Advanced Control Strategies for a 6 DoF Hydraulic Parallel Robot Based on the Dynamic Model

Nowadays robots have made their way into real applications that were prohibitive and unthinkable thirty years ago. This is mainly due to the increase in power computations and the evolution in the theoretical field of robotics and control. Even though there is plenty of information in the current literature on this topics, it is not easy to find clear concepts of how to proceed in order to design and implement a controller for a robot. In general, the design of a controller requires of a complete understanding and knowledge of the system to be controlled. Therefore, for advanced control techniques the systems must be first identified. Once again this particular objective is cumbersome and is never straight forward requiring of great expertise and some criteria must be adopted. On the other hand, the particular problem of designing a controller is even more complex when dealing with Parallel Manipulators (PM), since their closed-loop structures give rise to a highly nonlinear system. Under this basis the current work is developed, which intends to resume and gather all the concepts and experiences involve for the control of an Hydraulic Parallel Manipulator. The main objective of this thesis is to provide a guide remarking all the steps involve in the designing of advanced control technique for PMs. The analysis of the PM under study is minced up to the core of the mechanism: the hydraulic actuators. The actuators are modeled and experimental identified. Additionally, some consideration regarding traditional PID controllers are presented and an adaptive controller is finally implemented. From a macro perspective the kinematic and dynamic model of the PM are presented. Based on the model of the system and extending the adaptive controller of the actuator, a control strategy for the PM is developed and its performance is analyzed with simulation.

Accurate Analysis of Subharmonic Oscillations of V^2 and V^2Ic Controls Applied to Buck Converter

V2Ic control provides very fast dynamic performance to the Buck converter both under load steps and under voltage reference steps. However, the design of this control is complex since it is prone to subharmonic oscillations and several parameters affect the stability of the system. This paper derives and validates a very accurate modeling and stability analysis of a closed-loop V2Ic control using the Floquet theory. This allows the derivation of sensitivity analysis to design a robust converter. The proposed methodology is validated on a 5-MHz Buck converter. The work is also extended to V2 control using the same methodology, showing high accuracy and robustness. The paper also demonstrates, on the V2 control, that even a low bandwidth-linear controller can affect the stability of a ripple-based control.

Modeling the Real-Time Use of Reserves in the Joint Energy and Reserve Hourly Scheduling of a Pumped Storage Plant

This paper studies the impact that different approaches of modeling the real-time use of the secondary regulation reserves have in the joint energy and reserve hourly scheduling of a price-taker pumped-storage hydropower plant. The unexpected imbalance costs due to the error between the forecasted real-time use of the reserves and the actual value are also studied and evaluated for the different approaches. The proposed methodology is applied to a daily-cycle and closed-loop pumped-storage hydropower plant. Preliminary results show that the deviations in the water volume at the end of the day are important when the percentage of the real-time use of reserves is unknown in advance, and also that the total income in all approaches after correcting these deviations is significantly lower than the maximum theoretical income.

Estratégia de diversificação e coordenação em cadeias da sociobiodiversidade

O presente trabalho trata da relação entre estratégias de diversificação junto a produção rural familiar e os incentivos decorrentes das diferentes estruturas de governança que determinam as relações sistêmicas de troca e divisão do trabalho. A necessidade de manutenção no nível de bem-estar social associado a renda familiar e as contingências do ambiente em que este segmento se insere leva a considerar o processo de inovação como fenômeno transitório onde a firma rural adote diferentes fontes de rendimento, dentro e fora da propriedade. A compreensão de como as variáveis transacionais (incerteza, especificidade dos ativos, frequência e interação entre transações) interferem na decisão de alocação de recursos pode ser útil no delineamento de políticas voltadas ao desenvolvimento local sustentável. Para isso, um modelo heurístico é proposto relacionando duas variáveis: complementariedade estratégica e mobilidade. Quatro comunidades fornecedoras de insumos da sociobiodiversidade brasileira ajudam a ilustrar a proposta analítica, a saber: Salvaterra, Bragança, Breves, no estado do Pará, e Palmeira do Piauí no estado do Piauí. A conclusão é que os atores econômicos agem conforme suas capacidades tecnológicas e gerenciais e combinação de incentivos externos a firma, o que reflete em sua capacidade de manter o nível de renda.

Desenvolvimento de um controlador preditivo estocástico para processos da indústria química.

