Contribuições à síntese de controladores fracionários: simulação numérica, identificação, sintonia de parâmetros, análise de estabilidade e implementação embarcada

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2025
Autor(a) principal: Sousa, Igor Rocha de
Orientador(a): Barreto, Guilherme de Alencar
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Tese
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: por
Instituição de defesa: Não Informado pela instituição
Programa de Pós-Graduação: Não Informado pela instituição
Departamento: Não Informado pela instituição
País: Não Informado pela instituição
Área do conhecimento CNPq:
Link de acesso: http://repositorio.ufc.br/handle/riufc/82077
Resumo: In this thesis, innovative proposals are developed and implemented for different stages that constitute the efficient design of fractional-order controllers, namely: numerical simulation, system identification, analytical stability analysis, parameter tuning, and embedded implementation. For the stability analysis stage, a completely novel approach is developed using the Lambert-Tsallis function to determine the poles of fractional-order control systems whose characteristic equation assumes the generic form of a trinomial given by $a_n s^n + a_m s^m + a_0 = 0$, $\forall , n, m \in~\mathbb{Q}^*$ and $a_n a_m a_0 \neq 0$. As a consequence, an analytical equation is also developed to define the bounds of the controller parameters that ensure the stability of such systems. To illustrate the use of the developed tools, both hypothetical plants from the literature and real-world plants are considered. This analytical capability is extended to parameter tuning, so that the search space of an optimization algorithm is constrained to the hypervolume corresponding to the stability region of the control system under consideration. To validate the approach in a real application context, a discrete fractional-order controller is developed and embedded in a neonatal incubator for temperature control. The plant model was obtained using a recursive identification algorithm for fractional-order systems proposed in this thesis, based on the LMS (least mean square) algorithm. The resulting fractional-order model achieved a VAF (variance accounted for) of 97.84\%. During the controller tuning process, the computational simulations are carried out using discrete equations developed in this thesis, resulting in a processing time approximately 250 times shorter than the elapsed time required by toolboxes available in the literature. Finally, an implementation of this controller is proposed for the 8-bit microcontroller of the incubator, using an MLP (multilayer perceptron) neural network representation to mitigate the loss of optimality in parameter tuning observed in traditional discretization methods for such controllers. The proposed approach achieved an RMSE (root mean square error) of 0.0715, compared to 0.5032 obtained using the Merrikh-Bayat technique. In the embedded system, with only 4 neurons in the hidden layer, the neural fractional-order controller required just 6.511 ms for execution, occupying 1556 bytes of program memory and 241 bytes of RAM. The response of the control system exhibited an overshoot of 1.66\% and a settling time of 8183 s.
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spelling Sousa, Igor Rocha deNóbrega, Kléber ZuzaBarreto, Guilherme de Alencar2025-08-19T01:46:32Z2025-08-19T01:46:32Z2025SOUSA, Igor Rocha de. Contribuições à síntese de controladores fracionários: simulação numérica, identificação, sintonia de parâmetros, análise de estabilidade e implementação embarcada. 2025. 184 f. Tese (Doutorado em Engenharia de Teleinformática) – Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2025.http://repositorio.ufc.br/handle/riufc/82077In this thesis, innovative proposals are developed and implemented for different stages that constitute the efficient design of fractional-order controllers, namely: numerical simulation, system identification, analytical stability analysis, parameter tuning, and embedded implementation. For the stability analysis stage, a completely novel approach is developed using the Lambert-Tsallis function to determine the poles of fractional-order control systems whose characteristic equation assumes the generic form of a trinomial given by $a_n s^n + a_m s^m + a_0 = 0$, $\forall , n, m \in~\mathbb{Q}^*$ and $a_n a_m a_0 \neq 0$. As a consequence, an analytical equation is also developed to define the bounds of the controller parameters that ensure the stability of such systems. To illustrate the use of the developed tools, both hypothetical plants from the literature and real-world plants are considered. This analytical capability is extended to parameter tuning, so that the search space of an optimization algorithm is constrained to the hypervolume corresponding to the stability region of the control system under consideration. To validate the approach in a real application context, a discrete fractional-order controller is developed and embedded in a neonatal incubator for temperature control. The plant model was obtained using a recursive identification algorithm for fractional-order systems proposed in this thesis, based on the LMS (least mean square) algorithm. The resulting fractional-order model achieved a VAF (variance accounted for) of 97.84\%. During the controller tuning process, the computational simulations are carried out using discrete equations developed in this thesis, resulting in a processing time approximately 250 times shorter than the elapsed time required by toolboxes available in the literature. Finally, an implementation of this controller is proposed for the 8-bit microcontroller of the incubator, using an