Application of fractional controllers for quad rotor

This paper studies the application of fractional algorithms in the control of a quad-rotor rotorcraft. The development of a flight simulator provide the evaluation of the controller algorithm. Several basic maneuvers are investigated, namely the elevation and the position control.

Optimal tuning of fractional controllers using genetic algorithms

This study addresses the optimization of fractional algorithms for the discrete-time control of linear and non-linear systems. The paper starts by analyzing the fundamentals of fractional control systems and genetic algorithms. In a second phase the paper evaluates the problem in an optimization perspective. The results demonstrate the feasibility of the evolutionary strategy and the adaptability to distinct types of systems.

On the robustness of the slotine-Li and the FPT/SVD-based adaptive controllers

A comparative study concerning the robustness of a novel, Fixed Point Transformations/Singular Value Decomposition (FPT/SVD)-based adaptive controller and the Slotine-Li (S&L) approach is given by numerical simulations using a three degree of freedom paradigm of typical Classical Mechanical systems, the cart + double pendulum. The effects of the imprecision of the available dynamical model, presence of dynamic friction at the axles of the drives, and the existence of external disturbance forces unknown and not modeled by the controller are considered. While the Slotine-Li approach tries to identify the parameters of the formally precise, available analytical model of the controlled system with the implicit assumption that the generalized forces are precisely known, the novel one makes do with a very rough, affine form and a formally more precise approximate model of that system, and uses temporal observations of its desired vs. realized responses. Furthermore, it does not assume the lack of unknown perturbations caused either by internal friction and/or external disturbances. Its another advantage is that it needs the execution of the SVD as a relatively time-consuming operation on a grid of a rough system-model only one time, before the commencement of the control cycle within which it works only with simple computations. The simulation examples exemplify the superiority of the FPT/SVD-based control that otherwise has the deficiency that it can get out of the region of its convergence. Therefore its design and use needs preliminary simulation investigations. However, the simulations also exemplify that its convergence can be guaranteed for various practical purposes.

Remote operation of embedded controllers designed using IOPT Petri-nets

This paper presents a new communication architecture to enable the remote control, monitoring and debug of embedded-system controllers designed using IOPT Petri nets. IOPT Petri nets and the related tools (http://gres.uninova.pt) have been used as a rapid prototyping and development framework, including model-checking, simulation and automatic code generation tools. The new architecture adds remote operation capabilities to the controllers produced by the automatic code generators, enabling quasi-real-time remote debugging and monitoring using the IOPT simulator tool. Furthermore, it enables the creation of graphical user interfaces for remote operation and the development of distributed systems where a Petri net model running on a central system supervises the actions of multiple remote subsystems. © 2015 IEEE.

Matrix converter as unified power flow controller: design and implementation of decoupled direct power controllers

This paper presents the design and implementation of direct power controllers for three-phase matrix converters (MC) operating as Unified Power Flow Controllers (UPFC). Theoretical principles of the decoupled linear power controllers of the MC-UPFC to minimize the cross-coupling between active and reactive power control are established. From the matrix converter based UPFC model with a modified Venturini high frequency PWM modulator, decoupled controllers for the transmission line active (P) and reactive (Q) power direct control are synthesized. Simulation results, obtained from Matlab/Simulink, are presented in order to confirm the proposed approach. Results obtained show decoupled power control, zero error tracking, and fast responses with no overshoot and no steady-state error.

Distributed controllers modeling through Petri nets with multi-asynchronous-channels

This paper proposes the concept of multi-asynchronous-channel for Petri nets. Petri nets extended with multi-asynchronous-channels and time-domains support the specification of distributed controllers, where each controller has a synchronous execution but the global system is asynchronous (globally-asynchronous locally-synchronous systems). Each multi-asynchronous-channel specify the interaction between two or more distributed controllers. These channels, together with the time-domain concept, ensure the creation of network-independent models to support implementations using heterogeneous communication networks. The created models support not only the systems documentation but also their validation and implementation through simulation tools, verification tools, and automatic code generators. An application example illustrates the use of a Petri net class extended with the proposed channels. © 2015 IEEE.

