Control and dynamics of fractional order systems

Fractional Calculus (FC) goes back to the beginning of the theory of differential calculus. Nevertheless, the application of FC just emerged in the last two decades due to the progress in the area of nonlinear dynamics. This article discusses several applications of fractional calculus in science and engineering, namely: the control of heat systems, the tuning of PID controllers based on fractional calculus concepts and the dynamics in hexapod locomotion.

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.

Automated design of microwave discrete tuning differential capacitance circuits in Si-integrated technologies

A genetic algorithm used to design radio-frequency binary-weighted differential switched capacitor arrays (RFDSCAs) is presented in this article. The algorithm provides a set of circuits all having the same maximum performance. This article also describes the design, implementation, and measurements results of a 0.25 lm BiCMOS 3-bit RFDSCA. The experimental results show that the circuit presents the expected performance up to 40 GHz. The similarity between the evolutionary solutions, circuit simulations, and measured results indicates that the genetic synthesis method is a very useful tool for designing optimum performance RFDSCAs.

Automated synthesis procedure of RF discrete tuning differential capacitance circuits

The paper presents a RFDSCA automated synthesis procedure. This algorithm determines several RFDSCA circuits from the top-level system specifications all with the same maximum performance. The genetic synthesis tool optimizes a fitness function proportional to the RFDSCA quality factor and uses the epsiv-concept and maximin sorting scheme to achieve a set of solutions well distributed along a non-dominated front. To confirm the results of the algorithm, three RFDSCAs were simulated in SpectreRF and one of them was implemented and tested. The design used a 0.25 mum BiCMOS process. All the results (synthesized, simulated and measured) are very close, which indicate that the genetic synthesis method is a very useful tool to design optimum performance RFDSCAs.

Fractional control of heat diffusion systems

The concept of differentiation and integration to non-integer order has its origins in the seventeen century. However, only in the second-half of the twenty century appeared the first applications related to the area of control theory. In this paper we consider the study of a heat diffusion system based on the application of the fractional calculus concepts. In this perspective, several control methodologies are investigated and compared. Simulations are presented assessing the performance of the proposed fractional-order algorithms.

Performance of fractional PID algorithms controlling nonlinear systems with saturation and backlash phenomena

The development of fractional-order controllers is currently one of the most promising fields of research. However, most of the work in this area addresses the case of linear systems. This paper reports on the analysis of fractional-order control of nonlinear systems. The performance of discrete fractional-order PID controllers in the presence of several nonlinearities is discussed. Some results are provided that indicate the superior robustness of such algorithms.

Sistema de auto calibração visual para robots do ISePorto, baseado em EKF

Os sistemas de perceção existentes nos robôs autónomos, hoje em dia, são bastante complexos. A informação dos vários sensores, existentes em diferentes partes do robôs, necessitam de estar relacionados entre si face ao referencial do robô ou do mundo. Para isso, o conhecimento da atitude (posição e rotação) entre os referenciais dos sensores e o referencial do robô é um fator critico para o desempenho do mesmo. O processo de calibração dessas posições e translações é chamado calibração dos parâmetros extrínsecos. Esta dissertação propõe o desenvolvimento de um método de calibração autónomo para robôs como câmaras direcionais, como é o caso dos robôs da equipa ISePorto. A solução proposta consiste na aquisição de dados da visão, giroscópio e odometria durante uma manobra efetuada pelo robô em torno de um alvo com um padrão conhecido. Esta informação é então processada em conjunto através de um Extended Kalman Filter (EKF) onde são estimados necessários para relacionar os sensores existentes no robô em relação ao referencial do mesmo. Esta solução foi avaliada com recurso a vários testes e os resultados obtidos foram bastante similares aos obtidos pelo método manual, anteriormente utilizado, com um aumento significativo em rapidez e consistência.

Control and Dynamics of Fractional Order Systems

Fractional Calculus (FC) goes back to the beginning of the theory of differential calculus. Nevertheless, the application of FC just emerged in the last two decades due to the progress in the area of nonlinear dynamics. This article discusses several applications of fractional calculus in science and engineering, namely: the control of heat systems, the tuning of PID controllers based on fractional calculus concepts and the dynamics in hexapod locomotion.