O sucesso de estratégias de controle preditivo baseado em modelo (MPC, na sigla em inglês) tanto em ambiente industrial quanto acadêmico tem sido marcante. No entanto, ainda há diversas questões em aberto na área, especialmente quando a hipótese simplificadora de modelo perfeito é abandonada. A consideração explícita de incertezas levou a importantes progressos na área de controle robusto, mas esta ainda apresenta alguns problemas: a alta demanda computacional e o excesso de conservadorismo são questões que podem ter prejudicado a aplicação de estratégias de controle robusto na prática. A abordagem de controle preditivo estocástico (SMPC, na sigla em inglês) busca a redução do conservadorismo através da incorporação de informação estatística dos ruídos. Como processos na indústria química sempre estão sujeito a distúrbios, seja devido a diferenças entre planta e modelo ou a distúrbios não medidos, está técnica surge como uma interessante alternativa para o futuro. O principal objetivo desta tese é o desenvolvimento de algoritmos de SMPC que levem em conta algumas das especificidades de tais processos, as quais não foram adequadamente tratadas na literatura até o presente. A contribuição mais importante é a inclusão de ação integral no controlador através de uma descrição do modelo em termos de velocidade. Além disso, restrições obrigatórias (hard) nas entradas associadas a limites físicos ou de segurança e restrições probabilísticas nos estados normalmente advindas de especificações de produtos também são consideradas na formulação. Duas abordagens foram seguidas neste trabalho, a primeira é mais direta enquanto a segunda fornece garantias de estabilidade em malha fechada, contudo aumenta o conservadorismo. Outro ponto interessante desenvolvido nesta tese é o controle por zonas de sistemas sujeitos a distúrbios. Essa forma de controle é comum na indústria devido à falta de graus de liberdade, sendo a abordagem proposta a primeira contribuição da literatura a unir controle por zonas e SMPC. Diversas simulações de todos os controladores propostos e comparações com modelos da literatura são exibidas para demonstrar o potencial de aplicação das técnicas desenvolvidas.

Unidade microcontroladora para gerenciamento eletrônico de um motor de combustão interna ciclo Otto.

Nas últimas décadas, a indústria automobilística mundial vem investindo no desenvolvimento tecnológico dos motores, com o objetivo de alcançar melhor eficiência energética e atender às legislações que limitam a quantidade de resíduos tóxicos nos gases de exaustão e menor consumo de combustível. Isso resultou na implantação dos sistemas de gerenciamento eletrônico do motor, que possibilitam funcionalidades para se controlar diversas variáveis do motor, aumentando consideravelmente o rendimento do motor. Este trabalho tem como objetivos explorar a dinâmica de um motor de combustão interna ciclo Otto, os sinais elétricos associados, e os componentes de seu gerenciamento eletrônico. A partir dessas informações, o trabalho apresenta o processo de analise dos sinais elétricos e as estratégias de controle utilizadas em um sistema de gerenciamento real. Assim, são desenvolvidos o hardware e o firmware de uma unidade microcontroladora para gerenciamento eletrônico do motor. O hardware foi elaborado com uma concepção centralizada, ou seja, foi usado apenas um microcontrolador de 32-bit para gerenciar todas as funções. O firmware de controle foi desenvolvido de forma modular baseado em modelos de malha fechada. O modelo matemático do motor foi identificado utilizando técnicas de controle em um veículo real, e a avalidação do modelo foi obtida através de testes em um dinamômetro inercial.

Controle da mistura ar/combustível em um motor a combustão interna: sistema em malha fechada.

O controle da mistura ar/combustível é muito importante para o correto funcionamento dos motores à combustão interna ciclo Otto. A relação entre o ar e o combustível influencia diretamente no funcionamento do motor, na emissão de poluentes e no consumo de combustível. Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um controle da mistura ar/combustível a partir do estudo de modelos de malha fechada deste sistema. Esse controle tem por objetivo manter a mistura o mais próxima possível do ponto estequiométrico, a fim de otimizar a taxa de conversão de gases poluentes pelo catalisador, e utiliza um sensor de oxigênio, conhecido como sonda lambda, para realizar a realimentação do sistema, indicando se a mistura está no ponto estequiométrico. Este trabalho também apresenta o desenvolvimento de um compensador em malha fechada para controlar a mistura a/c (ar/combustível) em outros pontos, além do estequiométrico, através do uso de uma sonda lambda de banda larga.

Modelagem e análise das cadeias de suprimentos globais e resilientes baseadas em rede de Petri.

