Neste estudo se propõe o desenvolvimento de um modelo numérico para a ligação deslizante entre elementos sólidos bidimensionais, aplicável à simulação de sistemas deslizantes de isolação de base para estruturas. A formulação implementada é baseada no Método dos Elementos Finitos Posicional (MEFP) para análise dinâmica não linear geométrica de estruturas escrita na forma Lagrangeana total. Elementos triangulares planos e isoparamétricos de aproximação cúbica com matriz de massa completa são utilizados principalmente na elaboração da parte sólida dos dispositivos de ligação entre estruturas reticuladas e a base móvel. Esses elementos também poderm ser utilizados na modelagem da estrutura em si, porém, para esse fim, elementos finitos isoparamétricos de barra geral com massa distribuída por unidade de comprimento foram implementados. As equações de movimento são integradas no tempo aplicando o método de Newmark e o problema de deslizamento é resolvido com o algoritmo baseado na técnica dos multiplicadores de Lagrange, onde a restrição das posições de um nó escravo é feita em relação a uma sequência de superfícies mestres. Elementos de barra geral foram usados para simular as superfícies mestres de contato, o que aumenta as possibilidades de aplicações, incluindo mecanismos compostos apenas por barras gerais. Analisam-se exemplos disponíveis na literatura para a validação da formulação proposta e propõem-se aplicações diversas na engenharia das estruturas. / This study proposes the development of a numerical model for the sliding joint between two-dimensional solid elements, applicable to the simulation of sliding base isolation systems. The implemented formulation is based on the Positional Finite Element Method (PFEM) for geometrical nonlinear dynamic analysis of structures written in the total Lagrangian form. Plane and isoparametric triangular cubic approximation elements with full mass matrix are mainly used in the elaboration of the solid part of the devices of joints between reticulated structures and mobile base. These elements can also be used in the modeling of the structure itself, however, for that purpose, isoparametric elements of general bar with mass distributed per unit of length were implemented. The motion equations are integrated in time by applying the Newmark method and the sliding problem is solved with the algorithm based on the technique of Lagrange multipliers, where the constraint of the positions of a slave node is made in relation to a sequence of master surfaces. General bar elements were used to simulate the master contact surface, which increases the possibilities of applications, including mechanisms composed only of general bars. Analyze examples available in the literature for the validation of the proposed formulation and proposed diverse applications in the engineering of the structures.

Este trabalho aborda o problema de controle ótimo por modos deslizantes via função penalidade para sistemas de tempo discreto. Para resolver este problema será desenvolvido uma estrutura matricial alternativa baseada no problema de mínimos quadrados ponderados e funções penalidade. A partir desta nova formulação é possível obter a lei de controle ótimo por modos deslizantes, as equações de Riccati e a matriz do ganho de realimentação através desta estrutura matricial alternativa. A motivação para propormos essa nova abordagem é mostrar que é possível obter uma solução alternativa para o problema clássico de controle ótimo por modos deslizantes. / This work introduces a penalty function approach to deal with the optimal sliding mode control problem for discrete-time systems. To solve this problem an alternative array structure based on the problem of weighted least squares penalty function will be developed. Using this alternative matrix structure, the optimal sliding mode control law of, the matrix Riccati equations and feedback gain were obtained. The motivation of this new approach is to show that it is possible to obtain an alternative solution to the classic problem of optimal sliding mode control.

Este trabalho aborda o problema de controle ótimo por modos deslizantes via função penalidade para sistemas de tempo discreto. Para resolver este problema será desenvolvido uma estrutura matricial alternativa baseada no problema de mínimos quadrados ponderados e funções penalidade. A partir desta nova formulação é possível obter a lei de controle ótimo por modos deslizantes, as equações de Riccati e a matriz do ganho de realimentação através desta estrutura matricial alternativa. A motivação para propormos essa nova abordagem é mostrar que é possível obter uma solução alternativa para o problema clássico de controle ótimo por modos deslizantes. / This work introduces a penalty function approach to deal with the optimal sliding mode control problem for discrete-time systems. To solve this problem an alternative array structure based on the problem of weighted least squares penalty function will be developed. Using this alternative matrix structure, the optimal sliding mode control law of, the matrix Riccati equations and feedback gain were obtained. The motivation of this new approach is to show that it is possible to obtain an alternative solution to the classic problem of optimal sliding mode control.

