Com o aperfeiçoamento de materiais compósitos de alto desempenho, surge a possibilidade do desenvolvimento de estruturas inteligentes, onde atuadores e sensores piezelétricos estão integrados na estrutura com sistemas de controle adequados para a atenuação de vibrações. Projetos multidisciplinares se tornam cada vez mais complexos e sofisticados, envolvendo diversas fontes de incertezas que devem ser analisadas e quantificadas. O escopo principal desse trabalho visa o estudo da propagação de incertezas em estruturas de materiais compósitos laminados com atuadores e sensores piezelétricos, onde entradas e parâmetros do projeto podem ser fontes aleatórias e/ou nebulosas. Para atingir esse objetivo é adotada a metodologia fuzzy, com a aplicação de otimização de cortes-α. Essa técnica é utilizada na presença de informações vagas ou imprecisas acerca da aleatoriedade presente. Nesse estudo projetam-se, através do método dos elementos finitos, estruturas em forma de placa e casca de material compósito laminado com atuadores e sensores piezelétricos acoplados, controlados pelos reguladores Linear Quadratic Regulator (LQR) e Linear Quadratic Gaussian (LQG). Inicialmente são realizados estudos de otimização para encontrar a melhor localização dos componentes piezelétricos pelos Gramianos de controlabilidade e observabilidade, assim como os fatores de ponderação das leis de controle. O desenvolvimento é realizado no espaço modal reduzido visando um melhor desempenho computacional. As métricas escolhidas para avaliação do controle de vibração e análise das saídas incertas do sistema são baseadas nas energias cinética, potencial e elétrica. Também apresentam-se estudos de envelopes relacionados ao deslocamentos e às frequências naturais da estrutura devido às incertezas. Os resultados mostraram que as otimizações por corte-α para tratar números fuzzy nesse tipo de problema são robustas e eficientes, encontrando-se valores extremos das saídas desejadas. Além de ser um método não intrusivo, também pode ser utilizado em problemas com um número elevado de parâmetros incertos como entrada. / The possibility of developments of smart structures arises with high performance composite materials improvements, where piezoelectric actuators and sensors are embedded into the structures, following a suitable control laws for vibration attenuation. Multidisciplinary projects are becoming highly complex and sophisticated, involving several sources of uncertainty that should be analyzed and quantified. The main objective for this work is to study the uncertainty propagation in composite laminate structures with embedded piezoelectric actuators and sensors, considering random and/or fuzzy sources for the inputs and design parameters. To accomplish this objective, it is adopted the fuzzy α-cut optimizations methodology. This technique is used when the available information related to the actual randomness is vague or imprecise. In this study, laminated composite shells and plates structures are designed and analyzed by the finite element method, where embedded piezoelectric actuators and sensors controlled by Linear Quadratic Regulator (LQR) and Linear Quadratic Gaussian (LQG) are present. Initially, optimization analyses are executed to find the best arrangement for the piezoelectric material using controllability and observability Gramians metrics, as well as the best controller parameters. This study is developed in the reduced modal space looking for computational costs savings. The chosen rating metrics for the vibration control and uncertainty analysis are based on kinetic, potential and electrical energies. Structural displacements and natural frequency envelopes due uncertainty are also studied and presented. The results have shown that the fuzzy α-cut optimizations methodology is robust and efficient to find extreme values for the sought outputs. In addition to being a non-intrusive method, it is also able to deal with a large number of uncertain input parameters.

