Análise de desempenho de algoritmos de otimização para extração de parâmetros em modelos semicondutores de potência

Apresenta-se nesta tese uma revisão da literatura sobre a modelação de semicondutores de potência baseada na física e posterior análise de desempenho de dois métodos estocásticos, Particle Swarm Optimizaton (PSO) e Simulated Annealing (SA), quando utilizado para identificação eficiente de parâmetros de modelos de dispositivos semicondutores de potência, baseado na física. O conhecimento dos valores destes parâmetros, para cada dispositivo, é fundamental para uma simulação precisa do comportamento dinâmico do semicondutor. Os parâmetros são extraídos passo-a-passo durante simulação transiente e desempenham um papel relevante. Uma outra abordagem interessante nesta tese relaciona-se com o facto de que nos últimos anos, os métodos de modelação para dispositivos de potência têm emergido, com alta precisão e baixo tempo de execução baseado na Equação de Difusão Ambipolar (EDA) para díodos de potência e implementação no MATLAB numa estratégia de optimização formal. A equação da EDA é resolvida numericamente sob várias condições de injeções e o modelo é desenvolvido e implementado como um subcircuito no simulador IsSpice. Larguras de camada de depleção, área total do dispositivo, nível de dopagem, entre outras, são alguns dos parâmetros extraídos do modelo. Extração de parâmetros é uma parte importante de desenvolvimento de modelo. O objectivo de extração de parâmetros e otimização é determinar tais valores de parâmetros de modelo de dispositivo que minimiza as diferenças entre um conjunto de características medidas e resultados obtidos pela simulação de modelo de dispositivo. Este processo de minimização é frequentemente chamado de ajuste de características de modelos para dados de medição. O algoritmo implementado, PSO é uma técnica de heurística de otimização promissora, eficiente e recentemente proposta por Kennedy e Eberhart, baseado no comportamento social. As técnicas propostas são encontradas para serem robustas e capazes de alcançar uma solução que é caracterizada para ser precisa e global. Comparada com algoritmo SA já realizada, o desempenho da técnica proposta tem sido testado utilizando dados experimentais para extrair parâmetros de dispositivos reais das características I-V medidas. Para validar o modelo, comparação entre resultados de modelo desenvolvido com um outro modelo já desenvolvido são apresentados.

Análise de Capacidade Processo Inspeção Visual

Este trabalho foi realizado no âmbito do Mestrado em Engenharia Mecânica, especialização em Gestão Industrial, do Instituto Superior de Engenharia do Porto. O estudo foi desenvolvido na Continental Mabor – Indústria de Pneus S.A., sendo analisado o processo de Inspeção Visual dos pneus. Face à atual conjuntura de mercado, as empresas devem estar munidas de dados detalhados e precisos relativos aos seus processos produtivos. A Capacidade instalada apresenta-secomo um parâmetro determinante na medida em que condiciona diretamente a resposta a solicitações de clientes. Esta é fortemente influenciada pelo Layout fabril, pelo que a otimização do mesmo é fundamental numa perspetiva de ganho de Capacidade produtiva. O relatório iniciou-se com a determinação do Tempo Previsto da operação segundo o referencial REFA. Seguidamente quantificaram-se as atuais perturbações através de auditorias ao processo. Deste modo obteve-se uma Capacidade instalada de 59380 pneus/dia. A análise das perturbações desenvolveu-se a partir de um diagrama causa-efeito, no qual foram identificadas diversas potenciais causas, classificadas posteriormente por uma equipa experiente e conhecedora do processo. Assim, conhecidas as perturbações de maior impacto, foi apresentada uma solução de Layout que visou a sua minimização. O ganho estimado, em termos de Capacidade, após a implementação da solução proposta é de 3000 pneus/dia. Este ganho de 5% é significativo na medida em que é obtido sem a necessidade de aquisição de novos equipamentos nem de área fabril adicional. É expectável que esta implementação proporcione ainda melhorias no processo produtivo subsequente - Uniformidade, especificamente na alimentação do mesmo. A quantificação desta melhoria, na sequência deste trabalho, apresenta-se como uma oportunidade de estudo futuro.

