Planejamento de perturbações para a identificação de modelos dinâmicos

A identificação de modelos é determinante no sucesso das modernas técnicas de controle avançado de processos. Um modelo para o sistema pode ser obtido através de modelagem rigorosa, baseada em equações governantes do sistema ou através da modelagem empírica e estimação de parâmetros. Embora mais rápida e fácil, a modelagem empírica necessita de alguns testes de identificação nos quais as variáveis manipuladas são variadas de modo que resultem em variações nas variáveis controladas. Os testes de identificação podem apresentar custos muito elevados tendo em vista que o sistema pode sair de seu ponto normal de operação, gerando produtos com folga de especificação. Este fato ocorre porque usualmente as perturbações aplicadas nas variáveis manipuladas nas indústrias de processos são independentes umas das outras, aumentando a duração do teste de identificação. Desta forma, neste trabalho foi desenvolvida uma nova metodologia de projeto de perturbações simultâneas para a identificação de modelos dinâmicos baseada na direcionalidade do sistema, com o objetivo de fornecer dados mais ricos para se capturar corretamente o comportamento multivariável do sistema e manter o processo no ponto de operação normal. As perturbações são projetadas conforme as características de um modelo simplificado do processo, ou pré-modelo. Este modelo inicial é obtido essencialmente de dados históricos de planta, selecionados através de uma sistemática análise de correlação desenvolvida neste trabalho A metodologia proposta é composta de duas partes: a primeira parte diz respeito à análise dos dados históricos de planta para obtenção de informações prelimirares as quais são utilizadas no planejamento de perturbações, tais como amplitude do ruído de medida, correlação entre as variáveis de processo, constante de tempo do sistema e matriz de ganhos. E a segunda parte consiste no cálculo da amplitude das perturbações baseado nos resultados da primeira etapa do planejamento. Para sistemas mal-condicionados verificou-se que as perturbações planejadas pela metodologia removem menos a planta de seu ponto de operação gerando resultados mais consistentes em relação às perturbações tradicionais. Já para sistemas bem-condicionados, os resultados são semelhantes. A metodologia foi aplicada em uma unidade piloto experimental e numa unidade de destilação da PETROBRAS, cujos resultados apontam pouca remoção dos sistemas do ponto de operação e modelos consistentes. A validação dos modelos também foi contemplada na dissertação, uma vez que foi proposto um novo critério de validação que considera a derivada dos dados de planta e a do modelo e não apenas os dados de planta e os dados da simulação das saídas do modelo.

Modelagem numérica aplicada aos fenômenos de escoamento e mistura em modelos físicos de panelas de aciaria

Esse trabalho tem por objetivo geral o desenvolvimento de uma metodologia de modelagem numérica que represente o escoamento e o fenômeno de mistura em um modelo físico de panela de aciaria de base elíptica. Os objetivos específicos do trabalho são: o estudo dos coeficientes das forças de interação líquido-bolha, dos modelos de turbulência e da mudança do formato da base da panela de circular para elíptica. O escoamento e o fenômeno de mistura foram calculados através do método de Volume Finitos baseado em Elementos por meio do software CFX5.7 da Ansys. Dados da literatura e ensaios em modelo físico, realizados em laboratório, auxiliaram na validação dos modelos numéricos. O estudo dos coeficientes das forças de não-arrasto mostrou que os resultados da distribuição de ar ao longo da altura do banho mudam com a variação dos coeficientes. No final, coeficientes para 3 configurações de panelas em diferentes vazões de ar foram encontrados. Com relação ao estudo dos modelos de turbulência, observou-se que para a solução do escoamento e do fenômeno de mistura em uma panela de base circular, o k-ε é o modelo de turbulência mais indicado. Por outro lado, para uma panela de base elíptica, o modelo RSM mostrou-se o mais adequado. Finalmente, com relação ao estudo da mudança do formato da base da panela, observou-se que os tempos de mistura de uma panela de base elíptica são maiores que uma de base circular e aumentam à medida que a vazão de ar diminui.