Este trabalho apresenta uma metodologia de otimização topológica de atuadores piezelétricos em estruturas compostas laminada com o objetivo de atenuar as vibrações estruturais induzidas por excitações externas. Para isso, utiliza-se técnicas de controle ótimo, como o regulador linear quadrático (LQR) e o controlador linear quadrático gaussiano (LQG). Os estados não mensuráveis são estimados através do uso de observadores de estados de ordem completa, usando o filtro de Kalman para a escolha ótima da matriz de ganhos do observador de estados. O problema de otimização topológica é formulado para a localização ótima do atuador piezelétrico composto MFC (Macro Fiber Composite) na camada ativa da placa, determinando a localização mais vantajosa do material MFC através da maximização do índice de controlabilidade. Para o modelo estrutural, é proposto neste trabalho um modelo para a interação entre o atuador MFC e a estrutura. Assume-se que o MFC é uma das lâminas de material ortotrópico que sofre uma deformação inicial a partir da aplicação de um potencial elétrico e que essa deformação terá efeitos sobre o restante da estrutura. Dessa maneira, não é necessário modelar o campo elétrico gerado através dos eletrodos, uma vez que o efeito eletromecânico é considerado analiticamente. A rigidez e a massa do atuador MFC são considerados no modelo estrutural. Os resultados numéricos mostram que o modelo estrutural proposto para representar a interação entre o atuador MFC e a estrutura apresenta boa concordância com resultados experimentais e numéricos encontrados. Além disso, os resultados mostram que a partir do posicionamento ótimo do atuador MFC na estrutura, a técnica de controle implementada permite atenuar as vibrações estruturais. As simulações para uma força de um degrau unitário permitem concluir que a estratégia de controle usando o controlado LQG apresenta melhor desempenho em termos de tempo de assentamento, sobre resposta, amortecimento e sinal de controle, quando comparado com o controlador LQR. / This work presents a topologic optimization methodology of piezoelectric actuators in laminated composite structures with the objective of controlling external perturbation induced by structural vibrations. The Linear Quadratic Regulator (LQR) and Linear Quadratic Gaussian (LQG) optimal control techniques are used. The states are estimated through of the full order state observers, using the Kalman filter to the observer gain matrix. The topology optimization is formulated to find the optimum localization of the Macro Fiber Composite (MFC) active piezoelectric patch, determining the most advantageous location of the MFC, through of the maximization of the controllability index. For the structural model, this work proposes a simplified MFC/structure interaction model. It is assumed that the MFC is one of the orthotropic material layers which has an initial strain arising from the application of an electric potential; this strain acts on the remainder of the structure. This way, modeling the electromechanical interaction between the piezoelectric material and the electric field is unnecessary because this effect is considered analytically. Both the stiffness and the mass of the MFC are taken into account in the structural model. Numerical results show that proposed MFC-structure interaction model presents good agreement with experiments and numerical simulations of models that uses the electromechanical effect. Actuator location optimization results show that the technique implemented improves the structural vibration damping. The response simulations to an unit step force allows to conclude that the control strategy using the LQG controller presents better performance in terms of settling time, overshoot, damping and control signal energy when compared to the LQR controller.

Com o aperfeiçoamento de materiais compósitos de alto desempenho, surge a possibilidade do desenvolvimento de estruturas inteligentes, onde atuadores e sensores piezelétricos estão integrados na estrutura com sistemas de controle adequados para a atenuação de vibrações. Projetos multidisciplinares se tornam cada vez mais complexos e sofisticados, envolvendo diversas fontes de incertezas que devem ser analisadas e quantificadas. O escopo principal desse trabalho visa o estudo da propagação de incertezas em estruturas de materiais compósitos laminados com atuadores e sensores piezelétricos, onde entradas e parâmetros do projeto podem ser fontes aleatórias e/ou nebulosas. Para atingir esse objetivo é adotada a metodologia fuzzy, com a aplicação de otimização de cortes-α. Essa técnica é utilizada na presença de informações vagas ou imprecisas acerca da aleatoriedade presente. Nesse estudo projetam-se, através do método dos elementos finitos, estruturas em forma de placa e casca de material compósito laminado com atuadores e sensores piezelétricos acoplados, controlados pelos reguladores Linear Quadratic Regulator (LQR) e Linear Quadratic Gaussian (LQG). Inicialmente são realizados estudos de otimização para encontrar a melhor localização dos componentes piezelétricos pelos Gramianos de controlabilidade e observabilidade, assim como os fatores de ponderação das leis de controle. O desenvolvimento é realizado no espaço modal reduzido visando um melhor desempenho computacional. As métricas escolhidas para avaliação do controle de vibração e análise das saídas incertas do sistema são baseadas nas energias cinética, potencial e elétrica. Também apresentam-se estudos de envelopes relacionados ao deslocamentos e às frequências naturais da estrutura devido às incertezas. Os resultados mostraram que as otimizações por corte-α para tratar números fuzzy nesse tipo de problema são robustas e eficientes, encontrando-se valores extremos das saídas desejadas. Além de ser um método não