Modelagem e simulação da dinâmica do arrastamento por ar

Os compostos orgânicos voláteis constituem uma fonte vulgar de contaminação da água subterrânea, a qual pode ser eliminada pela tecnologia do arrastamento por ar (air stripping) em colunas com enchimento desordenado e utilizando fluxos das fases em contra-corrente. Propõe-se neste trabalho uma nova metodologia de dimensionamento destas colunas, para qualquer tipo de enchimento e de contaminante, onde não há necessidade de se arbitrar nenhum diâmetro, onde se evita o recurso a ábacos experimentais e onde o regime hidráulico conveniente é seleccionado à partida. O procedimento proposto foi algoritmizado e convertido num programa em linguagem C++. Para verificar e testar não só o dimensionamento mas também o comportamento teórico estacionário e dinâmico construiu-se de raiz uma coluna experimental. Seleccionou-se como contaminante uma solução de clorofórmio em água destilada. A experimentação permite, ainda, corrigir o coeficiente de transferência de massa global teórico estimado pelas correlações de Onda e que depende de inúmeros parâmetros nem sempre controláveis experimentalmente. Apresenta-se, em seguida, um modelo original de simulação dinâmica do comportamento da coluna e que é constituído por um sistema de equações diferenciais não lineares (parâmetros distribuidos). No entanto, se os débitos forem arbitrados como constantes, o sistema passa a ser linear apesar de não possuir solução analítica evidente (p.e. por transformações integrais). A discretização por diferenças finitas permitiu superar estas dificuldades. Existe uma notável concordância entre os valores experimentais e os previstos no modelo.

Robôs quadrúpedes: geração de trajectórias em tempo real usando sistemas dinâmicos não-lineares

A geração de trajectórias de robôs em tempo real é uma tarefa muito complexa, não existindo ainda um algoritmo que a permita resolver de forma eficaz. De facto, há controladores eficientes para trajectórias previamente definidas, todavia, a adaptação a variações imprevisíveis, como sendo terrenos irregulares ou obstáculos, constitui ainda um problema em aberto na geração de trajectórias em tempo real de robôs. Neste trabalho apresentam-se modelos de geradores centrais de padrões de locomoção (CPGs), inspirados na biologia, que geram os ritmos locomotores num robô quadrúpede. Os CPGs são modelados matematicamente por sistemas acoplados de células (ou neurónios), sendo a dinâmica de cada célula dada por um sistema de equações diferenciais ordinárias não lineares. Assume-se que as trajectórias dos robôs são constituídas por esta parte rítmica e por uma parte discreta. A parte discreta pode ser embebida na parte rítmica, (a.1) como um offset ou (a.2) adicionada às expressões rítmicas, ou (b) pode ser calculada independentemente e adicionada exactamente antes do envio dos sinais para as articulações do robô. A parte discreta permite inserir no passo locomotor uma perturbação, que poderá estar associada à locomoção em terrenos irregulares ou à existência de obstáculos na trajectória do robô. Para se proceder á análise do sistema com parte discreta, será variado o parâmetro g. O parâmetro g, presente nas equações da parte discreta, representa o offset do sinal após a inclusão da parte discreta. Revê-se a teoria de bifurcação e simetria que permite a classificação das soluções periódicas produzidas pelos modelos de CPGs com passos locomotores quadrúpedes. Nas simulações numéricas, usam-se as equações de Morris-Lecar e o oscilador de Hopf como modelos da dinâmica interna de cada célula para a parte rítmica. A parte discreta é modelada por um sistema inspirado no modelo VITE. Medem-se a amplitude e a frequência de dois passos locomotores para variação do parâmetro g, no intervalo [-5;5]. Consideram-se duas formas distintas de incluir a parte discreta na parte rítmica: (a) como um (a.1) offset ou (a.2) somada nas expressões que modelam a parte rítmica, e (b) somada ao sinal da parte rítmica antes de ser enviado às articulações do robô. No caso (a.1), considerando o oscilador de Hopf como dinâmica interna das células, verifica-se que a amplitude e frequência se mantêm constantes para -5-0.5,0.34] e [0.4,1.83], sendo nos restantes valores de g nulas. Isto traduz-se em variações na extensão do movimento e na velocidade do robô, proporcionais à amplitude e à frequência, respectivamente. Ainda com o oscilador Hopf, no caso (b), a frequência mantêm-se constante enquanto a amplitude diminui para g<0.2 e aumenta para g>0.2. A extensão do movimento varia de forma directamente proporcional à amplitude. No caso das equações de Morris-Lecar, quando a componente discreta é embebida (a.2), a amplitude e a frequência aumentam e depois diminuem para - 0.17-se constante enquanto a amplitude diminui para g<0.5 e aumenta para g>0.5 Pode concluir-se que: (1) a melhor forma de inserção da parte discreta que menos perturbação insere no robô é a inserção como offset; (2) a inserção da parte discreta parece ser independente do sistema de equações diferenciais ordinárias que modelam a dinâmica interna de cada célula. Como trabalho futuro, é importante prosseguir o estudo das diferentes formas de inserção da parte discreta na parte rítmica do movimento, para que se possa gerar uma locomoção quadrúpede, robusta, flexível, com objectivos, em terrenos irregulares, modelada por correcções discretas aos padrões rítmicos.