High-level Petri nets modules for embedded controllers design

Modular design is crucial to manage large-scale systems and to support the divide-and-conquer development approach. It allows hierarchical representations and, therefore, one can have a system overview, as well as observe component details. Petri nets are suitable to model concurrent systems, but lack on structuring mechanisms to support abstractions and the composition of sub-models, in particular when considering applications to embedded controllers design. In this paper we present a module construct, and an underlying high-level Petri net type, to model embedded controllers. Multiple interfaces can be declared in a module, thus, different instances of the same module can be used in different situations. The interface is a subset of the module nodes, through which the communication with the environment is made. Module places can be annotated with a generic type, overridden with a concrete type at instance level, and constants declared in a module may have a new value in each instance.

Mode-Controlled Data-Flow Modeling of Real-Time Memory Controllers

Accepted in 13th IEEE Symposium on Embedded Systems for Real-Time Multimedia (ESTIMedia 2015), Amsterdam, Netherlands.

Projecto de Controladores usando Redes Neuronais

Neste documento descreve-se o projeto desenvolvido na unidade curricular de Tese e Dissertação durante o 2º ano do Mestrado de Engenharia Eletrotécnica e de Computadores no ramo de Automação e Sistemas, no Departamento de Engenharia Eletrotécnica (DEE) do Instituto Superior de Engenharia do Porto (ISEP). O projeto escolhido teve como base o uso da tecnologia das redes neuronais para implementação em sistemas de controlo. Foi necessário primeiro realizar um estudo desta tecnologia, perceber como esta surgiu e como é estruturada. Por último, abordar alguns casos de estudo onde as redes neuronais foram aplicadas com sucesso. Relativamente à implementação, foram consideradas diferentes estruturas de controlo, e entre estas escolhidas a do sistema de controlo estabilizador e sistema de referência adaptativo. No entanto, como o objetivo deste trabalho é o estudo de desempenho quando aplicadas as redes neuronais, não se utilizam apenas estas como controlador. A análise exposta neste trabalho trata de perceber em que medida é que a introdução das redes neuronais melhora o controlo de um processo. Assim sendo, os sistemas de controlo utilizados devem conter pelo menos uma rede neuronal e um controlador PID. Os testes de desempenho são aplicados no controlo de um motor DC, sendo realizados através do recurso ao software MATLAB. As simulações efetuadas têm diferentes configurações de modo a tirar conclusões o mais gerais possível. Assim, os sistemas de controlo são simulados para dois tipos de entrada diferentes, e com ou sem a adição de ruído no sensor. Por fim, é efetuada uma análise das respostas de cada sistema implementado e calculados os índices de desempenho das mesmas.

Controlo inteligente de um Sistema de Levitação Magnética

A levitação magnética tem sido um tema bastante investigado sobretudo devido à sua utilização em sistemas ferroviários de transportes. É o método ideal quando existe a necessidade em aplicações de restringir do contacto físico, ou a conveniência, em termos energéticos, de eliminar o atrito. O princípio de funcionamento é simples, um eletroíman cria uma força sobre um objeto ferromagnético que contraria a gravidade. Contudo um sistema de levitação por atração é instável e não linear, o que significa a necessidade de implementar um controlador para satisfazer as características de estabilidade desejadas. Ao longo deste projeto serão descritos os procedimentos teóricos e práticos que foram tomados na criação de um sistema de levitação eletromagnética. Desde a conceção física do sistema, como escolha do sensor, condicionamento de sinal ou construção do eletroíman, até aos procedimentos matemáticos que permitiram a modelação do sistema e criação de controladores. Os controladores clássicos, como o PID ou em avanço de fase, foram projetados através da técnica do Lugar Geométrico de Raízes. No projeto do controlador difuso, pelo contrário não se fez uso da modelação do sistema ou de qualquer relação matemática entre as variáveis. A utilização desta técnica de controlo destacou-se pela usa simplicidade e rapidez de implementação, fornecendo um bom desempenho ao sistema. Na parte final do relatório os resultados obtidos pelos diferentes métodos de controlo são analisados e apresentadas as respetivas conclusões. Estes resultados revelam que para este sistema, relativamente aos outros métodos, o controlador difuso apresenta o melhor desempenho tanto ao nível da resposta transitória, como em regime permanente.