Orientador: Falcondes José Mendes de Seixas / Resumo: O foco principal deste trabalho é a investigação de métodos de controle capazes de rejeitar perturbações, incertezas e influências degenerativas do atraso no problema referente ao controle vetorial por campo orientado do Motor de Indução Trifásico (MIT), através de um modelo matemático não linear deste. Dá-se ênfase à utilização do método de controle Proporcional-Integral em conjunto com o Controle com Estrutura Variável e Modos Deslizantes, sendo que este tem como principal característica a rejeição de perturbações e incertezas. São realizadas análises da robustez da estabilidade e também das influências que as incertezas e atrasos exercem sobre o comportamento dinâmico deste sistema. Para corroborar com as análises, são feitas simulações utilizando exemplos numéricos num sistema linear de ordem dois e aplicações no MIT através de um modelo matemático não linear. / Abstract: This work deals the investigation of control methods capable of rejecting perturbations, uncertainties and degenerative influence of input time-delay in the Three-phase Induction Motor (TIM) vector control problem, through a nonlinear mathematical model. The main focus is the use of the Proportional-Integral control method in conjunction with the Variable Structure Control with Sliding Mode, which has as main characteristic the rejection of perturbations and uncertainties. Analyzes are performed on the stability robustness and also on the influence that the uncertainties and input time-delay on the dynamic behavior of this system. In order to corroborate with the analyzes simulations are made using numerical examples of two-order linear system and applications in a non-linear mathematical model of a Three-phase Induction Motor. / Doutor

[pt] A avaliação experimental de modelos de plasticidade incremental e a predição da vida à fadiga sobre cargas combinadas requer o uso de máquinas de testes multiaxiais. Neste trabalho é desenvolvida uma máquina tração-torção (MTT) para avaliar modelos de plasticidade incremental. Este sistema eletromecânico utiliza como atuadores principais dois motores de corrente contínua conectados a caixas de redução para gerar os carregamentos de tração axial e/ou torção. O projeto da MTT compreende a análise de sua integridade estrutural, seu dimensionamento, e o cálculo da vida à fadiga de seus principais componentes; o projeto e desenvolvimento de uma célula tração-torção (LTC - load torque cell); o desenvolvimento e implementação das técnicas de controle; e finalmente sua construção e avaliação. Uma técnica de controle PID por modos deslizantes (PID Sliding Mode control) foi especialmente desenvolvida para esta máquina, consistindo em aplicar um sinal de controle descontínuo que força o sistema a deslizar ao longo de uma superfície de convergência. Esta técnica de controle tem a capacidade de controlar continuamente a força axial e/ou o torque aplicado ao corpo de prova de maneira independente, o que permite gerar histórias de cargas não-proporcionais. Os métodos de controle são implementados em uma plataforma computacional em tempo real CompactRio. Deste modo, é possível gerar uma máquina de ensaios de fadiga multiaxial compacta, de fácil manuseio, que não precise de um sistema de controle complexo, e a um baixo custo. A máquina tração-torção foi projetada para atender a uma ampla gama de ensaios de fadiga multiaxial, com uma capacidade de força axial máxima de mais ou menos 200 kN e torque máximo de mais ou menos 1300 N.m. O desempenho da MTT foi avaliado experimentalmente através de ensaios de plasticidade incremental. Para tanto, foram usados corpos de prova de tração-torção para medir seus comportamentos sobre cargas multiaxiais. Ensaios de encruamento não-proporcional, ratcheting (fluência cíclica) multiaxial e ratcheting uniaxial foram realizados em corpos de prova de aço inox 316, aço 1020, alumínio 7075 e alumínio 6063 na MTT, assim como em uma máquina Instron de 100 kN. Um simulador de plasticidade incremental para carregamentos de tração-torção foi desenvolvido, incorporando o modelo de encruamento cinemático não-linear de Jiang-Sehitoglu, e o modelo incremental de encruamento não-proporcional de Tanaka. Os parâmetros do material foram calibrados a partir de ensaios experimentais, permitindo que as simulações fossem capazes de prever o comportamento do material sobre diferentes histórias de carregamento, assim como as taxas de encruamento não-proporcional e de ratcheting. Os experimentos e simulações confirmaram tanto a adequabilidade da MTT desenvolvida, quanto do simulador de plasticidade incremental implementado, baseado nos modelos