Controle de sistemas nebulosos Takagi-Sugeno baseado em observador de entradas desconhecidas
Carregando...
Data
Autor(es)
Título da Revista
ISSN da Revista
Título de Volume
Editor
Universidade Federal de Minas Gerais
Descrição
Tipo
Dissertação de mestrado
Título alternativo
Primeiro orientador
Membros da banca
Eduardo Stockler Tognetti
Leonardo Amaral Mozelli
Leonardo Amaral Mozelli
Resumo
Compreender a dinâmica de sistemas é essencial em projetos de engenharia. Em contextos reais, sistemas de controle apresentam dinâmicas não lineares, o que resulta no aumento da complexidade nos projetos, tanto para a análise de estabilidade quanto para o desenvolvimento de técnicas de monitoramento e de controle. Outra característica importante a ser considerada em aplicações de controle é o fato de que parte do vetor de estados do sistema pode ser inacessível à medição, devido a limitações técnicas ou econômicas, o que compromete o projeto do controlador por realimentação de estados. Essas características de aplicações reais motivam o uso de técnicas eficazes para descrever adequadamente a dinâmica não linear dos sistemas, bem como de estimar os estados não medidos. Os sistemas nebulosos Takagi-Sugeno (TS) destacam-se como uma técnica poderosa em projetos de sistemas não lineares, pois permitem representar a dinâmica não linear da planta por meio de uma combinação convexa de modelos lineares locais. Por sua vez, observadores de estados são dispositivos baseados na dinâmica do sistema e representam uma alternativa adequada para solucionar o problema de estimação de estados não medidos, o que viabiliza o projeto de controladores por realimentação de estados baseado em observador. Neste contexto, esta dissertação apresenta o projeto de controle baseado em observador de entradas desconhecidas para sistemas discretos TS. Para tanto, o sistema não linear é representado por um sistema nebuloso TS e um observador de entradas desconhecidas é utilizado para estimar os estados não medidos do sistema. Desse modo, o controle por realimentação de estados é projetado por meio de um controlador de compensação paralela distribuída, que utiliza os estados estimados pelo observador para obter a lei de controle para o sistema em malha fechada. Em sistemas não lineares, tais projetos tornam-se desafiadores, uma vez que as não linearidades podem estar associadas aos estados não medidos do sistema. Para lidar com essa complexidade, o Teorema do Valor Médio é utilizado para tratar o descasamento das funções de pertinência e lidar com essa incerteza nos projetos. Por fim, a metodologia proposta é aplicada em modelos não lineares de sistemas reais, especificamente, um sistema de rotor duplo de múltiplas entradas e múltiplas saídas e em um sistema de quatro tanques acoplados. Os resultados obtidos demonstram a eficácia da técnica para estimação de estados não medidos do sistema, bem como no controle baseado em observador aplicado à estabilidade e ao seguimento de referência.
Abstract
Understanding the dynamics of systems is essential in engineering design. In real contexts, control systems present nonlinear dynamics, which results in an increase in complexity in design, both for stability analysis and for the development of monitoring and control techniques. Another important characteristic to be considered in control applications is the fact that part of the state vector of the system may be inaccessible to measurement, due to technical or economic limitations, which compromises the design of the state feedback controller. These characteristics of real applications motivate the use of effective techniques to properly describe the nonlinear dynamics of systems, as well as to estimate the unmeasured states. Takagi-Sugeno fuzzy systems stand out as a powerful technique in the design of nonlinear systems, because they allow the representation of the nonlinear dynamics of the plant through a convex combination of local linear models. In turn, state observers are devices based on the system dynamics and represent an appropriate alternative to solve the problem of estimating unmeasured states, which enables the design of observer based state feedback controllers. In this context, this dissertation presents the design of observer based control with unknown inputs for discrete Takagi–Sugeno systems. For this purpose, the nonlinear system is represented by a Takagi–Sugeno fuzzy system, and an unknown input observer is used to estimate the unmeasured states of the system. In this way, the state feedback control is designed through a parallel distributed compensation controller, which uses the states estimated by the observer to obtain the control law for the closed loop system. In nonlinear systems, such designs become challenging, since the nonlinearities may be associated with the unmeasured states of the system. To deal with this complexity, the Mean Value Theorem is used to treat the mismatch of the membership functions and to deal with this uncertainty in the design. Finally, the proposed methodology is applied to nonlinear models of real systems, specifically, a twin rotor MIMO system and a four coupled tank system. The obtained results demonstrate the effectiveness of the technique for the estimation of unmeasured states of the system, as well as for observer based control applied to stability and reference tracking.
Assunto
Engenharia elétrica, Lógica difusa, Sistemas não-lineares
Palavras-chave
Sistemas nebulosos, Takagi-Sugeno, Observador de entradas desconhecidas, Controle por realimentação de estados