Redes neurais aplicadas em estrategias de controle não linear

Orientador: Rubens Maciel FilhoTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia QuimicaResumo: As Redes Neurais Artificiais (RNA) são ferramentas computacionais, com um grande número de aplicações em técnicas de modelagem e controle de processos. Tal fato deve-se à sua capacidade em aprender com suficiente exatidão o comportamento do sistema, gerando modelos genéricos com potencial para projeto de controle não linear, quando equações do modelo são desconhecidas ou somente informações parciais de estados do processo estão disponíveis. Os modelos obtidos através de redes neurais permitem levar em consideração as não linearidades do processo, bem como as interações entre as suas variáveis. O trabalho desenvolvido explora o uso de redes neurais em estratégias de controle multivariável, enfatizando situações em que estas são utilizadas como modelos dinâmicos na geração de predições, bem como na definição de estratégias de controle totalmente baseadas em redes neurais com aprendizagem on-line. A aprendizagem on-line das redes utilizadas permite a sua adaptação continuamente ao longo do tempo, treinando-as em situações não abordadas na etapa de aprendizagem off-line. A aprendizagem oif-line das redes neurais é realizada a partir de um conjunto consistente de dados históricos de perturbações e respostas do processo, a qual deverá garantir, no mínimo, um desempenho satisfatória da rede neural, para a partida do sistema de controle. Explora-se também, a utilização de modelos estáticos do processo, baseados em redes neurais, acoplados à rotina de otimização on-line, objetivando identificar as melhores condições operacionais deste processo para atender especificações de referências preestabelecidas. Dentro deste contexto, foram desenvolvidas estratégias de controle multivariável explorando as potencial idades das redes neurais, seja como modelo de processos e/ou como controladores, enfatizando a aprendizagem on-line. Para o desenvolvimento deste trabalho foram implementados diversos programas computacionais, em linguagem de pragramação Fortran 90, relativos aos algoritmos de controle propostos/avaliados Os resultados alcançados mostram a eficiência das técnicas abordadas, comprovando o potencial do uso das redes neurais em estratégias de controleThe artificial neural networks are computational tools with a great number of applications in modeling techniques and process control. Such fact is due its capacity to learn sufficiently accurate models and give good nonlinear control when model equations are not known or only partial state information is available. Neural network approach allows taking into account in an elegant and adequate way process non-linearities as well as variable interactions. The developed work explores the use of the neural networks in multivariable control strategies as dynamic models for predictions as well as in the definition of the control strategy based on neural networks with on-line learning. The off-line learning of the neural networks is accomplished with a consistent group of historical data of perturbations and responses of the process, which should guarantee at least a satisfactory performance of the neural network for starting of the control system. It is also explored the use of static models of the process, based on neural networks, coupled with a on-line optimization routine, objectifying to identify the best operational conditions to attend specifications of the process. In this context, multivariable control strategies were developed exploring the potentialities of the neural networks as process model and/or as controllers, emphasizing the on-line learning. Several computational programs were implemented for the developrnent of this work in Fortran 90 language program relative to the control algorithms proposed and evaluated. The obtained results show the efficiency of the approached techniques, checking the potential of the use of the neural networks in control strategiesDoutoradoDoutor em Engenharia Químic