não-lineares de Jiang-Sehitoglu e Tanaka. / [en] The experimental evaluation of incremental plasticity models and fatigue life prediction under combined loads requires the use of multiaxial testing machines. In this work, an axial-torsion machine (MTT) was developed to evaluate incremental plasticity models. This electromechanical system uses as a main actuators two DC motors connected to gearboxes to generate the axial and/or torsion loads. The design of axial-torsion machine comprises the analysis of its structural integrity, its dimensioning and fatigue life prediction its major components; the design and development of a load torque cell – LTC; the development and implementation of control techniques, and finally, its construction and its performance evaluation. A PID Sliding Model control technique has been specially developed for this machine, which consists in applying a discontinuous control signal that forces the system to slide along a surface convergence. This control technique has the ability to control the axial force and/or torsion applied to specimen test in an independent manner, which allows to generate a non-proportional loading histories. The control methods are implemented on a computing platform in real time CompactRio. Thus, it s possible to developed a compact multiaxial fatigue testing machine, easy to handle, which does not require a complex control system, and at a low cost. The tensiontorsion machine was designed to meet a wide range of multiaxial fatigue tests, with a maximum capacity of axial force of more or less 200 kN and torque of more or less 1300 N.m. The MTT performance was evaluated experimentally by incremental plasticity testing. For this purpose, tensile / torsion specimens were used to measure their behavior under multiaxial loads. Testing of non-proportional hardening, multiaxial ratcheting and uniaxial ratcheting (cyclic creep) were performed on specimens of 316 stainless steel, 1020 steel, 7075 aluminum and 6351T6 aluminum in the MTT, as well as a Instron Machine of more or less 100 kN. A simulator of incremental plasticity to tensile-torsion loads has been developed, incorporating the non-linear kinematic hardening model of Jiang-Sehitoglu, and non-proportional hardening model of Tanaka. The material parameters were calibrated using experimental tests, allowing the simulations to predict the material behavior under different load histories, as well as rates of non-proportional hardening and ratcheting. The experiments and simulations confirmed both the suitability of the developed MTT, as well as the simulator of incremental plasticity implemented, based on non-linear models of Jiang-Sehitoglu and Tanaka.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This master thesis presents a current sliding mode observer for voltage sensorless grid connected converters. To perform the grid synchronization a sliding mode current observer in stationary axes αβ is proposed. Aiming its implementation in digital signal processors or microcontroller both the synchronism and control are developed in discrete time domain. Firstly the line currents are measured, then the transformation to stationary axes is carried out and the sliding mode current observer is proposed. Based on a Fortescue discrete component theory an algorithm to separation of sequence positive phase is proposed aiming to obtained the positive grid angular position to realized the synchronous coordinates axes transformation. The current control is carried out by two PI controllers designed in a discrete time domain. The good performance of the proposed method is proven through the simulation and experimental results. / Esta dissertação apresenta o controle de corrente em eixos síncronos de conversores conectados a rede de energia elétrica sem o uso de sensores de tensão de linha. Para realizar o sincronismo com a rede elétrica é proposto um observador de corrente por modos deslizantes em eixos de coordenadas estacionárias αβ. Tanto o controle como o sincronismo são desenvolvidos em tempo discreto visando sua implementação em processador digital de sinais ou microcontrolador. Primeiramente são medidas as correntes de duas fases do sistema, então é realizada a transformação para eixos estacionários e proposto o observador de corrente por modos deslizantes. Com o auxílio de um algoritmo baseado na teoria das componentes discretas de Fortescue para a separação de sequência de fase positiva, é obtida posição angular elétrica da rede visando a transformação para eixos de coordenadas síncronas. O controle das correntes é realizado através de dois controladores PI projetados em tempo discreto. Através de resultados de simulação e experimentais obtidos é comprovado o bom desempenho do método proposto.