An Application of Symmetrical Optimum Method to Servo Systems with Variable Inertia

The paper presents an application of the Symmetrical Optimum method under the form of the Extended Symmetrical Optimum method to the design of controllers for servo systems with variable inertia. A brushless direct current servo system with variable inertia is considered as the plant. A proportional-integral controller is tuned for the speed control of this plant using the Extended Symmetrical Optimum method. The results are shown for four values of the moment of inertia and two variable reference input shapes

A survey on fractional order control techniques for unmanned aerial and ground vehicles

In recent years, numerous applications of science and engineering for modeling and control of unmanned aerial vehicles (UAVs) and unmanned ground vehicles (UGVs) systems based on fractional calculus have been realized. The extra fractional order derivative terms allow to optimizing the performance of the systems. The review presented in this paper focuses on the control problems of the UAVs and UGVs that have been addressed by the fractional order techniques over the last decade

Coupled System Identification, Flight Controller Design, and Wind Sensing Using KHawk Flying-Wing UAS

This dissertation focuses on new system and method development using KHawk flying-wing unmanned aircraft system (UAS) for system identification, controller design, and wind sensing applications. This dissertation attempts to provide a start to finish example for how to build and modify a low-cost remote controlled (R/C) aircraft for UAS research purposes, perform system identification to determine the dynamic aircraft model, design a robust lateral loop flight controller for disturbance rejection, estimate flow angles for stall detection, and measure wind data including both prevailing wind and turbulence. First, new design, building, and flight test procedures are provided for KHawk flying-wing UAS family including a series of small, low-cost, and durable UAS that can support atmospheric and aerospace researches. Next, a coupled system identification and robust controller design method is examined for the lateral loop of KHawk flying-wing UAS. A fractional order PID (FOPID) controller is also introduced and optimized for turbulence rejection using a genetic algorithm based multi-objective optimization approach. Then, a new stall detection method is introduced using a complimentary filter to determine the inertial angle of attack (AOA) of the UAS together with flight analysis of typical stall patterns of small flying-wing UAS. And finally, the developed KHawk flying wing UAS is used for prevailing wind and turbulence measurement while flying over a prescribed fire

Contributions to impedance shaping control techniques for power electronic converters

El conformado de la impedancia o admitancia mediante control para convertidores electrónicos de potencia permite alcanzar entre otros objetivos: mejora de la robustez de los controles diseñados, amortiguación de la dinámica de la tensión en caso de cambios de carga, y optimización del filtro de red y del controlador en un solo paso (co-diseño). La conformación de la impedancia debe ir siempre acompañada de un buen seguimiento de referencias. Por tanto, la idea principal es diseñar controladores con una estructura sencilla que equilibren la consecución de los objetivos marcados en cada caso. Este diseño se realiza mediante técnicas modernas, cuya resolución (síntesis del controlador) requiere de herramientas de optimización. La principal ventaja de estas técnicas sobre las clásicas, es decir, las basadas en soluciones algebraicas, es su capacidad para tratar problemas de control complejos (plantas de alto orden y/o varios objetivos) de una forma considerablemente sistemática. El primer problema de control por conformación de la impedancia consiste en reducir el sobreimpulso de tensión ante cambios de carga y minimizar el tamaño de los componentes del filtro pasivo en los convertidores DC-DC. Posteriormente, se diseñan controladores de corriente y tensión para un inversor DC-AC trifásico que logren una estabilidad robusta del sistema para una amplia variedad de filtros. La condición de estabilidad robusta menos conservadora, siendo la impedancia de la red la principal fuente de incertidumbre, es el índice de pasividad. En el caso de los controladores de corriente, el impacto de los lazos superiores en la estabilidad basada en la impedancia también se analiza mediante un índice adicional: máximo valor singular. Cada uno de los índices se aplica a un rango de frecuencias determinado. Finalmente, estas condiciones se incluyen en el diseño en un solo paso del controlador de un convertidor back-to-back utilizado para operar generadores de inducción doblemente alimentados (aerogeneradores tipo 3) presentes en algunos parques eólicos. Esta solución evita los problemas de oscilación subsíncrona, derivados de las líneas de transmisión con condensadores de compensación en serie, a los que se enfrentan estos parques eólicos. Los resultados de simulación y experimentales demuestran la eficacia y versatilidad de la propuesta.Impedance or admittance shaping by control for power electronic converters allows to achieve among other objectives: robustness enhancement of the designed controls, damped voltage dynamics in case of load changes, and grid filter and controller optimization in a single step (co-design). Impedance shaping must always be accompanied by a correct reference tracking performance. Therefore, the main idea is to design controllers with a simple structure that balance the achievement of the objectives set in each case. This design is carried out using modern techniques, whose resolution (controller synthesis) requires optimization tools. The main advantage of these techniques over the classical ones, i.e. those based on algebraic solutions, is their ability to deal with complex control problems (high order plants and/or several objectives) in a considerably systematic way. The first impedance shaping control problem is to reduce voltage overshoot under load changes and minimize the size of passive filter components in DC-DC converters. Subsequently, current and voltage controllers for a three-phase DC-AC inverter are designed to achieve robust system stability for a wide variety of filters. The least conservative robust stability condition, with grid impedance being the main source of uncertainty, is the passivity index. In the case of current controllers, the impact of higher loops on impedance-based stability is also analyzed by an additional index: maximum singular value. Each of the indices is applied to a given frequency range. Finally, these conditions are included in the one-step design of the controller of a back-to-back converter used to operate doubly fed induction generators (type-3 wind turbines) present in some wind farms. This solution avoids the sub-synchronous oscillation problems, derived from transmission lines with series compensation capacitors, faced by these wind farms. Simulation and experimental results demonstrate the effectiveness and versatility of the proposa

