Variable structure control for maximum wind power extraction

EuroPES 2009

Controle por modo deslizante para sistemas não-lineares com atraso.

Nesta Dissertação são propostos dois esquemas de controle para sistemas não-lineares com atraso. No primeiro, o objetivo é controlar uma classe de sistemas incertos multivariáveis, de grau relativo unitário, com perturbações não-lineares descasadas dependentes do estado, e com atraso incerto e variante no tempo em relação ao estado. No segundo, deseja-se controlar uma classe de sistemas monovariáveis, com parâmetros conhecidos, grau relativo arbitrário, atraso arbitrário conhecido e constante na saída. Admitindo-se que o atraso na entrada pode ser deslocado para a saída, então, o segundo esquema de controle pode ser aplicado a sistemas com atraso na entrada. Os controladores desenvolvidos são baseados no controle por modo deslizante e realimentação de saída, com função de modulação para a amplitude do sinal de controle. Além disso, observadores estimam as variáveis de estado não-medidas. Em ambos os esquemas de controle propostos, garante-se propriedades de estabilidade globais do sistema em malha fechada. Simulações ilustram a eficácia dos controladores desenvolvidos.

Algoritmos Genéticos para Síntese de Filtros Aplicados em Controle por Modo Deslizante.

Nesta Dissertação propõe-se a aplicação de algoritmos genéticos para a síntese de filtros para modular sinais de controladores a estrutura variável e modo deslizante. A modulação do sinal de controle reduz a amplitude do sinal de saída e, consequentemente, pode reduzir o consumo de energia para realizar o controle e o chattering. Esses filtros também são aplicados em sistemas que possuem incertezas paramétricas nos quais nem todas as variáveis de estado são medidas. Nesses sistemas, as incertezas nos parâmetros podem impedir que seus estados sejam estimados com precisão por observadores. A síntese desses filtros necessita da obtenção da envoltória, que é o valor máximo da norma de cada resposta impulsiva admissível no sistema. Após este passo, é sintetizado um filtro que seja um majorante para a envoltória. Neste estudo, três métodos de busca da envoltória por algoritmos genéticos foram criados. Um dos métodos é o preferido, pois apresentou os melhores resultados e o menor tempo computacional.

Controle de um sistema de eletroestimulação funcional.

Esta Dissertação irá apresentar a utilização de técnicas de controle nãolinear, tais como o controle adaptativo e robusto, de modo a controlar um sistema de Eletroestimulação Funcional desenvolvido pelo laboratório de Engenharia Biomédica da COPPE/UFRJ. Basicamente um Eletroestimulador Funcional (Functional Electrical Stimulation FES) se baseia na estimulação dos nervos motores via eletrodos cutâneos de modo a movimentar (contrair ou distender) os músculos, visando o fortalecimento muscular, a ativação de vias nervosas (reinervação), manutenção da amplitude de movimento, controle de espasticidade muscular, retardo de atrofias e manutenção de tonicidade muscular. O sistema utilizado tem por objetivo movimentar os membros superiores através do estímulo elétrico de modo a atingir ângulos-alvo pré-determinados para a articulação do cotovelo. Devido ao fato de não termos conhecimento pleno do funcionamento neuro-motor humano e do mesmo ser variante no tempo, não-linear, com parâmetros incertos, sujeito a perturbações e completamente diferente para cada indivíduo, se faz necessário o uso de técnicas de controle avançadas na tentativa de se estabilizar e controlar esse tipo de sistema. O objetivo principal é verificar experimentalmente a eficácia dessas técnicas de controle não-linear e adaptativo em comparação às técnicas clássicas, de modo a alcançar um controle mais rápido, robusto e que tenha um desempenho satisfatório. Em face disso, espera-se ampliar o campo de utilização de técnicas de controle adaptativo e robusto, além de outras técnicas de sistemas inteligentes, tais como os algoritmos genéticos, provando que sua aplicação pode ser efetiva no campo de sistemas biológicos e biomédicos, auxiliando assim na melhoria do tratamento de pacientes envolvidos nas pesquisas desenvolvidas no Laboratório de Engenharia Biomédica da COPPE/UFRJ.

Controle a estrutura variável para atenuar modos ressonantes em servomecanismos.

