Mathematical modeling and control of population systems: Applications in biological pest control

The aim of this paper is to apply methods from optimal control theory, and from the theory of dynamic systems to the mathematical modeling of biological pest control. The linear feedback control problem for nonlinear systems has been formulated in order to obtain the optimal pest control strategy only through the introduction of natural enemies. Asymptotic stability of the closed-loop nonlinear Kolmogorov system is guaranteed by means of a Lyapunov function which can clearly be seen to be the solution of the Hamilton-Jacobi-Bellman equation, thus guaranteeing both stability and optimality. Numerical simulations for three possible scenarios of biological pest control based on the Lotka-Volterra models are provided to show the effectiveness of this method. (c) 2007 Elsevier B.V. All rights reserved.

On control and synchronization in chaotic and hyperchaotic systems via linear feedback control

This paper presents the control and synchronization of chaos by designing linear feedback controllers. The linear feedback control problem for nonlinear systems has been formulated under optimal control theory viewpoint. Asymptotic stability of the closed-loop nonlinear system is guaranteed by means of a Lyapunov function which can clearly be seen to be the solution of the Hamilton-Jacobi-Bellman equation thus guaranteeing both stability and optimality. The formulated theorem expresses explicitly the form of minimized functional and gives the sufficient conditions that allow using the linear feedback control for nonlinear system. The numerical simulations were provided in order to show the effectiveness of this method for the control of the chaotic Rossler system and synchronization of the hyperchaotic Rossler system. (C) 2007 Elsevier B.V. All rights reserved.

An Optimal Linear Control Design for Nonlinear Systems

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Oscillating holograms recorded in photorefractive crystals by a frequency detuned feedback loop

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

New approach of induction machine drive using an adaptive digital PID controller with gain planning based on artificial neural networks

The present work introduces a new strategy of induction machines speed adjustment using an adaptive PID (Proportional Integral Derivative) digital controller with gain planning based on the artificial neural networks. This digital controller uses an auxiliary variable to determine the ideal induction machine operating conditions and to establish the closed loop gain of the system. The auxiliary variable value can be estimated from the information stored in a general-purpose artificial neural network based on CMAC (Cerebellar Model Articulation Controller).

A contribution for nonlinear structural dynamics characterization of cantilever beams

Successful experiments in nonlinear vibrations have been carried out with cantilever beams under harmonic base excitation. A flexible slender cantilever has been chosen as a convenient structure to exhibit modal interactions, subharmonic, superharmonic and chaotic motions, and others interesting nonlinear phenomena. The tools employed to analyze the dynamics of the beam generally include frequency- and force-response curves. To produce force-response curves, one keeps the excitation frequency constant and slowly varies the excitation amplitude, on the other hand, to produce frequency-response curves, one keeps the excitation amplitude fixed and slowly varies the excitation frequency. However, keeping the excitation amplitude constant while varying the excitation frequency is a difficult task with an open-loop measurement system. In this paper, it is proposed a closed-loop monitor vibration system available with the electromagnetic shaker in order to keep the harmonic base excitation amplitude constant. This experimental setup constitutes a significant improvement to produce frequency-response curves and the advantages of this setup are evaluated in a case study. The beam is excited with a periodic base motion transverse to the axis of the beam near the third natural frequency. Modal interactions and two-period quasi-periodic motion are observed involving the first and the third modes. Frequency-response curves, phase space and Poincaré map are used to characterize the dynamics of the beam.

H ∞ state feedback control of discrete-time Markov jump linear systems through linear matrix inequalities

This paper addresses the H ∞ state-feedback control design problem of discretetime Markov jump linear systems. First, under the assumption that the Markov parameter is measured, the main contribution is on the LMI characterization of all linear feedback controllers such that the closed loop output remains bounded by a given norm level. This results allows the robust controller design to deal with convex bounded parameter uncertainty, probability uncertainty and cluster availability of the Markov mode. For partly unknown transition probabilities, the proposed design problem is proved to be less conservative than one available in the current literature. An example is solved for illustration and comparisons. © 2011 IFAC.

Implementação de um controlador PID embarcado para o controle em malha fechada de um estimulador neuromuscular funcional

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Eletroestimulador funcional de oito canais com malha de realimentação utilizando Controlador Digital

Pós-graduação em Engenharia Elétrica - FEIS

Controle de movimentos de pacientes paraplégicos utilizando modelos fuzzy T-S

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Sistema eletrônico para geração e avaliação de movimentos em paraplégicos

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Implementação e testes de campo de um ESP digital

Neste trabalho é apresentado o desenvolvimento e os resultados da implementação e testes em campo de um estabilizador de sistema de potência (ESP) projetado com técnica de controle digital para fins de amortecimento de modos de oscilação eletromecânica observáveis em sinais de potência elétrica medido em uma unidade hidro-geradora, de 350 MVA da Usina Hidrelétrica de Tucuruí. É apresentada e aplicada a metodologia de identificação de modelos paramétricos lineares do tipo auto regressivo com entradas exógenas (ARX), para estimação de modelos com capacidade de capturar a informação relevante (amortecimento e freqüência natural) dos modos eletromecânicos dominantes do sistema. De posse do modelo paramétrico ARX, é efetuada então a síntese da lei de controle digital amortecedor para o ESP, através da técnica de deslocamento radial dos pólos da função de transferência de malha fechada. Para a síntese da lei de controle digital, utilizou-se uma estrutura canônica do tipo RST. Para os testes de campo, a lei de controle amortecedor do ESP digital foi codificada em linguagem C e embarcada em um protótipo cujo hardware é baseado em microcontrolador modelo DSPIC 30F3014, o qual incorpora um grande número de periféricos para aquisição e comunicação de dados. Para avaliar o desempenho do ESP digital desenvolvido, testes experimentais foram realizados em uma unidade geradora de 350 MVA da casa de força número 1, da UHE de Tucuruí. O estabilizador desenvolvido atua através da modulação da referência de tensão do regulador automático de tensão da respectiva unidade geradora, de acordo com as oscilações observadas através da medida de potência elétrica no estator do gerador. Os resultados de testes de campo mostraram um excelente desempenho do ESP digital no amortecimento de um modo eletromecânico, de freqüência natural de aproximadamente 1,7 Hz, observado nos teste de campo realizado.

