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

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

Os benefícios e as dificuldades na certificação da qualidade: Norma NP EN ISO 9001:2008

Dissertação apresentada ao Instituto Superior de Contabilidade e Administração do Porto para a obtenção do Grau de Mestre em Assessoria de Administração

Accounting logic and new professional in healthcare: a case study

The central place hospitals occupy in health systems transforms them into prime target of healthcare reforms. This study aims to identify current trends in organizational structure change in public hospitals and explore the role of accounting in attempts to develop controls over professionals within public hospitals. The analytical framework we proposed crosses the concept of “new professionalism” (Evetts, 2010), with the concept of “accounting logic” for controlling professionals (Broadbent and Laughlin, 1995). Looking for a more holistic overview, we developed a qualitative and exploratory study. The data were collected trough semi-structured interviews with doctors of a clinical hospital unit. Content analysis suggests that, although we cannot say that there is a complete and generalized integration of accounting information in the clinical decisions, important improvement has been made in that area. Despite the extensive literature developed on this topic, there is any empirical studies of authors are aware that allow us to realize how real doctors in reals day-to-day work integrated these trends of change in theirs clinical decisions.

On the use of IEEE 802.15.4/Zigbee for time-sensitive wireless sensor network applications

Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores

Sistema múltiplo de apoio à decisão para a programação de sistemas do tipo Job-Shop

Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores

Recuperação do calor de um efluente primário para aquecimento de lamas de um reactor anaeróbio

O presente trabalho tem como principal objectivo o estudo da possibilidade de recuperação de calor de um efluente proveniente do tratamento primário da fábrica do grupo Portucel Soporcel (fábrica produtora de pasta de papel), para o aquecimento da corrente de lamas do digestor anaeróbio da SimRia S.A. – ETAR Norte, (ambas localizadas em Cacia, distrito de Aveiro). A solução consiste na implementação de um sistema de permuta térmica entre estas duas correntes, constituído fundamentalmente por dois permutadores de placas em espiral, montados em paralelo que operam em contra-corrente. Segundo este novo sistema de aquecimento, as lamas abandonam o digestor anaeróbio da mesma ETAR a um caudal de 110 m3/h, que se dividirá em duas linhas, sendo admitidas em cada permutador a 55 m3/h e a uma temperatura de 32 ºC regressando ao digestor a uma temperatura de 37 ºC (temperatura óptima a que ocorre a digestão anaeróbia das lamas). O efluente disponível, abandona o tratamento primário da Portucel, a 45 ºC e é encaminhado até aos permutadores da SimRia S.A., onde vai trocar calor com as lamas e regressa à Portucel a 40ºC, sendo admitido nas torres de arrefecimento da fábrica de papel. A nova instalação proposta pretende substituir a actual existente na ETAR em causa, em que a corrente de água que aquece as lamas, circula num circuito fechado entre um único permutador e uma caldeira, alimentada com o biogás que se produz no digestor anaeróbio, e que é responsável pelo controlo da temperatura da corrente de água. Pretende-se que a implementação deste novo método de aquecimento de lamas seja uma alternativa económica relativamente ao actual sistema, uma vez que vai substituir a corrente de biogás alimentada à caldeira podendo este recurso ser transformado em energia eléctrica e posteriormente comercializada. A análise financeira realizada ao projecto demonstrou que o projecto é rentável, uma vez que, a diferença entre todos ganhos e custos ao fim dos 10 anos de vida útil estimados é de cerca de 150 000,0 €. O período de retorno do investimento é alcançado no final dos primeiros 6 anos e a taxa interna de rentabilidade obtida foi de 36 %. Posteriormente incluiu-se neste estudo a possibilidade de tratamento das lamas geradas na fábrica da Portucel na ETAR da SimRia recorrendo a um terceiro digestor. Conclui-se que se trata duma opção vantajosa, uma vez que permite obter um caudal de biogás 44 m3/h, que convertido em potência permite obter 150 kW que poderá ser aproveitado para produção de energia ou comercializado gerando uma receita adicional de 130 000,0 €/ano para as entidades envolvidas.