Um novo gerador central de padrões de locomoção para geração de trajectórias em tempo real de robôs quadrúpedes

Neste trabalho estuda-se a geração de trajectórias em tempo real de um robô quadrúpede. As trajectórias podem dividir-se em duas componentes: rítmica e discreta. A componente rítmica das trajectórias é modelada por uma rede de oito osciladores acoplados, com simetria 4 2 Z  Z . Cada oscilador é modelado matematicamente por um sistema de Equações Diferenciais Ordinárias. A referida rede foi proposta por Golubitsky, Stewart, Buono e Collins (1999, 2000), para gerar os passos locomotores de animais quadrúpedes. O trabalho constitui a primeira aplicação desta rede à geração de trajectórias de robôs quadrúpedes. A derivação deste modelo baseia-se na biologia, onde se crê que Geradores Centrais de Padrões de locomoção (CPGs), constituídos por redes neuronais, geram os ritmos associados aos passos locomotores dos animais. O modelo proposto gera soluções periódicas identificadas com os padrões locomotores quadrúpedes, como o andar, o saltar, o galopar, entre outros. A componente discreta das trajectórias dos robôs usa-se para ajustar a parte rítmica das trajectórias. Este tipo de abordagem é útil no controlo da locomoção em terrenos irregulares, em locomoção guiada (por exemplo, mover as pernas enquanto desempenha tarefas discretas para colocar as pernas em localizações específicas) e em percussão. Simulou-se numericamente o modelo de CPG usando o oscilador de Hopf para modelar a parte rítmica do movimento e um modelo inspirado no modelo VITE para modelar a parte discreta do movimento. Variou-se o parâmetro g e mediram-se a amplitude e a frequência das soluções periódicas identificadas com o passo locomotor quadrúpede Trot, para variação deste parâmetro. A parte discreta foi inserida na parte rítmica de duas formas distintas: (a) como um offset, (b) somada às equações que geram a parte rítmica. Os resultados obtidos para o caso (a), revelam que a amplitude e a frequência se mantêm constantes em função de g. Os resultados obtidos para o caso (b) revelam que a amplitude e a frequência aumentam até um determinado valor de g e depois diminuem à medida que o g aumenta, numa curva quase sinusoidal. A variação da amplitude das soluções periódicas traduz-se numa variação directamente proporcional na extensão do movimento do robô. A velocidade da locomoção do robô varia com a frequência das soluções periódicas, que são identificadas com passos locomotores quadrúpedes.

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.

Estudo e análise de soluções de acessos Wimax partilhados em cenários residenciais

Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores

Análise voltamétrica da ciprofloxacina – aplicação a medicamentos e a remediação

O presente trabalho tem como objectivo o desenvolvimento de um método analítico, baseado na voltametria de onda quadrada (SWV), para a análise de ciprofloxacina (CIP) em produtos farmacêuticos e em processos de remediação. Para o desenvolvimento do método voltamétrico foram utilizadas duas células voltamétricas: a célula clássica (utilizando um eléctrodo de trabalho de carbono vítreo - GCE) e um eléctrodo de carbono impresso (SPCE). Após a optimização dos parâmetros da SWV, pH (3,04), frequência (400Hz), incremento de potencial (6 mV) e amplitude do impulso de potencial (40 mV), procedeu-se a validação dos métodos, obtendo-se zonas lineares entre a concentração de CIP e a intensidade de corrente de pico de 5,0×10-6 a 6,0×10-5 mol/L (GCE) e de 1,0×10-5 a 4,0×10-5 mol/L (SPCE) e limites de detecção de 9,48×10-6 mol/L (GCE) e 2,13×10-6 mol/L (SPCE). Verificou-se que a sensibilidade, a precisão e a selectividade são superiores para o SPCE, sendo por isso esta a célula mais adequada para proceder à análise da CIP em produtos farmacêuticos. O SPCE foi aplicado com sucesso à análise de CIP num produto farmacêutico. Para o tratamento de soluções aquosas contendo a CIP foram testados dois oxidantes: o permanganato de potássio e o peróxido de hidrogénio. Para o peróxido de hidrogénio os resultados obtidos foram inconclusivos. No caso do permanganato de potássio, os resultados mostram que a degradação da ciprofloxacina depende da concentração do oxidante. Para uma concentração de CIP de 3,00×10-4 mol/L uma degradação rápida foi obtida com o uso de 6,00×10-3 mol/L de permanganato de potássio. Na aplicação do permanganato na remediação de solos verificou-se que no caso de solos húmicos a ciprofloxacina é adsorvida pelo solo, não sendo possível confirmar a ocorrência da reacção de degradação. No caso de solos arenosos verificou-se que a ciprofloxacina foi rapidamente degradada pelo permanganato de potássio.

Efeito da razão de submersão sobre os parâmetros hidrodinâmicos de uma coluna de recirculação de líquido através de um tubo exterior

No trabalho realizado nesta tese, procedeu-se ao estudo hidrodinâmico de uma coluna de borbulhamento de recirculação externa do líquido (CREL), que permitiu ampliar o conhecimento já existente sobre este tipo de colunas. Para realizar este estudo utilizaram-se líquidos viscosos Newtonianos, nomeadamente soluções aquosas de glicerina com viscosidades entre 0,007 e 0,522 Pa.s. Para a gama de caudais de ar injectados, 1,5x10-5 até 1,35x10-4 m3/s, o ar ascendia ao longo da coluna de borbulhamento sob a forma de bolhas tubulares. Após a realização dos ensaios, verificou-se que o regime de escoamento do líquido entre bolhas tubulares variou desde o tipo laminar até transição (1,9 equações empíricas de Nicklin et al (1962). Estes valores também foram comparados com valores obtidos experimentalmente em trabalhos anteriores, onde se utilizaram razões de submersão de 0,935 e 0,91. Após análise dos valores da retenção verificou-se que estes eram mais elevados para as soluções de maior viscosidade e menor diâmetro da coluna. Para as experiências realizadas com as soluções com viscosidades entre 0,52 Pa.s e 0,053 Pa.s, os valores experimentais eram inferiores aos previstos por Nicklin et al (1962) para regime laminar tanto na coluna de 22 mm como na coluna de 32 mm. Para a solução com 0,007 Pa.s de viscosidade os valores experimentais situavam-se na zona de transição entre o regime laminar e o regime turbulento em ambas as colunas. Verificou-se que a diminuição da razão de submersão de 0,935 para 0,85 aumentou significativamente a retenção em todas as experiências realizadas. A velocidade superficial média de circulação do líquido variava na razão inversa do diâmetro e da viscosidade. A diminuição da retenção provocou uma diminuição significativa na velocidade do líquido.