Nesta dissertação é mostrada experimentalmente a existência de modos ressonantes em servomotores de corrente contínua sem núcleo de ferro. Até onde se sabe, não já publicações ou documentos técnicos de fabricantes que relatam esse efeito neste tipo de motor. Foi observado também que a frequência da ressonância é variável e que possivelmente depende da temperatura interna do motor. Conforme e mostrado em simulações técnicas tradicionais para o controle de motores podem não ser eficazes para lidar com esses modos ressonantes. Com o objetivo de amortecer a ressonância e obter o controle de velocidade e posição desses motores, são desenvolvidos controladores por modo deslizante baseados em funções de chaveamento obtidas por observadores de alto ganho. Esse controle e robusto a incertezas paramétricas e perturbações. Com o auxílio de simulações são mostrados os pontos fortes e limitações de cada um dos controladores.

An investigation of the effects of pneumatic actuator design on slip control for heavy vehicles

Progress in reducing actuator delays in pneumatic brake systems is opening the door for advanced anti-lock braking algorithms to be used on heavy goods vehicles. However, little has been published on slip controllers for air-braked heavy vehicles, or the effects of slow pneumatic actuation on their design and performance. This paper introduces a sliding mode slip controller for air-braked heavy vehicles. The effects of pneumatic actuator delays and flow rates on stopping performance and air (energy) consumption are presented through vehicle simulations. Finally, the simulations are validated with experiments using a hardware-in-the-loop rig. It is shown that for each wheel, pneumatic valves with delays smaller than 3ms and orifice diameters around 8mm provide the best performance. © 2013 Copyright Taylor and Francis Group, LLC.

Characterization and control of a pneumatic microactuator with an integrated inductive position sensor

As the intelligence and the functionality of microrobots increase, there is a growing need to incorporate sensors into these robots. In order to limit the outer dimensions of these microsystems, this research investigates sensors that can be integrated efficiently into microactuators. Here, a pneumatic piston-cylinder microactuator with an integrated inductive position sensor was developed. The main advantage of pneumatic actuators is their high force and power density at microscale. The outside diameter of the actuator is 1.3 mm and the length is 15 mm. The stroke of the actuator is 12 mm, and the actuation force is 1 N at a supply pressure of 1.5 MPa. The position sensor consists of two coils wound around the cylinder of the actuator. The measurement principle is based on the change in coupling factor between the coils as the piston moves in the actuator. The sensor is extremely small since one layer of 25 μm copper wire is sufficient to achieve an accuracy of 10 μm over the total stroke. Position tests with a PI controller and a sliding mode controller showed that the actuator is able to position with an accuracy up to 30 μm. Such positioning systems offer great opportunities for all devices that need to control a large number of degrees of freedom in a restricted volume. © 2007 Elsevier B.V. All rights reserved.

Designing and testing an advanced pneumatic braking system for heavy vehicles

Heavy goods vehicles exhibit poor braking performance in emergency situations when compared to other vehicles. Part of the problem is caused by sluggish pneumatic brake actuators, which limit the control bandwidth of their antilock braking systems. In addition, heuristic control algorithms are used that do not achieve the maximum braking force throughout the stop. In this article, a novel braking system is introduced for pneumatically braked heavy goods vehicles. The conventional brake actuators are improved by placing high-bandwidth, binary-actuated valves directly on the brake chambers. A made-for-purpose valve is described. It achieves a switching delay of 3-4 ms in tests, which is an order of magnitude faster than solenoids in conventional anti-lock braking systems. The heuristic braking control algorithms are replaced with a wheel slip regulator based on sliding mode control. The combined actuator and slip controller are shown to reduce stopping distances on smooth and rough, high friction (μ = 0.9) surfaces by 10% and 27% respectively in hardware-in-the-loop tests compared with conventional ABS. On smooth and rough, low friction (μ = 0.2) surfaces, stopping distances are reduced by 23% and 25%, respectively. Moreover, the overall air reservoir size required on a heavy goods vehicle is governed by its air usage during an anti-lock braking stop on a low friction, smooth surface. The 37% reduction in air usage observed in hardware-in-the-loop tests on this surface therefore represents the potential reduction in reservoir size that could be achieved by the new system. © 2012 IMechE.

