Um novo método para sintonia de controladores PID não lineares sob restrições usando modelo Fuzzy Takagi-Sugeno

dc.contributor.advisorDórea, Carlos Eduardo Trabuco
dc.contributor.advisor-co1Araújo, Fábio Meneghetti Ugulino de
dc.contributor.advisor-co1IDhttps://orcid.org/0009-0002-5019-0140pt_BR
dc.contributor.advisor-co1Latteshttp://lattes.cnpq.br/5473196176458886pt_BR
dc.contributor.advisorIDhttps://orcid.org/0000-0002-3999-2874pt_BR
dc.contributor.advisorLatteshttp://lattes.cnpq.br/0143490577842914pt_BR
dc.contributor.authorMartins, Jose Kleiton Ewerton da Costa
dc.contributor.authorIDhttps://orcid.org/0000-0001-5968-2729pt_BR
dc.contributor.authorLatteshttp://lattes.cnpq.br/1867570379475142pt_BR
dc.contributor.referees1Dantas , André Felipe Oliveira de Azevedo
dc.contributor.referees1IDhttps://orcid.org/0000-0002-4172-3913pt_BR
dc.contributor.referees1Latteshttp://lattes.cnpq.br/8684342148910073pt_BR
dc.contributor.referees2Bessa , Wallace Moreira
dc.contributor.referees2IDhttps://orcid.org/0000-0002-0935-7730pt_BR
dc.contributor.referees2Latteshttp://lattes.cnpq.br/3256782908311485pt_BR
dc.contributor.referees3Linhares ., Leandro Luttiane da Silva
dc.contributor.referees3Latteshttp://lattes.cnpq.br/2692012987625830pt_BR
dc.date.accessioned2023-11-03T23:26:39Z
dc.date.available2023-11-03T23:26:39Z
dc.date.issued2023-06-26
dc.description.abstractMost of the existing controllers in industries are from the PID family (Proportional-Integral-Derivative) developed for linear systems, although the processes are non-linear. Therefore, they present a significant loss of performance when operating outside the operating point for which they were designed. An alternative controller is the so-called PDC (Distributed Parallel Compensator) which, based on a Fuzzy Takagi-Sugeno model, results in a non-linear controller. The Fuzzy Takagi-Sugeno model is intrinsically non-linear, due to the membership functions that make up its structure. Thus, this model can represent nonlinear systems in such a way that, from the physical model of the system, it is possible to obtain a Fuzzy Takagi-Sugeno model that represents it exactly, which contributes to obtaining the PDC. The Fuzzy Takagi-Sugeno model can be represented by the composition of local models. In the PDC controller methodology, local controllers are designed, which can be a PID, for each local model, thus presenting the same rules structure as the Fuzzy Takagi-Sugeno model, that is, the controller shares the same membership functions. Normally, the PDC stability guarantee considers a quadratic Lyapunov function as a candidate, thus allowing it to be tested for linear matrix inequalities (LMIs) that are solvable using efficient convex optimization algorithms. However, polyhedral Lyapunov functions have shown advantages over the quadratic function, especially with regard to satisfying constraints on state, input and output variables, showing their potential to be used to guarantee stability and performance of a PDC-controlled system. In view of this, this work proposes an optimization-based method for tuning Proportional-Integral (PI) controllers for nonlinear systems subject to constraints on the controlled variable and actuator saturation. Conditions are presented for a polyhedron contained in the set of constraints to be invariant with respect to a closed-loop system with a controller subject to saturation. These conditions are used in the formulation of a bilinear programming problem whose solution provides the controller parameters that satisfy the constraints and an associated invariant set. Throughout the development of the work, several variations of the main technique were explored and their advantages and disadvantages were shown through the results. The results are presented in numerical examples. Starting with linear systems and testing I-P controllers and a traditional PI controller with a filter for the reference, we explore case studies with: saturation allowance, state constraints, time-delay, high order systems, servo and regulator problem. Then we explore nonlinear systems testing systems with and without the affine term and controllers with and without the feedfoward term, exploring case studies with: saturation permission, state constraints and servo problem. The results show that the developed method obtains a tuning for the controller that does not violate any state constraint and allows saturation, thus illustrating its efficiencypt_BR