intrusivo, também pode ser utilizado em problemas com um número elevado de parâmetros incertos como entrada. / The possibility of developments of smart structures arises with high performance composite materials improvements, where piezoelectric actuators and sensors are embedded into the structures, following a suitable control laws for vibration attenuation. Multidisciplinary projects are becoming highly complex and sophisticated, involving several sources of uncertainty that should be analyzed and quantified. The main objective for this work is to study the uncertainty propagation in composite laminate structures with embedded piezoelectric actuators and sensors, considering random and/or fuzzy sources for the inputs and design parameters. To accomplish this objective, it is adopted the fuzzy α-cut optimizations methodology. This technique is used when the available information related to the actual randomness is vague or imprecise. In this study, laminated composite shells and plates structures are designed and analyzed by the finite element method, where embedded piezoelectric actuators and sensors controlled by Linear Quadratic Regulator (LQR) and Linear Quadratic Gaussian (LQG) are present. Initially, optimization analyses are executed to find the best arrangement for the piezoelectric material using controllability and observability Gramians metrics, as well as the best controller parameters. This study is developed in the reduced modal space looking for computational costs savings. The chosen rating metrics for the vibration control and uncertainty analysis are based on kinetic, potential and electrical energies. Structural displacements and natural frequency envelopes due uncertainty are also studied and presented. The results have shown that the fuzzy α-cut optimizations methodology is robust and efficient to find extreme values for the sought outputs. In addition to being a non-intrusive method, it is also able to deal with a large number of uncertain input parameters.

Este trabalho apresenta uma metodologia de otimização topológica de atuadores piezelétricos em estruturas compostas laminada com o objetivo de atenuar as vibrações estruturais induzidas por excitações externas. Para isso, utiliza-se técnicas de controle ótimo, como o regulador linear quadrático (LQR) e o controlador linear quadrático gaussiano (LQG). Os estados não mensuráveis são estimados através do uso de observadores de estados de ordem completa, usando o filtro de Kalman para a escolha ótima da matriz de ganhos do observador de estados. O problema de otimização topológica é formulado para a localização ótima do atuador piezelétrico composto MFC (Macro Fiber Composite) na camada ativa da placa, determinando a localização mais vantajosa do material MFC através da maximização do índice de controlabilidade. Para o modelo estrutural, é proposto neste trabalho um modelo para a interação entre o atuador MFC e a estrutura. Assume-se que o MFC é uma das lâminas de material ortotrópico que sofre uma deformação inicial a partir da aplicação de um potencial elétrico e que essa deformação terá efeitos sobre o restante da estrutura. Dessa maneira, não é necessário modelar o campo elétrico gerado através dos eletrodos, uma vez que o efeito eletromecânico é considerado analiticamente. A rigidez e a massa do atuador MFC são considerados no modelo estrutural. Os resultados numéricos mostram que o modelo estrutural proposto para representar a interação entre o atuador MFC e a estrutura apresenta boa concordância com resultados experimentais e numéricos encontrados. Além disso, os resultados mostram que a partir do posicionamento ótimo do atuador MFC na estrutura, a técnica de controle implementada permite atenuar as vibrações estruturais. As simulações para uma força de um degrau unitário permitem concluir que a estratégia de controle usando o controlado LQG apresenta melhor desempenho em termos de tempo de assentamento, sobre resposta, amortecimento e sinal de controle, quando comparado com o controlador LQR. / This work presents a topologic optimization methodology of piezoelectric actuators in laminated composite structures with the objective of controlling external perturbation induced by structural vibrations. The Linear Quadratic Regulator (LQR) and Linear Quadratic Gaussian (LQG) optimal control techniques are used. The states are estimated through of the full order state observers, using the Kalman filter to the observer gain matrix. The topology optimization is formulated to find the optimum localization of the Macro Fiber Composite (MFC) active piezoelectric patch, determining the most advantageous location of the MFC, through of the maximization of the controllability index. For the structural model, this work proposes a simplified MFC/structure interaction model. It is assumed that the MFC is one of the orthotropic material layers which has an initial strain arising from the application of an electric potential; this strain acts on the remainder of the structure. This way, modeling the electromechanical interaction between the piezoelectric material and the electric field is unnecessary because this effect is considered analytically. Both the stiffness and the mass of the MFC are taken into account in the structural model. Numerical results show that proposed MFC-structure interaction model presents good agreement with experiments and numerical simulations of models that uses the electromechanical effect. Actuator location optimization results show that the technique implemented improves the structural vibration damping. The response simulations to an unit step force allows to conclude that the control strategy using the LQG controller presents better performance in terms of settling time, overshoot, damping and control signal energy when compared to the LQR controller.

