Fractional Dynamics and Control of Distributed Parameter 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 chaos that revealed subtle relationships with the FC concepts. In the field of dynamical systems theory some work has been carried out but the proposed models and algorithms are still in a preliminary stage of establishment. Having these ideas in mind, the paper discusses a FC perspective in the study of the dynamics and control of some distributed parameter systems.

Improved Numerical Simulation for a Novel Adaptive Control Using Fractional Order Derivatives

A novel control technique is investigated in the adaptive control of a typical paradigm, an approximately and partially modeled cart plus double pendulum system. In contrast to the traditional approaches that try to build up ”complete” and ”permanent” system models it develops ”temporal” and ”partial” ones that are valid only in the actual dynamic environment of the system, that is only within some ”spatio-temporal vicinity” of the actual observations. This technique was investigated for various physical systems via ”preliminary” simulations integrating by the simplest 1st order finite element approach for the time domain. In 2004 INRIA issued its SCILAB 3.0 and its improved numerical simulation tool ”Scicos” making it possible to generate ”professional”, ”convenient”, and accurate simulations. The basic principles of the adaptive control, the typical tools available in Scicos, and others developed by the authors, as well as the improved simulation results and conclusions are presented in the contribution.

Modelling and Control of Freeway Traffic

This paper presents the most recent developments of the Simulator of Intelligent Transportation Systems (SITS). The SITS is based on a microscopic simulation approach to reproduce real traffic conditions in an urban or non-urban network. In order to analyse the quality of the microscopic traffic simulator SITS a benchmark test was performed. A dynamical analysis of several traffic phenomena, applying a new modelling formalism based on the embedding of statistics and Laplace transform, is then addressed. The paper presents also a new traffic control concept applied to a freeway traffic system.

Cascade Control of a Hexapod Robot

6th International Conference on Climbing and Walking Robots and the Support Technologies for Mobile Machines, Catania, Italy, 17-19 September

System Modeling and Control Through Fractional-Order Algorithms

The theory of fractional calculus goes back to the beginning of thr throry of differential calculus but its inherent complexity postponed the applications of the associated concepts. In the last decade the progress in the areas of chaos and fractals revealed subtle relationships with the fractional calculus leading to an increasing interest in the development of the new paradigm. In the area of automaticcontrol preliminary work has already been carried out but the proposed algorithms are restricted to the frequency domain. The paper discusses the design of fractional-order discrete-time controllers. The algorithms studied adopt the time domein, which makes them suited for z-transform analusis and discrete-time implementation. The performance of discrete-time fractional-order controllers with linear and non-linear systems is also investigated.

Chaotic Phenomena and Performance Optimization in the Trajectory Control of Redundant Manipulators

Redundant manipulators have some advantages when compared with classical arms because they allow the trajectory optimization, both on the free space and on the presence of abstacles, and the resolution of singularities. For this type of manipulators, several kinetic algorithms adopt generalized inverse matrices. In this line of thought, the generalized inverse control scheme is tested through several experiments that reveal the difficulties that often arise. Motivated by theseproblems this paper presents a new method that ptimizes the manipulability through a least squre polynomialapproximation to determine the joints positions. Moreover, the article studies influence on the dynamics, when controlling redundant and hyper-redundant manipulators. The experiment confirm the superior performance of the proposed algorithm for redundant and hyper-redundant manipulators, revealing several fundamental properties of the chaotic phenomena, and gives a deeper insight towards the future development of superior trajectory control algorithms.

Neural control of an autonomous robot

This article aims to apply the concepts associated with artificial neural networks (ANN) in the control of an autonomous robot system that is intended to be used in competitions of robots. The robot was tested in several arbitrary paths in order to verify its effectiveness. The results show that the robot performed the tasks with success. Moreover, in the case of arbitrary paths the ANN control outperforms other methodologies, such as fuzzy logic control (FLC).

Formation Control Driven by Cooperative Object Tracking

In this paper we introduce a formation control loop that maximizes the performance of the cooperative perception of a tracked target by a team of mobile robots, while maintaining the team in formation, with a dynamically adjustable geometry which is a function of the quality of the target perception by the team. In the formation control loop, the controller module is a distributed non-linear model predictive controller and the estimator module fuses local estimates of the target state, obtained by a particle filter at each robot. The two modules and their integration are described in detail, including a real-time database associated to a wireless communication protocol that facilitates the exchange of state data while reducing collisions among team members. Simulation and real robot results for indoor and outdoor teams of different robots are presented. The results highlight how our method successfully enables a team of homogeneous robots to minimize the total uncertainty of the tracked target cooperative estimate while complying with performance criteria such as keeping a pre-set distance between the teammates and the target, avoiding collisions with teammates and/or surrounding obstacles.

