Sba: Controle & Automação Sociedade Brasileira de Automatica, Volume: 15, Issue: 1, Published: 2004
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    Araújo, Aldayr Dantas de; Rêgo, José Ivonildo do
  • Anti-windup design with guaranteed regions of stability for discrete-time linear systems with saturating controls

    Silva Jr., João Manoel Gomes da; Reginatto, Romeu; Tarbouriech, Sophie

    Abstract in Portuguese:

    Este artigo tem por objetivo o estudo da determinação de regiões de estabilidade para sistemas lineares discretos no tempo com controles saturantes, através da utilização de laços de anti-windup. Considerando que um compensador dinâmico de saída é previamente projetado para estabilizar o sistema linear em tempo discreto (i.e. desconsiderando-se a saturação), é proposto um método para projetar um ganho de anti-windup que maximize a região de atração do sistema em malha fechada na presença de saturação. É mostrado que o sistema em malha fechada, obtido a partir do controlador com o termo de anti-windup, pode ser modelado por um sistema linear em cascata com uma não-linearidade do tipo zona-morta. A partir deste modelamento, condições de estabilidade baseadas em funções de Lyapunov quadráticas são estabelecidas. Algortimos baseados na solução de LMIs são propostos para computar simultaneamente o ganho de anti-windup e a região de estabilidade associada.

    Abstract in English:

    The purpose of this paper is to study the determination of stability regions for discrete-time linear systems with saturating controls through anti-windup schemes. Considering that a linear dynamic output feedback has been designed to stabilize the linear discrete-time system (without saturation), a method is proposed for designing an anti-windup gain that maximizes an estimate of the basin of attraction of the closed-loop system in the presence of saturation. It is shown that the closed-loop system obtained from the controller plus the anti-windup gain can be modeled by a linear system connected to a deadzone nonlinearity. From this model, stability conditions based on quadratic Lyapunov functions are stated. Algorithms based on LMI schemes are proposed for computing both the anti-windup gain and an associated stability region.
  • Self-bounded (A,B)-invariant polyhedra and constant reference tracking in constrained linear systems

    Dórea, Carlos E. T.

    Abstract in Portuguese:

    Neste trabalho, analisa-se o conceito de conjuntos (A,B)-invariantes auto-limitados e sua implicação na restrição de controlabilidade de sistemas de tempo discreto sujeitos a restrições lineares nos estados. Conjuntos auto-limitados são definidos e caracterizados. Mostra-se que a classe de conjuntos auto-limitados contidos em uma dada região possui um elemento ínfimo, ou seja, um conjunto auto-limitado que é contido em qualquer outro desta classe. Este conjunto ínfimo é caracterizado e um método numérico é apresentado para seu cálculo no caso poliédrico. Estes resultados são então usados para se analisar o problema de rastreamento de sinais de referência constantes para sistemas sujeitos a restrições nos estados. Os resultados são ilustrados através de um exemplo numérico.

    Abstract in English:

    In this work the concept of self-bounded (A,B)-invariant sets is analyzed, as well as its implication in constrained controllability of discrete-time systems subject to state constraints. Self-bounded (A,B)-invariant sets are defined and characterized. It is shown that the class of self-bounded sets contained in a given region has an infimum, that is, a self-bounded set which is contained in any set of this class. The infimal set is characterized and a numerical method is presented for its computation in the polyhedral case. These results are then used to analyze the problem of constant reference tracking for state constrained systems. The results are illustrated by a numerical example.
  • Novos testes de estabilidade para sistemas lineares Sistemas Lineares

    Oliveira, Maurício C. de

    Abstract in Portuguese:

    Este artigo mostra como diversos problemas de estabilidade de sistemas lineares podem ser formulados combinando-se a teoria de estabilidade de Lyapunov com o Lema de Finsler. Utilizando-se destes resultados, as equações diferencias que regem os sistemas podem ser vistas como restrições. Estas restrições dinâmicas, que naturalmente envolvem as derivadas das variáveis do sistema, são incorporadas às condições de estabilidade por meio de multiplicadores escalares ou matriciais.