Automated Synthesis Procedure of RF Discrete Tuning Differential Capacitance Circuits

The paper presents a RFDSCA automated synthesis procedure. This algorithm determines several RFDSCA circuits from the top-level system specifications all with the same maximum performance. The genetic synthesis tool optimizes a fitness function proportional to the RFDSCA quality factor and uses the epsiv-concept and maximin sorting scheme to achieve a set of solutions well distributed along a non-dominated front. To confirm the results of the algorithm, three RFDSCAs were simulated in SpectreRF and one of them was implemented and tested. The design used a 0.25 mum BiCMOS process. All the results (synthesized, simulated and measured) are very close, which indicate that the genetic synthesis method is a very useful tool to design optimum performance RFDSCAs.

Tuning metadata for better movie content-based recommendation systems

The increasing number of television channels, on-demand services and online content, is expected to contribute to a better quality of experience for a costumer of such a service. However, the lack of efficient methods for finding the right content, adapted to personal interests, may lead to a progressive loss of clients. In such a scenario, recommendation systems are seen as a tool that can fill this gap and contribute to the loyalty of users. Multimedia content, namely films and television programmes are usually described using a set of metadata elements that include the title, a genre, the date of production, and the list of directors and actors. This paper provides a deep study on how the use of different metadata elements can contribute to increase the quality of the recommendations suggested. The analysis is conducted using Netflix and Movielens datasets and aspects such as the granularity of the descriptions, the accuracy metric used and the sparsity of the data are taken into account. Comparisons with collaborative approaches are also presented.

Avaliação Energética e de Auto - Sustentabilidade numa Empresa de Serviços

A tese que se vai apresentar é relativa a um levantamento energético numa empresa de serviços. Colorstar, que se dedica à comercialização e distribuição de produtos químicos, corantes e pigmentos para as indústrias Têxtil, Plásticos e Tintas e que possui nas suas instalações um laboratório para prestação de serviços na área de tinturaria e acabamentos têxteis, estando por isso frequentemente aberta ao contacto com o exterior. O objectivo dessa avaliação energética é permitir à empresa conhecer o seu posicionamento enquanto consumidor de energia, definindo o seu consumo específico de energia e a sua intensidade carbónica e partindo desse conhecimento, poder estabelecer metas relativamente à eficiência do consumo energético da Colorstar, indicando algumas ferramentas que permitam uma racionalização do consumo de energia e consequente poupança na fatura energética. Pretende-se também avaliar a possibilidade de autossustentabilidade energética da empresa e deste modo cumprir a sua política da Qualidade que tem como objectivos a melhoria contínua e a sustentabilidade. Após um primeiro levantamento e análise das faturas de eletricidade dos últimos 2 anos, conclui-se que o consumo da empresa foi de 7,85 tep/ano e de 7,27 tep/ano em 2011. Estes valores de consumo tornam a Colorstar numa empresa não consumidora intensiva de energia (CIE). A área coberta total do edifício onde se situa a empresa é de 503,60 m2. Por estes motivos, o trabalho a ser realizado não será tão exaustivo como o prevê a Legislação no caso de ser uma empresa CIE mas, irá dar especial incidência no levantamento a efetuar ao sector do Laboratório, pois, é lá que se acredita estarem a maior parte dos equipamentos consumidores de eletricidade da empresa e não tem monotorização individual desse consumo. Além disso é também o único sector onde a produção pode ser monitorizada. No presente trabalho foi efetuada a apresentação e caracterização de todo o equipamento com consumo de água e o levantamento da produção na empresa. Em consequência dos resultados desse levantamento foram ainda efetuadas medições no cilindro o que permitiu realizar a desagregação dos consumos de energia na Colorstar e mo sector do Laboratório. Com base nos resultados obtidos conclui-se que o Laboratório é responsável por 34% dos consumos totais de eletricidade na Colorstar sendo assim o maior consumidor da empresa. Segue-se a Climatização com 20%, depois a informática com 18%, os Outros equipamentos com 14% (aqui haverá também uma parcela devido à climatização uma vez que não foi possível calcular o consumo dos aparelhos de Ar Condicionado) e finalmente a Iluminação com um peso de 11% e a Kitchenette (cozinha) com a menor parcela, representa apenas 3% do consumo total da eletricidade na Colorstar. Efetuado também a desagregação dos consumos do Laboratório, concluiu-se que o termoacumulador (cilindro) é o maior consumidor de eletricidade do laboratório com 21% do total, seguindo-se as Máquinas de tingir (19%), Estufas (14%), Máquina de lavar roupa (12%), Placas de Fogão (10%), a Râmula e o Sistema de Exaustão ambos com 6% do consumo total, o Linitest com 5%, o desumidificador com 4%, a Máquina da loiça com 2%, o Espectrofotómetro com 1% e finalmente a Bomba do circuito de Reciclagem da água de arrefecimento das máquinas de tingir com pouco mais que 0%. Em consequência dos resultados do trabalho efetuado, apresentaram-se 3 propostas de melhoria com sugestões para trabalhos futuros.