Estudo teórico-experimental do processo de microfiltração de partículas de sílica em suspensão aquosa

Cada vez mais muitos processos industriais convencionais de separação, tais como destilação, centrifugação e extração com solventes, entre outros, estão sendo substituídos pelos processos de separação por membranas em virtude desses apresentarem vantagens em relação aos processos convencionais, além de serem considerados uma tecnologia limpa. Entre estas vantagens pode-se citar a economia de energia, pois não envolvem mudança de fase; a possibilidade de processamento de substâncias termolábeis, pois podem operar à temperatura ambiente; a maior seletividade; a facilidade de scale – up, pois são modulares e não extensivos em mão de obra, entre outros. Uma característica limitante destes processos é a existência de uma camada de elevada concentração de partículas ou moléculas que se forma próxima à superfície da membrana e que ocasiona uma redução no fluxo permeado, podendo modificar as características de retenção da membrana. Este fenômeno é conhecido como polarização por concentração. O entendimento dos mecanismos de polarização é considerado de grande importância neste campo e o estudo e validação de modelos matemáticos preditivos torna-se necessário para se obter sucesso na aplicação dos processos com membranas no meio industrial O objetivo geral deste trabalho consiste na análise teórico-experimental do processo de microfiltração tangencial com suspensão aquosa de partículas de sílica. O objetivo específico é a utilização de dados experimentais para a estimação de um parâmetro do modelo matemático que descreve o perfil de concentração na superfície da membrana ( membrana). A configuração tangencial implica que a alimentação, contendo as partículas a serem removidas ou concentradas, flui paralelamente à superfície da membrana reduzindo, assim, o fenômeno de polarização por concentração. Os experimentos foram efetuados em uma unidade de bancada de microfiltração tangencial, também conhecido como fluxo cruzado, em um módulo para membrana plana com canal de escoamento retangular sob condições de escoamento laminar. Os seguintes parâmetros foram variados durante os experimentos: pressão transmembrana, velocidade tangencial e concentração de partículas de sílica Os dados experimentais foram utilizados em uma modelagem matemática, baseada nas equações fundamentais da mecânica dos fluidos e da transferência de massa, que considera as propriedades físicas da suspensão, viscosidade dinâmica e difusividade mássica, variáveis com a concentração de sílica para se estimar a concentração máxima de sílica junto à superfície da membrana. Esta modelagem engloba os parâmetros operacionais, bem como as características da membrana nesta única variável. Com a finalidade de se verificar como a concentração máxima sobre a membrana é afetada pelas condições operacionais e, conseqüentemente, como esta afeta o fluxo permeado, a concentração máxima sobre a superfície da membrana é apresentada em função das condições operacionais variadas durante os experimentos de microfiltração. Finalmente, após a estimação desta variável, pôde-se concluir que ela é influenciada pelas condições operacionais típicas do processo de microfiltração tangencial, tais como velocidade tangencial de escoamento, pressão através da membrana e concentração da alimentação.

Análise experimental e simulação de sistemas híbridos eólico-fotovoltaicos

Sistemas para a geração de eletricidade a partir de fontes renováveis de energia, com um mínimo impacto ambiental, apresentam uma contribuição energética cada vez mais significativa, sendo importante conhecer em detalhe o comportamento dos mesmos. A radiação solar e o vento podem se mostrar complementares, sendo interessante empregar uma combinação eólica e fotovoltaica em um sistema único. Os sistemas assim constituídos recebem o nome de sistemas híbridos eólico-fotovoltaicos e em algumas aplicações podem mostrar vantagens em relação aos sistemas singelos. Esta Tese tem por objetivo contribuir com o conhecimento sobre o comportamento de sistemas híbridos eólico-fotovoltaicos de pequeno porte. Para obter dados experimentais foi montado um protótipo no Laboratório de Energia Solar, constituído de um painel de 420 Wp e de um aerogerador de 400 W de potência nominal, sendo que para o acionamento do aerogerador foi instalado um túnel de vento. Para a observação do comportamento do sistema híbrido foi também montado um sistema de monitoramento, sendo analisadas na Tese as incertezas associadas às medições realizadas. O sistema de monitoramento forma parte de um sistema mais amplo, que permite também o controle da velocidade do vento no túnel de vento e a ativação automática de um conjunto de cargas resistivas para simular o perfil de consumo. A Tese discute os modelos matemáticos de todos os componentes do sistema, assim como as principais configurações que podem ser dadas aos sistemas híbridos. Foram realizadas várias experiências com o sistema híbrido que permitiram a coleta de informações sobre o comportamento dos componentes independentes e como um todo Essas informações, por sua vez, serviram de base para a validação de modelos matemáticos dos diversos componentes do sistema, que foram integrados em um programa computacional de simulação elaborado como parte desta Tese. Além dos resultados do funcionamento do sistema híbrido experimental, a Tese mostra os resultados do programa de simulação e faz uma estimativa da aplicação de sistemas híbridos semelhantes em localidades de Rio Grande do Sul, a partir da informação do Atlas Eólico do Estado.

Utilização de inteligência artitificail (redes neurais artificiais) no gerenciamento do incubatório de uma empresa avícola do sul do Brasil.