A utilização de sistemas semi-ativos no controle de movimento e vibração vem crescendo muito nos últimos anos, e está se firmando como a opção mais econômica em muitas aplicações. Os sistemas de controle semi-ativos baseados em fluidos magneto-reológicos (MR) já são empregados no controle de vibrações desde máquinas de lavar a grandes pontes suspensas, e até mesmo no controle de vibração de edifícios sujeitos a abalos sísmicos. No controle de movimento, eles têm sido aplicados em aparelhos de fisioterapia, próteses de joelho humano e embreagens. No setor automobilístico, os sistemas semi-ativos são empregados em sistemas de controle da suspensão e sistemas anti-rolagem, e também no controle de sistemas de torque e tração. Visto a crescente importância dos sistemas de controle semi-ativo, este trabalho aborda este assunto dividindo-o em duas partes: a primeira, apresentada no volume 1, trata do projeto de atuadores magneto-reológicos e do seu modelamento dinâmico voltado para projetos de controle; e a segunda parte, apresentada no volume 2, trata de projeto de controladores para sistemas semi-ativos, mais especificamente voltados para o controle de suspensão veicular semi-ativa, buscando a melhoria do desempenho em conforto, segurança e dirigibilidade do veículo. Na primeira parte, a maior contribuição deste trabalho está em preencher uma lacuna na literatura no que diz respeito a uma técnica sistemática de projeto de atuadores magneto-reológicos e da forma mais adequada de sua representação dinâmica para projetos de controle, que é feita a partir de dados experimentais. Na segunda parte deste trabalho buscou-se desenvolver um sistema de controle economicamente viável para veículos utilitários (caminhonetes principalmente). Estes são os veículos que mais carecem de sistemas de suspensão capazes de atender a uma grande variedade de situações (variação de pista, variação de carga), e cujo mercado exige uma relação custo/benefício melhor que aquela dos mercados de carros de luxo, onde estes sistemas são empregados atualmente. Como resultados mais importantes deste trabalho têmse: uma proposição para o uso da lei de controle LQG/LTR em sistemas não estritamente próprios; um modelo de um veículo utilitário completo com sete graus de liberdade e capaz de representar as situações mais importantes do comportamento dinâmico deste tipo de veículo; o desenvolvimento de uma estratégia de controle robusto baseado na técnica LQG/LTR, adequada para trabalhar com atuadores semi-ativos, e que utiliza sensores de custo compatível com a aplicação. O sistema de controle proposto foi capaz de melhorar o desempenho em conforto e segurança, evitando situações de perda de aderência dos pneus e comportamentos dinâmicos indesejáveis destes veículos, que foi verificado experimentalmente e através de simulações em computador. / The application of semi-active systems to motion and vibration control has significantly grown during the last years, and it is becoming an economically viable option for several applications. Semi-active systems based on magneto-rheological (MR) fluids were applied to vibration control ranging from washing machines to suspended bridges, and also in vibration control of buildings under seismic tremors. Regarding the movement control, they have been used in gym apparati, human knee prosthesis and clutches. More specifically in the automotive industry, semi-active systems have been applied in suspension and anti-roll systems, and also in torque and traction control systems. This work treats this subject dividing it into two parts: the first one, presented in volume 1, deals with the design of semi-active actuators based on magneto-rheological fluids and dynamic modeling; and the second one, presented in volume 2, deals with the design of semi-active control for vehicular suspension systems. The control main objective is the performance improvement in comfort, safety and handling features of a vehicle. In the first part, the main contribution of this work is to fulfill a literature gap regarding a systematic procedure for design of magneto-rheological actuators and to find a better representation for the dynamic behavior regarding the control system development, which is done based on experimental data analysis. The second part of this work leaded with the development of a vehicular suspension system for utility vehicles (for SUVs, and mainly for light trucks), which need suspension systems able to face a great number of situations (road variation, load variation, etc.), and which present stability problems due to its high gravity center height. Important results of this work are: the development of a robust control strategy based on LQG/LTR techniques for non-strictly proper systems, the development of a dynamic model for light trucks and SUVs with seven degrees of freedom; the development of a robust control strategy based on the LQG/LTR synthesis, suit to work with semi-active actuators, and using sensors with costs compatible to the application. The proposed control system was able to improve the performance of comfort and safety, avoiding the loss of adherence between tires and the ground and other undesirable dynamic behaviors of these vehicles, that was verified experimentally and through computer simulations.

