Made available in DSpace on 2014-12-17T14:55:47Z (GMT). No. of bitstreams: 1 JoseSBL_DISSERT.pdf: 1769944 bytes, checksum: 43863b3b32771c922314a0fa73be8bf8 (MD5) Previous issue date: 2011-02-14 / This work deals with an on-line control strategy based on Robust Model Predictive Control (RMPC) technique applied in a real coupled tanks system. This process consists of two coupled tanks and a pump to feed the liquid to the system. The control objective (regulator problem) is to keep the tanks levels in the considered operation point even in the presence of disturbance. The RMPC is a technique that allows explicit incorporation of the plant uncertainty in the problem formulation. The goal is to design, at each time step, a state-feedback control law that minimizes a 'worst-case' infinite horizon objective function, subject to constraint in the control. The existence of a feedback control law satisfying the input constraints is reduced to a convex optimization over linear matrix inequalities (LMIs) problem. It is shown in this work that for the plant uncertainty described by the polytope, the feasible receding horizon state feedback control design is robustly stabilizing. The software implementation of the RMPC is made using Scilab, and its communication with Coupled Tanks Systems is done through the OLE for Process Control (OPC) industrial protocol / Este trabalho tem como objetivo desenvolver uma estrat?gia de controle on-line baseado no Controlador Preditivo Robusto (RMPC, acr?nimo do ingl?s Robust Model Predictive Control) aplicado a um sistema real de tanques acoplados. Este processo consiste em sistema de dois tanques conectados, cujo liquido ? enviado aos mesmos por uma bomba. O objetivo do controle (problema regulat?rio) ? deixar os n?veis dos tanques no ponto de opera??o considerado, mesmo na presen?a de perturba??es. A s?ntese da t?cnica RMPC consiste em incorporar de forma explicita as incertezas da planta na formula??o do problema. O objetivo do projeto, a cada per?odo de amostragem, ? encontrar uma realimenta??o de estados que minimiza o pior caso de uma fun??o objetivo com horizonte infinito, sujeita a restri??es no sinal de controle. O problema original, do tipo Min-max, ? reduzido em a problema de otimiza??o convexa expresso em desigualdades matriciais lineares (LMI, Linear Matriz Inequalities). Mostram-se, neste trabalho, a descri??o da incerteza da planta na forma polit?pica e as condi??es de factibilidade do problema de otimiza??o. A implementa??o do algoritmo RMPC foi feita utilizando o software Scilab e a sua comunica??o com o sistema de tanques acoplados foi feita atrav?s do protocolo OPC (do ingl?s OLE for Process Control)

Este trabalho propõe uma nova metodologia de projeto de controladores para o amortecimento de oscilações eletromecânicas de baixa freqüência em sistemas de potência. Considerando a necessidade de se aumentar a robustez dos estabilizadores clássicos frente a variações nas condições de operação, este estudo analisou uma série de requisitos práticos a serem atendidos pelos novos controladores de amortecimento e desenvolveu a metodologia proposta, de tal forma que os controladores projetados pudessem satisfazer a todos os requisitos analisados. Foram tratadas questões relativas à estrutura de controle (realimentação dinâmica descentralizada de saída), à robustez de estabilidade e desempenho (através da modelagem politópica e dos critérios de posicionamento regional de pólos) e da não atuação dos controladores em regime permanente (com a inclusão de filtros washout na modelagem). A principal vantagem desta metodologia proposta é a possibilidade de se garantir formalmente um desempenho robusto dos controladores, dentro de uma região pré-especificada de pontos de operação. Os resultados, obtidos através de simulações não lineares da resposta (para uma série de perturbações) dos sistemas escolhidos para teste, em diversas condições de operação, mostram que os controladores obtidos com a aplicação desta metodologia são capazes de manter seu desempenho frente às variações consideradas. Além disso, a obtenção de resultados satisfatórios com a aplicação desta metodologia a um sistema com 45 variáveis de estado indica boas perspectivas para a utilização conjunta da mesma com técnicas de redução do modelo de estados, para o projeto de controladores de amortecimento em sistemas reais de grande porte. / This research proposes a new methodology for the design of controllers to damp low frequency electromechanical oscillations in power systems. Considering the need to improve the robustness of the classical stabilizers, with respect to variations in the operating conditions, this study has analyzed a series of practical requirements to be met by the new damping controllers and developed the proposed methodology, so the designed controllers could satisfy all the analyzed equirements. Questions regarding the controller structure (decentralized dynamic output feedback), the robustness of stability and performance (through the polytopic modelling and the regional pole placement criteria) and the non influence of the controllers over the steady state behavior of the system (with the inclusion of washout filters in the model) were treated. The main advantage of the proposed methodology is the possibility to ensure, formally, the performance robustness of the controllers, within a previously specified region of operating points. The results, obtained through the eigenanalysis of the closed loop system and the nonlinear simulations of the system responses to a series of disturbances, in various operating conditions, show that the controllers provided by this new methodology are capable of maintaining their performance, despite the considered variations. Moreover, the satisfactory results obtained with the application of this methodology to a system with 45 state variables indicates good perspectives for the joint utilization of the methodology and model order reduction techniques, for the design of damping controllers for real-sized systems.

