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Title: Identificação de sistemas utilizando modelos em bases de funções ortonormais com atraso.
Other Titles: Identification of systems using models based on orthonormal functions with delay.
???metadata.dc.creator???: SANTOS, João Batista Morais dos.
???metadata.dc.contributor.advisor1???: BARROS, Péricles Rezende.
Keywords: Identificação de sistemas;Bases de funções ortonormais com atraso;Sistemas SISO;Sistemas MIMO;Controladores de ordem reduzida;Modelo FOPTD;Modelo SOPTD;Sinais contínuos no tempo - sistema;Espaço de Hilbert;Funções ortonormais;Systems identification;Bases of delayed orthonormal functions;SISO Systems;MIMO Systems;Low-order controllers;Model FOPTD;Model SOPTD;Continuous signals over time - system;Hilbert's space;Orthonormal functions
Issue Date: Feb-2013
Publisher: Universidade Federal de Campina Grande
Citation: SANTOS, João Batista Morais dos. Identificação de sistemas utilizando modelos em bases de funções ortonormais com atraso. 2013. 183f. Tese (Doutorado em Engenharia Elétrica) – Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Centro de Engenharia Elétrica e Informática, Universidade Federal de Campina Grande, Paraíba, Brasil, 2013. Disponível em: http://dspace.sti.ufcg.edu.br:8080/jspui/handle/riufcg/18192
???metadata.dc.description.resumo???: Neste trabalho estão apresentadas contribuições na área de identificação de sistemas para sistemas SISO (uma entrada e saída) e para sistemas MIMO (múltiplas entradas e múltiplas entradas e múltiplas saídas). Primeiro são propostas técnicas de identificação de modelos de ordem reduzida para sistemas SISO, ou seja, modelos de primeira ordem com atraso (FOPTD) e de segunda ordem com atraso (SOPTD). Estes modelos são os mais utilizados no projeto e sintonia de controladores PID. O projeto dos experimentos utilizados para obter as informações sobre o sistema são baseados no experimento do relé, ou seja, baseados na frequência crítica ωu em que a fase do sistema é -180°. Os sinais gerados excitam o sistema em uma região de frequência que varia da baixa frequência até ωu. Desse modo, os modelos identificados representam o sistema em uma região maior de frequência do que aqueles obtidos utilizando apenas a informação do ponto crítico. Além disso, os modelos identificados utilizando as técnicas propostas são obtidos de forma combinada nos domínios do tempo e da frequência. Em seguida, os modelos de ordem superior são necessários na representação do sistema. No entanto, a presença do atraso resulta em modelos de ordens desnecessariamente elevadas, já que aquele é descrito de forma conjunta com dinâmicas do sistema. Desse modo, os modelos em bases de funções ortonormais com atraso (OBF-TD) são definidos. Estes são modelos combinados em que o atraso é descrito de forma separada. No entanto, caso o objetivo final seja o projeto de controladores de ordem reduzida, como por exemplo controladores PID, ainda são necessários modelos de ordens reduzidas do tipo FOPTD e SOPTD. Desse modo, são propostas técnicas de redução de modelos utilizando modelos OBF-TD de ordens superiores com ou sem compensação do resíduo (informação descartada) é necessária quando a ordem do sistema é maior que um (primeira ordem) ou dois (segunda ordem). Como a ordem do sistema nem sempre é conhecida, são formuladas duas proposições para verificação da necessidade da compensação. No contexto dos sistemas MIMO, as técnicas propostas para modelos de ordens reduzidas e para modelos em bases de funções ortonormais com atraso são formuladas. Para esses tipos de sistemas outra escolha deve ser feita durante a etapa de identificação: a escolha da estrutura multivariável. Diversas estruturas são apresentadas e descritas em função das informações preliminares disponíveis sobre o sistema. Essas informações preliminares são as constantes de tempo e os atrasos. Além disso a metodologia experimental também deve ser escolhida: independente ou descentralizada. Na independente uma entrada é excitada por vez e na descentralizada todas as entradas são excitadas ao mesmo tempo. Os sistemas MIMO diferem dois sistemas SISO devido à existência das interações e das direções. As direções são particularmente importantes na subclasse dos sistemas MIMO mal-condicionados. As direções se referem à dependência do ganho do sistema com relação às combinações de entradas aplicadas. Desse modo, certas combinações produzem uma variação maior nas saídas do que outras. Algumas soluções no sentido do projeto dos experimentos de identificação em malha aberta são avaliadas nesse contexto. Além disso, a qualidade dos modelos identificados em malha aberta são avaliadas nesse contexto. Além disso, a qualidade dos modelos identificados utilizando resultados de simulação de um modelo simplificado de uma coluna de destilação de alta pureza são apresentados.
Abstract: In this work are presented contributions for the identification of SISO (single input, single output) and MIMO (multiple inputs, multiple outputs) systems. First, identification techniques of reduced order models for SISO systems are proposed, that is first order plus time delay (FOPTD) models and second order plus time delay (SOPTD) models. These models are the most common used in the PID controllers project and tuning. The identification experiment is based on the information obtained by the relay feedback experiment, that is based on the critical frequency ωu where the please is -180°. The excitation is composed of a high frequency part (relax) and a low frequency part (pulse). This way, the identified models represent the system in a wider frequency region than those models identified using just the critical point information. In addition, the identified models obtained using the proposed techniques are based on the combined information on the frequency domains. The orthonormal bases function models are presented and they are used as high order system models. But if the time delay is present, the model order is unnecessarily high. This way, the ortonormal bases function models plus time delay (OBF-TD) are defined. These models are combined models of an ortonormal bases function model part and a time delay part. But if model is intended to be used to PID controller tuning, reduced order models as FOPTD or SOPTD models are required. So, it is proposed a reduction model technique using OBF-TD models with or without residue compensation. The residue compensation (information not considered) is necessary if the system order is higher than one (first order) or two (second order). Two propositions are present to verify if the residue compensation on the reduction techinique is necessary because the system order is not necessarily known a priori. The identification techniques proposed for reduced order models and ortonormal bases function models plus time delay are formulated for MIMO systems. For MIMO systems another choice need to be made: the multivariable structure. Several structures are presented and described based on the preliminary information avaliable. These information are the time constants and the time delays. In addition to that, the experimental methodology need also to the chosen: independent or decentralized. With the independent methodology one input is excited at a time and with the decentralized methodology all the inputs are excited at the same time. The main differences between MIMO systems and SISO systems are the presence of interactions and directions. The directionality is very important for ill-conditioned MIMO systems. These directions describe the system gain dependency with respect to the imput combinations. This way, certain combinations results on a higher variation on this context and simulation results based on a simplified high purity distillation columm model are presented.
Keywords: Identificação de sistemas
Bases de funções ortonormais com atraso
Sistemas SISO
Sistemas MIMO
Controladores de ordem reduzida
Modelo FOPTD
Modelo SOPTD
Sinais contínuos no tempo - sistema
Espaço de Hilbert
Funções ortonormais
Systems identification
Bases of delayed orthonormal functions
SISO Systems
MIMO Systems
Low-order controllers
Model FOPTD
Model SOPTD
Continuous signals over time - system
Hilbert's space
Orthonormal functions
???metadata.dc.subject.cnpq???: Engenharia Elétrica.
URI: http://dspace.sti.ufcg.edu.br:8080/jspui/handle/riufcg/18192
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