Estudo para a optimização dos sistemas de climatização com vista à obtenção de um edifício com baixas necessidades energéticas em climatização

A presente tese tem como principal objectivo abordar o tema da eficiência energética em edifícios, no que se refere aos sistemas de climatização. O desenvolvimento deste projecto realizou-se em torno dos consumos energéticos dos diferentes sistemas de climatização estudados (e por conseguinte da envolvente do edifício), focando o cumprimento dos requisitos térmico e energéticos das normas vigentes (RCCTE e RSECE) em Portugal, tendo como objectivo identificar os parâmetros com maior impacto e a relação tendencial entre as soluções construtivas e tecnológicas adoptadas, sempre com o horizonte de maximizar a eficiência energética e diminuir a dependência face à energia primária e consequentemente a emissão de gases que provocam o efeito de estufa. É âmbito desta tese comparar diferentes tipos de sistemas de climatização a nível energético e torná-los os mais eficientes possíveis, para que também se possam tornar monetariamente aliciantes e aumentar o rácio entre benefício/custo. Para tal, numa primeira fase foi feito um estudo térmico da envolvente do edifício, tendo sido utilizado um software de simulação energética de edifícios acreditado pela norma ASHRAE 140-2004 para se poder compreender como o edifício se comportava ao longo do ano, e introduzir algumas correcções na respectiva envolvente, para baixar as potências térmicas/eléctricas dos equipamentos do sistema de AVAC. De seguida foram estudados três sistemas possíveis de climatização para o edifício, de modo a identificar o mais eficiente numa base anual, bem como a possibilidade de combinar o uso de fontes de energia renováveis com o intuito de satisfazer ao máximo as necessidades térmicas do edifício e, ainda, de minimizar o consumo de energia de origem não renovável. Por fim, para avaliar as diferentes potencialidades de cada sistema de climatização estudado, fez-se o respectivo estudo à sua viabilidade económica. Nas considerações finais da presente tese é realizado um estudo aos benefícios que uma possível alteração da arquitectura do edifício pode trazer no aumento da iluminação natural do mesmo integrado com um controlo da iluminação artificial necessária para os diferentes espaços climatizados. Os resultados obtidos foram comparados entre si e corrigir a envolvente exterior reduz os consumos energéticos do edifício em cerca de 11%. As medidas correctivas propostas no sistema de climatização base originam uma redução energética igual a 43%. A nível ambiental, é possível a redução do número de emissões de CO2 em cerca de 72.1%.

Influence of Prolonged Wearing of Unstable Shoes on Upright Standing Postural Control

Objective: To study the influence of prolonged wearing of unstable shoes on standing postural control in prolonged standing workers. Methods: The participants were divided into two groups: one wore unstable shoes while the other wore conventional shoes for 8 weeks. Stabilometry parameters related to centre of pressure (CoP), rambling (RM) and trembling (TR) as well as the total agonist/antagonist muscle activity, antagonist co-activation and reciprocal activation were evaluated during upright standing, before and after the 8 week period. In both moments, the subjects were evaluated wearing the unstable shoes and in barefoot. Results: The unstable shoe condition presented increased CoP displacement related variables and decreased co-activation command compared to barefoot before and after the intervention. The prolonged wearing of unstable shoes led to: (1) reduction of medial-lateral CoP root mean square and area; (2) decreased anteroposterior RM displacement; (3) increased anteroposterior RM mean velocity and mediolateral RM displacement; (4) decreased anteroposterior TR RMS; and (5) increased thigh antagonist co-activation in the unstable shoe condition. Conclusion: The unstable shoe condition is associated to a higher destabilizing effect that leads to a selection of more efficient and accurate postural commands compared to barefoot. Prolonged wearing of unstable shoes provides increased effectiveness and performance of the postural control system, while wearing of unstable shoes in upright standing, that are reflected by changes in CoP related variables and by a reorganization of postural control commands.

Cross-Layer Admission Control to Enhance the Support of Real-Time Applications in WSN

Real-time monitoring applications may be used in a wireless sensor network (WSN) and may generate packet flows with strict quality of service requirements in terms of delay, jitter, or packet loss. When strict delays are imposed from source to destination, the packets must be delivered at the destination within an end-to-end delay (EED) hard limit in order to be considered useful. Since the WSN nodes are scarce both in processing and energy resources, it is desirable that they only transport useful data, as this contributes to enhance the overall network performance and to improve energy efficiency. In this paper, we propose a novel cross-layer admission control (CLAC) mechanism to enhance the network performance and increase energy efficiency of a WSN, by avoiding the transmission of potentially useless packets. The CLAC mechanism uses an estimation technique to preview packets EED, and decides to forward a packet only if it is expected to meet the EED deadline defined by the application, dropping it otherwise. The results obtained show that CLAC enhances the network performance by increasing the useful packet delivery ratio in high network loads and improves the energy efficiency in every network load.