Sistema para a monitorização ativa com recurso ao cloud computing

O desenvolvimento de aplicações para dispositivos móveis já não é uma área recente, contudo continua a crescer a um ritmo veloz. É notório o avanço tecnológico dos últimos anos e a crescente popularidade destes dispositivos. Este avanço deve-se não só à grande evolução no que diz respeito às características destes dispositivos, mas também à possibilidade de criar aplicações inovadoras, práticas e passíveis de solucionar os problemas dos utilizadores em geral. Nesse sentido, as necessidades do quotidiano obrigam à implementação de soluções que satisfaçam os utilizadores, e nos dias de hoje, essa satisfação muitas vezes passa pelos dispositivos móveis, que já tem um papel fundamental na vida das pessoas. Atendendo ao aumento do número de raptos de crianças e à insegurança que se verifica nos dias de hoje, as quais dificultam a tarefa de todos os pais/cuidadores que procuraram manter as suas crianças a salvo, é relevante criar uma nova ferramenta capaz de os auxiliar nesta árdua tarefa. A partir desta realidade, e com vista a cumprir os aspetos acima mencionados, surge assim esta dissertação de mestrado. Esta aborda o estudo e implementação efetuados no sentido de desenvolver um sistema de monitorização de crianças. Assim, o objetivo deste projeto passa por desenvolver uma aplicação nativa para Android e um back-end, utilizando um servidor de base de dados NoSQL para o armazenamento da informação, aplicando os conceitos estudados e as tecnologias existentes. A solução tem como principais premissas: ser o mais user-friendly possível, a otimização, a escalabilidade para outras situações (outros tipos de monitorizações) e a aplicação das mais recentes tecnologias. Assim sendo, um dos estudos mais aprofundados nesta dissertação de mestrado está relacionado com as bases de dados NoSQL, dada a sua importância no projeto.

Modelação numérica de uma caldeira doméstica a pellets

A biomassa é uma das fontes de energia renovável com maior potencial em Portugal, sendo a capacidade de produção de pellets de biomassa atualmente instalada superior a 1 milhão de toneladas/ano. Contudo, a maioria desta produção destina-se à exportação ou à utilização em centrais térmicas a biomassa, cujo crescimento tem sido significativo nos últimos anos, prevendo-se que a capacidade instalada em 2020 seja de aproximadamente 250 MW. O mercado português de caldeiras a pellets é bastante diversificado. O estudo que realizamos permitiu concluir que cerca de 90% das caldeiras existentes no mercado português têm potências inferiores a 60 kW, possuindo na sua maioria grelha fixa (81%), com sistema de ignição eléctrica (92%) e alimentação superior do biocombustível sólido (94%). O objetivo do presente trabalho foi o desenvolvimento de um modelo para simulação de uma caldeira a pellets de biomassa, que para além de permitir otimizar o projeto e operação deste tipo de equipamento, permitisse avaliar as inovações tecnológicas nesta área. Para tal recorreu-se o BiomassGasificationFoam, um código recentemente publicado, e escrito para utilização com o OpenFOAM, uma ferramenta computacional de acesso livre, que permite a simulação dos processos de pirólise, gasificação e combustão de biomassa. Este código, que foi inicialmente desenvolvido para descrever o processo de gasificação na análise termogravimétrica de biomassa, foi por nós adaptado para considerar as reações de combustão em fase gasosa dos gases libertados durante a pirólise da biomassa (recorrendo para tal ao solver reactingFoam), e ter a possibilidade de realizar a ignição da biomassa, o que foi conseguido através de uma adaptação do código de ignição do XiFoam. O esquema de ignição da biomassa não se revelou adequado, pois verificou-se que a combustão parava sempre que a ignição era inativada, independentemente do tempo que ela estivesse ativa. Como alternativa, usaram-se outros dois esquemas para a combustão da biomassa: uma corrente de ar quente, e uma resistência de aquecimento. Ambos os esquemas funcionaram, mas nunca foi possível fazer com que a combustão fosse autossustentável. A análise dos resultados obtidos permitiu concluir que a extensão das reações de pirólise e de gasificação, que são ambas endotérmicas, é muito pequena, pelo que a quantidade de gases libertados é igualmente muito pequena, não sendo suficiente para libertar a energia necessária à combustão completa da biomassa de uma maneira sustentável. Para tentar ultrapassar esta dificuldade foram testadas várias alternativas, , que incluíram o uso de diferentes composições de biomassa, diferentes cinéticas, calores de reação, parâmetros de transferência de calor, velocidades do ar de alimentação, esquemas de resolução numérica do sistema de equações diferenciais, e diferentes parâmetros dos esquemas de resolução utilizados. Todas estas tentativas se revelaram infrutíferas. Este estudo permitiu concluir que o solver BiomassGasificationFoam, que foi desenvolvido para descrever o processo de gasificação de biomassa em meio inerte, e em que a biomassa é aquecida através de calor fornecido pelas paredes do reator, aparentemente não é adequado à descrição do processo de combustão da biomassa, em que a combustão deve ser autossustentável, e em que as reações de combustão em fase gasosa são importantes. Assim, é necessário um estudo mais aprofundado que permita adaptar este código à simulação do processo de combustão de sólidos porosos em leito fixo.