MLP (multilayer perceptron) neural network representation to mitigate the loss of optimality in parameter tuning observed in traditional discretization methods for such controllers. The proposed approach achieved an RMSE (root mean square error) of 0.0715, compared to 0.5032 obtained using the Merrikh-Bayat technique. In the embedded system, with only 4 neurons in the hidden layer, the neural fractional-order controller required just 6.511 ms for execution, occupying 1556 bytes of program memory and 241 bytes of RAM. The response of the control system exhibited an overshoot of 1.66\% and a settling time of 8183 s.Nesta tese, são desenvolvidas e implementadas propostas inovadoras para diferentes etapas que compõem o projeto eficiente de controladores de ordem fracionária, a saber: simulação numérica, identificação de sistemas, análise analítica de estabilidade, sintonia de parâmetros e implementação embarcada. Para a etapa de análise de estabilidade, desenvolve-se uma proposta completamente inédita com o auxílio da função Lambert-Tsallis para determinar os polos de sistemas de controle fracionário cuja equação característica assume a forma genérica de um trinômio dado por $a_n s^n + a_m s^m + a_0 = 0$, $\forall \, n, m \in~\mathbb{Q}^*$ e $a_n a_m a_0 \neq 0$. Como consequência, desenvolve-se também uma equação analítica capaz de definir os limites dos parâmetros do controlador que asseguram a estabilidade de tais sistemas. A fim de ilustrar o uso das ferramentas desenvolvidas, são considerados tanto plantas hipotéticas extraídas da literatura quanto plantas reais. Essa capacidade analítica é estendida para a sintonia de parâmetros, de modo que o espaço de busca de um algoritmo de otimização assume o hipervolume correspondente à região de estabilidade do sistema de controle em questão. Para validar a abordagem em um contexto de aplicação real, é desenvolvido um controlador fracionário discreto embarcado em uma incubadora neonatal para controle de temperatura. O modelo da planta foi obtido através de um algoritmo proposto nesta tese para identificação recursiva de sistemas fracionários, baseado no algoritmo LMS (\textit{least mean square}). O modelo de ordem fracionária alcançou VAF (\textit{variance accounted for}) de 97,84\%. Durante a sintonia do controlador, as simulações computacionais são realizadas através de equações discretas desenvolvidas nesta tese, apresentando tempo de processamento da ordem de 250 vezes menor em relação às \textit{toolboxes} disponíveis na literatura da área. Por fim, propõe-se uma implementação deste controlador no microcontrolador de 8 \textit{bits} da incubadora, através de sua representação por uma rede neural MLP (\textit{multilayer perceptron}) com o objetivo de mitigar a perda de otimalidade da sintonia de parâmetros que ocorre nos métodos tradicionais de discretização destes controladores. A proposta obteve RMSE (\textit{root mean square error}) = 0,0715, frente aos 0,5032 da técnica de Merrikh-Bayat. No sistema embarcado, com apenas 4 neurônios na camada oculta, o controlador fracionário neural demandou apenas 6,511 ms para execução, ocupando 1556 \textit{bytes} de memória de programa e 241 \textit{bytes} de RAM. A resposta do sistema de controle apresentou um sobressinal de 1,66\% e um tempo de acomodação de 8.183 s.Este documento está disponível online com base na Portaria no 348, de 08 de dezembro de 2022, disponível em: https://biblioteca.ufc.br/wp-content/uploads/2022/12/portaria348-2022.pdf, que autoriza a digitalização e a disponibilização no Repositório Institucional (RI) da coleção retrospectiva de TCC, dissertações e teses da UFC, sem o termo de anuência prévia dos autores. Em caso de trabalhos com pedidos de patente e/ou de embargo, cabe, exclusivamente, ao autor(a) solicitar a restrição de acesso ou retirada de seu trabalho do RI, mediante apresentação de documento comprobatório à Direção do Sistema de Bibliotecas.Contribuições à síntese de controladores fracionários: simulação numérica, identificação, sintonia de parâmetros, análise de estabilidade e implementação embarcadaContributions to the synthesis of fractional-order controllers: numerical simulation, system identification, parameter tuning, stability analysis, and embedded implementationinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisControlador PID fracionárioAnálise de estabilidadeFunção Lambert-TsallisIdentificação de sistemasSistemas embarcados (Computadores)Fractional-order PID controllerStability analysisLambert-Tsallis functionSystem identificationEmbedded computer systemsCNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICAinfo:eu-repo/semantics/openAccessporreponame:Repositório Institucional da Universidade Federal do Ceará (UFC)instname:Universidade Federal do Ceará (UFC)instacron:UFChttps://orcid.org/0000-0003-2178-4222https://lattes.cnpq.br/0760355120916140https://orcid.org/0000-0002-7002-1216http://lattes.cnpq.br/8902002461422112https://orcid.org/0000-0001-8957-3611http://lattes.cnpq.br/64333036529980672025-07-28LICENSElicense.txtlicense.txttext/plain; charset=utf-81748http://repositorio.ufc.br/bitstream/riufc/82077/2/license.txt8a4605be74aa9ea9d79846c1fba20a33MD52ORIGINAL2025_tese_irsousa.pdf2025_tese_irsousa.pdfTeseapplication/pdf22204668http://repositorio.ufc.br/bitstream/riufc/82077/1/2025_tese_irsousa.pdf1f537815940d365beac4f1946ddf0444MD51riufc/820772025-08-18 22:47:55.819oai:repositorio.ufc.br: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Repositório InstitucionalPUBhttp://www.repositorio.ufc.br/ri-oai/requestbu@ufc.br || repositorio@ufc.bropendoar:2025-08-19T01:47:55Repositório Institucional da Universidade Federal do Ceará (UFC) - Universidade Federal do Ceará (UFC)false
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