Aplicação de controle não-linear para veículos marítimos e produção de petróleo

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Pós-Graduação em Sistemas Mecatrônicos, Departamento de Engenharia Mecânica, 2014.O desenvolvimento de sistemas de controle vem abrangendo cada vez mais diferentes operações em campos de petróleo a fim de contornar os desafios recentes da indústria petrolífera. Nesta dissertação, uma abordagem de controle não-linear baseada na teoria de planicidade diferencial é apresentada em torno de questões práticas relacionadas ao posicionamento dinâmico de veículos marítimos e ao problema de otimização de produção em reservatórios sujeitos ao fenômeno do cone de água ou de gás. Dentro desse contexto, dois principais problemas na área de controle são discutidos: planejamento de trajetória e rastreamento de trajetória. A partir da noção de sistemas diferencialmente planos, esses problemas podem ser definidos em relação a um sistema linear controlável equivalente na forma canônica de Brunovsky, reduzindo os esforços no desenvolvimento da lei de controle ao se comparar a técnicas tradicionais da teoria de controle não-linear. Adicionalmente, como essa propriedade não é verificada em todos os sistemas dinâmicos abordados nesse manuscrito, conceitos de sistemas liouvilianos e de entradas planas são apresentados com o objetivo de adaptar sistemas não-diferencialmente planos de tal forma que estratégias de controle baseadas na planicidade diferencial possam ser utilizadas. A partir da modelagem matemática existente na literatura e da teoria de planicidade diferencial, esse trabalho descreve o projeto de controladores de rastreamento de trajetória para os seguintes sistemas: navio de superfície, veículo subaquático autônomo e o comportamento dinâmico da superfície livre em reservatórios sujeitos ao fenômeno do cone 2D. Para um conjunto de trajetórias de referência, os resultados obtidos através de simulações numéricas e testes experimentais avaliam a performance dos controladores mesmo na presença de perturbações externas. _______________________________________________________________________________________ ABSTRACTControl design is increasingly encompassing different operations in oil fields aiming to circumvent the recent challenges in oil and gas industry. In this work, a nonlinear control approach based on differential flatness theory is presented around practical issues concerning dynamic positioning of marine vehicles and optimization of oil production in reservoir subject to the phenomenon of water and gas coning. Within this context, two main problems in control theory are discussed here: motion planning and trajectory tracking. From the notion of differentially flat systems, these problems can be defined in relation to an equivalent controllable linear system in Brunovsky canonical form, reducing efforts on control law design over traditional techniques of nonlinear control theory. Additionally, as this property is not verified in all dynamic systems addressed in this manuscript, concepts of liouvillian systems and flat inputs are presented in order to adapt non-differentially flat systems so that control strategies based on differential flatness can be used. Based on the mathematical modeling from the existing literature and differential flatness theory, this manuscript describes the trajectory tracking control design for the following nonlinear systems: surface vessels, autonomous underwater vehicle and dynamic behavior of the free surface in reservoirs subject to the phenomenon of 2D cone. For a set of reference trajectories, the results obtained from numerical simulations and experimental tests evaluate the control performance, including in the presence of external disturbances

Desenvolvimento de técnicas de controle não linear para elevação de fluidos multifásicos