Desenvolvimento de programa em linguagem Matlab® para cálculo pelo método de elementos finitos

Para o projeto de qualquer estrutura existente (edifícios, pontes, veículos, máquinas, etc.) é necessário conhecer as condições de carga, geometria e comportamento de todas as suas partes, assim como respeitar as normativas em vigor nos países nos quais a estrutura será aplicada. A primeira parte de qualquer projeto nesta área passa pela fase da análise estrutural, onde são calculadas todas as interações e efeitos de cargas sobre as estruturas físicas e os seus componentes de maneira a verificar a aptidão da estrutura para o seu uso. Inicialmente parte-se de uma estrutura de geometria simplificada, pondo de parte os elementos físicos irrelevantes (elementos de fixação, revestimentos, etc.) de maneira a simplificar o cálculo de estruturas complexas e, em função dos resultados obtidos da análise estrutural, melhorar a estrutura se necessário. A análise por elementos finitos é a ferramenta principal durante esta primeira fase do projeto. E atualmente, devido às exigências do mercado, é imprescindível o suporte computorizado de maneira a agilizar esta fase do projeto. Existe para esta finalidade uma vasta gama de programas que permitem realizar tarefas que passam pelo desenho de estruturas, análise estática de cargas, análise dinâmica e vibrações, visualização do comportamento físico (deformações) em tempo real, que permitem a otimização da estrutura em análise. Porém, estes programas demostram uma certa complexidade durante a introdução dos parâmetros, levando muitas vezes a resultados errados. Assim sendo, é essencial para o projetista ter uma ferramenta fiável e simples de usar que possa ser usada para fins de projeto de estruturas e otimização. Sobre esta base nasce este projeto tese onde se elaborou um programa com interface gráfica no ambiente Matlab® para a análise de estruturas por elementos finitos, com elementos do tipo Barra e Viga, quer em 2D ou 3D. Este programa permite definir a estrutura por meio de coordenadas, introdução de forma rápida e clara, propriedades mecânicas dos elementos, condições fronteira e cargas a aplicar. Como resultados devolve ao utilizador as reações, deformações e distribuição de tensões nos elementos quer em forma tabular quer em representação gráfica sobre a estrutura em análise. Existe ainda a possibilidade de importação de dados e exportação dos resultados em ficheiros XLS e XLSX, de maneira a facilitar a gestão de informação. Foram realizados diferentes testes e análises de estruturas de forma a validar os resultados do programa e a sua integridade. Os resultados foram todos satisfatórios e convergem para os resultados de outros programas, publicados em livros, e para cálculo a mão feitos pelo autor.

