Based on the Lyapunov stability theorem, an optimal model reference adaptive control (OMRAC) scheme with perturbation estimation is presented in this thesis to solve robust tracking problems. The plant considered belongs to a class of MIMO perturbed dynamic systems with input nonlinearity and time varying delay in the state. The proposed control scheme contains three types of controllers. The first one is a linear feedback controller, which is an optimal controller if there is no perturbation. The second one is an adaptive controller, it is used for adapting the unknown upper bound of perturbation estimation error. The last one is the perturbation estimation mechanism. The property of uniformly ultimately boundness is proved under the proposed control scheme, and the effects of each design parameter on the dynamic performance is analyzed. Two numerical examples are given for demonstrating the feasibility of the proposed methodology.

A escolha do modelo de referência é a principal tarefa a ser executada pelo projetista em um projeto de controle por modelo de referência. Uma má escolha do modelo de referência pode resultar em um desempenho de malha fechada que tem pouca semelhança com o especificado e a malha fechada pode até ser instável. Neste trabalho, esse problema será discutido no controle de plantas multivariáveis. O resultado experimental em uma planta de controle de nível de três tanques mostra uma aparentemente correta, ainda que ingênua, escolha do modelo de referência levando a um desempenho muito pobre em malha fechada. O problema é, então, analisado, expondo a ingenuidade do exemplo. Começa-se por reconhecer as restrições fundamentais impostas pelo sistema e, em seguida, deriva-se diretrizes gerais que respeitam essas restrições, para uma escolha eficaz do modelo de referência em sistemas multivariáveis. Também é proporcionada uma nova formulação para calcular o grau relativo mínimo de cada elemento do modelo de referência sem a necessidade de um modelo completo da planta. A aplicação destas orientações em simulações e na planta de três tanques ilustra sua eficácia. / The choice of the reference model is the main task to be performed by the designer in a model reference control design. A poor choice of the reference model may result in a closed-loop performance that bears no resemblance to the specifications and the closedloop may even be unstable. In this work we discuss this issue in the control of multivariable plants. Experimental results in a three tank level control plant show a seemingly correct, yet naive, choice of reference model leading to very poor closed-loop performance. The problem is then analyzed, exposing the naivete of the design example. We start by recognizing the fundamental constraints imposed by the system and then deriving general guidelines respecting these contraints for the effective choice of the reference model in multivariable systems. We also provide a novel formulation to compute the minimal relative degree of each element of the reference model without needing a complete model of the plant. The application of these guidelines to simulations and the three tank plant illustrates their effectiveness.

In this thesis, a reversible Lotka-Volterra model was proposed to study the nonlinear oscillation of the Belousov-Zhabotinsky(BZ) reaction in a closed isothermal chemical system. The reaction zone can be divided into two zones, oscillation zone and transition zone, where the oscillation time and the transition time and the number of the complete oscillations are estimated. By applying the geometric singular perturbation method, it was proved that there exist an oscillation axis in the oscillation zone, a strongly stable two-dimensional invariant manifold in transition zone, on which there is also a one-dimensional stable invariant manifold, which is the part of the central axis. There is no oscillation in the vicinity of the equilibrium, as indicated by Onsager's reciprocal symmetry relation. Furthermore, the damped oscillation is studied in terms of the action-action-angle variables. In the end, the model reference control technique is employed to control the oscillation amplitude in the BZ reaction.

A escolha do modelo de referência é a principal tarefa a ser executada pelo projetista em um projeto de controle por modelo de referência. Uma má escolha do modelo de referência pode resultar em um desempenho de malha fechada que tem pouca semelhança com o especificado e a malha fechada pode até ser instável. Neste trabalho, esse problema será discutido no controle de plantas multivariáveis. O resultado experimental em uma planta de controle de nível de três tanques mostra uma aparentemente correta, ainda que ingênua, escolha do modelo de referência levando a um desempenho muito pobre em malha fechada. O problema é, então, analisado, expondo a ingenuidade do exemplo. Começa-se por reconhecer as restrições fundamentais impostas pelo sistema e, em seguida, deriva-se diretrizes gerais que respeitam essas restrições, para uma escolha eficaz do modelo de referência em sistemas multivariáveis. Também é proporcionada uma nova formulação para calcular o grau relativo mínimo de cada elemento do modelo de referência sem a necessidade de um modelo completo da planta. A aplicação destas orientações em simulações e na planta de três tanques ilustra sua eficácia. / The choice of the reference model is the main task to be performed by the designer in a model reference control design. A poor choice of the reference model may result in a closed-loop performance that bears no resemblance to the specifications and the closedloop may even be unstable. In this work we discuss this issue in the control of multivariable plants. Experimental results in a three tank level control plant show a seemingly correct, yet naive, choice of reference model leading to very poor closed-loop performance. The problem is then analyzed, exposing the naivete of the design example. We start by recognizing the fundamental constraints imposed by the system and then deriving general guidelines respecting these contraints for the effective choice of the reference model in multivariable systems. We also provide a novel formulation to compute the minimal relative degree of each element of the reference model without needing a complete model of the plant. The application of these guidelines to simulations and the three tank plant illustrates their effectiveness.

