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.

Sistema de Gestão Técnica Aplicado Aos Sistemas de Rega

A cidade do Porto é uma das regiões do país onde é importante uma gestão sustentável e integrada dos recursos hídricos. A (re) utilização de água surge neste contexto como uma possível resposta na sua utilização como um recurso hídrico passível de ser usado beneficamente, permitindo a poupança de fontes de água convencionais e aumentando a disponibilidade dos recursos hídricos existentes para finalidades que requerem padrões de qualidade mais exigentes. O potencial desta prática no nosso país é enorme, considerando que o volume de água tratada descarregada no ano 2000 era suficiente para suprir 10% das necessidades em água para rega num ano seco, sem necessidade de armazenamento sazonal. Por outro lado, um sistema de rega, quando devidamente projetado e funcionando adequadamente, permite que a água seja aplicada com um caudal, duração e frequência que maximizam o consumo da água e nutrientes pela planta. Este projeto consiste no desenvolvimento de um Sistema de Gestão Técnica para o controlo do sistema de rega dos jardins do ISEP – Instituto Politécnico de Engenharia do Porto com recurso a um autómato programável (PLC). Pretende-se otimizar os consumos energéticos do sistema de rega tendo em conta os parâmetros de humidade, temperatura e velocidade do vento característicos do local a regar. Outros dos objetivos é controlar o processo de enchimento e de rega. Esta operação consiste no controlo das bombas e respetivos débitos e conhecimento dos caudais necessários. Pretende-se, igualmente, definir e colocar em marcha todo o equipamento necessário para a realização do projeto. Os dados coletados devem ser tratados de tal modo que possam ser realizadas análises diárias, mensais e/ou anuais. Neste trabalho foram efetuados os cálculos de dimensionamentos relativamente às necessidades hídricas da planta e necessidades de rega, entre outros.

Sistema de Controlo Remoto de Luzes de Aeródromo

Este relatório apresenta o trabalho realizado no âmbito da unidade curricular de Dissertação do Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores – área de especialização de Automação e Sistemas. O trabalho realizado consiste no desenvolvimento de um Sistema de Controlo Remoto de Luzes de Aeródromo (SCRLA) que pode ser aplicado em paralelo aos comandos locais de controlo das luzes de aproximação, pista ou circulação, entre outras, de uma infra-estrutura aeroportuária. O objectivo fundamental deste sistema consiste em permitir ao piloto de uma aeronave o acendimento das luzes do aeródromo desde a própria aeronave, recorrendo apenas ao equipamento de rádio VHF existente a bordo da mesma e que é normalmente usado para comunicações com os serviços de controlo de tráfego aéreo. Este sistema, em aeródromos com possível operação nocturna (e.g., heliportos de hospitais), permite uma redução dos custos associados a despesas com eventual pessoal técnico ou a redução da carga de trabalho neste, e uma diminuição do consumo de energia eléctrica, uma vez que as luzes apenas são acendidas quando necessário. Este sistema permite também reduzir a poluição luminosa no ambiente e contribui positivamente para a longevidade dos equipamentos luminosos. No desenvolvimento do sistema, foram adquiridos e/ou aplicados conhecimentos nas áreas de navegação aérea, infra-estruturas aeroportuárias, telecomunicações, normalização e estandardização, electrónicas analógica e digital, programação de baixo nível em microcontroladores, desenho e construção de circuitos impressos, desenho e construção mecânica.