Trade-Off Performance Regions of Slotted ALOHA Protocol using Multi-Objective Optimization

10th Conference on Telecommunications (Conftele 2015), Aveiro, Portugal.

Multi-Objective and Financial Portfolio Optimization of Carrier-Sense Multiple Access Protocols with Cooperative Diversity

8th International Workshop on Multiple Access Communications (MACOM2015), Helsinki, Finland.

A learning environment for robotic production line simulation

This paper presents a framework for a robotic production line simulation learning environment using Autonomous Ground Vehicles (AGV). An eLearning platform is used as interface with the simulator. The objective is to introduce students to the production robotics area using a familiar tool, an eLearning platform, and a framework that simulates a production line using AGVs. This framework allows students to learn about robotics but also about several areas of industrial management engineering without requiring an extensive prior knowledge on the robotics area. The robotic production line simulation learning environment simulates a production environment using AGVs to transport materials to and from the production line. The simulator allows students to validate the AGV dynamics and provides information about the whole materials supplying system which includes: supply times, route optimization and inventory management. The students are required to address several topics such as: sensors, actuators, controllers and an high level management and optimization software. This simulator was developed with a known open source tool from robotics community: Player/Stage. This tool was extended with several add-ons so that students can be able to interact with a complex simulation environment. These add-ons include an abstraction communication layer that performs events provided by the database server which is programmed by the students. An eLearning platform is used as interface between the students and the simulator. The students can visualize the effects of their instructions/programming in the simulator that they can access via the eLearning platform. The proposed framework aims to allow students from different backgrounds to fully experience robotics in practice by suppressing the huge gap between theory and practice that exists in robotics. Using an eLearning platform eliminates installation problems that can occur from different computers software distribution and makes the simulator accessible by all students at school and at home.

Autonomous guided vehicles applied to industrial engineering and management studies

This article presents a framework to an Industrial Engineering and Management Science course from School of Management and Industrial Studies using Autonomous Ground Vehicles (AGV) to supply materials to a production line as an experimental setup for the students to acquire knowledge in the production robotics area. The students must be capable to understand and put into good use several concepts that will be of utmost importance in their professional life such as critical decisions regarding the study, development and implementation of a production line. The main focus is a production line using AGVs, where the students are required to address several topics such as: sensors actuators, controllers and an high level management and optimization software. The presented framework brings to the robotics teaching community methodologies that allow students from different backgrounds, that normally don’t experiment with the robotics concepts in practice due to the big gap between theory and practice, to go straight to ”making” robotics. Our aim was to suppress the minimum start point level thus allowing any student to fully experience robotics with little background knowledge.

A Real-Time Optimization for 2R Manipulators

This work proposes a real-time algorithm to generate a trajectory for a 2 link planar robotic manipulator. The objective is to minimize the space/time ripple and the energy requirements or the time duration in the robot trajectories. The proposed method uses an off line genetic algorithm to calculate every possible trajectory between all cells of the workspace grid. The resultant trajectories are saved in several trees. Then any trajectory requested is constructed in real-time, from these trees. The article presents the results for several experiments.

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.

Geomecânica aplicada à estabilidade de explorações mineiras bench and fill: o caso do jazigo de Feitais, Minas de Aljustrel

