluindo a obtenção da resposta em frequência, foram determinadas as funções de transferência do sistema. Em seguida foram projetados controladores, considerando o vetor de estado disponível, utilizando-se técnica de realimentação dos estados. Após a simulação do sistema controlado no software Matlab, esse controlador foi implementado em um CLP e utilizado um software SCADA. Então, foram registrados os resultados experimentais desse sistema de controle no laboratório, os quais apresentaram boa correlação com os resultados obtidos nas simulações. Esse estudo pode ser útil para aplicações didáticas, pois apresenta baixo custo e emprega equipamento CLP e software SCADA, aplicados largamente na indústria / The main aim of this dissertation was to build a low cost inverted pendulum with parts of matricial printers, for the study of control systems. After that, a linear mathematical modeling of this systems was obtained. Then, based on experiments at the laboratory, incluing the frequency response, the transfer functions of the inverted pendulum were obtained. Considering ther transfer functions and supposing that the state vector is available, a controller was designed based on the pole placement control design method. The designed controller was implemented in a Programmable Logic Controller (PLC), using the software SCADA. This study can be useful in didatic applications, because the proposed procedure presents low cost and uses device (PLC) and software (SCADA) broadly used in industries

Made available in DSpace on 2016-06-02T19:55:38Z (GMT). No. of bitstreams: 1 TeseESH.pdf: 888621 bytes, checksum: 78265ad461fce078c72dd73a8ce9da02 (MD5) Previous issue date: 2005-03-28 / The design of plantwide control systems has received increasing attention in the last years. The modern chemical plants usually consist of hundreds of interconnected elementary processes and unit operations (large scale complex systems). These plants are usually characterized and dominated by large and highly integrated and automatized installations, with several recycle streams, more heat integration and fewer inventories. All these factors lead to high interactions among the subunits caused by material and energy recycle and, consequently to the need for a perspective beyond individual units. The plantwide system control design procedure is not clear and the literature is scarce about this issue, comparatively with simple unit design. In this way, a large challenge for the Chemical Engineer in the last decades has been designing control systems that operate with safety and bring the performance objectives needed to control these complex plants. The main objective of this project is to study the plantwide control problem aiming, particularly, the choice of controlled variables and the coordination of several decentralized controllers to avoid conflicting control actions. The results presented in this thesis show that the work objective was reached successfully, due to a significant contribution to plantwide control study. / O projeto de sistemas de controle de plantas inteiras ( plantwide ) tem recebido muita atenção nos últimos anos. As plantas químicas modernas são, usualmente, formadas por centenas de processos elementares e operações unitárias interconectados. Dessa forma, essas plantas são, normalmente, caracterizadas e dominadas por instalações enormes, altamente integradas e automatizadas, com muitas correntes de reciclo e menos inventários. Todos esses fatores levam a grandes interações entre as unidades, causadas pelo reciclo de material e de energia, e, portanto, à necessidade de perspectivas de controle que não se restrinjam a unidades individuais. O procedimento de projeto de sistemas de controle dessas plantas inteiras não é muito claro e a literatura ainda é escassa sobre o assunto, comparativamente com o projeto de controladores de unidades simples. Dessa forma, um grande desafio para o Engenheiro Químico nas últimas décadas tem sido o projeto de sistemas de controle que operem com segurança e atinjam os objetivos de desempenho necessários para o controle dessas plantas complexas. Por esses motivos, o principal objetivo deste trabalho é estudar o problema do controle plantwide visando, em particular, a escolha de variáveis a serem controladas e a coordenação de diversos controladores descentralizados de forma a evitar ações de controle conflitantes. Os resultados apresentados nesta tese mostram que o objetivo do trabalho foi alcançado com sucesso, visto que há uma contribuição significativa ao estudo de controle plantwide .

