Projecto de Controladores usando Redes Neuronais

Neste documento descreve-se o projeto desenvolvido na unidade curricular de Tese e Dissertação durante o 2º ano do Mestrado de Engenharia Eletrotécnica e de Computadores no ramo de Automação e Sistemas, no Departamento de Engenharia Eletrotécnica (DEE) do Instituto Superior de Engenharia do Porto (ISEP). O projeto escolhido teve como base o uso da tecnologia das redes neuronais para implementação em sistemas de controlo. Foi necessário primeiro realizar um estudo desta tecnologia, perceber como esta surgiu e como é estruturada. Por último, abordar alguns casos de estudo onde as redes neuronais foram aplicadas com sucesso. Relativamente à implementação, foram consideradas diferentes estruturas de controlo, e entre estas escolhidas a do sistema de controlo estabilizador e sistema de referência adaptativo. No entanto, como o objetivo deste trabalho é o estudo de desempenho quando aplicadas as redes neuronais, não se utilizam apenas estas como controlador. A análise exposta neste trabalho trata de perceber em que medida é que a introdução das redes neuronais melhora o controlo de um processo. Assim sendo, os sistemas de controlo utilizados devem conter pelo menos uma rede neuronal e um controlador PID. Os testes de desempenho são aplicados no controlo de um motor DC, sendo realizados através do recurso ao software MATLAB. As simulações efetuadas têm diferentes configurações de modo a tirar conclusões o mais gerais possível. Assim, os sistemas de controlo são simulados para dois tipos de entrada diferentes, e com ou sem a adição de ruído no sensor. Por fim, é efetuada uma análise das respostas de cada sistema implementado e calculados os índices de desempenho das mesmas.

Providing Adaptation for an Adaptive Hypermedia System

O ensino à distância cresceu consideravelmente nos últimos anos e a tendência é para que continue a crescer em anos vindouros. No entanto, enquanto que a maioria das plataformas de ensino à distância utilizam a mesma abordagem de ensino para todos os utilizadores, os estudantes que as usam são na realidade pessoas de diferentes culturas, locais, idades e géneros, e que possuem diferentes níveis de educação. Ao contrário do ensino à distância tradicional, os sistemas de hipermédia adaptativa educacional adaptam interface, apresentação de conteúdos e navegação, entre outros, às características, necessidades e interesses específicos de diferentes utilizadores. Apesar da investigação na área de sistemas de hipermédia adaptativa já estar bastante desenvolvida, é necessário efetuar mais desenvolvimento e experimentação de modo a determinar quais são os aspetos mais eficazes destes sistemas e avaliar o seu sucesso. A Plataforma de Aprendizagem Colaborativa da Matemática (PCMAT) é um sistema de hipermédia adaptativa educacional com uma abordagem construtivista, que foi desenvolvido com o objetivo de contribuir para a investigação na área de sistemas de hipermédia adaptativa. A plataforma avalia o conhecimento do utilizador e apresenta conteúdos e atividades adaptadas às características e estilo de aprendizagem dominante de estudantes de matemática do segundo ciclo. O desenvolvimento do PCMAT tem também o propósito de auxiliar os alunos Portugueses com a aprendizagem da matemática. De acordo com o estudo PISA 2012 da OCDE [OECD, 2014], o desempenho dos alunos Portugueses na área da matemática melhorou em relação à edição anterior do estudo, mas os resultados obtidos permanecem abaixo da média da OCDE. Por este motivo, uma das finalidades deste projeto é desenvolver um sistema de hipermédia adaptativa que, ao adequar o ensino da matemática às necessidades específicas de cada aluno, os assista com a aquisição de conhecimento. A adaptação é efetuada pelo sistema usando a informação constante no modelo do utilizador para definir um grafo de conceitos do domínio específico. Este grafo é adaptado do modelo do domínio e utilizado para dar resposta às necessidades particulares de cada aluno. Embora a trajetória inicial seja definida pelo professor, o percurso percorrido no grafo por cada aluno é determinado pela sua interação com o sistema, usando para o efeito a representação do conhecimento do aluno e outras características disponíveis no modelo do utilizador, assim como avaliação progressiva. A adaptação é conseguida através de alterações na apresentação de conteúdos e na estrutura e anotações das hiperligações. A apresentação de conteúdos é alterada mostrando ou ocultando cada um dos vários fragmentos que compõe as páginas dum curso. Estes fragmentos são compostos por diferentes objetos de aprendizagem, tais como exercícios, figuras, diagramas, etc. As mudanças efetuadas na estrutura e anotações das hiperligações têm o objetivo de guiar o estudante, apontando-o na direção do conhecimento mais relevante e mantendo-o afastado de informação inadequada. A escolha de objectos de aprendizagem adequados às características particulares de cada aluno é um aspecto essencial do modelo de adaptação do PCMAT. A plataforma inclui para esse propósito um módulo responsável pela recomendação de objectos de aprendizagem, e um módulo para a pesquisa e recuperação dos mesmos. O módulo de recomendação utiliza lógica Fuzzy para converter determinados atributos do aluno num conjunto de parâmetros que caracterizam o objecto de aprendizagem que idealmente deveria ser apresentado ao aluno. Uma vez que o objecto “ideal” poderá não existir no repositório de objectos de aprendizagem do sistema, esses parâmetros são utilizados pelo módulo de pesquisa e recuperação para procurar e devolver ao módulo de recomendação uma lista com os objectos que mais se assemelham ao objecto “ideal”. A pesquisa é feita numa árvore k-d usando o algoritmo k-vizinhos mais próximos. O modelo de recomendação utiliza a lista devolvida pelo módulo de pesquisa e recuperação para seleccionar o objecto de aprendizagem mais apropriado para o aluno e processa-o para inclusão numa das páginas Web do curso. O presente documento descreve o trabalho desenvolvido no âmbito do projeto PCMAT (PTDS/CED/108339/2008), dando relevância à adaptação de conteúdos.