    Abstract in English:

    This paper shows that several problems in linear systems theory can be solved by combining Lyapunov stability theory with Finsler's Lemma. Using these results, the differential equations that govern the behavior of the system can be seen as constraints. These dynamic constraints, which naturally involve the state derivative, are incorporated into the stability analysis conditions through the use of scalar or matrix Lagrange multipliers.
  • Estabilidade robusta de sistemas lineares através de desigualdades matriciais lineares Sistemas Lineares

    Leite, Valter J. S.; Montagner, Vinícius F.; Oliveira, Paulo J. de; Oliveira, Ricardo C. L. F.; Ramos, Domingos C. W.; Peres, Pedro L. D.

    Abstract in Portuguese:

    Condições suficientes para a análise de estabilidade de sistemas lineares com incertezas politópicas são apresentadas neste trabalho. A estabilidade robusta é garantida a partir da existência de uma função de Lyapunov dependente de parâmetros obtida do teste de factibilidade de um conjunto de desigualdades matriciais lineares (em inglês, LMIs - Linear Matrix Inequalities) formuladas nos vértices do politopo de incertezas. Três condições são apresentadas para sistemas contínuos no tempo, e três para sistemas a tempo discreto. Os resultados são também comparados com a análise baseada na estabilidade quadrática (mesma função de Lyapunov para todo o conjunto de incertezas), tanto para o caso contínuo quanto para o caso discreto. A primeira condição explora o uso de variáveis (matrizes) adicionais em LMIs, e a segunda utiliza um número maior de LMIs. Essas duas condições foram recentemente publicadas e são menos conservadoras que a estabilidade quadrática. A terceira condição, proposta neste trabalho, mescla as duas idéias e apresenta resultados bem mais abrangentes, contendo as condições anteriores como casos particulares. Vários exemplos são apresentados, ilustrando o desempenho numérico das formulações LMI em termos de eficiência e de complexidade computacional.

    Abstract in English:

    Sufficient conditions for the analysis of stability of linear systems with polytopic uncertainties are presented in this paper. The robust stability is guaranteed by the existence of a parameter dependent Lypaunov function obtained from the feasibility test of a set of linear matrix inequalities (LMIs) formulated at the vertices of the uncertainty polytope. Three conditions are presented, and the results are also compared with the analysis based on quadratic stability (same Lyapunov function for the entire set of uncertainties), for continuous as well as discrete-time systems. The first condition exploits the use of some extra variables (matrices) in the LMIs, and the second one uses a larger number of LMIs. These two conditions have recently appeared in the literature and are less conservative than quadratic stability. The third condition, proposed in this paper, combines the two ideas, yielding better results, and contains the previous conditions as particular cases. Several examples are presented to illustrate the numerical performance of the LMI conditions in terms of efficiency and computational complexity.
  • Otimização robusta de carteiras utilizando desigualdades matriciais lineares Sistemas Estocásticos

    Costa, Oswaldo L. V.; Nabholz, Rodrigo B.

    Abstract in Portuguese:

    O objetivo deste trabalho é formular um problema de seleção robusta de ativos utilizando média-semivariância em termos de um problema de otimização com desigualdades matriciais lineares (LMI). O modelo de média-semivariância usa como função risco uma combinação convexa das semivariâncias (acima e abaixo do retorno esperado) do erro de rastreamento (a diferença entre os retornos da carteira considerada e um benchmark). Consideramos diferentes formas de calcular a média e a semivariância do erro de rastreamento. Iremos então minimizar uma função objetivo definida como uma combinação convexa da função risco menos o retorno esperado de erro de rastreamento. Chamamos de solução robusta a carteira factível que minimiza o valor da função objetivo no pior caso. Serão apresentadas simulações numéricas com dados de ações negociadas na Bolsa de Valores de São Paulo (BOVESPA).