Orientador: Marcelo Carvalho Minhoto Teixeira / Coorientador: Rodrigo Cardim / Banca: Edvaldo Assunção / Banca: José Paulo Fernandes Garcia / Banca: Roberto Kawakami Harrop Galvão / Banca: Takashi Yoneyama / Resumo: Neste trabalho são apresentados estudos teóricos que investigam os seguintes problemas: estabilidade e controle de sistemas chaveados lineares e afins contínuos no tempo. Primeiramente, um breve estudo sobre sistemas lineares chaveados é apresentado, e em decorrência desse estudo propõe-se o projeto de controle com acesso somente à saída da planta. Neste contexto, uma nova lei de chaveamento dependente apenas da saída do sistema linear chaveado, que assegura a estabilidade assintótica do sistema linear chaveado, é proposta. O mesmo método de projeto foi proposto para a classe de sistemas lineares chaveados incertos contínuos no tempo. Novas condições menos conservadoras foram obtidas a fim de relaxar um custo garantido e o conservadorismo do projeto. Índices de desempenho tais como, taxa de decaimento e minimização de um custo garantido são considerados a fim de tornar o procedimento de projeto mais geral. Simulações foram realizadas ilustrando o desempenho dos sistemas lineares chaveados controlados, demonstrando que o método proposto apresenta uma solução eficiente para este problema de controle. Posteriormente, apresenta-se uma extensão dos estudos teóricos para a classe de sistemas chaveados afins contínuos no tempo. Uma revisão de resultados precedentes disponíveis na literatura sobre estabilidade de sistemas chaveados afins com aplicações em eletrônica de potência, é apresentada. Em decorrência desse estudo são propostas novas técnicas de projeto de controle, tais como: controle chaveado com acesso apenas à saída da planta, controle utilizando estrutura variável e controle adaptativo. Um outro assunto abordado neste trabalho foi a proposta de novas condições suficientes, baseadas em LMIs, e o projeto de estratégias de controle a tempo fixo... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: This paper presents theoretical studies that investigate the following problems related to continuous - time plants: stability and control of switched linear and affine systems. First, a brief study about switched linear systems is presented, and based on this study a control design dependent only on the plant output is proposed. In this context, a new switching strategy, which ensures the asymptotic stability of the switched linear system, is proposed. The same design method was proposed for a class of uncertain switched linear systems. New less conservative conditions were proposed in order to reduce a guaranteed cost and the conservatism of the design condition. Performance indices such as decay rate and guaranteed cost are considered, allowing a more general design procedure. Simulations were performed illustrating the performance of the controlled switched linear systems, demonstrating that the proposed method provides an efficient solution for this control problem. Subsequently, an extension of the theoretical study for a class of continuous time switched affine systems is presented. Then, a review of previous results available in the literature about stability of the switched systems with applications to power electronics is offered. Following, new control design techniques, such as switched control with only acess on output plant, variable structure control and adaptive control, are proposed. Another issue addressed in this work is the proposal of new sufficient conditions, based on LMIs, and the design of new switching strategies with fixed time, that ensure uniform ultimate bounded stability (CORLESS; LEITMANN, 1981) for a class of switched affine system. The proposed methods were applied to control four DC-DC converters, Buck, Boost, Buck-Boost and Sepic in order to compare and to validate the controller designs. The techniques... (Complete abstract click electronic access below) / Doutor

Orientador: Edvaldo Assunção / Co-orientador: Emerson Ravazzi Pires da Silva / Banca: Marcelo Carvalho Minhoto Teixeira / Banca: Edson Italo Mainardi Junior / Resumo: Nesta dissertação apresentam-se resultados para a estabilidade de sistemas lineares sujei- tos a parâmetros variantes no tempo (do inglês Linear Parameter Varying - LPV). De início, apresenta-se um método para o projeto de um controlador gain scheduled via de- sigualdades matriciais lineares (do inglês Linear Matrix Inequalitites - LMIs), com base na teoria de estabilidade segundo Lyapunov com parâmetro variante e empregando uma realimentação derivativa do vetor de estado. Propõe-se um método para projetar o con- trolador gain scheduling usando realimentação derivativa do vetor de estado, considerando também incertezas paramétricas. Esta nova formulação foi obtida utilizando o Lema de Finsler, o que permitiu encontrar o ganho do controlador sem ter que inverter uma matriz literal / Abstract: In this thesis are presented results for the stability of linear time-varying systems (Linear Parameter Varying - LPV). At first, it is described a method for designing a gain scheduling controller via linear matrix inequalities (Linear Matrix Inequalitites - LMIs), based on the stability theory of Lyapunov with time-variant parameter and using state derivative feedback. It is proposed a method to design a gain scheduling controller using state derivative feedback and also considering parametric uncertains. This new formulation was manipulated using the lemma of Finsler, and allowed to find the control law without having to invert a symbolic matrix / Mestre

