Projeto de controladores PID multivariáveis para sistemas de segunda ordem com atraso

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2025
Autor(a) principal: Araújo, José Ricardo Bezerra de
Orientador(a): Não Informado pela instituição
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Dissertação
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: por
Instituição de defesa: Universidade Federal do Rio Grande do Norte
BR
UFRN
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECATRÔNICA
Programa de Pós-Graduação: Não Informado pela instituição
Departamento: Não Informado pela instituição
País: Não Informado pela instituição
Palavras-chave em Português:
Link de acesso: https://repositorio.ufrn.br/handle/123456789/63876
Resumo: Second-order systems, which originate from second-order differential equations, play a crucial role in control system studies due to their broad capability to model practical situations, such as mechanical vibrations, resonance, and even specific processes in areas like fermentation in certain biological applications. Working with this type of model, instead of first-order state models, offers advantages such as enabling the design of more sophisticated controllers and providing a clearer frequency-domain analysis. In practice, these systems are affected by inherent delays in various components, such as actuators and sensor measurements, which can lead to performance degradation, instability, and oscillations. Since even small delays can cause significant disturbances, it is beneficial to adopt an approach based on the system’s receptances, which accurately represent delays through a frequency-domain analysis. This dissertation aims to develop multivariable PID controllers for linear dynamic systems with multiple inputs and outputs (MIMO) that exhibit actuation delays and are described by second-order differential equation systems. The proposed technique employs a frequency-domain model known as the receptance matrix, which can be precisely obtained experimentally and allows for the exact treatment of delay effects without approximations. Closed-loop stability is ensured using the socalled generalized Nyquist criterion, verified through eigenloci diagrams, with a given stability margin imposed by enforcing a minimum distance between the eigenloci and the critical stability point. An optimization problem is formulated to compute the PID controller gains that ensure this margin while minimizing a time-domain performance index, which is solved using a Genetic Algorithm. Different delays for each actuator and various PID controller configurations are considered, with numerical examples illustrating the proposed approach.
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Since even small delays can cause significant disturbances, it is beneficial to adopt an approach based on the system’s receptances, which accurately represent delays through a frequency-domain analysis. This dissertation aims to develop multivariable PID controllers for linear dynamic systems with multiple inputs and outputs (MIMO) that exhibit actuation delays and are described by second-order differential equation systems. The proposed technique employs a frequency-domain model known as the receptance matrix, which can be precisely obtained experimentally and allows for the exact treatment of delay effects without approximations. Closed-loop stability is ensured using the socalled generalized Nyquist criterion, verified through eigenloci diagrams, with a given stability margin imposed by enforcing a minimum distance between the eigenloci and the critical stability point. An optimization problem is formulated to compute the PID controller gains that ensure this margin while minimizing a time-domain performance index, which is solved using a Genetic Algorithm. Different delays for each actuator and various PID controller configurations are considered, with numerical examples illustrating the proposed approach.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPESSistemas que podem ser representados por equações diferenciais de segundo grau, ou simplesmente sistemas de segunda ordem, possuem grande relevância no estudo de sistemas de controle, devido ao seu amplo poder de modelar situações práticas, como vibrações mecânicas, ressonância e até mesmo processos específicos em áreas como a fermentação em certos processos biológicos. Trabalhar com esse tipo de modelo, em vez dos modelos de estado de primeira ordem, pode trazer alguns benefícios, como a possibilidade de elaboração de controles mais sofisticados e uma análise em frequência mais nítida. Na prática, esses sistemas sofrem com atrasos inerentes a diversas partes, como nos atuadores e na medição dos sensores, podendo gerar efeitos nocivos, como redução do desempenho, instabilidade e oscilações. Considerando que até mesmo pequenos atrasos podem gerar distúrbios significativos no sistema, é válido usar uma abordagem pelas receptâncias do sistema, que conseguem representar de forma exata o atraso por meio de um estudo no domínio da frequência. Esta dissertação visa desenvolver controladores PID multivariáveis para sistemas dinâmicos lineares com múltiplas entradas e saídas (MIMO) que apresentam atraso na atuação e são descritos por sistema de equações diferenciais de segunda ordem. A técnica proposta usa o modelo no domínio da frequência conhecido como matriz de receptâncias, que pode ser obtido de forma precisa experimentalmente e que permite tratar o efeito do atraso sem aproximações. A estabilidade em malha fechada é assegurada usando-se o chamado critério de Nyquist generalizado, verificado pelos chamados diagramas de eigenloci. Uma dada margem de estabilidade é obtida impondo-se uma distância mínima entre os eigenloci e o ponto crítico para estabilidade. Um problema de otimização é formulado para o cálculo dos ganhos do controlador PID que impõem essa margem e minimizam um índice de desempenho da resposta temporal, o qual é resolvido por Algoritmo Genético. São considerados atrasos diferentes para cada atuador e diferentes esquemas do controlador PID. Exemplos numéricos ilustram a abordagem proposta.Universidade Federal do Rio Grande do NorteBRUFRNPROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECATRÔNICADorea, Carlos Eduardo Trabucohttp://lattes.cnpq.br/7889461147155363https://orcid.org/0000-0002-3999-2874http://lattes.cnpq.br/0143490577842914Araújo, José MárioQueiroz, Kurios Iuri Pinheiro de Melohttp://lattes.cnpq.br/7489022506091803Maitelli, André LaurindoAraújo, José Ricardo Bezerra de2025-06-09T19:20:42Z2025-06-09T19:20:42Z2025-03-12info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfARAÚJO, José Ricardo Bezerra de. Projeto de controladores PID multivariáveis para sistemas de segunda ordem com atraso. Orientador: Dr. Carlos Eduardo Trabuco Dorea. 2025. 59f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecatrônica) - Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, 2025.https://repositorio.ufrn.br/handle/123456789/63876info:eu-repo/semantics/openAccessporreponame:Repositório Institucional da UFRNinstname:Universidade Federal do Rio Grande do Norte (UFRN)instacron:UFRN2025-06-09T19:20:42Zoai:repositorio.ufrn.br:123456789/63876Repositório InstitucionalPUBhttp://repositorio.ufrn.br/oai/repositorio@bczm.ufrn.bropendoar:2025-06-09T19:20:42Repositório Institucional da UFRN - Universidade Federal do Rio Grande do Norte (UFRN)false
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