2 research outputs found
Inversor eléctrico para sistemas de microgeração
Mestrado em Engenharia Electrónica e TelecomunicaçõesEsta dissertação tem como principal objectivo implementar o sistema
de controlo de um inversor DC-AC para sistemas de microgeração,
com capacidade de ligação à rede de distribuição,
baseado no hardware desenvolvido em anos anteriores.
Para realizar o controlo de todo o hardware foi desenvolvida uma
plataforma baseada no microcontrolador PIC32MX, um dispositivo
da recente gama de microcontroladores de 32-bit da Microchip.
A placa de desenvolvimento criada constitui uma plataforma
versátil para a prototipagem de sistemas embutidos, uma
vez que disponibiliza num módulo piggy-back todo o hardware
básico necessário à operação do microcontrolador, proporcionando
um início rápido do trabalho nesta arquitectura e um fácil
acesso a todos recursos do microcontrolador.
Sendo a plataforma base deste projecto um trabalho de continuidade,
foram sendo efectuadas diversas correcções nas placas
de circuito impresso do inversor pelo que, de modo a tornar o
trabalho futuro mais estável, desenvolveram-se novas PCB com
base na versão anterior destas. Estas apresentam alterações
fundamentalmente ao nível do sistema de alimentação e isolamento
das secções de potência e lógica de controlo.
Como elemento auxiliar ao desenvolvido do inversor, foi criado
um modelo em Simulink deste, que permite testar algoritmos de
controlo bem como analisar o comportamento na frequência do
sistema.This dissertation main purpose is the development of the control
system of a DC-AC inverter for renewable energy power sources.
The platform of the inverter is based on the previous years
developped hardware. The new control algorithm will allow the
inverter to operate in the grid-connected mode.
To implement all the hardware control, a development platform
based on the PIC32MX microcontroller, a recent device from the
32-bit Microchip microcontrollers family, was built. This platform
is very versatile for the embedded systems development process,
as it already includes in a small piggy-back module, all the required
hardware for the microcontroller operation, allowing a quick
start in this architecture and easy access to all the microcontroller’s
resources.
As this project base platform is a result of a continuous work
from previous years, over the time multiple fixes were made to
the printed circuit board. Therefore, to provide a more stable system
for the upcoming work, new PCBs were produced. This new
boards have improvements regarding the power supply section
and electric insulation between the power and logic sections of
the system.
As a support to the developed inverter, a Simulink model of it
was created, allowing the test of control algorithms and better
analysis of the frequency behaviour of the system
Modelação e controlo de sistemas com incertezas baseados em lógica difusa de tipo-2
Doutoramento em Engenharia EletrotécnicaA última fronteira da Inteligência Artificial será o desenvolvimento de
um sistema computacional autónomo capaz de "rivalizar" com a capacidade
de aprendizagem e de entendimento humana. Ainda que tal
objetivo não tenha sido até hoje atingido, da sua demanda resultam
importantes contribuições para o estado-da-arte tecnológico atual. A
Lógica Difusa é uma delas que, influenciada pelos princípios fundamentais
da lógica proposicional do raciocínio humano, está na base
de alguns dos sistemas computacionais "inteligentes" mais usados da
atualidade.
A teoria da Lógica Difusa é uma ferramenta fundamental na suplantação
de algumas das limitações inerentes à representação de informação
incerta em sistemas computacionais. No entanto esta apresenta
ainda algumas lacunas, pelo que diversos melhoramentos à teoria
original têm sido introduzidos ao longo dos anos, sendo a Lógica
Difusa de Tipo-2 uma das mais recentes propostas. Os novos graus de
liberdade introduzidos por esta teoria têm-se demonstrado vantajosos,
particularmente em aplicações de modelação de sistemas não-lineares
complexos. Uma das principais vantagens prende-se com o aumento
da robustez dos modelos assim desenvolvidos comparativamente àqueles
baseados nos princípios da Lógica Difusa de Tipo-1 sem implicar
necessariamente um aumento da sua dimensão. Tal propriedade é particularmente
vantajosa considerando que muitas vezes estes modelos
são utilizados como suporte ao desenvolvimento de sistemas de controlo
que deverão ser capazes de assegurar o comportamento ótimo
de um processo em condições de operação variáveis. No entanto, o
estado-da-arte da teoria de controlo de sistemas baseada em modelos
não tem integrado todos os melhoramentos proporcionados pelo desenvolvimento
de modelos baseados nos princípios da Lógica Difusa de
Tipo-2.
Por essa razão, a presente tese propõe-se a abordar este tópico desenvolvendo
uma metodologia de síntese de Controladores Preditivos
baseados em modelos Takagi-Sugeno seguindo os princípios da Lógica
Difusa de Tipo-2. De modo a cumprir este objetivo, quatro linhas de
investigação serão debatidas neste trabalho.Primeiramente proceder-se-á ao desenvolvimento de uma metodologia
de treino de Modelos Difusos de Tipo-2 simplificada, focada em dois
paradigmas: manter a clareza dos intervalos de incerteza introduzidos
sobre um Modelo Difuso de Tipo-1; assegurar a validade dos diversos
modelos localmente lineares que constituem a estrutura Takagi-
Sugeno, de modo a torná-los adequados a métodos de síntese de controladores
baseados em modelos.