Este trabalho apresenta uma metodologia de otimização topológica de atuadores piezelétricos em estruturas compostas laminada com o objetivo de atenuar as vibrações estruturais induzidas por excitações externas. Para isso, utiliza-se técnicas de controle ótimo, como o regulador linear quadrático (LQR) e o controlador linear quadrático gaussiano (LQG). Os estados não mensuráveis são estimados através do uso de observadores de estados de ordem completa, usando o filtro de Kalman para a escolha ótima da matriz de ganhos do observador de estados. O problema de otimização topológica é formulado para a localização ótima do atuador piezelétrico composto MFC (Macro Fiber Composite) na camada ativa da placa, determinando a localização mais vantajosa do material MFC através da maximização do índice de controlabilidade. Para o modelo estrutural, é proposto neste trabalho um modelo para a interação entre o atuador MFC e a estrutura. Assume-se que o MFC é uma das lâminas de material ortotrópico que sofre uma deformação inicial a partir da aplicação de um potencial elétrico e que essa deformação terá efeitos sobre o restante da estrutura. Dessa maneira, não é necessário modelar o campo elétrico gerado através dos eletrodos, uma vez que o efeito eletromecânico é considerado analiticamente. A rigidez e a massa do atuador MFC são considerados no modelo estrutural. Os resultados numéricos mostram que o modelo estrutural proposto para representar a interação entre o atuador MFC e a estrutura apresenta boa concordância com resultados experimentais e numéricos encontrados. Além disso, os resultados mostram que a partir do posicionamento ótimo do atuador MFC na estrutura, a técnica de controle implementada permite atenuar as vibrações estruturais. As simulações para uma força de um degrau unitário permitem concluir que a estratégia de controle usando o controlado LQG apresenta melhor desempenho em termos de tempo de assentamento, sobre resposta, amortecimento e sinal de controle, quando comparado com o controlador LQR. / This work presents a topologic optimization methodology of piezoelectric actuators in laminated composite structures with the objective of controlling external perturbation induced by structural vibrations. The Linear Quadratic Regulator (LQR) and Linear Quadratic Gaussian (LQG) optimal control techniques are used. The states are estimated through of the full order state observers, using the Kalman filter to the observer gain matrix. The topology optimization is formulated to find the optimum localization of the Macro Fiber Composite (MFC) active piezoelectric patch, determining the most advantageous location of the MFC, through of the maximization of the controllability index. For the structural model, this work proposes a simplified MFC/structure interaction model. It is assumed that the MFC is one of the orthotropic material layers which has an initial strain arising from the application of an electric potential; this strain acts on the remainder of the structure. This way, modeling the electromechanical interaction between the piezoelectric material and the electric field is unnecessary because this effect is considered analytically. Both the stiffness and the mass of the MFC are taken into account in the structural model. Numerical results show that proposed MFC-structure interaction model presents good agreement with experiments and numerical simulations of models that uses the electromechanical effect. Actuator location optimization results show that the technique implemented improves the structural vibration damping. The response simulations to an unit step force allows to conclude that the control strategy using the LQG controller presents better performance in terms of settling time, overshoot, damping and control signal energy when compared to the LQR controller.