Estudo do controlo interno nas Instituições de Ensino Superior: contributo para a credibilidade da informação financeira

Dissertação apresentada ao Instituto Superior de Contabilidade e Administração do Porto para a obtenção do Grau de Mestre em Auditoria Orientada por Mestre Alcina Portugal Dias

O Controlo interno e as autarquias locais

Dissertação de Mestrado apresentada ao Instituto de Contabilidade e Administração do Porto para a obtenção do grau de Mestre em Auditoria, sob orientação do Profº Especialista Carlos Quelhas Martins

Controlo difuso de um AGV

Neste trabalho pretende-se introduzir os conceitos associados à lógica difusa no controlo de sistemas, neste caso na área da robótica autónoma, onde é feito um enquadramento da utilização de controladores difusos na mesma. Foi desenvolvido de raiz um AGV (Autonomous Guided Vehicle) de modo a se implementar o controlador difuso, e testar o desempenho do mesmo. Uma vez que se pretende de futuro realizar melhorias e/ou evoluções optou-se por um sistema modular em que cada módulo é responsável por uma determinada tarefa. Neste trabalho existem três módulos que são responsáveis pelo controlo de velocidade, pela aquisição dos dados dos sensores e, por último, pelo controlador difuso do sistema. Após a implementação do controlador difuso, procedeu-se a testes para validar o sistema onde foram recolhidos e registados os dados provenientes dos sensores durante o funcionamento normal do robô. Este dados permitiram uma melhor análise do desempenho do robô. Verifica-se que a lógica difusa permite obter uma maior suavidade na transição de decisões, e que com o aumento do número de regras é possível tornar o sistema ainda mais suave. Deste modo, verifica-se que a lógica difusa é uma ferramenta útil e funcional para o controlo de aplicações. Como desvantagem surge a quantidade de dados associados à implementação, tais como, os universos de discurso, as funções de pertença e as regras. Ao se aumentar o número de regras de controlo do sistema existe também um aumento das funções de pertença consideradas para cada variável linguística; este facto leva a um aumento da memória necessária e da complexidade na implementação pela quantidade de dados que têm de ser tratados. A maior dificuldade no projecto de um controlador difuso encontra-se na definição das variáveis linguísticas através dos seus universos de discurso e das suas funções de pertença, pois a definição destes pode não ser a mais adequada ao contexto de controlo e torna-se necessário efectuar testes e, consequentemente, modificações à definição das funções de pertença para melhorar o desempenho do sistema. Todos os aspectos referidos são endereçados no desenvolvimento do AGV e os respectivos resultados são apresentados e analisados.