CAPES / Este trabalho apresenta uma estratégia de controle PI adaptativo baseada em curvas de perfil gaussiano, onde os ganhos são função do erro de referência. A estratégia foi aplicada em sistemas de condicionamento de energia. Primeiramente em sistemas de detecção de ângulo de fase (PLL) para sistemas monofásicos, onde foram testados dois sistemas, o pPLL e o DSOGI-pPLL. Foi aplicada posteriormente no controlador de tensão e corrente de um filtro ativo de potência paralelo monofásico. O controlador adaptativo conseguiu melhorar o desempenho do sistema e também reduzir o taxa de distorção harmônica da corrente compensada. / This work presents a strategy of adaptive PI control based on Gaussian profile curves, where the gains are functions of reference error. The strategy was applied in energy conditioning systems. Firstly in a phase-locked loop (PLL) for single phase systems, where two techniques were tested, the pPLL and DSOGI-pPLL. After it was applied in a voltage and current control of single-phase parallel active power filter. The adaptive control was able to improve the system performance and also decrease the total harmonic distortion of compensated current.

Orientador: Marcelo Carvalho Minhoto Teixeira / Banca: Edvaldo Assunção / Banca: Rodrigo Cardin / Banca: Valter Júnior de Souza Leite / Banca: Eduardo Stockler Tognetti / Resumo: Este trabalho apresenta estudos teóricos que investigam os seguintes problemas: estabilidade e controle de sistemas (descritores) não lineares com incertezas variantes no tempo limitadas em norma, incertezas do tipo politópicas e sujeitos a distúrbios exógenos; estabilidade e con- trole de sistemas chaveados lineares e contínuos no tempo. Inicialmente, um estudo sobre o projeto de controladores estáticos robustos para sistemas não lineares, usando a realimenta- ção da derivada do vetor de estado é apresentado. Em decorrência desse estudo, propõe-se métodos de projetos de controle para sistemas (descritores) não lineares que apresentam per- turbações exógenas. Por fim, é apresentado um estudo sobre controle chaveado de sistemas lineares usando a realimentação derivativa. Todo o trabalho é fundamentado em leis de controle por realimentação da derivada temporal do vetor de estado (realimentação derivativa) e na fun- ção quadrática de Lyapunov (comum ou por partes do tipo mínimo). A motivação em utilizar a realimentação derivativa, ou seja u(t) = −K x(t), ̇ em vez da realimentação do vetor de estado x(t) convencional, está na facilidade de implementação em algumas aplicações mecânicas, por exemplo, no controle de vibrações de sistemas mecânicos, nos quais sensores como acelerôme- tros têm sido utilizados para medir a derivada de segunda ordem (aceleração) de uma variável de estado (posição) desse sistema. A metodologia apresenta condições suficientes na forma de desigualdades matriciais lineares (LMIs, acrônimo inglês para Linear Matrix Inequalities) para a síntese dos seguintes controladores: controladores chaveados K σ, visando a estabilização de sistemas lineares utilizando a realimentação derivativa; e controladores robustos estáticos K, visando, inicialmente, a estabilização de sistemas não lineares, e em seguida, adicionam-se ao projeto índices de desempenho, tais como,... / Abstract: This work presents theoretical studies that investigate the following problems: stability and control of nonlinear systems (descriptors) with time-varying and norm bounded uncertainties, polytopic uncertainties and exogenous disturbances; stability and control of continuous-time switched systems. Initially, a study on the design of static robust controllers for nonlinear sys- tems using state-derivative feedback is presented. Based on this study a control design method for nonlinear systems (descriptors) with exogenous disturbances is proposed. Finally, we pre- sent a study about switched linear control systems using state-derivative feedback. The work is based on feedback control laws of the time derivative of the state vector (derivative feedback) and a quadratic Lyapunov function (common or minimum-type piecewise). The motivation to use the state-derivative feedback (u(t) = −K x(t)) ̇ instead of the conventional feedback of the state vector x(t), is its easier implementation in some mechanical applications, for instance, in control of vibrations of mechanical systems, where sensors such as accelerometers have been used to measure the second-order derivative (acceleration) of a state variable (position) of these systems. The methodology presents sufficient conditions described by linear matrix inequa- lities (LMIs) for the synthesis of the following controllers: switched controllers K σ, for the stabilization of linear system using state-derivative feedback; and static robust controllers K, for, initially, the stabilization of nonlinear system, and then, are added to the design perfor- mance indices, such as the specification of the decay rate, constraint on output peak and on norm of the gain matrix and finally the constraint of the influence of exogenous disturbances. The inclusion of performance indices in the designs is very important, since usually only the stability is not sufficient for a suitable performance of the ... / Doutor