Modelagem e controle de uma incubadora neonatal

Este trabalho apresenta uma introdução sobre a história da neonatologia, a conceituação e a modelagem matemática do sistema térmico de uma incubadora neonatal, contendo a relação da mesma com um recém-nascido quanto a trocas térmicas, a partir da primeira lei da termodinâmica. É apresentado o método que foi utilizado para a linearização (Séries de Taylor) e os pontos de operação calculados para o sistema linear obtido no formato de espaço de estados, e a partir deste foi obtida uma representação em função de transferência. A partir da modelagem matemática do sistema, foi realizado um teste em malha aberta para verificar as características do mesmo, como estabilidade, constante de tempo e convergência para um valor final desejado, e como o sistema real opera em malha fechada, foi também realizado um teste com o sistema nesta configuração contendo um ganho unitário de malha. O comportamento do sistema não linear foi comparado ao do sistema linearizado através de suas curvas de resposta temporal a uma entrada degrau para a verificação da validade da representação linear, e após a sua validação, diagramas de bode foram gerados para diferentes parâmetros do modelo, para observar-se o efeito desta variação no comportamento dinâmico da planta, e foi percebido que o comportamento do modelo não é alterado de forma substancial para a variação dentro das faixas verificadas. Um controlador proporcional e integral (PI) foi então projetado para a eliminação do erro de regime permanente presente resposta temporal do sistema.. Testes sob diversas condições de operação foram realizados no sistema linear assim como as curvas de variação de temperatura foram obtidas com o controlador aplicado no modelo não linear, sendo os resultados considerados satisfatórios para este tipo de aplicação. Este trabalho foi realizado com o auxílio da ferramenta computacional Simulink do software Matalb®.

Estudo e desenvolvimento de um protótipo para redução da interferência de modo comum usando balanceamento dinâmico de impedância aplicado em biosensores e sensores eletroresistivos

A interferência eletromagnética causada pela linha de energia elétrica afeta negativamente os sinais de instrumentos eletrônicos, especialmente aqueles com baixos níveis de amplitude. Este tipo de interferência é conhecida como interferência de modo comum. Existem muitos métodos e arquiteturas utilizadas para minimizar a influência deste fenômeno de interferência em instrumentos eletrônicos, o mais comum dos quais é a utilização de filtros rejeita banda. Este trabalho apresenta: a análise, desenvolvimento, protótipo e teste de uma nova arquitetura de filtro com característica reconfigurável para instrumentos biomédicos e medição de dados de fluxo em fluido de alta complexidade, com objetivo de reduzir a interferência de modo comum e preservar as componentes do sinal útil na mesma faixa de frequência do ruído, utilizando a técnica de equilíbrio dinâmico de impedância. Além disso, este trabalho pode ser usado em qualquer sistema de medição que também sofra interferência na frequência da linha de alimentação (50/60 Hz, no Brasil e na França, 60 Hz nos Estados Unidos da América). Os blocos de circuitos foram modelados matematicamente e a função de transferência global do circuito fechado foi gerada. Em seguida, o projeto foi descrito e simulado na língua VHDL_AMS e também em um software de simulação eletrônica, usando blocos de componentes discretos, com e sem realimentação. Após análise teórica dos resultados da simulação, um circuito protótipo foi construído e testado usando como entrada um sinal obtido a partir de eletrodos de ECG e Eletrodos Eletroresistivos. Os resultados experimentais do circuito condizem com os da simulação: uma redução de ruído de 98,7% foi obtida em simulações utilizando um sinal sinusoidal, e uma redução de 92% foi realizada utilizando eletrodos de ECG em testes experimentais. Os mesmos testes em eletrodos Eletroresistivos, obtendo o maior valor de 80,3% de redução (durante análise de 3 casos). Em ambos os casos, o sinal útil foi preservado. O método e a sua arquitetura pode ser aplicado para atenuar as interferências que ocorrem na mesma banda de frequência das componentes do sinal útil, preservando ao mesmo tempo estes sinais.

Comparação de métodos baseados em algoritmos genéticos para ajuste coordenado de estabilizadores de sistemas de potência

Essa dissertação de mestrado apresenta um estudo comparativo entre três metodologias baseadas em algoritmos genéticos para ajuste coordenado de estabilizadores de sistemas de potência (ESP). Os procedimentos de ajuste do ESP são formulados como um problema de otimização, a fim de: 1) maximizar o coeficiente de amortecimento mínimo do sistema em malha fechada; 2) maximizar o somatório de todos os coeficientes de amortecimento do sistema em malha fechada; e 3) deslocar os modos eletromecânicos poucos amortecidos ou mal amortecidos para uma zona pré-escrita no plano s. As três metodologias consideram um conjunto de condições de operacionais pré-especificadas. O sistema elétrico foi representado por equações no espaço de estado e as matrizes associadas com a modelagem foram obtidas por meio da versão acadêmica do programa PacDyn. As simulações foram realizadas usando o MATLAB. As metodologias foram aplicadas no conhecido sistema teste New England.