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Automação e Sistemas, Florianópolis, 2010O ambiente no fundo de poços de petróleo é hostil. Altas pressões e temperaturas freqüentemente combinadas com a presença de fluidos ácidos são um desafio para a instalação de instrumentação de fundo de poço. Além das condições do ambiente, há a dificuldade de prover limentação de energia para esses instrumentos e meios de comunicação com a superfície. Não menos importante é o desafio tecnológico da medição das vazões de água, óleo e gás em escoamento multifásico com técnicas não intrusivas e com baixa perda de pressão. Para completações em águas profundas e especialmente com a cabeça do poço instalada no fundo do mar (árvore de Natal molhada), uma operação para a troca de um instrumento de fundo de poço pode significar custos da ordem de até dezenas de milhões de dólares. Esta situação inibiu por muito tempo o desenvolvimento de instrumentação para fundo de poço e possivelmente foi um dos fatores que influenciou o baixo nível de pesquisa em modelos e técnicas de controle e automação da produção já que para controlar deve-se medir. Felizmente, nos últimos 10 anos, tem havido um grande desenvolvimento de instrumentos de medição e atuação para uso no fundo de poços. Paralelamente ao esforço na área de instrumentação tem havido avanços no desenvolvimento de técnicas de controle e automação para a produção de petróleo protagonizada pelas grandes empresas operadoras. As soluções propostas por cada empresa recebem diferentes enominações como Campo Inteligente, Poço Inteligente, Gerenciamento digital e Integrado da Produção, etc., mas, independente da denominação, consistem na aplicação de técnicas de controle, automação e otimização para o desenvolvimento de um campo de petróleo. Freqüentemente as soluções propostas são incipientes e utilizam heurísticas nas tomadas de decisões frente à falta de modelos representativos dos processos e da ausência de medição de todas as variáveis necessárias. Em alguns projetos recentes de desenvolvimento de campos de petróleo torna-se evidente que o avanço da tecnologia de instrumentação de fundo de poço atropelou o desenvolvimento de modelos e algoritmos de controle que não estão preparados para utilizar as novas medições e capacidade de atuação para a melhoria do controle dos processos de explotação. Nesses casos a empresa operadora depara-se com o problema de ter mais informação do que pode utilizar. Em algumas instalações modernas a quantidade de informação é tanta que a dificuldade é determinar quais dados armazenar e em que taxa de amostragem uma vez que existe uma percepção de que essas informações não estão sendo utilizadas em toda sua plenitude. O algoritmo de controle preditivo para sistemas não lineares desenvolvido neste trabalho pode utilizar praticamente qualquer tipo de modelo do processo já que obtém a representação linearizada do sistema de forma numérica. Esta característica deve permitir sua utilização no controle e otimização da explotação de reservatórios utilizando simulador de reservatório como modelo do processo. A dinâmica lenta das principais variáveis e parâmetros do reservatório permitem tempos de amostragem tão grande como dias ou até meses o que facilitaria a aplicação do algoritmo. Um dos primeiros instrumentos de medição desenvolvidos para instalação em fundo de poço foram os sensores para a medição de pressão e temperatura (PDG) que hoje são instalados em praticamente todos os novos poços marítimos no Brasil. O trabalho trata do desenvolvimento de modelos e técnicas de controle para elevação de fluidos multifásico abordando a elevação artificial por injeção contínua de gás (GLC) e a elevação de fluido em riser submarino. A elevação por GLC é um dos métodos de elevação artificiais mais utilizados no Brasil respondendo por mais de 70 % da produção do petróleo nacional. Os desenvolvimentos pressupõem que os poços operando via GLC disponham da medição da pressão e temperatura de fundo dos poços, da medição da vazão de injeção de gás e da existência de chokes de injeção de gás com atuação automática. As contribuições do trabalho são o o desenvolvimento de modelos para utilização na descrição fenomenológica, otimização e controle do processo de elevação por GLC, o desenvolvimento de um algoritmo de controle MPC distribuído, o desenvolvimento de um algoritmo MPC prático para sistemas não lineares, o aplicação de otimização e controle a um grupo de poços operando via GLC e o a aplicação de controle na operação de um riser submarino

Controle não linear robusto: um método baseado em uma linearização por realimentação

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia ElétricaEsta tese trata do problema de controle robusto de sistemas não lineares em relação a variações de parâmetros e/ou incertezas de modelo não estruturadas. Na concepção do controlador não linear robusto aqui proposto, são usadas técnicas de síntese linear H-infinito combinadas à linearização por realimentação robusta. Com esta linearização por realimentação particular, o sistema não linear é transformado em sua aproximação linear em torno de um ponto de operação. A seguir, o controlador linear para este sistema linearizado é obtido pelo método de síntese H-infinito de McFarlane-Glover com loop-shaping, o que permite definir as características de robustez e desempenho desejadas. A estabilidade robusta local do controlador não linear robusto assim definido é demonstrada teoricamente. Além disso, este controlador é avaliado em uma aplicação, a suspensão magnética com 4 pólos, na qual é feita uma comparação com dois outros métodos, e as suas vantagens são destacadas. Como o controlador proposto é restrito aos sistemas cujo estado é conhecido, uma maneira de estendê-lo a outros sistemas, através do uso de observadores de estado, é estudada. O controlador não linear robusto associado a observadores é avaliado em uma aplicação, a suspensão magnética com 1 pólo

Modelagem matemática e controle não linear de um veículo submersível operado de forma remota