Visualizing control systems performance: A fractional perspective

This article presents a novel method for visualizing the control systems behavior. The proposed scheme uses the tools of fractional calculus and computes the signals propagating within the system structure as a time/frequency-space wave. Linear and nonlinear closed-loop control systems are analyzed, for both the time and frequency responses, under the action of a reference step input signal. Several nonlinearities, namely, Coulomb friction and backlash, are also tested. The numerical experiments demonstrate the feasibility of the proposed methodology as a visualization tool and motivate its extension for other systems and classes of nonlinearities.

Estudio de la gestión de la variable ambiental en la generación termoeléctrica

En la actualidad, el cambio climático es uno de los temas de mayor preocupación para la población mundial y los científicos de todo el mundo. Debido al crecimiento de la población de forma exponencial, la demanda de energía aumenta acorde con ello, por lo que las actividades de producción energética aumentan consecuentemente, siendo éstas las principales causantes de la aceleración del cambio climático. Pese a que muchos países previamente habían apostado por la producción energética mediante tecnologías limpias a partir de energías renovables, hoy en día es imposible prescindir de los combustibles fósiles pues, junto a la energía nuclear, suponen el mayor porcentaje dentro del mix energético de los países más grandes del mundo, por lo que el cambio debe ser global y con todos los países implicados al unísono. Por ello, los países desarrollados decidieron acordar una serie de leyes y normas para la regulación y el control de la expansión energética en el mundo, mediante programas de incentivo a las empresas para la producción de energía limpia, libre de emisiones, sustituyendo y mejorando los procesos tecnológicos para que garanticen un desarrollo sostenible. De esta forma, se conseguiría también reducir la dependencia energética de los países productores de los recursos fósiles más importantes y a su vez, ayudar a otros sectores a diversificar su negocio y mejorar así la economía de las áreas colindantes a las centrales de producción térmica. Gracias a estos programas de incentivo o, también llamados mecanismos de flexibilidad, las empresas productoras de energía, al acometer inversiones en tecnologia limpia, dejan de emitir gases de efecto invernadero a la atmósfera. Por tanto, gracias al comercio de emisiones y al mercado voluntario, las empresas pueden vender dichas emisiones aumentando la rentabilidad de sus proyectos, haciendo más atractivo de por sí el hecho de invertir en tecnología limpia. En el proyecto desarrollado, se podrá comprobar de una forma más extensa todo lo anteriormente citado. Para ello, se desarrollará una herramienta de cálculo que nos permitirá analizar los beneficios obtenidos por la sustitución de un combustible fósil, no renovable, por otro renovable y sostenible, como es la biomasa. En esta herramienta se calcularán, de forma estimada, las reducciones de las emisiones de CO2 que supone dicha sustitución y se hallará, en función del valor de las cotizaciones de los bonos de carbono en los diferentes mercados, cuál será el beneficio económico obtenido por la venta de las emisiones no emitidas que supone esta sustitución. Por último, dicho beneficio será insertado en un balance económico de la central donde se tendrán en cuenta otras variables como el precio del combustible o las fluctuaciones del precio de la electricidad, para hallar finalmente la rentabilidad que supondría la inversión de esta adaptación en la central. Con el fin de complementar y aplicar la herramienta de cálculo, se analizarán dos casos prácticos de una central de carbón, en los cuales se decide su suscripción dentro del contexto de los mecanismos de flexibilidad creados en los acuerdos internacionales.

Adaptação Cultural e Linguística do Trunk Control Test: avaliação das propriedades psicométricas

Introdução: O controlo postural do tronco é um fator preditivo de autonomia, sendo fundamental a existência de instrumentos válidos e fiáveis a fim da sua avaliação na população portuguesa. Objetivo: Traduzir e adaptar o Trunk Control Test (TCT) para a população portuguesa em indivíduos após AVE e avaliar as suas propriedades psicométricas. Métodos: O TCT foi sujeito aos processos de tradução e retroversão para a população portuguesa por dois tradutores bilingues e realizadas duas reuniões com painel de peritos na área. Avaliou-se a validade, a fiabilidade, a sensibilidade, a especificidade e o poder de resposta em 19 indivíduos com AVE. Para avaliar a validade de critério os indivíduos foram adicionalmente submetidos à Escala de Equilíbrio de Berg (EEB), à Avaliação Motora de Rivermead (AMR) e à Escala de Comprometimento do Tronco (ECT). A fiabilidade inter-observadores foi garantida por uma segunda amostra de 25 fisioterapeutas, através da avaliação do desempenho de um participante no TCT. Os dados foram analisados no programa SPSS 22.0. Resultados: O TCT apresentou baixa consistência interna ( =0,523) e fiabilidade inter-observadores substancial (k=0,662). Obteve-se forte correlação do TCT com a ECT (r=0,885) e AMR (r=0,864), e correlação moderada com a EEB (r=0,700). A validade de construção aponta para uma moderada correlação entre itens (KMO=0,755; Bartlett=0,001). Não foi possível obter os valores de sensibilidade, especificidade e poder de resposta do TCT. Conclusão: O estudo demonstrou que o TCT é um instrumento válido e fiável na avaliação da população portuguesa após AVE.