Em um cenário de aumento de competitividade, crescente expectativa por inovações do produto e necessidade de atender diferentes perfis de consumidores, o conceito de gerenciamento de cadeias de suprimentos globais (GSCM) surge como uma estratégia para coordenar mais eficazmente as atividades dispersas geograficamente dos sistemas produtivos. Na adoção do GSCM, as organizações devem lidar com rupturas que impactam no gerenciamento das suas atividades, tais como a interrupção de vias de transporte, pane no fornecimento de energia, desastres naturais e até ataques terroristas. Nesse contexto, o trabalho introduz um procedimento sistematizado para modelagem das cadeias de suprimentos visto como um sistema a eventos discretos e sua análise por simulação das atividades do GSCM baseada em técnicas formais como a rede de Petri (PN) e o Production Flow Schema (PFS). Um exemplo é também apresentado para ilustrar e comprovar as vantagens do método proposto na análise do GSCM.

Algebraic derivative estimation applied to nonlinear control of magnetic levitation.

The subject of this thesis is the real-time implementation of algebraic derivative estimators as observers in nonlinear control of magnetic levitation systems. These estimators are based on operational calculus and implemented as FIR filters, resulting on a feasible real-time implementation. The algebraic method provide a fast, non-asymptotic state estimation. For the magnetic levitation systems, the algebraic estimators may replace the standard asymptotic observers assuring very good performance and robustness. To validate the estimators as observers in closed-loop control, several nonlinear controllers are proposed and implemented in a experimental magnetic levitation prototype. The results show an excellent performance of the proposed control laws together with the algebraic estimators.

Estudo e implementação de sinais de excitação aplicados em identificação de sistemas multivariáveis.

Devido à crescente implementação do Controle Preditivo baseado em Modelo (MPC) em outros processos além de refino e plantas petroquímicas, que geralmente possuem múltiplas entradas e saídas, tem-se um aumento na demanda de modelos gerados por identificação de sistemas. Identificar modelos que representem fielmente a dinâmica do processo depende em grande medida das características dos sinais de excitação dos processos. Assim, o foco deste trabalho é realizar um estudo dos sinais típicos usados em identificação de sistemas, PRBS e GBN, em uma abordagem multivariável. O estudo feito neste trabalho parte das características da geração dos sinais individualmente, depois é feita uma análise de correlação cruzada dos sinais de entrada, observando a influência desta sobre os resultados de identificação. Evitar uma alta correlação entre os sinais de entrada permite determinar o efeito de cada entrada sobre a saída no processo de identificação. Um ponto importante no projeto de sinais de identificação de sistemas multivariáveis é a frequência dos mesmos para conseguir excitar os processos nas regiões de frequência de operação normal e assim extrair a maior informação dinâmica possível do processo. As características estudadas são avaliadas por meio de testes em três plantas simuladas diferentes, categorizadas como mal, medianamente e bem condicionadas. Estas implementações foram feitas usando sinais GBN e PRBS de diferentes frequências. Expressões para a caracterização dos sinais de excitação foram avaliadas identificando os processos em malha aberta e malha fechada. Para as plantas mal condicionadas foram implementados sinais compostos por uma parte completamente correlacionada e uma parte não-correlacionada, conhecido como método de dois passos. Finalmente são realizados experimentos de identificação em uma aplicação em tempo real de uma planta piloto de neutralização de pH. Os testes realizados na planta foram feitos visando avaliar os estudos de frequência e correlação em uma aplicaficção real. Os resultados mostram que a condição de sinais completamente descorrelacionados n~ao deve ser cumprida para ter bons resultados nos modelos identificados. Isto permite ter mais exibilidade na geração do conjunto de sinais de excitação.

Modelo de negocio para mejorar la competitividad de la cadena productiva del cuy en Lambayeque-Perú

El principal problema que atraviesan los pequeños productores en la región Lambayeque y en su mayoría a nivel nacional es el bajo nivel de competitividad en sus respectivas cadenas productivas, esto se debe a que no cuentan con una adecuada gestión asociativa y empresarial, desconocen técnicas en manejos productivo y presentan deficiente articulación comercial teniendo como efecto directo bajos niveles de calidad de vida. La presente investigación tiene como objetivo principal plantear un modelo de negocio para mejorar la competitividad de la cadena productiva del cuy en una organización cooperativa de productores de cuyes del distrito de Mórrope, identificando los factores que determinan la competitividad, además plasmando los diversos elementos, componentes, estrategias y actividades que se unen para concretar el objetivo principal. Se presentará un diagnóstico inicial de la Cooperativa en estudio, los datos obtenidos son resultado de visitas y talleres con los asociados quienes respondieron a una encuesta y entrevistas, así mismo para el diagnóstico regional de la cadena del cuy se realizó la búsqueda de información primaria y secundaria, reforzado con entrevistas a especialistas del tema a nivel regional. Finalmente se utilizó la herramienta del marco lógico y del lienzo de modelo de negocio “Canvas” para plasmar la propuesta de mejora de la competitividad en beneficio de la cooperativa en estudio y que servirá como base para replicarse en otras organizaciones siendo acompañada de propuestas reales, validadas por especialistas.