O presente trabalho propõe, como inovação, o limite superior para a energia da saída do sistema em malha fechada como índice de desempenho a ser usado no projeto de controladores robustos para amortecer oscilações eletromecânicas de baixa freqüência em sistemas de potência. A saída do sistema em malha fechada é especificada de forma que a energia da saída corresponda ao valor acumulado do desvio da energia cinética do sistema. O índice de desempenho proposto mostrou-se adequado ao problema de oscilações eletromecânicas. Tal índice de desempenho é utilizado na formulação de uma metodologia sistemática de projeto. O problema de controle é estruturado na forma de desigualdades matriciais lineares, permitindo a obtenção de uma solução numérica para o problema. A obtenção da solução do problema de controle proposto (energia da saída como índice de desempenho) exige menos dispêndio computacional, quando comparado com o tradicional fator de amortecimento mínimo na forma de posicionamento regional de pólos. Tal característica pode ser significativa para o tempo computacional requerido pelo projeto de controladores envolvendo modelos sistemas de potência de ordem elevada. O projeto de controladores de amortecimento robustos, baseados em modelos multimáquinas que dispensem a hipótese de existência de um barramento infinito, constitui a segunda parte da pesquisa proposta. Os problemas inerentes à hipótese do barramento infinito são resolvidos pelo uso de duas abordagens que não adotam tal hipótese. A primeira abordagem adotada refere-se ao uso de um modelo multimáquinas com o ângulo de uma das máquinas do sistema como referência angular. A segunda alternativa proposta é a incorporação do sistema primário de controle de velocidade no modelo multimáquinas referente à primeira alternativa. Além de resolver o problema referente ao uso do barramento infinito, o presente trabalho também propõe análises da influência da hipótese de tal barramento no projeto de controladores de amortecimento. A influência da hipótese do barramento infinito no projeto dos controladores é delineada por meio dos fundamentos expostos e dos resultados obtidos com as diferentes alternativas utilizadas / The present work proposes, as innovation, an upper bound for the output energy of the closed loop system to be used as a performance index in the design of robust controllers to damp low-frequency electromechanical oscillations in electric power systems. The output of the closed loop system is specified so that the output energy corresponds to the accumulated value of the kinetic energy deviation of the closed loop system. The performance index used in the procedure has shown to be suitable to the oscillation problem. The proposed performance index is used in the formulation of a systematic design methodology. The control problem is structured in the form of linear matrix inequalities, allowing a numerical solution to the control problem. The adopted performance index is less costly in terms of computational effort when compared with the traditional minimum damping ratio (performance index usually accepted in power system as small signal stability margin) via regional pole placement in the LMI formulation. This characteristic may be significant to the computational time required for the controller design involving large power system models. The robust damping controller design, based on multimachine models without the infinite-bus assumption, constitutes the second part of this research proposal. The problems inherent to the infinte-bus assumption are solved by means of two approaches which do not use such assumption. The first proposed approach refers to the use of a multimachine model adopting one machine angle of the system as angular reference. The second adopted approach is the incorporation of the primary speed control in the multimachine model regarding to the first approach. Besides solving the problem regarding to the use of infinite-bus assumption, the present work also proposes analyses of such assumption influence in the design of damping controllers. The influence of such assumption, in the design of the controllers, is outlined by means of exposed fundamentals and results obtained with the proposed approaches

A juçara (Euterpe edulis Mart.) é uma palmeira importante ecologicamente e considerada fonte de produtos valiosos culturalmente e economicamente. Há mais de duas décadas tem sido considerada ameaçada de extinção pelo corte de palmito, e atualmente surge uma nova oportunidade para reduzir sua vulnerabilidade por meio da valorização de seus frutos. Nesta pesquisa investigamos se o manejo de juçara para produção de polpa de frutos pode funcionar como catalisador da conservação da biodiversidade e da melhoria dos meios de vida das populações humanas locais. Algumas questões foram elaboradas e organizadas em quatro eixos convergentes a questão central: (I) Quais os principais aspectos socioeconômicos e práticas de manejo de E. edulis para produção de polpa nas áreas de estudo? Qual o potencial da atividade para o fortalecimento local e conservação da espécie? (II) Como varia