基于自调整神经元的无人直升机航向控制方法

直升机航向动力学包含输入非线性、时变参数和主-尾旋翼之间的强耦合,传统的比例积分微分(Proportional integral differential,PID)方法很难达到良好的控制性能。基于以上原因,通过把自调整神经元与滑模控制相结合,提出一种能够解决带有输入非线性的航向自适应控制方法。与常规自适应控制相比,用滑模条件代替误差函数作为目标函数,使控制器在保证闭环稳定性的同时,能够进一步使跟踪误差满足期望精度。证明了该方法的稳定性,针对实际模型直升机试验平台航向动力学模型的仿真结果,以及与传统PID方法的比较都表明了该方法的有效性。

一种轮式移动机器人实时速度估计方法

环境和机器人自身的不确定性影响轮式移动机器人的轨迹跟踪控制性能,此时仅仅使用里程计往往不能正确表达机器人的状态信息。在无速度传感器的情况下,讨论了使用加速度传感器和位置传感器的输出实时估计轮式移动机器人的速度。首先使用滑模观测器进行里程计信号处理,然后对车体加速度信号进行带通滤波提取车体扰动信息,通过频域融合信号表达轮式移动机器人的速度,并针对正交轮式全方位移动机器人进行了轨迹跟踪控制研究。试验结果表明采用融合数据可以更准确提供机器人的状态信息并得到更好的控制性能。

滑模模糊控制应用于自治水下机器人的实验研究

分析了自治水下机器人 (AUV )的控制特点 ,论述了滑模模糊控制 (SMFC)的基本原理 ,并在6 0 0 0 m自治水下机器人“CR- 0 2”上进行了仿真和水池实验。结果表明 ,滑模模糊控制的性能明显优于PID控制 ,在强干扰时表现出良好的鲁棒性

Stabilization of Uncertain Nonholonomic Dynamic Systems with Bounded Inputs

The sliding mode approach and the multi-step control strategy are exploited to propose a stabilizing controller for uncertain nonholonomic dynamic systems with bounded inputs. This controller can stabilize the system to an arbitrarily small neighborhood about its equilibrium in a finite time .Its application to a nonholonomic wheeled mobile robot is described. Simulation result shows that the proposed controller is effective

基于滑转率的六轮纵列式月球车驱动控制研究

基于车轮滑转率和车轮地面力学,研究了月球车在松软月面行驶时的车轮过度下陷问题.将月球车车轮下陷和车轮—土壤作用力表达为车轮滑转率的函数,结合车辆地面力学理论并考虑纵列式车轮多通过性土壤参数的修正,建立了月球车的动力学模型.判断车轮是否发生过度下陷的标准为土壤所提供给驱动轮的土壤推力能否克服土壤对车轮的阻力.利用建立的动力学模型,计算出能够保证车轮不会过度下陷的期望滑转率.考虑到月球车动力学系统的非线性和不确定性,设计了以车轮滑转率为状态变量的滑模驱动控制器.仿真结果表明,采用该控制器可以较快地跟踪期望滑转率,避免车轮的过度滑转下陷,保证月球车能够在软质路面上正常行驶.

轮式移动机器人沙地行驶控制建模与仿真研究

结合车轮沙土相互作用的力学分析,研究解决轮式移动机器人沙地行驶车轮过度滑转下陷问题。考虑纵列式重复通过车轮沙土力学参数的修正,建立六轮式沙地移动机器人的动力学模型,以车轮滑转率为状态变量,设计了移动机器人沙地行驶的滑模驱动控制器跟踪车轮期望滑转率。MATLAB/Simulink仿真结果表明,采用该控制器可以较快地跟踪期望滑转率,有效地限制机器人车轮的滑转,避免车轮的过度下陷。

Dynamic Model and Control of an Artificial Muscle Based on Contractile Polymers

A dynamic model and control system of an artificial muscle is presented. The artificial muscle is based on a contractile polymer gel which undergoes abrupt volume changes in response to variations in external conditions. The device uses an acid-base reaction to directly convert chemical to mechanical energy. A nonlinear sliding mode control system is proposed to track desired joint trajectories of a single link controlled by two antagonist muscles. Both the model and controller were implemented and produced acceptable tracking performance at 2Hz.