Sintonia de controladores baseada em Sistemas de Inferência Difusa

Este trabalho de pesquisa e desenvolvimento tem como fundamento principal o Conceito de Controlo por Lógica Difusa. Utilizando as ferramentas do software Matlab, foi possível desenvolver um controlador com base na inferência difusa que permitisse controlar qualquer tipo de sistema físico real, independentemente das suas características. O Controlo Lógico Difuso, do inglês “Fuzzy Control”, é um tipo de controlo muito particular, pois permite o uso simultâneo de dados numéricos com variáveis linguísticas que tem por base o conhecimento heurístico dos sistemas a controlar. Desta forma, consegue-se quantificar, por exemplo, se um copo está “meio cheio” ou “meio vazio”, se uma pessoa é “alta” ou “baixa”, se está “frio” ou “muito frio”. O controlo PID é, sem dúvida alguma, o controlador mais amplamente utilizado no controlo de sistemas. Devido à sua simplicidade de construção, aos reduzidos custos de aplicação e manutenção e aos resultados que se obtêm, este controlador torna-se a primeira opção quando se pretende implementar uma malha de controlo num determinado sistema. Caracterizado por três parâmetros de ajuste, a saber componente proporcional, integral e derivativa, as três em conjunto permitem uma sintonia eficaz de qualquer tipo de sistema. De forma a automatizar o processo de sintonia de controladores e, aproveitando o que melhor oferece o Controlo Difuso e o Controlo PID, agrupou-se os dois controladores, onde em conjunto, como poderemos constatar mais adiante, foram obtidos resultados que vão de encontro com os objectivos traçados. Com o auxílio do simulink do Matlab, foi desenvolvido o diagrama de blocos do sistema de controlo, onde o controlador difuso tem a tarefa de supervisionar a resposta do controlador PID, corrigindo-a ao longo do tempo de simulação. O controlador desenvolvido é denominado por Controlador FuzzyPID. Durante o desenvolvimento prático do trabalho, foi simulada a resposta de diversos sistemas à entrada em degrau unitário. Os sistemas estudados são na sua maioria sistemas físicos reais, que representam sistemas mecânicos, térmicos, pneumáticos, eléctricos, etc., e que podem ser facilmente descritos por funções de transferência de primeira, segunda e de ordem superior, com e sem atraso.

Industrial multimedia put into practice

Recent developments in the factory floor technologies together with the widespread use of TCP/IP and the Internet are increasing the eagerness to support a new wide class of devices and applications, such as industrial multimedia applications, in factory floor networks. This paper presents how this new field of applications can be put into practice, via a manufacturing cell field trial being implemented. This manufacturing automation field trial involves the use of traditional distributed computer control systems and 'factory-floor-oriented' multimedia (e.g. voice, video) application services.

Setting target rotation time in PROFIBUS based real-time distributed applications

In this paper, we analyse the ability of Profibus fieldbus to cope with the real-time requirements of a Distributed Computer Control System (DCCS), where messages associated to discrete events must be made available within a maximum bound time. Our methodology is based on the knowledge of real-time traffic characteristics, setting the network parameters in order to cope with timing requirements. Since non-real-time traffic characteristics are usually unknown at the design stage, we consider an operational profile where, constraining non-real-time traffic at the application level, we assure that realtime requirements are met.

Engineering real-time applications with WorldFIP: tools and analysis

WorldFIP is standardised as European Norm EN 50170 - General Purpose Field Communication System. Field communication systems (fieldbuses) started to be widely used as the communication support for distributed computer-controlled systems (DCCS), and are being used in all sorts of process control and manufacturing applications within different types of industries. There are several advantages in using fieldbuses as a replacement of for the traditional point-to-point links between sensors/actuators and computer-based control systems. Indeed they concern economical ones (cable savings) but, importantly, fieldbuses allow an increased decentralisation and distribution of the processing power over the field. Typically DCCS have real-time requirements that must be fulfilled. By this, we mean that process data must be transferred between network computing nodes within a maximum admissible time span. WorldFIP has very interesting mechanisms to schedule data transfers. It explicit distinguishes to types of traffic: periodic and aperiodic. In this paper we describe how WorldFIP handles these two types of traffic, and more importantly, we provide a comprehensive analysis for guaranteeing the real-time requirements of both types of traffic. A major contribution is made in the analysis of worst-case response time of aperiodic transfer requests.

Distributed computing for the factory-floor: a real-time approach using WorldFIP networks

Field communication systems (fieldbuses) are widely used as the communication support for distributed computer-controlled systems (DCCS) within all sort of process control and manufacturing applications. There are several advantages in the use of fieldbuses as a replacement for the traditional point-to-point links between sensors/actuators and computer-based control systems, within which the most relevant is the decentralisation and distribution of the processing power over the field. A widely used fieldbus is the WorldFIP, which is normalised as European standard EN 50170. Using WorldFIP to support DCCS, an important issue is “how to guarantee the timing requirements of the real-time traffic?” WorldFIP has very interesting mechanisms to schedule data transfers, since it explicitly distinguishes periodic and aperiodic traffic. In this paper, we describe how WorldFIP handles these two types of traffic, and more importantly, we provide a comprehensive analysis on how to guarantee the timing requirements of the real-time traffic.

Fractional order modelling of fractional-order holds

Discrete time control systems require sample- and-hold circuits to perform the conversion from digital to analog. Fractional-Order Holds (FROHs) are an interpolation between the classical zero and first order holds and can be tuned to produce better system performance. However, the model of the FROH is somewhat hermetic and the design of the system becomes unnecessarily complicated. This paper addresses the modelling of the FROHs using the concepts of Fractional Calculus (FC). For this purpose, two simple fractional-order approximations are proposed whose parameters are estimated by a genetic algorithm. The results are simple to interpret, demonstrating that FC is a useful tool for the analysis of these devices.