    Abstract in English:

    The main goal of this paper is to formulate a robust mean-semivariance portfolio selection problem in terms of a linear matrix inequalities (LMI) optimization problem. The mean-semivariance model takes as the risk function a convex combination of the semivariances (below and above the expected return) of the tracking error (the difference between the investor's portfolio and a benchmark portfolio). We consider different forms of calculating the mean and semivariance of the tracking error. It is desired to minimize an objective function defined as a convex combination of the risk function minus the expected return of the tracking error. By a robust solution we mean a feasible portfolio which leads to a worst case value function lower than any other worst case value function evaluated at any other feasible portfolio. Numerical simulations will be presented with data from São Paulo Stock Exchange (BOVESPA).
  • Filtros recursivos lineares e controle ótimo para sistemas lineares com variações abruptas e observações parciais Sistemas Estocásticos

    Costa, Oswaldo L. V.; Jiménez, Susset Guerra

    Abstract in Portuguese:

    Neste trabalho estuda-se o problema de filtragem e controle ótimo para sistemas lineares com parâmetros sujeitos a variações abruptas e observações parciais. Assume-se que as variações abruptas são representadas por variáveis aleatórias independentes e igualmente distribuídas ao longo do tempo, tomando valores em um conjunto contável de elementos. Inicialmente apresentam-se filtros recursivos lineares de mínimo erro médio quadrático para esta família de sistemas. Este resultado generaliza alguns resultados apresentados anteriormente na literatura que apenas consideravam modelos com variações abruptas binárias nas variáveis de saída do sistema. Em seguida considera-se o problema de controle ótimo quadrático para o caso com observações parciais. Utilizando-se o filtro desenvolvido anteriormente apresenta-se uma solução sub-ótima para o problema, uma vez que o princípio da separação não se aplica neste caso.

    Abstract in English:

    In this work we study the filtering and optimal control problems for linear systems subject to abrupt changes in the parameters and partial observations. We assume that the abrupt changes are represented by independent and identically distributed random variables along the time, taking values in a finite set of numbers. Initially we present recursive filters of minimum mean square quadratic errors for this family of systems. These results generalize some previous results in the literature which only considered binary abrupt variations in the output variables of the system. Next we consider the quadratic optimal control problem for the partial observation case. Using the filter previously developed we present a sub-optimal solution for the problem, since that the separation principles cannot be applied to this case.
  • Neural networks to identify particles using topological properties of calorimeters

    Damazio, Denis Oliveira; Seixas, José Manoel de

    Abstract in Portuguese:

    O presente trabalho apresenta um sistema classificador baseado em redes neurais aplicadas a um mapeamento topológico da informação segmentada fornecida por um calorimetro de altas energias. Este detector mede a energia das particulas incidentes em feixes experimentais. A eficiência de classificação atingida fica acima de 97,50% para feixes de mais alta energia, mesmo quando os dados experimentais apresentam uma inevitável contaminação ocasionada durante o processo de produção das partículas. Alguma deterioração da qualidade do classificador encontrada para feixes de mais baixa energia também é discutida. A redução no número de dimensões do espaço de entrada, causada pelo mapeamento topológico, pode ser muito importante quando a implementação do classificador para operação online for considerada.

    Abstract in English:

    The present work describes a neural particle classifier system based on topological mapping of the segmented information provided by a high-energy calorimeter, a detector that measures the energy of incoming particles. The achieved classification efficiencies are above 97.50% for the higher energy particle beams, even when experimental data exhibit unavoidable contamination due to the particle beam generation process, what could jeopardize the classifier performance. Some deterioration in the performance for the lower energy range is also discussed. The reduction on the dimensionality of the data input space caused by the topological mapping may be very helpful when online implementation of the classifier is required.
  • Error identification and compensation in large manipulators with application in cancer proton therapy

    Meggiolaro, M.A.; Dubowsky, S.; Mavroidis, C.