A escolha do modelo de referência é a principal tarefa a ser executada pelo projetista em um projeto de controle por modelo de referência. Uma má escolha do modelo de referência pode resultar em um desempenho de malha fechada que tem pouca semelhança com o especificado e a malha fechada pode até ser instável. Neste trabalho, esse problema será discutido no controle de plantas multivariáveis. O resultado experimental em uma planta de controle de nível de três tanques mostra uma aparentemente correta, ainda que ingênua, escolha do modelo de referência levando a um desempenho muito pobre em malha fechada. O problema é, então, analisado, expondo a ingenuidade do exemplo. Começa-se por reconhecer as restrições fundamentais impostas pelo sistema e, em seguida, deriva-se diretrizes gerais que respeitam essas restrições, para uma escolha eficaz do modelo de referência em sistemas multivariáveis. Também é proporcionada uma nova formulação para calcular o grau relativo mínimo de cada elemento do modelo de referência sem a necessidade de um modelo completo da planta. A aplicação destas orientações em simulações e na planta de três tanques ilustra sua eficácia. / The choice of the reference model is the main task to be performed by the designer in a model reference control design. A poor choice of the reference model may result in a closed-loop performance that bears no resemblance to the specifications and the closedloop may even be unstable. In this work we discuss this issue in the control of multivariable plants. Experimental results in a three tank level control plant show a seemingly correct, yet naive, choice of reference model leading to very poor closed-loop performance. The problem is then analyzed, exposing the naivete of the design example. We start by recognizing the fundamental constraints imposed by the system and then deriving general guidelines respecting these contraints for the effective choice of the reference model in multivariable systems. We also provide a novel formulation to compute the minimal relative degree of each element of the reference model without needing a complete model of the plant. The application of these guidelines to simulations and the three tank plant illustrates their effectiveness.

This study investigates the use of a Model Reference Adaptive Control (MRAC) direct approach to solve the attitude control problem of an Expendable Launch Vehicle (ELV) during its boost phase of flight. The adaptive autopilot design is based on Lyapunov Stability Theory and provides a useful means for controlling the ELV in the presence of environmental and dynamical uncertainties. Several different basis functions are employed to approximate the nonlinear parametric uncertainties in the system dynamics. The control system is designed so that the desire dresponse to a reference model would be tracked by the closed-loop system. The reference model is obtained via the feedback linearization technique applied to the nonlinear ELV dynamics. The adaptive control method is then applied to a representative ELV longitudinal motion, specifically the 6th flight of Atlas-Centaur launch vehicle (AC-6) in 1965. The simulation results presented are compared to that of the actual AC-6 post-flight trajectory reconstruction. Recommendations are made for modification and future applications of the method for several other ELV dynamics issues, such as control saturation, engine inertia, flexible body dynamics, and sloshing of liquid fuels.

Métodos de controle por modelo de referência, usualmente encontrados na literatura de controle baseado em dados, têm como principal característica a especificação do desempenho desejado em malha fechada através de um modelo de referência. Estes métodos são, no entanto, comumente desenvolvidos para tratar o problema de seguimento de referência, em detrimento do comportamento relativo à perturbação de carga. Nesse sentido, recentemente foi desenvolvido o método de controle baseado em dados Virtual Disturbance Feedback Tuning – VDFT, que pode ser interpretado como um método de controle por modelo de referência para perturbação, em que o controlador é sintonizado para alcançar em malha fechada o comportamento regulatório especificado. A escolha no entanto do modelo de referência para perturbação mostra-se desafiadora, especialmente considerando o cenário em que pouca ou nenhuma informação sobre o modelo paramétrico do sistema está disponível. Dessa forma, este trabalho tem como objetivo estudar o impacto da escolha deste modelo sobre a sintonia do controlador utilizando o método VDFT e propor uma abordagem sistemática para lidar com essa variável de projeto. A solução aqui concebida é a de flexibilizar o modelo de referência para perturbação e identificar parte do seu numerador juntamente aos parâmetros do controlador que, associada a um conjunto de diretivas de projeto, permitem aproximar o comportamento em malha fechada do inicialmente especificado. Esse resultado viabiliza a utilização do método VDFT com critério flexível no contexto de uma estrutura hierárquica de controle, em que uma malha externa de controle preditivo é associada à malha de controle por VDFT, evitando a etapa de identificação de um modelo para o processo. Por fim, a formulação do método VDFT, assim como sua adaptação flexível, é estendida a fim de levar em conta processos multivariáveis. Experimentos e resultados em simulação ilustram as contribuições deste trabalho. / Model reference control methods, usually found within data-based control literature, have as main feature the specification of the desired closed-loop performance through a reference model. These methods are however commonly developed to address the set point tracking problem, to the disadvantage of load disturbance rejection. In this sense, the data-based control method Virtual Disturbance Feedback Tuning – VDFT was recently developed, which could be interpreted as a model reference control method for disturbance, in which the controller is tuned in order to reach in closed-loop the specified regulatory behavior. Nonetheless, the choice of the disturbance reference model is challenging, especially considering the scenario where little or no information on the process’ parametric model is available. This work aims therefore to study the impact of the disturbance reference model choice on the controller tuning using the VDFT method and to propose a systematic approach to deal with this design variable. The solution here conceived is to loosen the disturbance reference model and identify part of its numerator along with the controller parameters, which, associated with a set of design directions, allow the closed-loop behavior to be drawn closer to the one initially specified. This result enables the use of the VDFT method with flexible criterion in the context of a hierarchical control structure, in which an external predictive control loop is associated to the VDFT control loop, avoiding thus the identification of a process model. Finally, VDFT method’s formulation, as well as its flexible adaptation, is extended in order to take into account multivariable processes. Experiments and simulation results illustrate the contributions of this work.