TesisLas medidas de espesor ultrasónico de los cascos de buques y otras estructuras submarinas han creado una nueva y desafiante aplicación para la robótica y plantea varios desafíos de control generados por la no linealidad, los movimientos de acoplamiento, las incertidumbres en los parámetros hidrodinámicos y las fuerzas de perturbación. Este trabajo se centra en el desarrollo del control de posición y actitud del Vehículo Híbrido de Accionamiento Remoto (HROV) Proteo de la Universidad Federal do ABC (São Paulo, Brasil). En este trabajo se utilizó la metodología de control no lineal Equación de Riccati dependiente del Estado (SDRE) como un sistema de control único, que tiene en cuenta todos los estados de la dinámica del vehículo, las no linealidades, el acoplamiento y la incertidumbre al mismo tiempo. Asimismo, se modelaron las perturbaciones externas con la intención de verificar la capacidad del sistema de control para superar un problema que siempre se encuentra en entornos reales (fuerzas externas y momentos generados por las corrientes marinas). Este trabajo muestra los resultados obtenidos a partir de simulaciones numéricas del controlador desarrollado y también los resultados de las pruebas de la plataforma robótica Proteo en un tanque de agua. Como parte del diseño de control, en este trabajo se llevó a cabo la programación de la plataforma robótica Proteo proporcionando un sistema embebido que realiza la adquisición de datos, estimación de variables de estado, calcula acciones de control, actuadores activos, comunica posición y velocidad (de translación y rotación) a la tripulación y recibe referencias de posición y velocidad (de traslación y rotación) desde un ordenador externo. Para este ordenador externo también se realizó un programa que recibe señales desde un Joystick y envía al sistema embebido en la plataforma robótica.Beca CAPESTesi

Rede neural com dinâmica interna aplicada a problemas de identificação e controle não-linear /

Tese (Doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico

Controle não linear adaptativo com compensação de atriti de um manipulador scara com acionamento pneumático

Sistemas pneumáticos se tornaram cada vez mais presentes em vários segmentos do mercado e são amplamente utilizados na indústria, principalmente devido à sua facilidade de manutenção, baixo custo, segurança e aplicabilidade em diversos processos. O desenvolvimento contínuo da tecnologia conduziu a um aumento nas pesquisas relacionadas ao controle de sistemas de servoposicionamento pneumático, resultando em algoritmos que têm avançado na direção da disponibilização de controle mais preciso destes sistemas. O presente trabalho se propõe ao desenvolvimento de um manipulador tipo SCARA composto por dois atuadores rotativos e um prismático, todos pneumáticos. Estes dispositivos apresentam grandes não linearidades, que dificultam seu controle. Assim, visa-se no presente trabalho o desenvolvimento de um controlador baseado em um modelo que possa superar as principais dificuldades relacionadas a essas não linearidades, como o comportamento não linear da relação pressão-vazão na servoválvula, a dinâmica dos gases na aleta e as forças de atrito O principal objetivo dessa tese é propor uma estratégia de controle baseada na Lei do Torque Computado Adaptativo com compensação explícita do atrito que contemple as peculiaridades dinâmicas estruturais deste tipo de sistema com aplicação de controle de trajetória. O modelo matemático para o atuador pneumático rotativo proposto no âmbito do presente trabalho e utilizado na síntese desse controlador foi avaliado por meio de resultados de simulações e experimentos executados em um protótipo projetado e construído também no escopo do presente trabalho. Os resultados da aplicação do controlador proposto, operando em regime de seguimento de trajetórias contínuas indicam que a estratégia de controle do Torque Computado Adaptativo, em conjunto com o esquema de compensação explícita do atrito, leva o sistema a uma redução dos erros de seguimento de trajetória em posição quando comparado com as técnicas do Torque Computado com parâmetros fixos, Torque Computado com parâmetros fixos com compensação explícita do atrito e Torque Computado Adaptativo sem a compensação explícita do atrito.Pneumatic systems become increasingly present in different segments of the market and are widely used in industry, mainly due to their ease of maintenance, low cost, safety and applicability in various processes. The continued development of technology resulted in an increase in the research related to the control of pneumatic servo drive positioning systems, resulting in algorithms that have advanced in the direction of the availability of more precise control of these systems. This study has the purpose of to develop a type pneumatic driven SCARA manipulator that consists of a prismatic and two rotary actuators. These devices present highly nonlinear, which harder their control. Thus, the target of this work is to develop a controller based on a model that can overcome the main difficulties related to these nonlinearities, such as the nonlinear behavior of the pressure-flow ratio in the servo valve, the gas dynamics in the fin and friction. The main objective of this thesis is to propose a control strategy based on the Adaptive Computed Torque Law with explicit compensation of the friction that contemplates the structural dynamic peculiarities of this type of system with application of trajectory control The mathematical model for the rotary pneumatic actuator proposed in the present work and used in the synthesis of this controller was evaluated through simulations results and experiments executed in a prototype designed and also built in the scope of the present work. The results of the application of the proposed controller, operating in continuous trajectories tracking regime, indicate that the Adaptive Computed Torque control strategy, together with the explicit friction compensation scheme, leads the system to a reduction of the following errors trajectory in position when compared to techniques as Computed Torque with fixed parameters, Torque Computed with explicit friction compensation and Computed Torque Adaptive without explicit friction compensation