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This master thesis proposes a current control technique based on sliding mode strategy and disturbance observer for high-performance drive applied to permanent magnet synchronous motors and can be extended to other systems. The combination of sliding mode control and disturbance observer applied to the current control presents the characteristics necessary to minimize the coupling between the axes, rejection of external disturbances and parametric variations. A continuous time control scheme is developed, the stability proofs are performed from the Lyapunov analysis. The performance of the propose technique is evaluates through simulation results. Moreover, this master thesis presents a discrete-time sliding mode controller combined with a discrete-time disturbance observer. The development in discrete-time enables the implementation in digital processors. The conditions of reach of the proposed controller considering the transport delay of digital implementation are still evaluated. The stability proofs of the proposed scheme are presented. Simulation results are shown. In addition, it is developed an experimental platform for drive and control of the permanent magnet synchronous motor in which the experimental results are obtained. / Esta dissertação propõe uma técnica de controle de corrente baseada na estratégia por modos deslizantes e observador de distúrbios para acionamento de alto desempenho aplicada a motores síncronos de ímãs permanentes, podendo ser estendida a outros sistemas. A combinação do controle por modos deslizantes e do observador de distúrbio aplicada ao controle de corrente apresenta as características necessárias para minimização do acoplamento existente entre os eixos, rejeição a distúrbios externos e variações paramétricas. É desenvolvido um esquema de controle em tempo contínuo, são apresentadas as provas de estabilidade a partir de critério de Lyapunov. O desempenho da técnica proposta é avaliado através de resultados de simulação. Além disso, é apresentado um controlador por modos deslizantes associado ao observador de distúrbio em tempo discreto. O desenvolvimento em tempo discreto possibilita a implementação em processadores digitais de sinais. Ainda são avaliadas as condições de alcance do controlador proposto considerando o atraso de transporte da implementação digital. Provas de estabilidade do esquema proposto e resultados de simulação são apresentados. Este trabalho faz o desenvolvimento de uma bancada experimental para o acionamento e controle do motor síncrono de ímãs permanentes na qual são obtidos os resultados experimentais apresentados.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This Thesis proposes sensorless vector control schemes that combine designed observers in the discrete-time domain to estimate the rotor position and speed for a permanent magnet synchronous generator of non-salient poles. Two control schemes are proposed. The first scheme is based on a discrete sliding mode current observer in series with an adaptive electromotive force observer. Then, the sliding conditions that assure the sliding motion around the sliding surface are derived to ensure the stability of the current observer as well as an innovative design procedure is proposed for it. Moreover, the electromotive force observer is designed using Lyapunov s Discrete Direct Method, which provides the estimated rotor position and speed. The second scheme extends the developed methodology for the former, considering the parametric uncertainties and eliminating the high frequency components of chattering. The second scheme uses a discrete sliding mode current observer as in the first scheme. However, the electromotive force observer is replaced by a phase-locked loop in series with a discrete sliding mode robust differentiator, which follows the proposed methodology for the discrete sliding mode current observer. Experimental results validate the theoretical analysis and demonstrate the performance of the proposed control schemes considering a small scale wind energy conversion system. In addition, proposed schemes are compared with others of the literature. It should be noticed that the whole approach is carried out in discrete time domain making it suitable for a microcontroller or digital signal processor implementation. / Esta Tese propõe esquemas de controle vetorial sem sensores mecânicos de posição e de velocidade que combinam observadores projetados no domínio de tempo discreto para estimar essas variáveis para um gerador síncrono a ímãs