Proposta de metodologia usando regressões lineares no cálculo dos efeitos vibratórios do rebentamento de explosivos

Este trabalho apresenta o estudo das leis de propagação das velocidades de vibração resultantes do uso de explosivo em diferentes maciços. Foram efectuados estudos para três tipos de maciços diferentes, granito, quartzito e calcário. Efectuaram-se campanhas de monitorização e registo dos dados em cada uma das situações. Caracterizando e utilizando duas leis de propagação de velocidades no maciço, a de Johnson e Langefors, calculou-se as suas variáveis por método estatístico de regressões lineares múltiplas. Com a obtenção das variáveis fizeram-se estudos de previsão dos valores de vibração a obter utilizando a carga explosiva aplicada nos desmontes. Através dos valores de vibração obtidos em cada pega de fogo para cada tipo de maciço comparou-se quais das duas leis apresentam o valor de velocidade de vibração menor desviado do real. Conforme ficou verificado neste estudo, a equação de Langefors garante uma mais-valia da sua aplicação na previsão das velocidades de vibração pois joga favoravelmente a nível da segurança assim como apresenta um menor desvio face à equação de Johnson quando comparada com o valor real de vibração obtido. Com isto o método de utilização de regressões lineares múltiplas como cálculo dos efeitos vibratórios é extremamente vantajoso a nível de prevenção de danos e cálculo de velocidades de vibração inferiores ao imposto pela Norma.

Adaptive learning in agents behaviour: a framework for electricity markets simulation

Electricity markets are complex environments with very particular characteristics. A critical issue regarding these specific characteristics concerns the constant changes they are subject to. This is a result of the electricity markets’ restructuring, which was performed so that the competitiveness could be increased, but it also had exponential implications in the increase of the complexity and unpredictability in those markets scope. The constant growth in markets unpredictability resulted in an amplified need for market intervenient entities in foreseeing market behaviour. The need for understanding the market mechanisms and how the involved players’ interaction affects the outcomes of the markets, contributed to the growth of usage of simulation tools. Multi-agent based software is particularly well fitted to analyze dynamic and adaptive systems with complex interactions among its constituents, such as electricity markets. This dissertation presents ALBidS – Adaptive Learning strategic Bidding System, a multiagent system created to provide decision support to market negotiating players. This system is integrated with the MASCEM electricity market simulator, so that its advantage in supporting a market player can be tested using cases based on real markets’ data. ALBidS considers several different methodologies based on very distinct approaches, to provide alternative suggestions of which are the best actions for the supported player to perform. The approach chosen as the players’ actual action is selected by the employment of reinforcement learning algorithms, which for each different situation, simulation circumstances and context, decides which proposed action is the one with higher possibility of achieving the most success. Some of the considered approaches are supported by a mechanism that creates profiles of competitor players. These profiles are built accordingly to their observed past actions and reactions when faced with specific situations, such as success and failure. The system’s context awareness and simulation circumstances analysis, both in terms of results performance and execution time adaptation, are complementary mechanisms, which endow ALBidS with further adaptation and learning capabilities.

Deteção automática de incêndios. Detetores lineares de calor e de fumos

Existem situações particulares de deteção de incêndio nas quais os tradicionais detetores pontuais de fumo e calor podem não ser a solução mais adequada. São exemplo destas situações, a proteção de grandes áreas e/ou grandes distâncias. Nestas situações, poder-se-á equacionar a utilização de detetores lineares de calor e de fumos.

Soluções para monitorização, salvaguarda de configurações e segurança na rede do banco BNP Paribas Personal Finance S. A. em Vila Nova De Gaia

Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores - Área de Especialização de Telecomunicações

Optimal fuzzy PID control tuned with genetic algorithms

Fuzzy logic controllers (FLC) are intelligent systems, based on heuristic knowledge, that have been largely applied in numerous areas of everyday life. They can be used to describe a linear or nonlinear system and are suitable when a real system is not known or too difficult to find their model. FLC provide a formal methodology for representing, manipulating and implementing a human heuristic knowledge on how to control a system. These controllers can be seen as artificial decision makers that operate in a closed-loop system, in real time. The main aim of this work was to develop a single optimal fuzzy controller, easily adaptable to a wide range of systems – simple to complex, linear to nonlinear – and able to control all these systems. Due to their efficiency in searching and finding optimal solution for high complexity problems, GAs were used to perform the FLC tuning by finding the best parameters to obtain the best responses. The work was performed using the MATLAB/SIMULINK software. This is a very useful tool that provides an easy way to test and analyse the FLC, the PID and the GAs in the same environment. Therefore, it was proposed a Fuzzy PID controller (FL-PID) type namely, the Fuzzy PD+I. For that, the controller was compared with the classical PID controller tuned with, the heuristic Ziegler-Nichols tuning method, the optimal Zhuang-Atherton tuning method and the GA method itself. The IAE, ISE, ITAE and ITSE criteria, used as the GA fitness functions, were applied to compare the controllers performance used in this work. Overall, and for most systems, the FL-PID results tuned with GAs were very satisfactory. Moreover, in some cases the results were substantially better than for the other PID controllers. The best system responses were obtained with the IAE and ITAE criteria used to tune the FL-PID and PID controllers.

