4.2
Formulação do problema
4.2.1 O sistema
Será considerado que o sistema real pode ser representado pela Equação (2.8), convenien- temente reescrita a seguir:
! ¼
' (4.1)
sendo ¼
uma função de transferência discreta definida na Equação (2.66), ½
é o operador de atraso,' e! constituem, respectivamente, entrada e saída do sistema e representa
a realização de um ruído branco filtrado por uma função de transferência ¼
.
4.2.2 A identificação
Considera-se que um comprimento finito de dados 1
! ' ! '
será coletado do sistema real com o objetivo de estimar para o projeto controladores robustos. Tal região, definida no Capítulo 2, é reapresentada da seguinte forma:
Proposição 4.2.1 Bombois et al. (2001). Considere
¼, o sistema real. Um experimento de
identificação por predição de erro com estrutura não-polarizada, realizado sobre o sistema real, estima um modelo
) e uma região de incerteza , contendo o sistema real, com um
certo nível de probabilidade3. Tal região de incerteza é centrada em
) e pode ser descrita
pela seguinte forma geral
) ) " 7 ) 7 ) com ) 4 ) ) ) ½ ) ) (4.2) sendo ) Ê ½
o vetor de parâmetros estimados; Ê
é a matriz de covariância dos parâmetros estimados; é a dimensão do elipsóide determinada pelo nível de probabilidade 3 ¾ 4; 7 e7
são vetores linha de dimensão
de funções de
transferência conhecidas e" é uma função de transferência conhecida. 4
¾
4.2.3 A síntese do controlador
Estimada a região , o problema passa a ser o projeto de controladores robustos, que garantam com probabilidade 3, estabilidade e um certo nível de desempenho com o sistema
real. Neste capítulo, as atenções serão restringidas para especificações que podem ser escritas na seguinte estrutura geral (Zames, 1981):
¼ ℄ é estável (4.3) e ¼ (4.4) sendo ¼ > > ½½ ¼ ¼ > ½¾ ¼ ¼ > ¾½ ¼ > ¾¾ ¼ > ½½ 5 ½½ > ½¾ 5 ½¾ > ¾½ 5 ¾½ > ¾¾ 5 ¾¾ % (4.5) Na Equação (4.5),>
são funções de transferência no qual estão inseridas as informações de
desempenho desejado. Na prática, as especificações de desempenho são comumente expressas da seguinte forma: > ½½ 5 ½½ > ½¾ 5 ½¾ > ¾½ 5 ¾½ > ¾¾ 5 ¾¾ % (4.6)
Como o sistema real
¼ não é conhecido, as especificações (4.4) e (4.6) podem ser reescri-
tas, em termos do pior caso de estabilidade#
</
e do pior caso de desempenho @
5
apresentados, respectivamente, nas Seções 3.2.2 e 3.2.3. Tais métricas, desenvolvidas
originalmente para análise, serão empregadas na síntese de controladores robustos por meio da formulação a seguir.
4.2 Formulação do problema 75
Problema proposto: Dado uma região , obtida por um experimento de identificação com estrutura não-polarizada, encontre o controlador que
,J ! > " sujeito a # < ! / " % (4.7)
A função de custo do problema anterior será definida como:
,J ! > " > @ 5 % (4.8)
Sendo assim, resolver o problema (4.7) consiste em encontrar o controlador estabilizante
que minimiza a norma do pior caso de desempenho encontrado @ 5 em relação ao desempenho desejado> 5 .
O problema (4.7) será solucionado empregado-se o AGRP. Além de encontrar o melhor indivíduo
, o AGRP apresenta como solução uma população de controladores estabilizantes cuja dimensão pode ser definida pelo usuário. Tal população será utilizada na próxima seção para validar . Antes porém, é de suma importância apresentar e discutir como escolher os parâmetros de projeto. Isso será feito a seguir.
Escolha da função>. Especificações no domínio do tempo ou no domínio da freqüência
podem ser utilizadas, por exemplo, para construir a seguinte função de transferência:
5 D (4.9) sendo D o coeficiente de amortecimento e
a freqüência natural. A função peso será
escolhida como> 5
. Outras formas de escolher>
podem ser vistas
em Zhou e Doyle (1998).
Determinação da estrutura do controlador . A estrutura do controlador deverá ser
mantida fixa durante todo o processo de síntese. Ênfase será dada à estrutura mais simp- les, como por exemplo, o controlador Proporcional-Integral-Derivativo (PID).
Parâmetros do AGRP. Em geral, quando se trabalha com algoritmos de otimização é
necessário definir alguns parâmetros. No caso do AGRP tais parâmetros são: tamanho da população (conjunto de controladores), número máximo de gerações (ou iterações), população inicial (inicialização do algoritmo) e definição do espaço de busca (limites do
conjunto de controladores candidatos). Geralmente, a inicialização do algoritmo é um problema crítico. Neste trabalho o AGRP será inicializado com apenas um controlador (indivíduo), projetado tendo como base o modelo estimado. Esse controlador encon- tra com o modelo
, um desempenho melhor do que o desempenho desejado, ou seja, > 5
. O espaço de busca será determinado construindo-se um poli-
topo centrado no controlador inicial.
4.2.4 Validação da região de incerteza
Como foi destacado na seção anterior, o projeto de controle com o AGRP produz um con- junto de controladores robustos estabilizantes. Desse conjunto pode ser extraído um subcon- junto definido por:
,J ! > " % (4.10)
O conjunto pode ser interpretado como o conjunto de todos os controladores que estabi-
lizam e encontram um desempenho melhor que o desejado para o sistema real com proba-
bilidade3. Note que, se ,J ! > " implica@ 5 > , para todo .
Caso o número de elementos
do conjunto
seja maior ou igual a , existirá pelo
menos um controlador que estabiliza e atende o critério de desempenho desejado,>
, com
o sistema real. Nesse caso, será considerada válida para controle robusto. Se
,
a região será então considerada inadequada, e, um novo experimento de identificação será realizado, no sentido de obter uma região mais adequada para controle robusto. A questão é: como realizar esse novo experimento? Propõe-se neste trabalho, que tal experimento deve ser realizado com o intuito de reduzir a distribuição de incerteza nas faixas de freqüência em que a função@
5
excede os limites permitidos
5. Isso pode ser feito escolhendo o espectro do
sinal de excitação para que o mesmo apresente uma potência significativa em torno de tais faixas de freqüência. Sabe-se que, a distribuição de incerteza em uma determinada faixa de freqüências é assintoticamente inversamente proporcional ao espectro do sinal de entrada (Ljung, 1999).
5Ou seja, nas faixas de freqüência em que ½ .