Advanced process control and relay auto-tuning

Ph.DDOCTOR OF PHILOSOPH

Complex-based controller for a three-phase inverter with an LCL filter connected to unbalanced grids

A new controller for a grid-connected inverter with an LCL filter is proposed in this paper. The system is described by its complex representation, and the controller is designed using the complex root locus method. The complex representation allows a considerable reduction in the order of the system, simplifying the design task and making it possible to use advanced techniques, such as the complex root locus. The new complex controller adds an extra degree of freedom that makes it possible to move the poles of the systems and to improve the stability and speed of response compared with the conventional controls. This paper includes a detailed discussion of the effect of the gains of the controller on the root locus. The proposal is validated with simulation and experimental results.Fil: Doria Cerezo, Arnau. Universidad Politécnica de Catalunya; EspañaFil: Serra, Federico Martin. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - San Luis. Instituto de Investigaciones en Tecnología Química. Universidad Nacional de San Luis. Facultad de Química, Bioquímica y Farmacia. Instituto de Investigaciones en Tecnología Química; ArgentinaFil: Bodson, Marc. University of Utah; Estados Unido

Robot Visual Servoing Using Discontinuous Control

This work presents different proposals to deal with common problems in robot visual servoing based on the application of discontinuous control methods. The feasibility and effectiveness of the proposed approaches are substantiated by simulation results and real experiments using a 6R industrial manipulator. The main contributions are: - Geometric invariance using sliding mode control (Chapter 3): the defined higher-order invariance is used by the proposed approaches to tackle problems in visual servoing. Proofs of invariance condition are presented. - Fulfillment of constraints in visual servoing (Chapter 4): the proposal uses sliding mode methods to satisfy mechanical and visual constraints in visual servoing, while a secondary task is considered to properly track the target object. The main advantages of the proposed approach are: low computational cost, robustness and fully utilization of the allowed space for the constraints. - Robust auto tool change for industrial robots using visual servoing (Chapter 4): visual servoing and the proposed method for constraints fulfillment are applied to an automated solution for tool changing in industrial robots. The robustness of the proposed method is due to the control law of the visual servoing, which uses the information acquired by the vision system to close a feedback control loop. Furthermore, sliding mode control is simultaneously used in a prioritized level to satisfy the aforementioned constraints. Thus, the global control accurately places the tool in the warehouse, but satisfying the robot constraints. - Sliding mode controller for reference tracking (Chapter 5): an approach based on sliding mode control is proposed for reference tracking in robot visual servoing using industrial robot manipulators. The novelty of the proposal is the introduction of a sliding mode controller that uses a high-order discontinuous control signal, i.e., joint accelerations or joint jerks, in order to obtain a smoother behavior and ensure the robot system stability, which is demonstrated with a theoretical proof. - PWM and PFM for visual servoing in fully decoupled approaches (Chapter 6): discontinuous control based on pulse width and pulse frequency modulation is proposed for fully decoupled position based visual servoing approaches, in order to get the same convergence time for camera translation and rotation. Moreover, other results obtained in visual servoing applications are also described.Este trabajo presenta diferentes propuestas para tratar problemas habituales en el control de robots por realimentación visual, basadas en la aplicación de métodos de control discontinuos. La viabilidad y eficacia de las propuestas se fundamenta con resultados en simulación y con experimentos reales utilizando un robot manipulador industrial 6R. Las principales contribuciones son: - Invariancia geométrica utilizando control en modo deslizante (Capítulo 3): la invariancia de alto orden definida aquí es utilizada después por los métodos propuestos, para tratar problemas en control por realimentación visual. Se apuertan pruebas teóricas de la condición de invariancia. - Cumplimiento de restricciones en control por realimentación visual (Capítulo 4): esta propuesta utiliza métodos de control en modo deslizante para satisfacer restricciones mecánicas y visuales en control por realimentación visual, mientras una tarea secundaria se encarga del seguimiento del objeto. Las principales ventajas de la propuesta son: bajo coste computacional, robustez y plena utilización del espacio disponible para las restricciones. - Cambio de herramienta robusto para un robot industrial mediante control por realimentación visual (Capítulo 4): el control por realimentación visual y el método propuesto para el cumplimiento de las restricciones se aplican a una solución automatizada para el cambio de herramienta en robots industriales. La robustez de la propuesta radica en