Este trabalho pretende abordar a importância de um estudo geomecânico no apoio à otimização e estabilidade de explorações subterrâneas por subníveis, com criação de bancadas e posterior enchimento. O presente envolveu um estudo geológico-geotécnico em quinze galerias situadas a muro, teto e corpo da mineralização com o levantamento das características mais relevantes do maciço rochoso para aplicação das classificações geomecânicas, englobando uma amostragem de mais de 1780 descontinuidades, obtendo um modelo cartográfico subterrâneo com um panorama geral da qualidade do maciço rochoso intercetado pelas escavações nas diferentes zonas. Os dados dos levantamentos de campo levaram à criação de uma base de dados com a aplicação das classificações geomecânicas Q-System, RMR e GSI, por galeria e, em seguida, por zona, com proposta de classe de sustimento a aplicar em cada local, pelo ábaco de Barton, em conjunto com a determinação de parâmetros geomecânicos fundamentais ao refinamento do conhecimento geológico-geotécnico das unidades litológicas em estudo. Na parte final, focando a localização da massa mineralizada de Feitais é efetuada uma abordagem relativa à estabilidade das cavidades geradas pelo desmonte em bancada entre subníveis, com respetivo dimensionamento das larguras admissíveis, em condições de segurança, através da relação entre o número de estabilidade e raio hidráulico, pelo método do gráfico de estabilidade. Com esta metodologia de caracterização geológico geotécnica, é pretendido efetuar um ponto de partida à criação de um modelo geomecânico comportamental do jazigo de Feitais, Mina de Aljustrel, contando com um processo inicial de apoio ao planeamento mineiro aplicado ao método de desmonte em bancada e posterior enchimento por subníveis, atuando nos parâmetros de estabilidade e apoio à extração, favorecendo assim a segurança das operações de trabalho em conjunto com um apoio de otimização da extração.

Rede de Calor – Uma Solução a Biomassa para um Complexo de Hóteis

O recurso às energias renováveis é na actualidade um tema que atinge um grau de importância primordial face á crescente preocupação com o meio ambiente e o impacto negativo, que a produção de energia com base em combustíveis fósseis tem. Esta importância aliada a uma tendência cada vez maior para a criação de soluções de produção sustentável de energia, tem obrigado ao desenvolvimento desta vertente do sector energético e ao estudo e consequentemente implementação de soluções integradas que permitam uma economia competitiva. Os hotéis, sendo estabelecimentos comerciais que desenvolvem uma actividade que envolve, na generalidade, um nível de consumo energético considerável para garantir os seus serviços básicos de acomodação e lazer, tornam-se por excelência alvos primordiais no que concerne ao seu elevado potencial de poupança de energia. O ramo da hotelaria, dada a sua especificidade e a natureza dos edifícios que comporta, torna-os em excelentes candidatos para análise e optimização energética, e como tal um alvo de negócio para as empresas de comercialização de poupanças energéticas. As empresas dedicadas aos serviços de energia são conhecidas por ESCO (Energy Service Company ou Energy Savings Company). A sua actividade tem por base apresentar soluções de energia, nomeadamente a implementação de projectos de poupança energética que podem englobar produção, conservação e fornecimento de energia, bem como gestão de risco associada. O objectivo principal é apresentar soluções de optimização e eficiência energética levando á sua implementação em casos reais de exploração em edifícios ou sectores específicos, rentabilizando o investimento e partilhando o lucro dessa rentabilização com os clientes. No caso específico dos hotéis, mais concretamente um complexo de hotéis, como o estudado neste trabalho, esta análise pretende elaborar uma caracterização das necessidades energéticas do sector e apresentar um conjunto de soluções energéticas adequadas à realidade hoteleira. É também objecto de análise, toda a aproximação de um modelo de negócio energético a explorar por uma ESCO. O presente trabalho, realizado no âmbito da parceria entre a Gebio e a Confraria do Bom Jesus, tem por objectivo demonstrar as bases do contracto de performance entre uma empresa ESCO (Gebio – empresa concessionária do projecto) e um complexo de hotéis (constituído pelo Hotel do Lago, Hotel do Parque e Hotel do Templo), com vista a optimizar os consumos energéticos para a produção de energia térmica capaz de corresponder às necessidades do complexo. Foi desenvolvido um estudo completo das necessidades térmicas do complexo, com vista a projectar uma solução integrada de produção de energia térmica, com recurso a uma caldeira de biomassa, para os hotéis. Foi realizado um levantamento extensivo dos consumos e custos energético do complexo, nomeadamente para as águas quentes sanitárias. Desta análise obtiveram-se os custos reais do sistema e com os mesmos foi possível, numa primeira fase, elaborar os diversos projectos, hidráulico, eléctricos e civil, de forma a se definir a solução base e quais os orçamentos previstos para a instalação de um sistema de produção a biomassa, e numa segunda fase foi estudada a viabilidade da assinatura de um contracto de performance entre a ESCO e o complexo de hotéis.

