Contribuições à teoria de controle adaptativo utilizando técnicas de inteligência computacional e funções de monitoração
Autor(a) principal: | |
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Data de Publicação: | 2017 |
Tipo de documento: | Dissertação |
Idioma: | por |
Título da fonte: | Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UERJ |
Texto Completo: | http://www.bdtd.uerj.br/handle/1/11860 |
Resumo: | The main goal of this dissertation is to apply intelligent techniques to adaptive controllers, in order to improve their performance. These techniques are applied to three cases. In the first case, it was developed an artificial neural network that is able to suppress high-frequency oscillations in the output of an extremum seeking control system. High-frequency oscillation degrades the control performance in pratical applications. The artificial neural network used is a multilayer perceptron with one input, one hidden layer and one output. For the training, only a small sample of the extremum seeking output signal is utilized. In the second case, a genetic algorithm (GA) is applied to initialize the parameters of a model reference adaptive control (MRAC), by reducing the previous knowledge required for the implementation of this kind of controller in the trajectory tracking problem. First, the GA is used to find the best control parameters for singleinput-single-output (SISO) systems, so that the transient of the output responses are significantly reduced without needing to increase the control signal amplitudes. Second, multi-input-multi-output (MIMO) plants were taken into account, where the GA is able to find the control direction signs of the high-frequency gain (HFG) matrix, so that the global stability/convergence of the multivariable MRAC controller is guaranteed. This prior knowledgent is fundamental to the operation of the multivarible adaptive controller in real-world scenarios, which depending on the application is impossible to be known a priori. The results of the latter case are compared with a method of monitoring functions, also developed in this work, where the benefits of using the GA for the closed-loop system are evident as the number of inputs and outputs increases. The last contribution applies monitoring functions with adaptive binary control, of the BMRAC type, to solve the problem of high frequency gain matrix with leading principal minors of unknown signs, responsible to define the control direction. The proposed method is developed to multiinput-multi-output (MIMO) systems of relative degree one, since the design of BMRAC controllers even when the signs of the HFG matrix are known are very challenging, due to the large number of restrictions required and prior knowledge. All methods exhibited good performance results, showing their eficiency and, therefore, opening new possibilities to new studies. |
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In the first case, it was developed an artificial neural network that is able to suppress high-frequency oscillations in the output of an extremum seeking control system. High-frequency oscillation degrades the control performance in pratical applications. The artificial neural network used is a multilayer perceptron with one input, one hidden layer and one output. For the training, only a small sample of the extremum seeking output signal is utilized. In the second case, a genetic algorithm (GA) is applied to initialize the parameters of a model reference adaptive control (MRAC), by reducing the previous knowledge required for the implementation of this kind of controller in the trajectory tracking problem. First, the GA is used to find the best control parameters for singleinput-single-output (SISO) systems, so that the transient of the output responses are significantly reduced without needing to increase the control signal amplitudes. Second, multi-input-multi-output (MIMO) plants were taken into account, where the GA is able to find the control direction signs of the high-frequency gain (HFG) matrix, so that the global stability/convergence of the multivariable MRAC controller is guaranteed. This prior knowledgent is fundamental to the operation of the multivarible adaptive controller in real-world scenarios, which depending on the application is impossible to be known a priori. The results of the latter case are compared with a method of monitoring functions, also developed in this work, where the benefits of using the GA for the closed-loop system are evident as the number of inputs and outputs increases. The last contribution applies monitoring functions with adaptive binary control, of the BMRAC type, to solve the problem of high frequency gain matrix with leading principal minors of unknown signs, responsible to define the control direction. The proposed method is developed to multiinput-multi-output (MIMO) systems of relative degree one, since the design of BMRAC