Desenvolvimento e Controlo de um Veículo Autónomo Aéreo Quadrotor

A crescente necessidade de meios de inspecção e recolha de informação de infraestruturas e do meio ambiente natural, origina o recurso a meios tecnológicos cada vez mais evoluídos. Neste contexto, os robôs móveis autónomos aéreos surgem como uma ferramenta importante. Em particular, os veículos aéreos de asa móvel, pela sua manobrabilidade e controlo podem-se utilizar eficazmente em meios complexos como cenários interiores onde o ambiente é parcialmente controlado. A sua utilização em coordenação com outros veículos robóticos móveis e em particular com a crescente autonomia de decisão, permitem uma eficiência elevada, por exemplo, em tarefas de recolha automática de informação, vigilância, apoio a comunicações, etc. A inexistência de um veículo autónomo de asa móvel no cenário multi-robótico desenvolvido pelo Laboratório de Sistemas Autónomos do Instituto Superior de Engenharia do Porto, aliada às suas aplicações referidas, criou a necessidade do desenvolvimento de um veículo desta gama. Identificou-se, pois, o desenvolvimento de um veículo autónomo aéreo do tipo quadrotor com capacidade de vôo base estabilizado como o problema a resolver. Foi efectuado um levantamento de requisitos do sistema, a caracterização de um veículo autónomo aéreo Vertical Take-off and Landing - VTOL, e efectuado um trabalho de pesquisa a fim de possibilitar o conhecimento das técnicas e tecnologias envolvidas. Tendo em vista o objectivo de controlo e estabilização do veículo, foi efectuada a modelização do sistema que serviu não só para a melhor compreensão da sua dinâmica mas também para o desenvolvimento de um simulador que possibilitou a validação de estratégias de controlo e avaliação de comportamentos do veículo para diferentes cenários. A inexistência de controladores de motores brushless adequada (frequência de controlo), originou o desenvolvimento de um controlador dedicado para motores brushless, motores esses utilizados para a propulsão do veículo. Este controlador permite uma taxa de controlo a uma frequência de 20KHz, possui múltiplas interfaces de comunicação (CAN, RS232, Ethernet, SPI e JTAG), é de reduzido peso e dimensões e modular, visto ter sido implementado em dois módulos, i.e., permite a sua utilização com diferentes interfaces de potência. Projectou-se um veículo autónomo aéreo em termos físicos com a definição da sua arquitectura de hardware e software bem como o sistema de controlo de vôo. O sistema de estabilização de vôo compreende o processamento de informação fornecida por um sistema de navegação inercial, um sonar e o envio de referências de velocidade para cada um dos nós de controlo ligados a um barramento CAN instalado no veículo. A implementação do veículo foi alcançada nas suas vertentes mecânica, de hardware e software. O UAV foi equipado com um sistema computacional dotando-o de capacidades para o desempenho de tarefas previamente analisadas. No presente trabalho, são também tiradas algumas conclusões sobre o desenvolvimento do sistema e sua implementação bem como perspectivada a sua evolução futura no contexto de missões coordenadas de múltiplos veículos robóticos.

Aplicação das FPAA na realização de sistemas de ordem fraccionária

Esta tese de dissertação tem como principal objetivo a implementação de controladores fracionários utilizando diapositivos analógicos FPAA (Field Programable Analog Array). Embora estes dispositivos já não sejam um tecnologia recente, não tiveram grande aceitação comercial, daí não ter sido grande a sua evolução nesta última década. Mas para a elaboração de alguns circuitos analógicos, nomeadamente filtros, amplificadores e mesmo controladores PID (Proporcional-Integrativo-Derivativo) analógicos torna-se numa ferramenta que pode facilitar o projeto e implementação. Para a realização deste estudo, utilizou-se a placa de desenvolvimento da Anadigm AN231K04-DVLP3 juntamente com o software disponibilizado pela mesma empresa, o AnadigmDesigner2. Para a simulação e observação dos resultados foi utilizada a DAQ (Data Acquisition) Hilink da Zelton juntamente com o software Matlab. De forma a testar a implementação dos controladores fracionários nas FPAA foram realizados alguns circuitos no software e enviados para a FPAA comparando os resultados obtidos na simulação com os visualizados no osciloscópio. Por último foi projetado um controlador PIlDm recorrendo aos métodos de aproximação inteira descritos neste documento implementados na FPAA recorrendo ao uso de filtros de primeira e segunda ordem.