dc.description.resumoMajoritariamente, os controladores existentes nas indústrias são da família PID (Proporcional-Integral-Derivativo) desenvolvidos para sistemas lineares, apesar de os processos serem não lineares. Por isso, apresentam perda de desempenho significativa quando atuam fora do ponto de operação para o qual foram projetados. Uma alternativa de controlador é o chamado PDC (Compensador Paralelo Distribuído) que, a partir de um modelo Fuzzy Takagi-Sugeno, resulta em um controlador não linear. O modelo Fuzzy Takagi-Sugeno é intrinsecamente não linear, devido às funções de pertinência que compõem sua estrutura. Com isso, esse modelo pode representar sistemas não lineares de tal forma que, a partir do modelo físico do sistema, é possível obter um modelo Fuzzy Takagi-Sugeno que o represente de forma exata, o que contribui para a obtenção do PDC. O modelo Fuzzy Takagi-Sugeno pode ser representado pela composição de modelos locais. Na metodologia do controlador PDC são projetados controladores locais, que pode ser um PID, para cada modelo local, assim apresenta a mesma estrutura de regras do modelo Fuzzy Takagi-Sugeno, ou seja, o controlador compartilha as mesmas funções de pertinência. Normalmente, a garantia de estabilidade do PDC leva em consideração uma função de Lyapunov quadrática como candidata permitindo assim que seja testada por desigualdades matriciais lineares (LMIs) que são solucionáveis usando algoritmos eficientes de otimização convexa. Entretanto, funções de Lyapunov poliédricas vêm apresentando vantagens em relação à função quadrática, sobretudo no que se refere a satisfação de restrições nas variáveis de estado, entrada e saída mostrando sua potencialidade em ser utilizada para a garantir estabilidade e desempenho de um sistema controlador por PDC. Em vista disso, este trabalho propõe um método baseado em otimização para a sintonia de controladores Proporcional-Integral (PI) para sistemas não lineares sujeitos a restrições na variável controlada e saturação do atuador. São apresentadas condições para que um poliedro contido no conjunto de restrições seja invariante em relação a um sistema em malha fechada com um controlador sujeito a saturação. Estas condições são usadas na formulação de um problema de programação bilinear cuja solução fornece os parâmetros do controlador que satisfaz as restrições e um conjunto invariante associado. Ao longo do desenvolvimento do trabalho foram exploradas diversas variações da técnica principal e mostradas suas vantagem e desvantagem através dos resultados. Os resultados são apresentados em exemplos numéricos. Começando pelos sistemas lineares e testando os controladores I-P e um PI tradicional com um filtro na referência, explorando os estudos de caso com: permissão de saturação, restrições de estados, sistema com atraso de transporte, sistemas de ordem elevada, problema servo e regulador. Em seguida exploramos os sistemas não lineares testando sistemas com e sem o termo afim e controladores com e sem otermo feedforward, explorando os estudos de caso com: permissão de saturação, restrições nos estados e problema servo. Os resultados mostram que o método desenvolvido obtém uma sintonia para o controlador que não viola nenhuma restrição de estado e permite saturação, ilustrando assim sua eficiência.pt_BR
dc.identifier.citationMARTINS, José Kleiton Ewerton da Costa. Um novo método para sintonia de controladores PI não lineares sob restrições usando modelo Fuzzy Takagi-Sugeno. 2023. 151 f. Orientador: Prof. Dr. Carlos Eduardo Trabuco Dórea.Tese (doutorado em Engenharia Elétrica e de Computação) - Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Centro de Tecnologia, Programa de Pós-graduação em Engenharia Elétrica e de Computação, Natal, RN, 2023.pt_BR
dc.identifier.urihttps://repositorio.ufrn.br/handle/123456789/55163
dc.languagept_BRpt_BR
dc.publisherUniversidade Federal do Rio Grande do Nortept_BR
dc.publisher.countryBrasilpt_BR
dc.publisher.initialsUFRNpt_BR
dc.publisher.programPrograma de Pós-graduação em Engenharia Elétrica e de Computaçãopt_BR
dc.rightsAcesso Abertopt_BR
dc.subjectModelo Fuzzy Takagi-Sugenopt_BR
dc.subjectControlares PIDpt_BR
dc.subjectCompensador paralelo distribuídopt_BR
dc.subject.cnpqCNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRApt_BR
dc.titleUm novo método para sintonia de controladores PID não lineares sob restrições usando modelo Fuzzy Takagi-Sugenopt_BR
dc.typedoctoralThesispt_BR

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