O estudo foi feito através de séries históricas de dados de um incubatório pertencente a uma integração avícola do Rio Grande do Sul, durante os anos de 1999 a 2003, com os quais foram feitas análises do tipo observacional analítico e transversal. Primeiramente usou-se os registros de 5 linhagens de frangos utilizadas pela empresa no transcorrer do período de 23 de fevereiro de 1995 a 25 de janeiro de 2002. As linhagens foram identificadas da seguinte forma: COBB, HIGH YIELD, MPK, ROSS308, e X. Esses 81 lotes analisados foram estudados através dos seus respectivos registros que continham: o número inicial de fêmeas, número inicial de machos, ração total/cabeça, ração/cabeça/inicial/recria, ração/cabeça/inicial/postura, ovos postos, ração p/ovo posto, pintos nascidos, percentagem viabilidade postura fêmea, percentagem viabilidade postura machos. O método aqui proposto provou ser capaz de classificar as linhagens a partir das entradas escolhidas. Na linhagem que apresentava uma grande quantidade de amostras a classificação foi muito precisa. Nas demais, com menor número de dados, a classificação foi efetuada, e, como era de se esperar, os resultados foram menos consistentes. Com o mesmo banco de dados dos lotes fechados, realizou-se a segunda etapa da dissertação. Nela, procedeu-se o treinamento das redes neurais artificiais onde foram utilizadas as seguintes variáveis de saída: ovos incubáveis, percentagem de ovos incubáveis, ovos incubados, percentagem de ovos incubados, pintos nascidos e pintos aproveitáveis. Os resultados apresentaram R2 oscilando entre 0,93 e 0,99 e o erro médio e o quadrado médio do erro ajustados, demonstrando a utilidade das redes para explicar as variáveis de saída. Na terceira e última etapa da dissertação, destinada à validação dos modelos, foram usados quatro arquivos distintos denominados da seguinte forma: INPESO (3.110 linhas de registros de pesos dos reprodutores), ININFO (56.018 linhas de registros com as informações diárias do ocorrido nas granjas de reprodução até o incubatório), INOVOS (35.000 linhas de registros com informações sobre os ovos processados), INNASC: 43.828 linhas de registros com informações sobre os nascimentos. O modelo gerado para o ano de 1999 foi capaz de predizer corretamente os resultados deste mesmo ano e dos anos de 2000, 2001, 2002 e 2003. O mesmo procedimento foi repetido criando modelo com os registros do ano em questão e validando-o com os registros dos anos subseqüentes. Em todas as ocasiões foram obtidos bons resultados traduzidos por um alto valor no R2. Concluindo, os fenômenos próprios do incubatório puderam ser explicados através das redes neurais artificiais. A técnica, seguindo a mesma tendência das dissertações que anteriormente já haviam demonstrado que esta metodologia pode ser utilizada para o gerenciamento de reprodutoras pesadas e de frangos de corte, pode realizar simulações, predições e medir a contribuição de cada variável no fenômeno observado, tornando-se uma poderosa ferramenta para o gerenciamento do incubatório e num suporte cientificamente alicerçado para a tomada de decisão.

A Modular and digitally programmable interface based on band-pass sigma-delta modulator for mixed-signal systems-on-chip

The focus of this thesis is to discuss the development and modeling of an interface architecture to be employed for interfacing analog signals in mixed-signal SOC. We claim that the approach that is going to be presented is able to achieve wide frequency range, and covers a large range of applications with constant performance, allied to digital configuration compatibility. Our primary assumptions are to use a fixed analog block and to promote application configurability in the digital domain, which leads to a mixed-signal interface. The use of a fixed analog block avoids the performance loss common to configurable analog blocks. The usage of configurability on the digital domain makes possible the use of all existing tools for high level design, simulation and synthesis to implement the target application, with very good performance prediction. The proposed approach utilizes the concept of frequency translation (mixing) of the input signal followed by its conversion to the ΣΔ domain, which makes possible the use of a fairly constant analog block, and also, a uniform treatment of input signal from DC to high frequencies. The programmability is performed in the ΣΔ digital domain where performance can be closely achieved according to application specification. The interface performance theoretical and simulation model are developed for design space exploration and for physical design support. Two prototypes are built and characterized to validate the proposed model and to implement some application examples. The usage of this interface as a multi-band parametric ADC and as a two channels analog multiplier and adder are shown. The multi-channel analog interface architecture is also presented. The characterization measurements support the main advantages of the approach proposed.