Complex order biped rhythms

Animal locomotion is a complex process, involving the central pattern generators (neural networks, located in the spinal cord, that produce rhythmic patterns), the brainstem command systems, the steering and posture control systems and the top layer structures that decide which motor primitive is activated at a given time. Pinto and Golubitsky studied an integer CPG model for legs rhythms in bipeds. It is a four-coupled identical oscillators' network with dihedral symmetry. This paper considers a new complex order central pattern generator (CPG) model for locomotion in bipeds. A complex derivative Dα±jβ, with α, β ∈ ℜ+, j = √-1, is a generalization of the concept of an integer derivative, where α = 1, β = 0. Parameter regions where periodic solutions, identified with legs' rhythms in bipeds, occur, are analyzed. Also observed is the variation of the amplitude and period of periodic solutions with the complex order derivative.

A survey of technologies and applications for climbing robots locomotion and adhesion

The interest in the development of climbing robots has grown rapidly in the last years. Climbing robots are useful devices that can be adopted in a variety of applications, such as maintenance and inspection in the process and construction industries. These systems are mainly adopted in places where direct access by a human operator is very expensive, because of the need for scaffolding, or very dangerous, due to the presence of an hostile environment. The main motivations are to increase the operation efficiency, by eliminating the costly assembly of scaffolding, or to protect human health and safety in hazardous tasks. Several climbing robots have already been developed, and other are under development, for applications ranging from cleaning to inspection of difficult to reach constructions. A wall climbing robot should not only be light, but also have large payload, so that it may reduce excessive adhesion forces and carry instrumentations during navigation. These machines should be capable of travelling over different types of surfaces, with different inclinations, such as floors, walls, or ceilings, and to walk between such surfaces (Elliot et al. (2006); Sattar et al. (2002)). Furthermore, they should be able of adapting and reconfiguring for various environment conditions and to be self-contained. Up to now, considerable research was devoted to these machines and various types of experimental models were already proposed (according to Chen et al. (2006), over 200 prototypes aimed at such applications had been developed in the world by the year 2006). However, we have to notice that the application of climbing robots is still limited. Apart from a couple successful industrialized products, most are only prototypes and few of them can be found in common use due to unsatisfactory performance in on-site tests (regarding aspects such as their speed, cost and reliability). Chen et al. (2006) present the main design problems affecting the system performance of climbing robots and also suggest solutions to these problems. The major two issues in the design of wall climbing robots are their locomotion and adhesion methods. With respect to the locomotion type, four types are often considered: the crawler, the wheeled, the legged and the propulsion robots. Although the crawler type is able to move relatively faster, it is not adequate to be applied in rough environments. On the other hand, the legged type easily copes with obstacles found in the environment, whereas generally its speed is lower and requires complex control systems. Regarding the adhesion to the surface, the robots should be able to produce a secure gripping force using a light-weight mechanism. The adhesion method is generally classified into four groups: suction force, magnetic, gripping to the surface and thrust force type. Nevertheless, recently new methods for assuring the adhesion, based in biological findings, were proposed. The vacuum type principle is light and easy to control though it presents the problem of supplying compressed air. An alternative, with costs in terms of weight, is the adoption of a vacuum pump. The magnetic type principle implies heavy actuators and is used only for ferromagnetic surfaces. The thrust force type robots make use of the forces developed by thrusters to adhere to the surfaces, but are used in very restricted and specific applications. Bearing these facts in mind, this chapter presents a survey of different applications and technologies adopted for the implementation of climbing robots locomotion and adhesion to surfaces, focusing on the new technologies that are recently being developed to fulfill these objectives. The chapter is organized as follows. Section two presents several applications of climbing robots. Sections three and four present the main locomotion principles, and the main "conventional" technologies for adhering to surfaces, respectively. Section five describes recent biological inspired technologies for robot adhesion to surfaces. Section six introduces several new architectures for climbing robots. Finally, section seven outlines the main conclusions.

Optimal tuning of fractional controllers using genetic algorithms

This study addresses the optimization of fractional algorithms for the discrete-time control of linear and non-linear systems. The paper starts by analyzing the fundamentals of fractional control systems and genetic algorithms. In a second phase the paper evaluates the problem in an optimization perspective. The results demonstrate the feasibility of the evolutionary strategy and the adaptability to distinct types of systems.

Tuning and application of integer and fractional order PID controllers

Fractional calculus (FC) is widely used in most areas of science and engineering, being recognized its ability to yield a superior modeling and control in many dynamical systems. In this perspective, this article illustrates two applications of FC in the area of control systems. Firstly, is presented a methodology of tuning PID controllers that gives closed-loop systems robust to gain variations. After, a fractional-order PID controller is proposed for the control of an hexapod robot with three dof legs. In both cases, it is demonstrated the system's superior performance by using the FC concepts.