Controlo e monitorização de um sistema de Auto-Pull

Esta dissertação descreve o estudo do controlo e da monitorização de um sistema de autopull, bem como o estudo da implementação de um destes sistemasnuma área de negócio. Inicialmente, de modo a percecionar as melhores opções a tomar para a realização deste projeto foram estudadas duas redes de comunicação locais, redes Ethernet e redes CAN, tendo-se optado pelas redes Ethernet, sendo as razões que determinaram esta escolha explanadas no desenvolvimento do relatório. Após ter sido selecionada a rede que foi utilizada, foram estudados os requisitos do sistema e procuradas no mercado soluções que os satisfaçam. Para a comunicação em tempo real foram utilizadas Web Sockets e para a utilização destas,foi necessário um servidor de Web Sockets, tendo a escolha recaídosobre onodejs. Posteriormente, foi elaborada uma interface gráfica que permitiu a criação de um sistema inteligente que auxilia os clientes do espaço a efetuarem pedidos bem como a chamarem os funcionários, não necessitando de passar os longos tempos de espera que normalmenteestão associados a estes espaços. Posto isto, foi realizado um website que deverá apresentar o espaço, os próximos eventos a realizar e outras informações importantes. Este sistema torna-se uma mais-valia para a divulgação da tecnologia implementada e para a divulgação dos espaços que eventualmente venham a adotar um sistema análogo. De seguida foi efetuado um plano de negócios, simulando um espaço físico que eventualmente implementasse esta tecnologia. Para tal, foi estudada a envolvente externa e interna em que este negócio estaria inserido, as políticas de marketing que deveriam ser seguidas e ainda um plano financeiro que descrevesse o investimento, as vendas esperadas e todos os restantes componentes económicos do projeto. Por último foram tecidas as principais conclusões inerentes ao projeto desenvolvido e analisadas as possibilidades de melhorias futuras.

Previsão e definição de perfis na gestão dos recursos de energia no âmbito de edifícios auto-sustentáveis

Nos últimos anos o consumo de energia elétrica produzida a partir de fontes renováveis tem aumentado significativamente. Este aumento deve-se ao impacto ambiental que recursos como o petróleo, gás, urânio, carvão, entre outros, têm no meio ambiente e que são notáveis no diaa- dia com as alterações climáticas e o aquecimento global. Por sua vez, estes recursos têm um ciclo de vida limitado e a dada altura tornar-se-ão escassos. A preocupação de uma melhoria contínua na redução dos impactos ambientais levou à criação de Normas para uma gestão mais eficiente e sustentável do consumo de energia nos edifícios. Parte da eletricidade vendida pelas empresas de comercialização é produzida através de fontes renováveis, e com a recente publicação do Decreto de Lei nº 153/2014 de 20 outubro de 2014 que regulamenta o autoconsumo, permitindo que também os consumidores possam produzir a sua própria energia nas suas residências para reduzir os custos com a compra de eletricidade. Neste contexto surgiram os edifícios inteligentes. Por edifícios inteligentes entende-se que são edifícios construídos com materiais que os tornam mais eficientes, possuem iluminação e equipamentos elétricos mais eficientes, e têm sistemas de produção de energia que permitem alimentar o próprio edifício, para um consumo mais sustentado. Os sistemas implementados nos edifícios inteligentes visam a monitorização e gestão da energia consumida e produzida para evitar desperdícios de consumo. O trabalho desenvolvido visa o estudo e a implementação de Redes Neuronais Artificiais (RNA) para prever os consumos de energia elétrica dos edifícios N e I do ISEP/GECAD, bem como a previsão da produção dos seus painéis fotovoltáicos. O estudo feito aos dados de consumo permitiu identificar perfis típicos de consumo ao longo de uma semana e de que forma são influenciados pelo contexto, nomeadamente, com os dias da semana versus fim-de-semana, e com as estações do ano, sendo analisados perfis de consumo de inverno e verão. A produção de energia através de painéis fotovoltaicos foi também analisada para perceber se a produção atual é suficiente para satisfazer as necessidades de consumo dos edifícios. Também foi analisada a possibilidade da produção satisfazer parcialmente as necessidades de consumos específicos, por exemplo, da iluminação dos edifícios, dos seus sistemas de ar condicionado ou dos equipamentos usados.