Implementação de um sistema de síntese de alto nível baseado em modelos java

Este trabalho apresenta uma metodologia para a geração automática de ASICs, em VHDL, a partir da linguagem de entrada Java. Como linguagem de especificação adotou-se a Linguagem Java por esta possuir características desejáveis para especificação a nível de sistema, como: orientação a objetos, portabilidade e segurança. O sistema é especificamente projetado para suportar síntese de ASICs a partir dos modelos de computação Máquina de Estados Finita e Pipeline. Neste trabalho, adotou-se estes modelos de computação por serem mais usados em sistemas embarcados As principais características exploradas são a disponibilização da geração de ASICs para a ferramenta SASHIMI, o alto nível de abstração com que o projetista pode contar em seu projeto, as otimizações de escalonamento realizadas automaticamente, e o sistema ser capaz de abstrair diferentes modelos de computação para uma descrição em VHDL. Portanto, o ambiente permite a redução do tempo de projeto e, consequentemente, dos custos agregados, diminuindo a probabilidade de erros na elaboração do projeto, portabilidade e reuso de código – através da orientação a objetos de Java – podendo-se proteger os investimentos prévios em desenvolvimento de software. A validação desses conceitos foi realizada mediante estudos de casos, utilizando-se algumas aplicações e analisando os resultados obtidos com a geração dos ASICs.

Concepção, desenvolvimento e validação de um sistema de apoio à decisão comercial - SADEC

A competitividade está cada vez mais acirrada, em nível mundial, obrigando as empresas a fazerem verdadeiros malabarismos para definir suas políticas de precificação. Para atingir esse objetivo de forma eficaz, as empresas precisam ser ágeis e inovadoras, pois a concorrência está cada vez mais agressiva. Visando à redução da dificuldade do decisor na elaboração e na escolha de políticas comerciais, este estudo apresenta a concepção, o desenvolvimento e a validação de um Sistema de Apoio à Decisão Comercial, denominado de SADEC. A concepção foi antecedida pela avaliação das variáveis que influenciam a formação do preço e pela elaboração dos modelos matemáticos que dão sustentação ao SADEC. Durante essa fase de estudo, foram apresentadas algumas inter-relações entre as variáveis do preço que contribuem na avaliação da relação custo-volumelucro. Para a concepção, o desenvolvimento e a validação do SADEC foi utilizada a metodologia de análise consolidada pela pesquisa operacional. Com a concepção e o desenvolvimento do SADEC foi criado um sistema que auxilia o decisor a estabelecer e avaliar vários cenários, visando à criação de uma melhor política de preficicação. A validação do SADEC, foi realizada junto a três redes comerciais, com sede em Caxias do Sul, onde foi possível verificar a sua validade, e apresentou evidências concretas de que tal sistema é de grande utilidade para a definição de políticas comerciais. Acredita-se que este estudo contribua para a análise da relação custo-volume-lucro e, principalmente, para o estudo do processo decisório no impacto do uso de sistemas de apoio à decisão para a redução das dificuldades na definição de políticas comerciais.

Modelos de estimativa de radiação solar para elaboração de mapas solarimétricos

O objetivo fundamental desta dissertação foi desenvolver modelos de estimativa da radiação solar no intuito de complementar a base de dados visando o traçado de mapas de radiação solar para o Rio Grande do Sul. Inicialmente foi realizada uma pesquisa na literatura sobre as metodologias desenvolvidas para a estimativa da radiação solar para locais onde inexistem dados medidos desta variável. Foi feito um levantamento das técnicas estatísticas utilizadas na previsão de valores de variáveis. As metodologias pesquisadas foram aplicadas ao banco de dados SAMSON (Solar and Meteorological Surface Observational Network). Entre as variáveis deste banco de dados estão a radiação solar, a umidade relativa, a temperatura, a latitude, a altitude e a nebulosidade. A metodologia dos modelos de estimativa aplicada neste trabalho baseia-se no Método dos Mínimos Quadrados. Foram realizadas correlações mensais e anuais entre as variáveis acima citadas e seus resultados validados através de validação cruzada. Resultou apropriada, na disponibilidade de dados climatológicos, a aplicação de modelos com parâmetros mensais de regressão linear múltipla envolvendo as variáveis explicativas: insolação, temperatura média e umidade relativa. Este modelo, entre outros, foi aplicado aos dados do Rio Grande do Sul. A metodologia acima descrita aplicada aos dados medidos no Rio Grande do Sul, resultou eficaz. Foram pesquisadas técnicas de interpolação para traçado de mapas e estabelecidas regras para o traçado dos mesmos. Foram utilizados dados periféricos para a Argentina, Uruguai e Santa Catarina. Foram feitos mapas mensais de médias mensais de radiação solar global horizontal diária bem como um mapa da média anual de radiação solar global horizontal diária. Observou-se que o modelo de Ångström–Prescott apresenta bons resultados quando se dispõe apenas da insolação Os mapas serão úteis para a pesquisa e implementação de sistemas empregando Energia Solar no Estado do Rio Grande do Sul. Finalmente, a principal conclusão é a de que modelos de correlações obtidos com dados de cada mês e produzindo parâmetros mensais são mais adequados do que um único modelo de correlação com parâmetros de validade anual utilizado nas estimativas mensais.