    Abstract in Portuguese:

    Importantes tarefas robóticas poderiam ser eficientemente executadas por manipuladores potentes e precisos. No entanto, alta precisão absoluta é geralmente difícil de ser obtida em grandes manipuladores capazes de produzir forças de alta intensidade, devido às distorções elásticas e geométricas do sistema. Um método é apresentado para identificar, através de medições indiretas, as fontes de erro de posicionamento da extremidade de grandes manipuladores. O método não requer uma modelagem estrutural explícita do sistema. Ambos os erros geométricos e elásticos de posicionamento são identificados. Esses valores são usados para predizer e compensar os erros da extremidade do robô em função da configuração e de forças medidas, melhorando a precisão absoluta do sistema. O método é aplicado a um grande robô médico de alta precisão. Resultados experimentais demonstram que o método é capaz de corrigir eficientemente os erros de posicionamento do sistema.

    Abstract in English:

    Important robotic tasks could be effectively performed by powerful and accurate manipulators. However, high accuracy is generally difficult to obtain in large manipulators capable of producing high forces due to system elastic and geometric distortions. A method is presented to identify the sources of end-effector positioning errors in large manipulators using experimentally measured data. The method does not require explicit structural modeling of the system. Both geometric and elastic deformation positioning errors are identified. These error sources are used to predict, and compensate for, end-point errors as a function of configuration and measured forces, improving the system absolute accuracy. The method is applied to a large high-accuracy medical robot. Experimental results show that the method is able to effectively correct for the system errors.
  • The p-q theory for active filter control: some problems and solutions

    Watanabe, Edson H.; Aredes, Maurício; Akagi, Hirofumi

    Abstract in Portuguese:

    A teoria de potência ativa e reativa instantâneas ou Teoria p-q ô largamente utilizada no projeto de controladores de filtros ativos. Este trabalho trata de alguns problemas devido a má interpretação desta teoria. É feito um levantamento da história desta teoria e o problema causado pela tensão distorcida no ponto conexão comum (PCC) ô analisado. Alôm disto, o aparecimento na fonte de componentes de harmônicos de corrente não presentes na corrente da carga (corrente escondida), causada pelas diferentes formas de filtragem das componentes oscilantes da potência real e imaginária são discutidas. O problema causado pela distorção na tensão pode ser resolvido com o uso de circuito phase locked loop (PLL) . O problema da ''corrente escondida'' pode ser resolvido com o uso de filtros de características similares. Estas análises são apresentadas para esclarecer alguns aspectos da Teoria p-q que não estavam explícitos na proposta original da teoria.

    Abstract in English:

    The instantaneous active and reactive power theory or the p-q Theory is widely used to design controllers for active filters. This paper deals with some problems due to the misinterpretations of this theory. A historical background of the theory is presented and the problem caused by distorted voltages at the point of common connection (PCC) is analyzed. In addition, the appearance of source current harmonic component not present in the load current (hidden current) caused by different filtering characteristics for the calculation of the oscillating real and imaginary power components is discussed. The problem caused by the voltage distortion can be solved using a phase locked loop (PLL) circuit. For the hidden current, filters with similar characteristics can avoid them. These analysis and solutions are presented to clarify some aspects of the p-q Theory not clear in the original approach of the theory.
  • Um método para auxiliar processos de restauração de sistemas de potência Sistemas De Potência

    Santos, José V. Canto dos; Garcia, Ariovaldo V.

    Abstract in Portuguese:

    Este trabalho trata de restauração de sistemas de potência, um dos principais problemas atuais da área de Engenharia Elétrica. Devido a grande dependência das sociedades industriais modernas de um fornecimento confiável de energia elétrica, este tema tem recebido grande atenção. Na restauração de sistemas após a ocorrência de blecautes, um problema básico é a determinação da configuração do sistema tendo como objetivo o atendimento de cargas prioritárias. Isso normalmente é feito em estágios sendo que em cada etapa atende-se um conjunto de cargas. Neste trabalho é apresentado um método para resolver este problema levando em conta os aspectos ativo e reativo dos sistemas e seus principais limites de operação. A abordagem de caráter geral desenvolvida utiliza, um novo modelo de fluxo de potência linearizado, programação linear, uma expansão do conceito de rede fictícia. e o modelo convencional de fluxo de potência. São apresentados resultados obtidos para um sistema teste e para um sistema real brasileiro.