Due to the unsustainable space debris environment in Low Earth Orbit, debris objects must be removed to ensure future safe satellite operations. One proposed concept for deorbiting larger space debris objects, such as decommissioned satellites or spent upper rocket stages, is to use a chaser spacecraft connected to the debris object by an elastic tether, but the required technology is immature and there is a lack of flight experience. The inoperable satellite, Envisat, has been chosen as a representative object for controlled re-entry by performing several high thrust burns. The aim of this paper is to develop a control system for the deorbit phase of such a mission. Models of the spacecraft dynamics, the tether, and sensors are developed to create a simulator. Two different tether models are considered: the massless model and the lumped mass model. A switched linear-quadratic-Gaussian (LQG) controller is designed to control the relative position of the debris object, and a switched proportional-integral-derivative (PID) controller is designed for attitude control. Feedforward compensation is used to counteract the couplings between relative position and attitude dynamics. An analysis of the system suggests that the tether should be designed in regard to the control system and it is found that the lumped mass model comes with higher cost than reward compared to the massless tether model in this case. Simulations show that the control system is able to control the system under the influence of modeling errors during a multi-burn deorbit strategy and even though more extensive models are suggested to enable assessment of the feasibility to perform this mission in reality, this study has resulted in extensive knowledge and valuable progress in the technical development. / En ökande mängd rymdskrot har lett till en ohållbar miljö i låga omloppsbanor och föremål måste nu tas bort för att säkerställa framtida satellitverksamhet. En föreslagen metod för att avlägsna större skrotföremål, såsom avvecklade satelliter och använda övre raketsteg, är att koppla en jagande rymdfarkost till föremålet med en elastisk lina. Dock är den teknik som behövs inte mogen och det finns en brist på praktisk erfarenhet. Den obrukbara satelliten Envisat har valts som representativt objekt för kontrollerat återinträde genom flera perigeumsänkande raketmanövrar. Syftet med detta arbete är att utveckla ett system för att kontrollera de två sammankopplade rymdfarkosterna under avlägsningsfasen under ett sådant uppdrag. Modeller för farkosternas dynamik, den sammankopplande linan och sensorer byggs för att utveckla en simulator. Två olika modeller för linan undersöks: den masslösa modellen och den klumpade nodmassmodellen. En omkopplande regulator designas genom minimering av kvadratiska kriterier för att kontrollera skrotföremålets relativa position till den jagande farkosten. Vidare designas en omkopplande proportionerlig-integrerande-deriverande (PID) regulator för att reglera pekningen hos den jagande farkosten. Kompensering genom framkoppling används för att motverka de korskopplingar som förekommer mellan translations- och rotationsdynamiken. En analys av systemet visar att linan bör designas med reglersystemet i åtanke och det framkommer att nackdelarna överväger fördelarna för den klumpade nodmassmodellen jämfört med den masslösa modellen. Simuleringar visar att reglersystemet klarar att kontrollera systemet under ett scenario med flera manövrar och under inverkan av modellfel. Även om mer omfattande modeller föreslås för att möjliggöra en fullständig bedömning av genomförbarheten för detta uppdrag så har denna studie resulterat i en omfattande kunskapsvinst och värdefulla framgångar i det tekniska utvecklingsarbetet.

In advanced process control, the Model Predictive Control (MPC) may be considered the most important innovation in recent years and the standard tool for industrial applications due to the fact that it keeps the plant operating in the constraints more profitable. However, like every control algorithm, the MPC after some time in operation rarely works as originally designed. Thus, to preserve the benefits of MPC systems for a long period of time, their performance needs to be monitored and evaluated during the operation. This task require the presence of reliable and effective tools to detect when the controller performance is below of the desirable, to define the need, or not, of recommissioning the system. Thus, the objective of this work is development of techniques for monitoring and evaluating the performance of multivariable predictive controllers, being developed two new tools: LQG benchmark Modified and IHMC benchmark. The results obtained from numerical simulations were satisfactory and consistent with the technical literature applied in the developments of the evaluators, which were used in the monitoring of the control system MPC of the oil-water-gas three-phase separation process, offering an appropriate solution and providing subsidies for implementations in real industrial systems. / Em controle avançado de processos, o controlador preditivo ou MPC (Model Predictive Control) pode ser considerado como a mais importante inovação dos últimos anos e a ferramenta padrão para aplicações industriais, devido ao fato do MPC manter a planta operando dentro das suas restrições de forma mais lucrativa. Entretanto, como todo algoritmo de controle, o MPC depois de algum tempo em operação dificilmente funciona como quando fora inicialmente projetado. Desta forma, com o objetivo de manter os benefícios dos sistemas MPC por um longo período de tempo, seu desempenho precisa ser monitorado e avaliado durante a operação. Esta tarefa requer a presença de ferramentas efetivas e confiáveis para detectar quando o desempenho do controlador estiver abaixo do desejável, para definir a necessidade, ou não, de um recomissionamento do sistema. Destarte, aborda-se neste trabalho o desenvolvimento de técnicas para monitoramento e avaliação de desempenho de controladores preditivos multivariáveis, sendo desenvolvidas duas novas ferramentas: LQG benchmark Modificado e IHMC benchmark. Os resultados obtidos a partir de simulações numéricas foram satisfatórios e coerentes com a literatura técnica aplicada no desenvolvimento dos avaliadores, os quais foram utilizados no monitoramento do sistema de controle MPC do processo de separação trifásica água-óleo-gás, oferecendo assim uma solução apropriada e fornecendo subsídios para implementações em sistemas industrias reais.