Avaliação e substituição de produtos químicos no sector BOF da Swedwood Portugal

A crescente preocupação com aspectos ambientais tornou-se uma questão incontornável para as empresas. Assim, a legislação aplicável obriga a maior controlo de qualquer tipo de perigo que ponha em causa a saúde humana ou o ambiente. Deste modo, a Swedwood Portugal é obrigada a implementar algumas medidas de controlo dos produtos químicos. Assim, os objectivos deste estágio curricular fundamentamse em identificar, avaliar e substituir ou minimizar os impactos dos produtos químicos (PQ’s) que, de acordo com especificações REACH (Regulamento da Comissão Europeia, relativo a Registo, Avaliação, Autorização e restrição de substâncias Químicas) e da Swedwood Internacional não podem ser utilizados. Como tal, o trabalho descrito nesta dissertação foi dividido em várias etapas. A primeira etapa consistiu em identificar todos os PQ’s utilizados no sector Board On Frame (BOF) da Swedwood Portugal. Feito este inventário, foi então criada uma base de dados em formato Microsoft Office Access que permitiu compilar a informação mais relevante dos PQ’s, para uma consulta mais simples e expedita, substituindo a já existente e desactualizada base de dados de PQ’s em formato Microsoft Office Excel. No total foram inventariados 243 PQ’s. Contudo, não foi possível obter as Fichas de Segurança de todos e, por isso, apenas 185 foram registados na base de dados. Estes 185 PQ’s existentes no sector BOF da Swedwood Portugal, foram submetidos a uma avaliação das substâncias que os compõem de acordo com uma ferramenta informática criada pela Swedwood Internacional – Substitution Evaluation Key (SEK). Esta ferramenta usa três listas europeias de substâncias químicas que permitem a avaliação de produtos químicos indirectos: Substances of Very High Concern (SVHC) da Agência Europeia de Produtos Químicos (ECHA), Substitute It Now (SIN) da ChemSec (Organização sueca dedicada ao ambiente) e PRIO da Agência Sueca de Produtos Químicos (Kemi). As três listas incluem substâncias de carácter de tal forma perigoso que a sua utilização deve ser restringida ou até eliminada. Logo, os PQ’s indirectos que contenham substâncias presentes em, pelo menos, uma destas listas devem ser imediatamente substituídos por outros cuja avaliação seja positiva. Por outro lado, para produtos químicos directos, as restrições encontram-se numa especificação imposta pela IKEA, IOS-MAT-0066. Concluída a avaliação, foi então necessário encontrar alternativas viáveis aos PQ’s avaliados negativamente. Como tal, a primeira abordagem consistiu em contactar os fabricantes dos PQ’s a substituir de modo a que estes pudessem apresentar as suas próprias alternativas. Caso estes não apresentassem alternativas viáveis, então contactarse- iam novos fornecedores. Dos 185 PQ’s registados na base de dados e avaliados, 30 produtos químicos indirectos existentes nas fábricas não obedeciam aos critérios impostos pela SEK, estando os produtos químicos directos todos de acordo com as imposições da IOS-MAT-0066. Os 30 PQ’s indirectos do Sector BOF da Swedwood Portugal que incluem as substâncias químicas com carácter perigoso apresentam características Cancerígenas, Mutagénicas e tóxicas para a Reprodução (CMR), irritantes e/ou sensibilizantes e perigosas, a longo prazo, para o ambiente. Para estes PQ’s foram apresentadas alternativas viáveis no que concerne a impactos para a saúde ou para o ambiente e os respectivos custos associados (admitindo quantidades mínimas vendidas). Contudo, não foi possível em tempo útil testar estas alternativas no funcionamento da empresa de modo a avaliar a sua eficiência técnica.