Sistema de Gestão Técnica Aplicado aos Sistemas de Rega

A cidade do Porto é uma das regiões do país onde é importante uma gestão sustentável e integrada dos recursos hídricos. A (re) utilização de água surge neste contexto como uma possível resposta na sua utilização como um recurso hídrico passível de ser usado beneficamente, permitindo a poupança de fontes de água convencionais e aumentando a disponibilidade dos recursos hídricos existentes para finalidades que requerem padrões de qualidade mais exigentes. O potencial desta prática no nosso país é enorme, considerando que o volume de água tratada descarregada no ano 2000 era suficiente para suprir 10% das necessidades em água para rega num ano seco, sem necessidade de armazenamento sazonal. Por outro lado, um sistema de rega, quando devidamente projetado e funcionando adequadamente, permite que a água seja aplicada com um caudal, duração e frequência que maximizam o consumo da água e nutrientes pela planta. Este projeto consiste no desenvolvimento de um Sistema de Gestão Técnica para o controlo do sistema de rega dos jardins do ISEP – Instituto Politécnico de Engenharia do Porto com recurso a um autómato programável (PLC). Pretende-se otimizar os consumos energéticos do sistema de rega tendo em conta os parâmetros de humidade, temperatura e velocidade do vento característicos do local a regar. Outros dos objetivos é controlar o processo de enchimento e de rega. Esta operação consiste no controlo das bombas e respetivos débitos e conhecimento dos caudais necessários. Pretende-se, igualmente, definir e colocar em marcha todo o equipamento necessário para a realização do projeto. Os dados coletados devem ser tratados de tal modo que possam ser realizadas análises diárias, mensais e/ou anuais. Neste trabalho foram efetuados os cálculos de dimensionamentos relativamente às necessidades hídricas da planta e necessidades de rega, entre outros.

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%.

Impacto da influência de um Sistema de Gestão Técnica Centralizada na redução dos custos de exploração de um edifício

É de conhecimento do meio, que os Sistemas de Gestão Técnica Centralizada (SGTC) são uma mais-valia para a redução de utilização de energia associados principalmente aos sistemas de Aquecimento, Ventilação e Ar Condicionado (AVAC) apesar das potencialidades serem abrangentes a outras áreas. No entanto, existe alguma lacuna quanto à quantificação dessa mais-valia, facto importante sobretudo para a alteração de mentalidades dos promotores e proprietários dos edifícios, que por falta de prova, normalmente apenas associam o SGTC a um investimento num serviço desnecessário. As potencialidades dos SGTC são muitas, a título de exemplo, redução na utilização de fontes de energia, gestão da manutenção de sistemas e equipamentos, análise de eficiências de equipamentos, entre muitas outras, sendo nesta dissertação estudado com mais profundidade a questão associada à diferença dos custos de exploração resultantes da utilização de energia num edifício por parte dos sistemas de AVAC, isto é, quais serão os ganhos na utilização da energia, associados ao sistema AVAC, que podem ser obtidos com a implementação de um SGTC. Para o efeito, utilizou-se os sistemas e equipamentos existentes no edifício ECOTERMOLAB, pertencente ao Instituto de Soldadura e Qualidade (ISQ), com o objetivo de verificar as diferenças de utilização de energia resultantes do funcionamento do edifício em normal atividade, isto é, o edifício com todos os seus sistemas operacionais, incluindo o SGTC, e o edifício em funcionamento sem o auxílio do SGTC, ou seja, todos os sistemas associados ao sistema AVAC em funcionamento em modo manual e sem recurso a variação de caudal na rede aeráulica e hidráulica. Em termos anuais, o ECOTERMOLAB consome, aproximadamente, cerca de 38,1 MWh de energia elétrica e 39,2 MWh de gás natural, o que representa uma utilização de energia primária de 14,4 tep/ano. Esta energia, representa um encargo financeiro anual de, aproximadamente, 9500€/ano, correspondente a 7000€/ano de energia elétrica e 2500€/ano de gás natural. Após a análise desenvolvida neste trabalho, conclui-se que o funcionamento do edifício sem controlo do sistema de AVAC por SGTC representaria em termos anuais a um aumento de, aproximadamente, 25,2 MWh e 6,2 MWh de energia elétrica e de gás natural, respetivamente. Em termos de energia primária, a diferença entre soluções origina um acréscimo na utilização de energia de 7,8 tep/ano o que representa um aumento de emissão de CO2 na ordem das 9,4 ton/ano. A avaliação económica, recaiu sobre a determinação de indicadores para avaliação da viabilidade de implementação de um SGTC, nomeadamente, o período de retorno simples, o valor atual líquido e a taxa interna de rentabilidade. Todos estes indicadores se revelaram positivos, apresentando um período de retorno ligeiramente superior a oito anos, um valor atual líquido positivo (8864,1€) e uma taxa interna de rentabilidade superior à taxa de custo de capital (11,2%).

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.