permanentes de polos não salientes. Dois esquemas de controle são propostos. O primeiro esquema baseiase em um observador de corrente por modos deslizantes discretos em série com um observador adaptativo de força eletromotriz. Então, as condições de deslizamento que asseguram os modos deslizantes em torno da superfície de deslizamento são estabelecidas no domínio de tempo discreto para garantir a estabilidade do observador de corrente e um inovador procedimento de projeto para ele é proposto. Em seguida, o observador de força eletromotriz é projetado usando o método direto de Lyapunov discreto, que fornece a posição e a velocidade rotóricas estimadas. O segundo esquema estende a metodologia desenvolvida para o primeiro, considerando as incertezas paramétricas bem como eliminando as componentes de alta frequência de chattering. O segundo esquema usa um observador de corrente por modos deslizantes discretos como o primeiro. Entretanto, o observador de força eletromotriz é substituído por um retentor de fase em série com um diferenciador robusto por modos deslizantes discretos, que segue a metodologia proposta para o observador de corrente. Resultados experimentais validam a análise teórica desenvolvida e demonstram o desempenho dos esquemas de controle propostos considerando um sistema de conversão de energia eólica de pequeno porte. Além disso, os esquemas propostos são comparados com outros da literatura. Ressalta-se que a toda abordagem é desenvolvida no domínio de tempo discreto tornando-a apta para uma implementação em microcontroladores e em processadores digitais de sinais.

Made available in DSpace on 2014-12-17T14:58:24Z (GMT). No. of bitstreams: 1 JoaoDBS_DISSERT.pdf: 2950294 bytes, checksum: b123f316a60d2e367696c4d97c359a71 (MD5) 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

Neste estudo se propõe o desenvolvimento de um modelo numérico para a ligação deslizante entre elementos sólidos bidimensionais, aplicável à simulação de sistemas deslizantes de isolação de base para estruturas. A formulação implementada é baseada no Método dos Elementos Finitos Posicional (MEFP) para análise dinâmica não linear geométrica de estruturas escrita na forma Lagrangeana total. Elementos triangulares planos e isoparamétricos de aproximação cúbica com matriz de massa completa são utilizados principalmente na elaboração da parte sólida dos dispositivos de ligação entre estruturas reticuladas e a base móvel. Esses elementos também poderm ser utilizados na modelagem da estrutura em si, porém, para esse fim, elementos finitos isoparamétricos de barra geral com massa distribuída por unidade de comprimento foram implementados. As equações de movimento são integradas no tempo aplicando o método de Newmark e o problema de deslizamento é resolvido com o algoritmo baseado na técnica dos multiplicadores de Lagrange, onde a restrição das posições de um nó escravo é feita em relação a uma sequência de superfícies mestres. Elementos de barra geral foram usados para simular as superfícies mestres de contato, o que aumenta as possibilidades de aplicações, incluindo mecanismos compostos apenas por barras gerais. Analisam-se exemplos disponíveis na literatura para a validação da formulação proposta e propõem-se aplicações diversas na engenharia das estruturas. / This study proposes the development of a numerical model for the sliding joint between two-dimensional solid elements, applicable to the simulation of sliding base isolation systems. The implemented formulation is based on the Positional Finite Element Method (PFEM) for geometrical nonlinear dynamic analysis of structures written in the total Lagrangian form. Plane and isoparametric triangular cubic approximation elements with full mass matrix are mainly used in the elaboration of the solid part of the devices of joints between reticulated structures and mobile base. These elements can also be used in the modeling of the structure itself, however, for that purpose, isoparametric elements of general bar with mass distributed per unit of length were implemented. The motion equations are integrated in time by applying the Newmark method and the sliding problem is solved with the algorithm based on the technique of Lagrange multipliers, where the constraint of the positions of a slave node is made in relation to a sequence of master surfaces. General bar elements were used to simulate the master contact surface, which increases the possibilities of applications, including mechanisms composed only of general bars. Analyze examples available in the literature for the validation of the proposed formulation and proposed diverse applications in the engineering of the structures.