An evolutionary approach to the use of Petri net based models: from parallel controllers to HW/SW co-design

"A workshop within the 19th International Conference on Applications and Theory of Petri Nets - ICATPN’1998"

Biospas Proyecto 2: Micorrizas, Patógenos, Meso-Macro-Fauna y Biocontrol (PAE- PID-2007-0054)

El actual sistema agrícola de Argentina basa la mayor parte de su producción en la siembra directa y una limitada rotación de cultivos. En base a el paradigma de la sustentabilidad se pueden evaluar cambios en la asociación de Hongos Micorrícicos (HM) con raíces de diversos cultivos y las poblaciones presentes en el suelo; la incidencia de enfermedades en el cultivo y los niveles de inóculo presentes en los rastrojos y asimismo la supresividad de los suelos y por consiguiente la presencia de enfermedad de los cultivos y el efecto de control que pudieran proveer las Micorrizas Arbusculares (MA). El planteo de SD versus LT también plantea modificaciones tanto de la estructura del suelo como en el sistema y las comunidades de Meso y Macrofauna (MMF) que en él habitan. La hipótesis de trabajo plantea que la incidencia y severidad de las fitoenfermedades puede disminuirse por la rotación de cultivos y que las poblaciones de hongos micorrícicos se modifican según la secuencia de rotación. Esto a su vez implica que, incidencia y/o severidad de una enfermedad pueden ser modificadas por HM presentes en el suelo. Por otro lado, abundancia y atributos estructurales de la comunidad de MMF del suelo son afectados por los sistemas de manejo. En este proyecto se determinaran morfológica y molecularmente las especies integrantes de las poblaciones de HM en diferentes secuencias de cultivo. Se compararán las poblaciones de HM presentes en el suelo y las poblaciones en simbiosis activa con raíces de los diferentes cultivos. Se caracterizará y comparará cultivo, suelo y rastrojo desde el punto de vista fitopatológico en diferentes esquemas de rotación. Como resultado de esto se determinará la existencia de interacciones entre la incidencia de enfermedades y la presencia de determinadas micorrizas y evaluar el efecto de cada sistema de manejo sobre la abundancia y los atributos estructurales de la comunidad de MMF del suelo.

Estrategias para el mejoramiento de la producción de maní mediante la inoculación de microorganismos biofertilizantes y controladores de enfermedades fúngicas. Strategies to the Improvement of the peanut productivity through of inoculation with microorganism biofertilizers and controllers of fungal diseases.

El cultivo de maní es de gran importancia en la provincia de Córdoba. En los últimos años, la pérdida de rendimiento del cultivo en la región centro debido a la degradación de los suelos, la incidencia de enfermedades causadas por hongos y la erosión hídrica y eólica ha desplazado el área de siembra hacia el sur de la provincia. La hipótesis planteada en este proyecto es que la diversidad de bacterias que habitan la rizósfera y/o los tejidos de maní constituye una fuente para la selección de aquéllos que, por sus propiedades fisiológicas y metabólicas, permitan mejorar el rendimiento del cultivo, actuando como biocontroladores de fitopatógenos o biofertilizantes. Los objetivos propuestos son: 1) Evaluar y caracterizar la actividad antifúngica en una población previamente seleccionada de microorganismos del suelo del área manisera de Córdoba para su utilización en el desarrollo de prácticas sustentables tendientes a optimizar la producción de dicho cultivo mediante funciones biocontroladoras. 2) Seleccionar bacterias nativas nodulantes de maní competitivas y eficientes en la fijación y asimilación de nitrógeno en maní para ser utilizadas como un inoculante potencial. La metodología a utilizar consistirá en ensayos de interacción planta-microorganismos usando técnicas moleculares y bioquímicas. Los estudios sobre el conocimiento de la biodiversidad del suelo en el área manisera aportarán herramientas para una transición hacia una agricultura sustentable, generándose un catálogo de bacterias simbióticas y de vida libre que muestran actividad PGPR y que podrían ser empleadas como biofertilizantes o biocontroladoras de fitopatógenos. Ello podría constituir un importante impulso en la economía regional, la cual se basa principalmente en la explotación agrícola.