Controle não-linear de conversores de eletrônica de potência interconectados em microrredes de corrente contínua

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Automação e Sistemas, Florianópolis, 2014Demandas ambientais vão potencializar o uso de sistemas com energias renováveis em um futuro próximo. Neste contexto, microrredes (MR) de energia, tipicamente pequenas fontes geradoras próximas do usuário final, vêm surgindo como uma opção promissora para atender necessidades crescentes de geração de energia limpa, confiável e de qualidade. Para se fazer bom uso das vantagens propiciadas por uma microrrede, há a necessidade de um uso extensivo de conversores eletrônicos de potência para interligar diversos tipos de fontes geradoras, cargas e elementos de armazenamento, devido aos seus diferentes tipos de comportamento dinâmico. Este trabalho tem por objetivo principal estudar os problemas dinâmicos associados à interconexão de conversores de eletrônica de potência em microrredes de corrente contínua (CC). Em particular, quando um conversor é utilizado como carga de outro, simplificações de modelagem podem se tornar indesejadas e até omitir fenômenos dinâmicos durante a análise do sistema. Assim, problemas associados à modelagem das cargas são estudados bem como problemas de controle da tensão do barramento CC da MR. Problemas de estabilidade não-linear são tratados basicamente utilizando a teoria qualitativa dos sistemas dinâmicos e a análise de bifurcações. A redução do problema através da modelagem das cargas baseada nas características estáticas das cargas de potência constante cobra um papel importante para a análise da estabilidade do sistema. Resultados de simulação e experimentais permitem validar os resultados analíticos obtidos neste trabalho. As principais contribuições deste trabalho são: (i) a modelagem mais realista dos perfis de carga estáticos dos conversores buck e boost ao se comportarem como cargas de potência constante; (ii) o controle por modos deslizantes dos conversores interconectados e uma análise dinâmica completa do sistema utilizando a teoria de bifurcações; (iii) comprovação dos resultados analíticos obtidos pela realização de diversos cenários de simulação e experimentais.Abstract: Environmental demands are likely to increase the use of renewable energy-based systems in a close future. In this context, power microgrids, typically small power sources located close to the final user, arise as a promising option to cope with the growing needs of a clean, reliable and high quality energy. To make good use of the advantages provided by a microgrid, an extensive use of power electronic converters is required to interconnect several kinds of power generators, sources and energy storage units, due to their diferent types of dynamic behavior.The main purpose of this work is to study the dynamic problems associated to the interconnection of power electronic converters in a direct current (DC) microgrid. In particular, when a converter acts as a load to another, modeling simplications may become undesirable and even overlook dynamic phenomena during the system analysis. In this manner, problems associated to the loads modeling are studied, as well as problems related to the control of the microgrid's bus voltage. Nonlinear stability problems are studied using the qualitative theory of dynamical systems and bifurcation analysis. The reduction of the problem by modeling the loads' based on the static profile of constant power loads takes an important role on the stability analysis of the system. Simulation and experimental results provide means to validate the analytical results obtained in this work.The main contributions of this work are: (i) the realistic modeling of static load profiles for buck and boost converters behaving as constant power loads; (ii) the sliding mode control of the interconnected converters along with a complete dynamic analysis using bifurcations theory;(iii) validation of the analytical results by using several simulation and experimental scenarios