a composição e a estrutura florestal ao longo de gradientes de manejo e altitude? Quais as espécies vegetais nativas mais valorizadas por estas comunidades locais? (III) Como a produção e a colheita de frutos variam através de diferentes sistemas de manejo ao longo dos anos? Quais os principais fatores que explicam essa variação? (IV) De que maneira o manejo de frutos de juçara afeta sua dinâmica populacional? Qual a taxa máxima sustentável de remoção de frutos? Quais as estratégias de manejo sustentável recomendada para diferentes condições? Para isso, foi realizado o monitoramento de populações de E. edulis em áreas manejadas por quatro populações humanas que habitam o entorno e interior do Parque Estadual da Serra do Mar (PESM), Núcleos Santa Virgínia e Picinguaba, nos municípios de Natividade da Serra e Ubatuba, SP. Também amostramos populações de E. edulis em áreas de proteção integral no interior do PESM, entrevistamos os moradores de cada comunidade local, assim como usamos dados de fontes secundárias sobre a vegetação do PESM e sobre a atividade de manejo da juçara nos últimos anos. Verificamos que existe uma nova possibilidade de trabalho e renda nas comunidades, inclusive para mulheres e jovens, possibilitando diversificação da economia local. As práticas não destrutivas de colheita dos frutos e as características do sistema reprodutivo da espécie não implicam em severas consequências ecológicas adversas, permitindo considerar o potencial de conservação circa situm, principalmente diante as mudanças climáticas e pressão do mercado de palmito. A diversidade arbórea reduziu localmente com o aumento da intensidade de manejo agroflorestal, mas permite a manutenção de espécies arbóreas de interesse para a conservação, além de proporcionar sustento às famílias dos produtores. As práticas de manejo realizadas nos sistemas agroflorestais tradicionais podem favorecer a manutenção do conhecimento ecológico local, além de aumenta a produtividade de frutos e reduzir a variação interanual da frutificação. A colheita de frutos de juçara em si não representa prejuízos em termos populacionais. Sendo o novo manejo de juçara uma das estratégias recomendadas para manter a viabilidade das populações em longo prazo, desde que o corte de palmito seja controlado e a regeneração seja promovida. / Juçara (Euterpe edulis Mart.) is a palm source of various culturally and economically valued products. It has been considered threatened of extinction for more than two decades. The simple opposition between strategies to obtain its different products arises a new opportunity to reduce its vulnerability. In this research we investigated if the management for fruit production could act as a catalyst to biodiversity conservation and local livelihood improvement. Some questions were elaborated and organized into four axes convergent to the central question: (I) How do the management systems of E. edulis for fruit production are characterized at the study area? Which is the activity potential to improve local livelihoods? (II) How does the forest structure and composition vary along management and altitude gradients? What native plant species are most valued by these communities? (III) How do fruit production and harvest vary through different management systems along different years? What are the main factors explaining such variation? (IV) How do juçara management for fruit production affect its population dynamics? What is the maximum sustainable rate of fruit removal? Which sustainable management strategies are recommended for different conditions? We built empirical evidences through monitoring E. edulis populations managed by four local human populations living around and inside Parque Estadual da Serra do Mar (PESM), Nuclei Santa Virgínia and Picinguaba. We also sampled E. edulis populations in strictly protected areas inside PESM, as well as used secondary data about juçara management activities in the last years. The opportunity for work and income, inclusive for women and young people, the stimulus for social organization, production diversification, among other aspects recorded in this study promote community resilience in the face of political and economic change. Juçara fruit harvest allows frugivorous foraging and indicates the potential for in situ and circa situm conservation approach, mainly in the face of climate change and market pressure for palm heart. Arboreal diversity reduced locally with increasing agroforesty management intensity, which in turn raised diversity at the landscape level. Management practices, performed at the traditional agroforestry systems, could strengthen local cognitive systems, enhance fruit productivity and reduce fruiting inter annual variation. Juçara fruit harvest benefits recruitment and could even induce population increase at the long term. Neverheless, other factors affected negatively affected the population negatively. The protection of adult palms for fruit harvest is one of the recommended strategies to keep population viability in the long term and could function as in situ and circa situm conservation strategies.