Dimensionamento de um sistema UPS flywheel

Nesta dissertação, numa primeira fase, é efetuado um estudo ao estado da arte da qualidade de energia elétrica e do volante de inércia mais conhecido por flywheel. Como primeiro tópico da primeira fase é efetuado um estudo das perturbações possíveis, baseado na sua forma de onda, são representadas graficamente as diversas perturbações, é efetuada uma análise das possíveis causas para cada perturbação e por fim, também são apresentadas as possíveis soluções para as mesmas perturbações. Como possíveis soluções, são apresentados os vários sistemas de armazenamento nomeadamente, UPS (fonte de alimentação ininterrupta), volantes de inércia, entre outros sistemas. No segundo tópico é efetuada uma introdução ao sistema flywheel, apresentando alguns aspetos importantes, tais como as várias vantagens do seu uso como sistema de armazenamento de energia, diferentes tipos de aplicações, sua constituição (formas, tipos de matérias, máquina elétrica, entre outros) e são apresentados também os diferentes tipos de aplicações, utilizando‐a como sistema de armazenamento. A segunda fase é dedicada às equações fundamentais para o desenvolvimento duma flywheel. Neste caso são apresentadas várias equações para o cálculo da energia armazenada, momento de inércia, tensões, entre muitas outras equações essenciais. Na terceira fase é efetuada uma comparação entre diversos sistemas de armazenamento de energia, usando tanto a tecnologia flywheel como baterias tradicionais. Esta comparação foi realizada em três categorias, 150 kVA, 600 kVA e 1200 kVA. Em cada categoria é realizada uma comparação entre diversos fatores tais como: peso, custos, dimensões, limitações, regulações possíveis e questões ambientais. Como quarta fase, é apresentado um modelo de uma draga utilizando o sistema flywheel como armazenamento de energia. Neste modelo é apresentada a flywheel como solução, uma vez que armazena a energia recuperada dos processos eletromecânicos que necessitam de absorver grandes quantidades de energia. Desta forma, consegue‐se uma redução no consumo de energia. Os resultados da simulação mostram uma redução de 25% de energia e uma redução entre 80% a 90% em todas as categorias de emissões.

Soluções globais de suporte aos sistemas de informação do século XXI

20 e 21 de novembro de 1998, Coimbra

Sistemas de supervisão e controlo de autómatos: soluções baseadas em OPC E IEC 60870-5-104

Atualmente, no segmento metro-ferroviário, há uma tendência para que todos os equipamentos que constituem os sistemas auxiliares de uma estação (escadas mecânicas, elevadores, bloqueadores, validadores de bilhética, ventiladores, bombas, entre outros) sejam dotados de inteligência. Tipicamente, um conjunto de equipamentos são ligados a um autómato que permite o controlo local e remoto e é vulgar que, sendo de fabricantes diferentes, suportem tecnologias distintas. Um sistema de supervisão que permita o acesso à informação disponibilizada por cada um dos autómatos, ou à atuação sobre um deles, terá por isso que implementar e suportar diversos protocolos de comunicação de forma a não ficar limitado a um tipo de tecnologia. De forma a diminuir os custos de desenvolvimento e operação de um sistema de supervisão e controlo e facilitar a integração de novos equipamentos, com diferentes características, têm sido procuradas soluções que garantam uma mais fácil comunicação entre os diversos módulos intervenientes. Nesta dissertação são implementadas soluções baseadas em clientes OPC-DA e OPC-AE e no protocolo IEC 60870-5-104, permitindo que os sistemas de supervisão e de controlo comuniquem com os equipamentos através destes três módulos. Os principais aspectos inovadores estão associados à implementação de uma arquitetura multiprotocolo usando as novas tendências de supervisão e controlo baseadas em soluções distribuídas.