Estado da Arte da Computação Evolutiva Aplicada à Eletrónica

A Computação Evolutiva enquadra-se na área da Inteligência Artificial e é um ramo das ciências da computação que tem vindo a ser aplicado na resolução de problemas em diversas áreas da Engenharia. Este trabalho apresenta o estado da arte da Computação Evolutiva, assim como algumas das suas aplicações no ramo da eletrónica, denominada Eletrónica Evolutiva (ou Hardware Evolutivo), enfatizando a síntese de circuitos digitais combinatórios. Em primeiro lugar apresenta-se a Inteligência Artificial, passando à Computação Evolutiva, nas suas principais vertentes: os Algoritmos Evolutivos baseados no processo da evolução das espécies de Charles Darwin e a Inteligência dos Enxames baseada no comportamento coletivo de alguns animais. No que diz respeito aos Algoritmos Evolutivos, descrevem-se as estratégias evolutivas, a programação genética, a programação evolutiva e com maior ênfase, os Algoritmos Genéticos. Em relação à Inteligência dos Enxames, descreve-se a otimização por colônia de formigas e a otimização por enxame de partículas. Em simultâneo realizou-se também um estudo da Eletrónica Evolutiva, explicando sucintamente algumas das áreas de aplicação, entre elas: a robótica, as FPGA, o roteamento de placas de circuito impresso, a síntese de circuitos digitais e analógicos, as telecomunicações e os controladores. A título de concretizar o estudo efetuado, apresenta-se um caso de estudo da aplicação dos algoritmos genéticos na síntese de circuitos digitais combinatórios, com base na análise e comparação de três referências de autores distintos. Com este estudo foi possível comparar, não só os resultados obtidos por cada um dos autores, mas também a forma como os algoritmos genéticos foram implementados, nomeadamente no que diz respeito aos parâmetros, operadores genéticos utilizados, função de avaliação, implementação em hardware e tipo de codificação do circuito.

Assessment of groundwater contamination in an agricultural peri-urban area (NW Portugal): an integrated approach

The excessive use of pesticides and fertilisers in agriculture has generated a decrease in groundwater and surface water quality in many regions of the EU, constituting a hazard for human health and the environment. Besides, on-site sewage disposal is an important source of groundwater contamination in urban and peri-urban areas. The assessment of groundwater vulnerability to contamination is an important tool to fulfil the demands of EU Directives. The purpose of this study is to assess the groundwater vulnerability to contamination related mainly to agricultural activities in a peri-urban area (Vila do Conde, NW Portugal). The hydrogeological framework is characterised mainly by fissured granitic basement and sedimentary cover. Water samples were collected and analysed for temperature, pH, electrical conductivity, chloride, phosphate, nitrate and nitrite. An evaluation of groundwater vulnerability to contamination was applied (GOD-S, Pesticide DRASTIC-Fm, SINTACS and SI) and the potential nitrate contamination risk was assessed, both on a hydrogeological GIS-based mapping. A principal component analysis was performed to characterised patterns of relationship among groundwater contamination, vulnerability, and the hydrogeological setting assessed. Levels of nitrate above legislation limits were detected in 75 % of the samples analysed. Alluvia units showed the highest nitrate concentrations and also the highest vulnerability and risk. Nitrate contamination is a serious problem affecting groundwater, particularly shallow aquifers, especially due to agriculture activities, livestock and cesspools. GIS-based cartography provided an accurate way to improve knowledge on water circulation models and global functioning of local aquifer systems. Finally, this study highlights the adequacy of an integrated approach, combining hydrogeochemical data, vulnerability assessments and multivariate analysis, to understand groundwater processes in peri-urban areas.