Geração de modelos de co-simulação distribuída para a arquitetura DCB

O aumento na complexidade dos sistemas embarcados, compostos por partes de hardware e software, aliado às pressões do mercado que exige novos produtos em prazos cada vez menores, tem levado projetistas a considerar a possibilidade de construir sistemas a partir da integração de componentes já existentes e previamente validados. Esses componentes podem ter sido desenvolvidos por diferentes equipes ou por terceiros e muitas vezes são projetados utilizando diferentes metodologias, linguagens e/ou níveis de abstração. Essa heterogeneidade torna complexo o processo de integração e validação de componentes, que normalmente é realizado através de simulação. O presente trabalho especifica mecanismos genéricos e extensíveis que oferecem suporte à cooperação entre componentes heterogêneos em um ambiente de simulação distribuída, sem impor padrões proprietários para formatos de dados e para a descrição do comportamento e interface dos componentes. Esses mecanismos são baseados na arquitetura DCB (Distributed Co-Simulation Backbone), voltada para co-simulação distribuída e heterogênea e inspirada nos conceitos de federado (componente de simulação) e federação (conjunto de componentes) que são definidos pelo HLA (High Level Architecture), um padrão de interoperabilidade para simulações distribuídas. Para dar suporte à co-simulação distribuída e heterogênea, esse trabalho descreve mecanismos que são responsáveis pelas tarefas de cooperação e distribuição, chamados de embaixadores, assim como o mecanismo gateway, que é responsável pela interoperabilidade entre linguagens e conversão de tipos de dados. Também é apresentada uma ferramenta de suporte à geração das interfaces de co-simulação, que são constituídas de dois embaixadores configuráveis e um gateway para cada federado, gerado a partir de templates pré-definidos.

Projeto, construção e validação de transdutores para medição de esforços em semeadoras-adubadoras

A mecanização agrícola tem sido um importante fator que vem contribuindo para atender o aumento na demanda por alimentos. Porém, o desenvolvimento de máquinas e implementos com maior desempenho operacional ainda carecem de uma base de informações tecnológicas sistematizadas para a implementação em novos projetos de produtos. Desta forma, o principal objetivo deste trabalho foi o de implementar um sistema capaz de gerar informações para auxiliar no desenvolvimento de novos projetos de produtos, ou mesmo na melhoria das máquinas e implementos já existentes. Para tanto, foi construído um conjunto de transdutores de força – dinamômetros do tipo anel octogonal estendido, capazes de medir solicitações em duas direções ortogonais e o momento associado a estes dois esforços. Associados a estes transdutores foram utilizados outros recursos para a formação de uma instrumentação embarcada, a fim de possibilitar os registros, em tempo real, dos dados gerados para serem armazenados em bancos de dados para posterior análises e avaliações. Com o sistema implementado foram realizados diversos conjuntos de testes de campo, onde se ensaiou uma semeadora adubadora comercial com seus elementos ativos e/ou seus componentes isolados da máquina. No primeiro teste, foi avaliada uma linha completa de uma semeadora-adubadora, onde foram medidos os esforços no disco de corte da palha, na haste sulcadora para deposição do adubo e na unidade de semeadura. Nos testes seguintes, foram realizadas avaliações em dois modelos de hastes sulcadoras, trabalhando com diversos parâmetros distintos, a fim de comparar os respectivos desempenhos entre os dois modelos estudados. Também, verificaram-se avaliações das solicitações dos esforços de tração para sulcadores de adubo tipo disco duplo e, para tracionar somente os discos de corte. Finalmente, mediram-se os esforços para o arraste do chassi durante o deslocamento em campo. Os resultados dos sensores de força combinados com a instrumentação embarcada foram considerados satisfatórios durante as medições nos testes de campo, visto a sua repetibilidade tendo como referência um sistema de calibrações prévias. Desta forma, confirmouse que os registros dos testes de campo podem servir de referência para a análise de projeto de máquinas semeadoras-adubadoras, uma vez que os mesmos foram obtidos em condições reais durante as operações de campo.