This thesis deals with the MIMO system analysis, with a comparison of a different frequency charactersitics, and including singular values characteristic. The H2 and H norms are defined for signals and a MIMO systems. A MIMO optimal control using an LQG, an H2 and an H control is defined and described. Their general advantages, disadvantages and similarities are summed up. An H2 and an H state controller and state observer synthesis is implemented in a MATLAB using linear matrix inequalities. Control of an inverted pendulum is designed using the H optimal cascade control, the H2 state control and the H state control. The results are compared with each other. The theoretical possibility of same H2 and H optimal state controller design is presented.

Ziel der Arbeit ist die anschauliche Demonstration der Leistungsfähigkeit von Hardware- Systemen zur Regelung instabiler Systeme am Beispiel des Inversen Pendels. Dabei handelt es sich um das Balancieren eines Stabes, einem Standard-Problem der Regelungstechnik. Es wird die Konzeption und Implementierung einer Hardware-Regelung in einem FPGA-Prototypenboard zur Realisierung dieser Aufgabe beschrieben. Die Regelung basiert mit LQR-Entwurf und Kalman-Filter auf klassischen Methoden der Regelungstechnik. Zur Demonstration der Regelung wurde ein mechanischer Aufbau vorgenommen, an dem die Funktionsfähigkeit des Inversen Pendels praktisch gezeigt wurde.:1 Einleitung 11 1.1 Motivation.................................... 11 1.2 Analyse der Aufgabenstellung ......................... 11 1.3 Gliederung der Arbeit ............................. 12 2 Grundlagen 13 2.1 Referenzanwendung Inverses Pendel...................... 13 2.2 Aufbau des Regelsystems............................ 15 2.3 Verfahren zum Reglerentwurf ......................... 19 2.4 Verfahren zur Zustandsschätzung ....................... 22 2.5 Sensorik..................................... 26 2.6 Antrieb ..................................... 28 3 Inverse Pendel im Vergleich 33 3.1 Bauformen.................................... 33 3.2 Realisierungsbeispiele.............................. 34 3.3 Fazit der Recherche............................... 39 4 Elektromechanischer Aufbau 41 4.1 Mechanik .................................... 42 4.2 Sensorik..................................... 42 4.3 Antrieb ..................................... 44 4.4 FPGA-Board .................................. 47 5 Modellbildung 48 5.1 Herleitung der Systemgleichungen....................... 48 5.2 Anpassung an den Schrittmotor ........................ 51 5.3 Linearisiertes Modell im Zustandsraum.................... 51 5.4 Analyse der Modelleigenschaften........................ 52 6 Reglerentwurf 56 6.1 Einstellung des LQ-Reglers........................... 56 6.2 Einstellung des Kalman-Filters ........................ 57 6.3 Aufschwing- und Fangalgorithmus....................... 58 6.4 Simulation.................................... 60 6.5 Konsequenzen für die Realisierung....................... 63 7 Implementierung 65 7.1 Besonderheiten des Hardware-Entwurfs.................... 65 7.2 Systempartitionierung und Entwurfsstrategie . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 7.3 Teilkomponenten ................................ 67 7.4 Modifizierung des Kalman-Filters ....................... 72 7.5 Probleme .................................... 78 8 Schluss 80 8.1 Zusammenfassung................................ 80 8.2 Ergebnisse.................................... 80 8.3 Ausblick..................................... 82 Literaturverzeichnis 84 A Details zum Projekt 87 A.1 Kurzdokumentation .............................. 87 A.2 Datei- und Verzeichnisstruktur......................... 88 A.3 Simulationsresultate .............................. 89