CONTROLE DE UMA AERONAVE FLEXÍVEL

A aviação civil e militar vem buscando ao longo dos anos uma modernização das aeronaves com vias a se ter dispositivos com maior capacidade de carga, menor peso estrutural e maior eficiência aerodinâmica. Com o surgimento dos chamados materiais compósitos (fibra de carbono, dentre outras) abrem-se novas possibilidades de se terem aeronaves mais sofisticadas e de diferentes comportamentos. Seguindo esta tendência, avaliou-se o comportamento de uma aeronave com características de grande flexibilidade, o avião B-1, o que influi na capacidade de voo da aeronave, com vias de utilização futura da mesma categoria de não tripulada. Assim, aplicou-se uma lei de controle não linear com a técnica do regulador integrativo universal que foi capaz de permitir que a aeronave percorra uma trajetória pré-estabelecida sem a necessidade de interferência humana. Foi feita formulação matemática da aeronave (dinâmica), lei de controle e simulações numéricas como forma de comprovar a eficácia e robustez da lei de controle adotada. Palavras-chaves: Aeronáutica, Aeronave flexível, Controle não linear, Regulador integrativo universal

Controle não linear de posição e vibração de manipuladores robóticos com juntas e elos flexíveis utilizando materiais inteligentes

This work presents the modeling and control of robotic manipulators with flexible characteristics, both joints as in the links. The mechanical model is obtained by Lagrangian formulation. Control strategy is considered as actuators DC motors (Direct Current) and actuators classified as smart materials such as shape memory alloy (SMA) and Magnetorheological brake (MR). The law of implemented control is based on optimal control techniques for dynamic systems, this control is given the name of SDRE control (State Dependent Ricatti Equation). To demonstrate the efficiency and control the stability of the numerical simulations are presented in three systems: the first demonstrates control of a robotic manipulator with two hard links, two flexible joints and adding torque control in the manipulator of the link through actuator MR. The second case concerns the control of a system with three links, one being flexible, rigid and two of two flexible joints, is used as actuators DC motors of the links and a coupled SMA actuator to the flexible beam. Aiming to validating the control position by DC motor and the influence of the flexible shaft in system dynamics a manipulator prototype with two rigid links and two flexible joints was made. Numerical and experimental results demonstrated the links positioning control efficiency through SDRE control and the influence of the flexible shaft in the dynamics of robotic manipulator.CAPES; CNPqNeste trabalho é apresentado a modelagem e controle de um manipulador robótico com características flexíveis tanto nas juntas como nos elos. A modelagem matemática é obtida através da formulação de Lagrange. Na estratégia de controle são considerados como atuadores os motores CC (Corrente Contínua) e atuadores classificados como materiais inteligentes como a Liga de Memória de Forma (LMF) e freio Magneto-Reológico (MR-Break). O controle SDRE (State Dependent Ricatti Equation) é utilizado como a lei de controle com base nas técnicas de controle ótimo para sistemas dinâmicos não lineares. Para demonstrar a eficiência e estabilidade do controle são apresentadas simulações numéricas considerando duas configurações distintas: a primeira demonstra o controle do manipulador robótico com dois elos rígidos, duas juntas flexíveis e utilizando controle de torque no elo do manipulador através de atuador MR. A segunda configuração trata do controle de um sistema com três elos, sendo um deles flexível, dois rígido e duas das juntas flexíveis, utilizam-se como atuadores os motores CC dos elos e um atuador LMF acoplado na viga flexível. Com o objetivo de validação o controle de posição através de motor CC e a influencia do eixo flexível na dinâmica do sistema um protótipo de manipulador com dois elos rígidos e duas juntas flexíveis foi confeccionado. Resultados numéricos e experimentais demonstraram a eficiência do controle de posicionamento dos elos através do controle SDRE e a influencia do eixo flexível na dinâmica do manipulador robótico