Sintonia de controladores baseada em Sistemas de Inferência Difusa

Este trabalho de pesquisa e desenvolvimento tem como fundamento principal o Conceito de Controlo por Lógica Difusa. Utilizando as ferramentas do software Matlab, foi possível desenvolver um controlador com base na inferência difusa que permitisse controlar qualquer tipo de sistema físico real, independentemente das suas características. O Controlo Lógico Difuso, do inglês “Fuzzy Control”, é um tipo de controlo muito particular, pois permite o uso simultâneo de dados numéricos com variáveis linguísticas que tem por base o conhecimento heurístico dos sistemas a controlar. Desta forma, consegue-se quantificar, por exemplo, se um copo está “meio cheio” ou “meio vazio”, se uma pessoa é “alta” ou “baixa”, se está “frio” ou “muito frio”. O controlo PID é, sem dúvida alguma, o controlador mais amplamente utilizado no controlo de sistemas. Devido à sua simplicidade de construção, aos reduzidos custos de aplicação e manutenção e aos resultados que se obtêm, este controlador torna-se a primeira opção quando se pretende implementar uma malha de controlo num determinado sistema. Caracterizado por três parâmetros de ajuste, a saber componente proporcional, integral e derivativa, as três em conjunto permitem uma sintonia eficaz de qualquer tipo de sistema. De forma a automatizar o processo de sintonia de controladores e, aproveitando o que melhor oferece o Controlo Difuso e o Controlo PID, agrupou-se os dois controladores, onde em conjunto, como poderemos constatar mais adiante, foram obtidos resultados que vão de encontro com os objectivos traçados. Com o auxílio do simulink do Matlab, foi desenvolvido o diagrama de blocos do sistema de controlo, onde o controlador difuso tem a tarefa de supervisionar a resposta do controlador PID, corrigindo-a ao longo do tempo de simulação. O controlador desenvolvido é denominado por Controlador FuzzyPID. Durante o desenvolvimento prático do trabalho, foi simulada a resposta de diversos sistemas à entrada em degrau unitário. Os sistemas estudados são na sua maioria sistemas físicos reais, que representam sistemas mecânicos, térmicos, pneumáticos, eléctricos, etc., e que podem ser facilmente descritos por funções de transferência de primeira, segunda e de ordem superior, com e sem atraso.

Mechanisms for reflection-based monitoring of real- time systems

Monitoring is a very important aspect to consider when developing real-time systems. However, it is also important to consider the impact of the monitoring mechanisms in the actual application. The use of Reflection can provide a clear separation between the real-time application and the implemented monitoring mechanisms, which can be introduced (reflected) into the underlying system without changing the actual application part of the code. Nevertheless, controlling the monitoring system itself is still a topic of research. The monitoring mechanisms must contain knowledge about “how to get the information out”. Therefore, this paper presents the ongoing work to define a suitable strategy for monitoring real-time systems through the use of Reflection.

QoS-enabled middleware for smart grids

Emerging smart grid systems must be able to react quickly and predictably, adapting their operation to changing energy supply and demand, by controlling energy consuming and energy storage devices. An intrinsic problem with smart grids is that energy produced from in-house renewable sources is affected by fluctuating weather factors. The applications driving smart grids operation must rely on a solid communication network that is secure, highly scalable, and always available. Thus, any communication infrastructure for smart grids should support its potential of producing high quantities of real-time data, with the goal of reacting to state changes by actuating on devices in real-time, while providing Quality of Service (QoS).

RadiaLE: A framework for designing and assessing link quality estimators in wireless sensor networks

Stringent cost and energy constraints impose the use of low-cost and low-power radio transceivers in large-scale wireless sensor networks (WSNs). This fact, together with the harsh characteristics of the physical environment, requires a rigorous WSN design. Mechanisms for WSN deployment and topology control, MAC and routing, resource and mobility management, greatly depend on reliable link quality estimators (LQEs). This paper describes the RadiaLE framework, which enables the experimental assessment, design and optimization of LQEs. RadiaLE comprises (i) the hardware components of the WSN testbed and (ii) a software tool for setting-up and controlling the experiments, automating link measurements gathering through packets-statistics collection, and analyzing the collected data, allowing for LQEs evaluation. We also propose a methodology that allows (i) to properly set different types of links and different types of traffic, (ii) to collect rich link measurements, and (iii) to validate LQEs using a holistic and unified approach. To demonstrate the validity and usefulness of RadiaLE, we present two case studies: the characterization of low-power links and a comparison between six representative LQEs. We also extend the second study for evaluating the accuracy of the TOSSIM 2 channel model.

