Mode control in multimode optical fibre and its applications

This thesis describes an investigation into methods for controlling the mode distribution in multimode optical fibres. The major contributions presented in this thesis are summarised below. Emerging standards for Gigabit Ethernet transmission over multimode optical fibre have led to a resurgence of interest in the precise control, and specification, of modal launch conditions. In particular, commercial LED and OTDR test equipment does not, in general, comply with these standards. There is therefore a need for mode control devices, which can ensure compliance with the standards. A novel device consisting of a point-load mode-scrambler in tandem with a mode-filter is described in this thesis. The device, which has been patented, may be tuned to achieve a wide range of mode distributions and has been implemented in a ruggedised package for field use. Various other techniques for mode control have been described in this work, including the use of Long Period Gratings and air-gap mode-filters. Some of the methods have been applied to other applications, such as speckle suppression and in sensor technology. A novel, self-referencing, sensor comprising two modal groups in the Mode Power Distribution has been designed and tested. The feasibility of a two-channel Mode Group Diversity Multiplexed system has been demonstrated over 985m. A test apparatus for measuring mode distribution has been designed and constructed. The apparatus consists of a purpose-built video microscope, and comprehensive control and analysis software written in Visual Basic. The system may be fitted with a Silicon camera or an InGaAs camera, for measurement in the 850nm and 130nm transmission windows respectively. A limitation of the measurement method, when applied to well-filled fibres, has been identified and an improvement to the method has been proposed, based on modelled Laguerre Gauss field solutions.

Generic wind estimation and compensation based on residual generators and higher-order sliding mode schemes

This master thesis proposes a solution to the approach problem in case of unknown severe microburst wind shear for a fixed-wing aircraft, accounting for both longitudinal and lateral dynamics. The adaptive controller design for wind rejection is also addressed, exploiting the wind estimation provided by suitable estimators. It is able to successfully complete the final approach phase even in presence of wind shear, and at the same time aerodynamic envelope protection is retained. The adaptive controller for wind compensation has been designed by a backstepping approach and feedback linearization for time-varying systems. The wind shear components have been estimated by higher-order sliding mode schemes. At the end of this work the results are provided, an autonomous final approach in presence of microburst is discussed, performances are analyzed, and estimation of the microburst characteristics from telemetry data is examined.

Control HSMC para regulación de glucosa sanguínea

Este artículo propone una nueva estrategia de control basada en medidas continuas de glucosa y un controlador por modo deslizante que se habitúa (HSMC). El HSMC es desarrollado, combinando la ley de control por modo deslizante y los principios de control por habituación. El HSMC aplicado a la regulación de glucosa sanguínea en la unidad de cuidados intensivos, incluye tanto entrada de glucosa, como de infusión de insulina intravasculares a fin de proveer el suministro de nutrición y mejorar el rechazo a la perturbación. El estudio basado en simulaciones (in silico), usando un modelo fisiológico de la dinámica glucosa-insulina, muestra que la estrategia de control propuesta funciona apropiadamente. Finalmente, se compara el desempeño del controlador propuesto con respecto a un controlador PID estándar.

Characteristic analysis for multisampled digital implementation of fixed-switching-frequency closed-loop modulation of voltage-source inverter

In this paper, a fixed-switching-frequency closed-loop modulation of a voltage-source inverter (VSI), upon the digital implementation of the modulation process, is analyzed and characterized. The sampling frequency of the digital processor is considered as an integer multiple of the modulation switching frequency. An expression for the determination of the modulation design parameter is developed for smooth modulation at a fixed switching frequency. The variation of the sampling frequency, switching frequency, and modulation index has been analyzed for the determination of the switching condition under closed loop. It is shown that the switching condition determined based on the continuous-time analysis of the closed-loop modulation will ensure smooth modulation upon the digital implementation of the modulation process. However, the stability properties need to be tested prior to digital implementation as they get deteriorated at smaller sampling frequencies. The closed-loop modulation index needs to be considered maximum while determining the design parameters for smooth modulation. In particular, a detailed analysis has been carried out by varying the control gain in the sliding-mode control of a two-level VSI. The proposed analysis of the closed-loop modulation of the VSI has been verified for the operation of a distribution static compensator. The theoretical results are validated experimentally on both single- and three-phase systems.

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.

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。

Retificador monofásico com fator de potência quase unitário

Dissertação para a obtenção do grau de Mestre em Engenharia Eletrotécnica Ramo de Automação e Eletrónica Industrial

Detecção de falhas em sistemas incertos com atraso no sinal de controle

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

Controle com modos deslizantes aplicado em sistemas com atraso e acesso somente à saída

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Projetos de controle discreto com modos deslizantes para sistemas sujeitos a atraso no controle

Pós-graduação em Engenharia Elétrica - FEIS

Controle discreto com modos deslizantes em sistemas incertos com atraso no sinal de controle

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)