The traveling wave ultrasonic motor is considered for use in haptic devices where a certain input-output relation is desired between the applied force and the resulting motion. Historically, DC motors have been the standard choice for this purpose. Owing to its unique characteristics, the ultrasonic motors have been considered an attractive alternative. However, there are some limitations when using the ultrasonic motor for force-feedback applications. In particular, direct torque control is difficult, and the motor can only supply torque in the direction of motion. To accommodate these limitations we developed an indirect control approach. The experimental results demonstrate that the model reference control method was able to approximate a second order spring-damper system.

Métodos de controle por modelo de referência, usualmente encontrados na literatura de controle baseado em dados, têm como principal característica a especificação do desempenho desejado em malha fechada através de um modelo de referência. Estes métodos são, no entanto, comumente desenvolvidos para tratar o problema de seguimento de referência, em detrimento do comportamento relativo à perturbação de carga. Nesse sentido, recentemente foi desenvolvido o método de controle baseado em dados Virtual Disturbance Feedback Tuning – VDFT, que pode ser interpretado como um método de controle por modelo de referência para perturbação, em que o controlador é sintonizado para alcançar em malha fechada o comportamento regulatório especificado. A escolha no entanto do modelo de referência para perturbação mostra-se desafiadora, especialmente considerando o cenário em que pouca ou nenhuma informação sobre o modelo paramétrico do sistema está disponível. Dessa forma, este trabalho tem como objetivo estudar o impacto da escolha deste modelo sobre a sintonia do controlador utilizando o método VDFT e propor uma abordagem sistemática para lidar com essa variável de projeto. A solução aqui concebida é a de flexibilizar o modelo de referência para perturbação e identificar parte do seu numerador juntamente aos parâmetros do controlador que, associada a um conjunto de diretivas de projeto, permitem aproximar o comportamento em malha fechada do inicialmente especificado. Esse resultado viabiliza a utilização do método VDFT com critério flexível no contexto de uma estrutura hierárquica de controle, em que uma malha externa de controle preditivo é associada à malha de controle por VDFT, evitando a etapa de identificação de um modelo para o processo. Por fim, a formulação do método VDFT, assim como sua adaptação flexível, é estendida a fim de levar em conta processos multivariáveis. Experimentos e resultados em simulação ilustram as contribuições deste trabalho. / Model reference control methods, usually found within data-based control literature, have as main feature the specification of the desired closed-loop performance through a reference model. These methods are however commonly developed to address the set point tracking problem, to the disadvantage of load disturbance rejection. In this sense, the data-based control method Virtual Disturbance Feedback Tuning – VDFT was recently developed, which could be interpreted as a model reference control method for disturbance, in which the controller is tuned in order to reach in closed-loop the specified regulatory behavior. Nonetheless, the choice of the disturbance reference model is challenging, especially considering the scenario where little or no information on the process’ parametric model is available. This work aims therefore to study the impact of the disturbance reference model choice on the controller tuning using the VDFT method and to propose a systematic approach to deal with this design variable. The solution here conceived is to loosen the disturbance reference model and identify part of its numerator along with the controller parameters, which, associated with a set of design directions, allow the closed-loop behavior to be drawn closer to the one initially specified. This result enables the use of the VDFT method with flexible criterion in the context of a hierarchical control structure, in which an external predictive control loop is associated to the VDFT control loop, avoiding thus the identification of a process model. Finally, VDFT method’s formulation, as well as its flexible adaptation, is extended in order to take into account multivariable processes. Experiments and simulation results illustrate the contributions of this work.