el uso del control por realimentación visual, que utiliza información del sistema de visión para cerrar el lazo de control. Además, el control en modo deslizante se utiliza simultáneamente en un nivel de prioridad superior para satisfacer las restricciones. Así pues, el control es capaz de dejar la herramienta en el intercambiador de herramientas de forma precisa, a la par que satisface las restricciones del robot. - Controlador en modo deslizante para seguimiento de referencia (Capítulo 5): se propone un enfoque basado en el control en modo deslizante para seguimiento de referencia en robots manipuladores industriales controlados por realimentación visual. La novedad de la propuesta radica en la introducción de un controlador en modo deslizante que utiliza la señal de control discontinua de alto orden, i.e. aceleraciones o jerks de las articulaciones, para obtener un comportamiento más suave y asegurar la estabilidad del sistema robótico, lo que se demuestra con una prueba teórica. - Control por realimentación visual mediante PWM y PFM en métodos completamente desacoplados (Capítulo 6): se propone un control discontinuo basado en modulación del ancho y frecuencia del pulso para métodos completamente desacoplados de control por realimentación visual basados en posición, con el objetivo de conseguir el mismo tiempo de convergencia para los movimientos de rotación y traslación de la cámara . Además, se presentan también otros resultados obtenidos en aplicaciones de control por realimentación visual.Aquest treball presenta diferents propostes per a tractar problemes habituals en el control de robots per realimentació visual, basades en l'aplicació de mètodes de control discontinus. La viabilitat i eficàcia de les propostes es fonamenta amb resultats en simulació i amb experiments reals utilitzant un robot manipulador industrial 6R. Les principals contribucions són: - Invariància geomètrica utilitzant control en mode lliscant (Capítol 3): la invariància d'alt ordre definida ací és utilitzada després pels mètodes proposats, per a tractar problemes en control per realimentació visual. S'aporten proves teòriques de la condició d'invariància. - Compliment de restriccions en control per realimentació visual (Capítol 4): aquesta proposta utilitza mètodes de control en mode lliscant per a satisfer restriccions mecàniques i visuals en control per realimentació visual, mentre una tasca secundària s'encarrega del seguiment de l'objecte. Els principals avantatges de la proposta són: baix cost computacional, robustesa i plena utilització de l'espai disponible per a les restriccions. - Canvi de ferramenta robust per a un robot industrial mitjançant control per realimentació visual (Capítol 4): el control per realimentació visual i el mètode proposat per al compliment de les restriccions s'apliquen a una solució automatitzada per al canvi de ferramenta en robots industrials. La robustesa de la proposta radica en l'ús del control per realimentació visual, que utilitza informació del sistema de visió per a tancar el llaç de control. A més, el control en mode lliscant s'utilitza simultàniament en un nivell de prioritat superior per a satisfer les restriccions. Així doncs, el control és capaç de deixar la ferramenta en l'intercanviador de ferramentes de forma precisa, a la vegada que satisfà les restriccions del robot. - Controlador en mode lliscant per a seguiment de referència (Capítol 5): es proposa un enfocament basat en el control en mode lliscant per a seguiment de referència en robots manipuladors industrials controlats per realimentació visual. La novetat de la proposta radica en la introducció d'un controlador en mode lliscant que utilitza senyal de control discontínua d'alt ordre, i.e. acceleracions o jerks de les articulacions, per a obtindre un comportament més suau i assegurar l'estabilitat del sistema robòtic, la qual cosa es demostra amb una prova teòrica. - Control per realimentació visual mitjançant PWM i PFM en mètodes completament desacoblats (Capítol 6): es proposa un control discontinu basat en modulació de l'ample i la freqüència del pols per a mètodes completament desacoblats de control per realimentació visual basats en posició, amb l'objectiu d'aconseguir el mateix temps de convergència per als moviments de rotació i translació de la càmera. A més, es presenten també altres resultats obtinguts en aplicacions de control per realimentació visual.Muñoz Benavent, P. (2017). Robot Visual Servoing Using Discontinuous Control [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/90430TESI

Real-time flutter identification

The techniques and a FORTRAN 77 MOdal Parameter IDentification (MOPID) computer program developed for identification of the frequencies and damping ratios of multiple flutter modes in real time are documented. Physically meaningful model parameterization was combined with state of the art recursive identification techniques and applied to the problem of real time flutter mode monitoring. The performance of the algorithm in terms of convergence speed and parameter estimation error is demonstrated for several simulated data cases, and the results of actual flight data analysis from two different vehicles are presented. It is indicated that the algorithm is capable of real time monitoring of aircraft flutter characteristics with a high degree of reliability