    Abstract in English:

    The subject of this work is the power system restoration, one of the main problems in the electrical engineering area. Due to the great dependency of electricity of a modern industrial society, this subject has receiving great attention. The restoration of large electrical power systems after the occurrence of serious blackouts is a complex problem where the basic goal is to obtain the system configuration in order to attend loads with different priorities. The restoration is done through stages and in each stage the service is restored to a predetermined set of loads. A method to solve important aspects of the power system restoration problem is presented in this work. The solution takes into account the nonlinear network model (AC model) as well as its constraints and operational limits. The fictitious network concept is extended to the reactive model, linear programming, a new model for the linearized power flow and conventional load flow calculation are used. Results obtained with a test system as well as with a large realistic Brazilian system are presented.
  • Modelagem de cargas variantes no tempo na avaliação de confiabilidade composta via simulação Monte Carlo não-seqüencial Sistemas De Potência

    Manso, Luiz A. F.; Silva, Armando M. Leite da

    Abstract in Portuguese:

    Este artigo apresenta uma nova metodologia para avaliar a confiabilidade de sistemas compostos de geração e transmissão considerando cargas variantes no tempo. Baseado na simulação Monte Carlo não-seqüencial, o método proposto utiliza um modelo de Markov capaz de representar diferentes padrões cronológicos de carga para cada área ou barra do sistema. Um novo processo de estimação é proposto para avaliar o índice de freqüência de corte de carga (LOLF - loss of load frequency), sem a necessidade de presumir comportamento coerente para o sistema. Exemplos utilizando os sistemas MRTS (Modified IEEE Reliability Test System) e SSB (Sul-Sudeste Brasileiro) são apresentados e discutidos.

    Abstract in English:

    This paper presents a new methodology to evaluate the reliability of composite generation and transmission systems considering time varying loads. Based on non-sequential Monte Carlo simulation, the proposed method uses a special Markov load model to represent different chronological load patterns per area or bus. A new estimating process, named one step forward state transition, is proposed to evaluate LOLF (loss of load frequency) index, without assuming any coherent behavior in the system. Case studies using the MRTS (Modified IEEE Reliability Test System) and the SSB (Brazilian South-Southeastern System) are presented and discussed.
  • Aplicação da transformada wavelet discreta na previsão de carga a curto prazo via redes neurais Sistemas De Potência

    Reis, Agnaldo J. Rocha; Silva, Alexandre P. Alves da

    Abstract in Portuguese:

    A importância da previsão de carga a curto prazo tem crescido ultimamente. Com a desregulamentação do setor elétrico e a competição advinda desse processo, a previsão do preço de energia se transformou em uma atividade bastante atraente. A previsão das cargas das diversas barras é essencial para alimentar os métodos analíticos utilizados na determinação dos preços da energia. A variabilidade e a não estacionariedade das cargas estão ficando cada vez mais acentuadas devido à dinâmica das tarifas de energia. Além disso, o número de pontos de carga a serem previstos não permite intervenções freqüentes dos especialistas em previsão. Portanto, previsores de carga mais autônomos são necessários nesse novo cenário competitivo. Este artigo propõe uma nova técnica para a previsão de carga a curto prazo baseada na transformada wavelet discreta. O objetivo principal é desenvolver um previsor neural de carga mais robusto. Dois anos completos de dados de carga de uma concessionária de energia elétrica norte-americana foram utilizados para testar a metodologia proposta.

    Abstract in English:

    The importance of short-term load forecasting has been increasing lately. With deregulation and competition, energy price forecasting has become a big business. Bus-load forecasting is essential to feed analytical methods utilized for determining energy prices. The variability and non-stationarity of loads are becoming worse due to the dynamics of energy prices. Besides, the number of nodal loads to be predicted does not allow frequent interventions from load forecasting experts. More autonomous load predictors are needed in the new competitive scenario. This paper proposes a novel wavelet transform-based technique for short-term load forecasting via neural networks. Its main goal is to develop more robust load forecasters. Two whole years of load data from a North-American electric utility has been used in order to test the proposed methodology.
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