Produção Sustentável em BT- Análise de Características de Contadores Inteligentes

A crescente necessidade de reduzir a dependência energética e a emissão de gases de efeito de estufa levou à adoção de uma série de políticas a nível europeu com vista a aumentar a eficiência energética e nível de controlo de equipamentos, reduzir o consumo e aumentar a percentagem de energia produzida a partir de fontes renováveis. Estas medidas levaram ao desenvolvimento de duas situações críticas para o setor elétrico: a substituição das cargas lineares tradicionais, pouco eficientes, por cargas não-lineares mais eficientes e o aparecimento da produção distribuída de energia a partir de fontes renováveis. Embora apresentem vantagens bem documentadas, ambas as situações podem afetar negativamente a qualidade de energia elétrica na rede de distribuição, principalmente na rede de baixa tensão onde é feita a ligação com a maior parte dos clientes e onde se encontram as cargas não-lineares e a ligação às fontes de energia descentralizadas. Isto significa que a monitorização da qualidade de energia tem, atualmente, uma importância acrescida devido aos custos relacionados com perdas inerentes à falta de qualidade de energia elétrica na rede e à necessidade de verificar que determinados parâmetros relacionados com a qualidade de energia elétrica se encontram dentro dos limites previstos nas normas e nos contratos com clientes de forma a evitar disputas ou reclamações. Neste sentido, a rede de distribuição tem vindo a sofrer alterações a nível das subestações e dos postos de transformação que visam aumentar a visibilidade da qualidade de energia na rede em tempo real. No entanto, estas medidas só permitem monitorizar a qualidade de energia até aos postos de transformação de média para baixa tensão, não revelando o estado real da qualidade de energia nos pontos de entrega ao cliente. A monitorização nestes pontos é feita periodicamente e não em tempo real, ficando aquém do necessário para assegurar a deteção correta de problemas de qualidade de energia no lado do consumidor. De facto, a metodologia de monitorização utilizada atualmente envolve o envio de técnicos ao local onde surgiu uma reclamação ou a um ponto de medição previsto para instalar um analisador de energia que permanece na instalação durante um determinado período de tempo. Este tipo de monitorização à posteriori impossibilita desde logo a deteção do problema de qualidade de energia que levou à reclamação, caso não se trate de um problema contínuo. Na melhor situação, o aparelho poderá detetar uma réplica do evento, mas a larga percentagem anomalias ficam fora deste processo por serem extemporâneas. De facto, para detetar o evento que deu origem ao problema é necessário monitorizar permanentemente a qualidade de energia. No entanto este método de monitorização implica a instalação permanente de equipamentos e não é viável do ponto de vista das empresas de distribuição de energia já que os equipamentos têm custos demasiado elevados e implicam a necessidade de espaços maiores nos pontos de entrega para conter os equipamentos e o contador elétrico. Uma alternativa possível que pode tornar viável a monitorização permanente da qualidade de energia consiste na introdução de uma funcionalidade de monitorização nos contadores de energia de determinados pontos da rede de distribuição. Os contadores são obrigatórios em todas as instalações ligadas à rede, para efeitos de faturação. Tradicionalmente estes contadores são eletromecânicos e recentemente começaram a ser substituídos por contadores inteligentes (smart meters), de natureza eletrónica, que para além de fazer a contagem de energia permitem a recolha de informação sobre outros parâmetros e aplicação de uma serie de funcionalidades pelo operador de rede de distribuição devido às suas capacidades de comunicação. A reutilização deste equipamento com finalidade de analisar a qualidade da energia junto dos pontos de entrega surge assim como uma forma privilegiada dado que se trata essencialmente de explorar algumas das suas características adicionais. Este trabalho tem como objetivo analisar a possibilidade descrita de monitorizar a qualidade de energia elétrica de forma permanente no ponto de entrega ao cliente através da utilização do contador elétrico do mesmo e elaborar um conjunto de requisitos para o contador tendo em conta a normalização aplicável, as características dos equipamentos utilizados atualmente pelo operador de rede e as necessidades do sistema elétrico relativamente à monitorização de qualidade de energia.