Price formation in commodities markets. Financialisation and beyond. Report of an ECMI/CEPS Task Force

This report attempts to demystify the sphere of commodities markets worldwide by providing an in-depth examination of the major commodity groups, focusing on product characteristics, supply chains, pricing, liquidity, financial intermediation, industry players and the interplay between derivatives markets and the underlying physical goods. In so doing, the report contributes to the international debate with important information about the diverse market structures across commodities, including supply and demand elasticities, concentration of ownership, infrastructure organisation and layers of financial participation. While describing the endogenous factors, it also examines the increasing role of exogenous factors now impacting commodities. Finally, it assesses the drivers of the growth of derivatives markets and their impact on price formation. This report is a draft of the final version presented at a meeting at CEPS on 9 July 2013. A final version will be uploaded at the end of the summer when the book will be available in print.

A synthetic biology-based device prevents liver injury in mice

BACKGROUND & AIMS The liver performs a panoply of complex activities coordinating metabolic, immunologic and detoxification processes. Despite the liver's robustness and unique self-regeneration capacity, viral infection, autoimmune disorders, fatty liver disease, alcohol abuse and drug-induced hepatotoxicity contribute to the increasing prevalence of liver failure. Liver injuries impair the clearance of bile acids from the hepatic portal vein which leads to their spill over into the peripheral circulation where they activate the G-protein-coupled bile acid receptor TGR5 to initiate a variety of hepatoprotective processes. METHODS By functionally linking activation of ectopically expressed TGR5 to an artificial promoter controlling transcription of the hepatocyte growth factor (HGF), we created a closed-loop synthetic signalling network that coordinated liver injury-associated serum bile acid levels to expression of HGF in a self-sufficient, reversible and dose-dependent manner. RESULTS After implantation of genetically engineered human cells inside auto-vascularizing, immunoprotective and clinically validated alginate-poly-(L-lysine)-alginate beads into mice, the liver-protection device detected pathologic serum bile acid levels and produced therapeutic HGF levels that protected the animals from acute drug-induced liver failure. CONCLUSIONS Genetically engineered cells containing theranostic gene circuits that dynamically interface with host metabolism may provide novel opportunities for preventive, acute and chronic healthcare. LAY SUMMARY Liver diseases leading to organ failure may go unnoticed as they do not trigger any symptoms or significant discomfort. We have designed a synthetic gene circuit that senses excessive bile acid levels associated with liver injuries and automatically produces a therapeutic protein in response. When integrated into mammalian cells and implanted into mice, the circuit detects the onset of liver injuries and coordinates the production of a protein pharmaceutical which prevents liver damage.

Robust stability of sequential multi-input multi-output quantitative feedback theory designs

This paper re-examines the stability of multi-input multi-output (MIMO) control systems designed using sequential MIMO quantitative feedback theory (QFT). In order to establish the results, recursive design equations for the SISO equivalent plants employed in a sequential MIMO QFT design are established. The equations apply to sequential MIMO QFT designs in both the direct plant domain, which employs the elements of plant in the design, and the inverse plant domain, which employs the elements of the plant inverse in the design. Stability theorems that employ necessary and sufficient conditions for robust closed-loop internal stability are developed for sequential MIMO QFT designs in both domains. The theorems and design equations facilitate less conservative designs and improved design transparency.

On stability in nonsequential MIMO QFT designs

This paper reexamines the stability of uncertain closed-loop systems resulting from the nonsequential (NS) MIMO QFT design methodology. By combining the effect of satisfying both the robust stability and robust performance specifications in a NS MIMO QFT design, a proof for the stability of the uncertain closed-loop system is derived. The stability theorem proves that, subject to the satisfaction of a critical necessary and sufficient condition, the original NS MIMO QFT design methodology will provide a robustly stable closed-loop system. This necessary and sufficient condition provides a useful existence test for a successful NS MIMO QFT design. The results expose the salient features of the NS MIMO QFT design methodology. Two 2 x 2 MIMO design examples are presented to illustrate the key features of the stability, theorem.