Orientador: Marcelo Carvalho Minhoto Teixeira / Resumo: Neste trabalho apresentam-se condições descritas por desigualdades matriciais lineares, LMIs (do inglês: Linear Matrix Inequalities), para o projeto de controladores robustos para sistemas dinâmicos de ordem α ∈ [0,1). Os controladores propostos utilizam a realimentação da derivada de ordem α ∈ [0,1) do vetor de estado, a chamada realimentação α-derivativa, e também a realimentação do vetor de estado. A literatura clássica apresenta resultados que utilizam o método direto de Lyapunov e a estabilização quadrática no projeto de controladores para sistemas de ordem inteira. Os teoremas propostos neste trabalho para sistemas fracionários são condições suficientes análogas a estes resultados. Esta analogia é possível através da extensão fracionária, recentemente disponível na literatura, do método direto de Lyapunov e de um limitante superior para a derivada de ordem α ∈ [0,1) da função de Lyapunov do tipo quadrática, Dα V(x(t)). Nesse sentido, as LMIs propostas para estabilização quadrática são análogas aos casos clássicos, pois não dependem da ordem α ∈ [0,1) do sistema. Em particular, o foco deste trabalho recai no controle do tipo chaveado, que trata da minimização do limitante superior de Dα V(x(t)). O controle chaveado dispensa o conhecimento das funções de pertinência quando da utilização de modelos fuzzy Takagi-Sugeno, permitindo trabalhar com plantas lineares e não lineares, ambas incluindo parâmetros incertos. Dessa forma, a estabilização quadrática possibilitou a obtenç... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: This work proposes linear matrix inequalities (LMIs) conditions for the design of robust controllers for dynamic systems of order α ∈ [0,1). The proposed controllers use the feedback of the state vector derivative of of order α ∈ [0,1), the so-called α -derivative feedback, and also the feedback of the state vector. The classical literature presents results that use the Lyapunov direct method and the quadratic stabilization in the design of the controllers for integer order systems. The theorems proposed in this work for fractional systems are sufficient conditions analogous to these results. This analogy is possible through the fractional extension, recently available in the literature, of the direct Lyapunov method and an upper bound for the a α ∈ [0,1) order derivative of the quadratic Lyapunov function, Dα V(x(t)). In this sense, the proposed LMIs for quadratic stabilization are analogous to the classical ones, since they do not depend on the order α ∈ [0,1) of the system. In particular, the focus of this work lies in the switched control, which deals with the minimization of the upper bound of Dα V(x(t)). The switched control dispenses the knowledge of the membership functions when using the Takagi-Sugeno fuzzy models, allowing to work with linear and nonlinear plants, both of them with uncertain parameters. Therefore, the quadratic stabilization allowed to obtain new results for the robust control problem of α ∈ [0,1) order systems, considering the main analogous resu... (Complete abstract click electronic access below) / Mestre

Orientador: Edvaldo Assunção / Resumo: Neste trabalho é proposta a resolução do problema do regulador linear quadrático (Linear Quadratic Regulator - LQR) via desigualdades matriciais lineares (Linear Matrix Inequalities - LMIs) para sistemas lineares e invariantes no tempo sujeitos a incertezas politópicas, bem como para sistemas lineares sujeitos a parâmetros variantes no tempo (Linear Parameter Varying - LPV). O projeto dos controladores é baseado na realimentação derivativa. A escolha da realimentação derivativa se dá devido à sua fácil implementação em certas aplicações como, por exemplo, no controle de vibrações. Os sinais usados na realimentação são aceleração e velocidade, sendo obtidos por meio de acelerômetros. Por meio do método proposto é possível obter condições LMIs para a síntese de controladores que garantam a estabilização do sistema em malha fechada, sendo que os controladores possuem desempenho otimizado. Para a formulação das condições LMIs, uma função de Lyapunov do tipo quadrática é utilizada. Exemplos teóricos e simulações são utilizados como forma de validação dos métodos propostos, além de mostrar que os novos resultados apresentam condições menos conservadoras. Além disso, ao final é apresentada