Introducing the fractional-order Darwinian PSO

One of the most well-known bio-inspired algorithms used in optimization problems is the particle swarm optimization (PSO), which basically consists on a machinelearning technique loosely inspired by birds flocking in search of food. More specifically, it consists of a number of particles that collectively move on the search space in search of the global optimum. The Darwinian particle swarm optimization (DPSO) is an evolutionary algorithm that extends the PSO using natural selection, or survival of the fittest, to enhance the ability to escape from local optima. This paper firstly presents a survey on PSO algorithms mainly focusing on the DPSO. Afterward, a method for controlling the convergence rate of the DPSO using fractional calculus (FC) concepts is proposed. The fractional-order optimization algorithm, denoted as FO-DPSO, is tested using several well-known functions, and the relationship between the fractional-order velocity and the convergence of the algorithm is observed. Moreover, experimental results show that the FO-DPSO significantly outperforms the previously presented FO-PSO.

Hybrid adaptive control of a dragonfly model

Dragonflies show unique and superior flight performances than most of other insect species and birds. They are equipped with two pairs of independently controlled wings granting an unmatchable flying performance and robustness. In this paper, it is presented an adaptive scheme controlling a nonlinear model inspired in a dragonfly-like robot. It is proposed a hybrid adaptive (HA) law for adjusting the parameters analyzing the tracking error. At the current stage of the project it is considered essential the development of computational simulation models based in the dynamics to test whether strategies or algorithms of control, parts of the system (such as different wing configurations, tail) as well as the complete system. The performance analysis proves the superiority of the HA law over the direct adaptive (DA) method in terms of faster and improved tracking and parameter convergence.

A remote engineering solution for automating a roller hearth kiln

Remote engineering (also known as online engineering) may be defined as a combination of control engineering and telematics. In this area, specific activities require computacional skills in order to develop projects where electrical devives are monitored and / or controlled, in an intercative way, through a distributed network (e.g. Intranet or Internet). In our specific case, we will be dealing with an industrial plant. Within the last few years, there has been an increase in the number of activities related to remote engineering, which may be connected to the phenomenon of the large extension experienced by the Internet (e.g. bandwith, number of users, development tools, etc.). This increase opens new and future possibilities to the implementation of advance teleworking (or e-working) positions. In this paper we present the architecture for a remote application, accessible through the Internet, able to monitor and control a roller hearth kiln, used in a ceramics industry for firing materials. The proposed architecture is based on a micro web server, whose main function is to monitor and control the firing process, by reading the data from a series of temperature sensors and by controlling a series of electronic valves and servo motors. This solution is also intended to be a low-cost alternative to other potential solutions. The temperature readings are obtained through K-type thermopairs and the gas flow is controlled through electrovalves. As the firing process should not be stopped before its complete end, the system is equipped with a safety device for that specific purpose. For better understanding the system to be automated and its operation we decided to develop a scale model (100:1) and experiment on it the devised solution, based on a Micro Web Server.

A smart layer for remote laboratories

Commonly, when a weblab is developed to support remote experiments in sciences and engineering courses, a particular hardware/software architecture is implemented. However, the existence of several technological solutions to implement those architectures difficults the emergence of a standard, both at hardware and software levels. While particular solutions are adopted assuming that only qualified people may implement a weblab, the control of the physical space and the power consumption are often forgotten. Since controlling these two previous aspects may increase the quality of the weblab hosting the remote experiments, this paper proposes the useof a new layer implemented by a domotic system bus with several devices (e.g. lights, power sockets, temperature sensors, and others) able to be controlled through the Internet. We also provide a brief proof-of-concept in the form of a weblab equipped with a simple domotic system usually implemented in smart houses. The added value to the remote experiment hosted at the weblab is also identified in terms of power savings and environment conditions.