Orientador: Marcelo Carvalho Minhoto Teixeira / Coorientador: Jean Marcos de Souza Ribeiro / Banca: Jose Paulo Fernandes Garcia / Banca: Cristiano Quevedo Andrea / Resumo: O objetivo principal desta dissertação foi a construção de um pêndulo invertido de baixo custo, com partes de uma impressora matricial, para ser utilizado no estudo de sistemas de controle. Após esta construção, foi obtido um modelo matemático linearizado desse sistema. Também, com base em experimento, realizado no laboratório, incluindo a obtenção da resposta em frequência, foram determinadas as funções de transferência do sistema. Em seguida foram projetados controladores, considerando o vetor de estado disponível, utilizando-se técnica de realimentação dos estados. Após a simulação do sistema controlado no software Matlab, esse controlador foi implementado em um CLP e utilizado um software SCADA. Então, foram registrados os resultados experimentais desse sistema de controle no laboratório, os quais apresentaram boa correlação com os resultados obtidos nas simulações. Esse estudo pode ser útil para aplicações didáticas, pois apresenta baixo custo e emprega equipamento CLP e software SCADA, aplicados largamente na indústria / Abstract: The main aim of this dissertation was to build a low cost inverted pendulum with parts of matricial printers, for the study of control systems. After that, a linear mathematical modeling of this systems was obtained. Then, based on experiments at the laboratory, incluing the frequency response, the transfer functions of the inverted pendulum were obtained. Considering ther transfer functions and supposing that the state vector is available, a controller was designed based on the pole placement control design method. The designed controller was implemented in a Programmable Logic Controller (PLC), using the software SCADA. This study can be useful in didatic applications, because the proposed procedure presents low cost and uses device (PLC) and software (SCADA) broadly used in industries / Mestre

Orientador: Eduardo Paciência Godoy / Banca: Paulo José Amaral Serni / Banca: Maria Luiz Tronco / Resumo: A recente introdução de transmissores sem fio na indústria provocou um novo interesse em técnicas de medição e controle, porém a maioria das aplicações está restrita a medições de variáveis de processo em malha aberta ou aplicações de monitoramento. O motivo é a falta de confiabilidade devido aos problemas inerentes ao meio de transmissão, que pode ser a perda de pacotes de informação, atrasos de comunicação variantes no tempo, atualização muito lenta e não periódica da medição e vários tipos de interferências. A maior parte dos controladores industriais em controle de processos assumem que o ciclo de controle é executado de forma periódica e que uma nova medição está disponível para ser usada em intervalos de tempo conhecidos. No entanto esta situação não pode ser garantida quando sensores ou transmissores sem fio são usados em aplicações de controle em malha fechada, denominadas de Sistemas de Controle via Redes sem fio (WNCS - Wireless Networked Control Systems). Nesses tipos de aplicações, os transmissores sem fio devem transmitir novas medições de forma não periódica e somente se a medição da variável do processo tiver alterado significativamente. Para tornar esta tecnologia de WNCS mais confiável, muitas técnicas de controle têm sido pesquisadas, entre elas o PIDPlus que representa uma modificação do algoritmo PID para controle via rede sem fio. Este trabalho apresenta a implementação do protocolo Modbus para aplicações de WNCS. O protocolo Modbus TCP foi embarcado em h... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: The recent introduction of wirelless transmitters in the industry has driven a new interest in measuring and control techniques, but most applications are restricted to measurements of process variables in open loop or monitoring applications. The reason in the lack of reliability due to problems inherent to the transmition medium, which may be the packet loss, tie varying delay, slow and aperiodic measurement updates and interference. Most industrial process controllers assume that the control cycle is performed periodically and that a new measurement is available to be used at known time intervals. However is cannot be guaranteed when wireless sensors or transmitters are used in closed loop controle applications, called Wireless Networket Control Systems (WNCS). In these type of applications, wirelless transmitters shall new measurments not periodically and only if the process variable measurments has changed significantly. In order to enable and make this WNCS technology reliable, many control techniques have been researched including the PIDPlus that is a modified PID algorithm for wireless control. This paper presents the implementation of the Mobdus protocol for WNCS applications. The Modbus TCP was embedded in dedicated hardware enabling the transmisstion of data via Ethernet TCP/IP and Wi-Fi. A comparison and evaluation of PID controllers for WNCS were done considering situations of variable sampling and communication delays and packet losses. The results are analyzed from the point of view of control performance and robustness. Experimental results in a pilot plant prove the efficiency of the implementation of a wireless control loop using a Wi-Fi network embledded Modbus protocol and PIDPlus controller / Mestre