O modelo desenvolvido é tipicamente utilizado para extrapolar o comportamento
do sistema numa janela temporal futura. No entanto,
quando usados em aproximações de sistemas não lineares, os modelos
do tipo Takagi-Sugeno estabelecem um compromisso entre exatidão e
complexidade computacional. Assim, é proposta a utilização dos princípios
da Lógica Difusa de Tipo-2 para reduzir a influência dos erros de
modelação nas estimações obtidas através do ajuste dos intervalos de
incerteza dos parâmetros do modelo.
Com base na estrutura Takagi-Sugeno, um método de linearização local
de modelos não-lineares será utilizado em cada ponto de funcionamento
do sistema de modo a obter os parâmetros necessários para a
síntese de um controlador otimizado numa janela temporal futura de
acordo com os princípios da teoria de Controlo Preditivo Generalizado -
um dos algoritmos de Controlo Preditivo mais utilizado na indústria. A
qualidade da resposta do sistema em malha fechada e a sua robustez a
perturbações serão então comparadas com implementações do mesmo
algoritmo baseadas em métodos de modelação mais simples.
Para concluir, o controlador proposto será implementado num
System-on-Chip baseado no core ARM Cortex-M4. Com o propósito
de facilitar a realização de testes de implementação de algoritmos
de controlo em sistemas embutidos, será apresentada também uma
plataforma baseada numa arquitetura Processor-In-the-Loop, que permitirá
avaliar a execução do algoritmo proposto em sistemas computacionais
com recursos limitados, aferindo a existência de possíveis
limitações antes da sua aplicação em cenários reais.
A validade do novo método proposto é avaliada em dois cenários de
simulação comummente utilizados em testes de sistemas de controlo
não-lineares: no Controlo da Temperatura de uma Cuba de Fermentação
e no Controlo do Nível de Líquidos num Sistema de Tanques
Acoplados. É demonstrado que o algoritmo de controlo desenvolvido
permite uma melhoria da performance dos processos supramencionados,
particularmente em casos de mudança rápida dos regimes de funcionamento
e na presença de perturbações ao processo não medidas.The development of an autonomous system capable of matching
human knowledge and learning capabilities embedded in a compact
yet transparent way has been one of the most sought milestones of
Artificial Intelligence since the invention of the first mechanical general
purpose computers. Such accomplishment is yet to come but, in its
pursuit, important contributions to the state-of-the-art of current technology
have been made. Fuzzy Logic is one of such, supporting some
of the most used frameworks for embedding human-like knowledge in
computational systems.
The theory of Fuzzy Logic overcame some of the difficulties that the
inherent uncertainty in information representations poses to the development
of computational systems. However, it does present some
limitations so, aiming to further extend its capabilities, several improvements
over its original formalization have been proposed over the
years such as Type-2 Fuzzy Logic - one of its most recent advances.
The additional degrees of freedom of Type-2 Fuzzy Logic are showing
greater potential to supplant its original counterpart, especially in
complex non-linear modeling tasks. One of its main outcomes is its
capability of improving the developed model’s robustness without necessarily
increasing its dimensionality comparatively to a Type-1 Fuzzy
Model counterpart. Such feature is particularly advantageous if one
considers these model as a support for developing control systems capable
of maintaining a process’s optimal performance over changing
operating conditions. However, state-of-the art model-based control
theory does not seem to be taking full advantage of the improvements
achieved with the development of Type-2 Fuzzy Logic based models.
Therefore, this thesis proposes to address this problem by developing a
Model Predictive Control system supported by Interval Type-2 Takagi-
Sugeno Fuzzy Models. To accomplish this goal, four main research
directions are covered in this work.Firstly, a simpler method for training a Type-2 Takagi-Sugeno Fuzzy
Model focused on two main paradigms is proposed: maintaining a
meaningful interpretation of the uncertainty intervals embedded over
an estimated Type-1 Fuzzy Model; ensuring the validity of several locally
linear models that constitute the Takagi-Sugeno structure in order
to make them suitable for model-based control approaches.
Based on the developed model, a multi-step ahead estimation of the
process behavior is extrapolated. However, as Takagi-Sugeno Fuzzy
Models establish a trade-off between accuracy and computational complexity
when used as a non-linear process approximation, it is proposed
to apply the principles of Type-2 Fuzzy Logic to reduce the influence
of modeling uncertainties on the obtained estimations by adjusting the
model parameters’ uncertainty intervals.
Supported by the developed Type-2 Takagi-Sugeno Fuzzy Model, a
locally linear approximation of each current operation point is used to
obtain the optimal control law over a prediction horizon according to
the principles of Generalized Predictive Control - one of the most used
Model Predictive Control algorithms in Industry. The improvements in
terms of closed loop tracking performance and robustness to unmodeled
operation conditions are then assessed comparatively to Generalized
Predictive Control implementations based on simpler modeling
approaches.
Ultimately, the proposed control system is implemented in a general
purpose System-on-a-Chip based on a ARM Cortex-M4 core. A
Processor-In-the-Loop testing framework, developed to support the implementation
of control loops in embedded systems, is used to evaluate
the algorithm’s turnaround time when executed in such computationally
constrained platform, assessing its possible limitations before deployment
in real application scenarios.
The applicability of the new methods introduced in this thesis is illustrated
in two simulated processes commonly used in non-linear control
benchmarking: the Temperature Control of a Fermentation Reactor
and the Liquid Level Control of a Coupled Tanks System. It is shown
that the developed control system achieves an improved closed loop
performance of the above mentioned processes, particularly in the cases
of quick changes in the operation regime and in presence of unmeasured
external disturbances