controllers even when the signs of the HFG matrix are known are very challenging, due to the large number of restrictions required and prior knowledge. All methods exhibited good performance results, showing their eficiency and, therefore, opening new possibilities to new studies.Este trabalho tem como principal objetivo investigar a aplicação de técnicas inteligentes em controladores adaptativos do tipo extremal e por modelo de referência, de forma a melhorar o desempenho de tais controladores. Essas técnicas foram aplicadas em três estudos de caso. No primeiro estudo de caso foi desenvolvida uma rede neural artificial (RNA) capaz de suprimir as oscilações de alta frequência existentes na saída de um controlador extremal. A supressão dessas oscilações é importante pois elas prejudicam o desempenho de controle em aplicações práticas. A rede neural artificial utilizada foi uma perceptron multicamadas com uma entrada e uma saída, com uma camada escondida. Para o seu treinamento foi utilizada uma pequena amostragem obtida da saída oscilatória do controle extremal. No segundo estudo de caso foram aplicados algoritmos genéticos (AG) na inicialização de controladores adaptativos por modelo de referência (MRAC) como forma de reduzir os conhecimentos prévios necessários para a implementação desse tipo de controlador no problema de rastreamento de trajetórias. Na primeira abordagem foram utilizados sistemas com uma entrada e uma saída onde o AG encontra os parâmetros para a inicialização do MRAC de forma que os transitórios são reduzidos de maneira significativa sem a necessidade de aumentar o sinal de controle. Na segunda abordagem, considera-se sistemas de múltiplas entradas e saídas onde o AG encontra os sinais de direção de controle da matriz de ganho de alta frequência, de forma que a estabilidade global do controlador MRAC e a convergência do erro de rastreamento para zero possam ser garantidas. Esse conhecimento prévio é fundamental para o funcionamento desse tipo de controlador em sistemas reais, onde dependendo da aplicação torna-se impossível de saber previamente. Os resultados do segundo estudo de caso foram comparados com um método de funções de monitoração também desenvolvido nesse trabalho, onde o AG se mostra ainda mais útil conforme o número de entradas e saídas do sistema aumenta. O terceiro estudo de caso aplica funções de monitoração em conjunto com controladores adaptativos binários do tipo BMRAC como forma de resolver o problema do desconhecimento dos sinais dos menores principais da matriz de ganho de alta frequência (HFG), responsável por definir a direção de controle. A grande vantagem desse método é ser aplicável em tempo real. O método proposto foi desenvolvido para sistemas de grau relativo um com múltiplas entradas e saídas (MIMO), pois esses tipos de sistemas apresentam desafios para controladores BMRAC até mesmo quando os sinais da matriz HFG são conhecidos, devido ao grande número de restrições necessárias e conhecimentos prévios. Todos os métodos aplicados apresentaram bons resultados, mostrando sua eficiência e servindo de base para novos estudos.Submitted by Boris Flegr (boris@uerj.br) on 2021-01-06T19:19:40Z No. of bitstreams: 1 Renato Borba Teixeira.pdf: 2334606 bytes, checksum: 10bfba0f3e59fbed09c4a35ab8727173 (MD5)Made available in DSpace on 2021-01-06T19:19:40Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Renato Borba Teixeira.pdf: 2334606 bytes, checksum: 10bfba0f3e59fbed09c4a35ab8727173 (MD5) Previous issue date: 2017-12-21application/pdfporUniversidade do Estado do Rio de JaneiroPrograma de Pós-Graduação em Engenharia EletrônicaUERJBRCentro de Tecnologia e Ciências::Faculdade de EngenhariaElectronic EngineeringProgrammable ControllersExtremum seekingAdaptive controlArtificial neural networkGenetic algorithmMonitoring functionsEngenharia eletrônicaControladores programáveisControle extremalControle adaptativoRedes neurais artificiaisAlgoritmos genéticosfunções de monitoraçãoCNPQ::ENGENHARIASContribuições à teoria de controle adaptativo utilizando técnicas de inteligência computacional e funções de monitoraçãoContributions to the adaptive control theory using computational intelligence techniques and monitoring functionsinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisinfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UERJinstname:Universidade do Estado do Rio de Janeiro (UERJ)instacron:UERJORIGINALRenato Borba Teixeira.pdfapplication/pdf2334606http://www.bdtd.uerj.br/bitstream/1/11860/1/Renato+Borba+Teixeira.pdf10bfba0f3e59fbed09c4a35ab8727173MD511/118602024-02-27 15:16:44.186oai:www.bdtd.uerj.br:1/11860Biblioteca Digital de Teses e Dissertaçõeshttp://www.bdtd.uerj.br/PUBhttps://www.bdtd.uerj.br:8443/oai/requestbdtd.suporte@uerj.bropendoar:29032024-02-27T18:16:44Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UERJ - Universidade do Estado do Rio de Janeiro (UERJ)false |
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