uma implementação prática em um sistema de suspensão ativa, produzida pela Quanser®. / Abstract: The resolution of linear quadratic regulator (LQR) problem via linear matrix inequalities (LMIs) for linear time-invariant systems subject to polytopic uncertainties, as linear systems subjects to linear parameter varying (LPV), is proposed in this work. The controllers' designs are based on the state derivative feedback. The aim to the choice of the state derivative feedback is your easy implementation in a class of mechanical systems, such as in vibration control, for example. The signals used for feedback are acceleration and velocity, it is obtained by means of accelerometers. Through the proposed method it is possible to obtain LMIs conditions for the synthesis of controllers that guarantee the stabilisation of the closed-loop system, being that the controllers have optimised performance. For the LMIs conditions formulations, a Lyapunov function of type quadratic is used. As a form of validation, theoretical examples and simulations are performed, besides to show that the new results are less conservative. Furthermore, a practical implementation in an active suspension system, produced by Quanser®, is performed. / Mestre

Orientador: Marcelo Carvalho Minhoto Teixeira / Resumo: Nesta tese, utiliza-se um otimizador analógico não derivativo proposto por Teixeira & Żak em 1999 como principal ferramenta para os sistemas de controle dos projetos desenvolvidos. Tal otimizador é composto por blocos não lineares e pode ser classificado como um sistema neural artificial. Sistemas chaveados têm grande aplicação prática na otimização de sistemas e são caracterizados por possuírem subsistemas e uma lei de chaveamento que seleciona cada subsistema a cada momento. Deve-se definir condições para que seja possível projetar uma lei de chaveamento que atenda requisitos de projeto. O estudo de técnicas de controle extremal na solução de problemas de busca pelo rastreamento do máximo ponto de potência (do inglês: Maximum Power Point Tracking - MPPT), vem apresentando resultados interessantes na literatura e um tipo de sistema à qual essa técnica pode ser aplicada, é na geração fotovoltaica. Aplica-se o otimizador analógico citado na busca do MPPT de uma célula fotovoltaica, com o objetivo de observar o controle extremal atuando em um processo de otimização, estendendo o controle para quando existem variações de irradiação solar (cenário de uma possível passagem de nuvens). Também observa-se o comportamento do sistema quanto a manter seu correto funcionamento e estabilidade ultimate bounded. A contribuição principal desta tese foi uma nova proposta de utilização conjunta do otimizador de Teixeira & Żak no projeto de controladores ˙ chaveados baseados na minimização da d... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: On this thesis, a non-derivative analog optimizer, proposed by Teixeira & Żak in 1999, was used as the main tool for the proposed control system. Such optimizer is structured by nonlinear blocks and can be classified as an artificial neural system. Switched systems have great theoretical and practical application in systems optimization and are characterized by having subsystems, and a switching law that selects each subsystem at each moment. It is necessary to define conditions so that it is possible to design a switching law for the desired performance of the controlled system. The study of Extremum Seeking Control techniques in the solution of problems of Maximum Power Point Tracking has presented interesting results, and one type of system which this technique can be applied is in the photovoltaic generation. The analog optimizer is applied in the Maximum Power Point Tracking of a photovoltaic cell, with the objective of observing the actuation of the extremal seeking control in an optimization process, extending the control when there are solar irradiation variations (a possible clouds passage scenario). And also observe the behavior of the system and how to maintain its correct functioning and ultimate bounded stability. The main contribution of this thesis was a new procedure for using the mentioned analog optimizer in the design of switched controllers based on the minimization of the derivative of a Lyapunov function. This method allows the relaxed design of controll... (Complete abstract click electronic access below) / Doutor