Robust optimal motion cueing algorithm based on the linear quadratic regulator method and a genetic algorithm

The aim of this paper is to design and develop an optimal motion cueing algorithm (MCA) based on the genetic algorithm (GA) that can generate high-fidelity motions within the motion simulator's physical limitations. Both, angular velocity and linear acceleration are adopted as the inputs to the MCA for producing the higher order optimal washout filter. The linear quadratic regulator (LQR) method is used to constrain the human perception error between the real and simulated driving tasks. To develop the optimal MCA, the latest mathematical models of the vestibular system and simulator motion are taken into account. A reference frame with the center of rotation at the driver's head to eliminate false motion cues caused by rotation of the simulator to the translational motion of the driver's head as well as to reduce the workspace displacement is employed. To improve the developed LQR-based optimal MCA, a new strategy based on optimal control theory and the GA is devised. The objective is to reproduce a signal that can follow closely the reference signal and avoid false motion cues by adjusting the parameters from the obtained LQR-based optimal washout filter. This is achieved by taking a series of factors into account, which include the vestibular sensation error between the real and simulated cases, the main dynamic limitations, the human threshold limiter in tilt coordination, the cross correlation coefficient, and the human sensation error fluctuation. It is worth pointing out that other related investigations in the literature normally do not consider the effects of these factors. The proposed optimized MCA based on the GA is implemented using the MATLAB/Simulink software. The results show the effectiveness of the proposed GA-based method in enhancing human sensation, maximizing the reference shape tracking, and reducing the workspace usage.

Human perception-based washout filtering using genetic algorithm

The Motion Cueing Algorithm (MCA) transforms longitudinal and rotational motions into simulator movement, aiming to regenerate high fidelity motion within the simulators physical limitations. Classical washout filters are widely used in commercial simulators because of their relative simplicity and reasonable performance. The main drawback of classical washout filters is the inappropriate empirical parameter tuning method that is based on trial-and-error, and is effected by programmers’ experience. This is the most important obstacle to exploiting the platform efficiently. Consequently, the conservative motion produces false cue motions. Lack of consideration for human perception error is another deficiency of classical washout filters and also there is difficulty in understanding the effect of classical washout filter parameters on generated motion cues. The aim of this study is to present an effortless optimization method for adjusting the classical MCA parameters, based on the Genetic Algorithm (GA) for a vehicle simulator in order to minimize human sensation error between the real and simulator driver while exploiting the platform within its physical limitations. The vestibular sensation error between the real and simulator driver as well as motion limitations have been taken into account during optimization. The proposed optimized MCA based on GA is implemented in MATLAB/Simulink. The results show the superiority of the proposed MCA as it improved the human sensation, maximized reference signal shape following and exploited the platform more efficiently within the motion constraints.

Otimização de reator sequencial em batelada para remoção biológica de carbono e nitrogênio com controle difuso

Este trabalho apresenta a estruturação de um controle difuso, para a automação de reatores seqüenciais em batelada (RSB), no processo de remoção biológica de matéria orgânica e nitrogênio em águas residuárias domésticas, utilizando parâmetros inferenciais, pH, ORP e OD, em que as variáveis controladas foram as durações da reação aeróbia e anóxica. O experimento, em escala de bancada, foi composto por dois reatores seqüenciais em batelada, com volume útil de 10 L, no qual 6 L foram alimentados com esgoto sintético, com características de águas residuárias domésticas. O sistema de automação foi composto pela aquisição dos parâmetros eletroquímicos (pH, ORP e OD), pelos dispositivos atuadores (motor-bomba, aerador e misturador) e pelo controle predeterminado ou difuso. O programa computacional CONRSB foi implementado de forma a integrar o sistema de automação. O controle difuso, implementado, foi constituído pelos procedimentos de: normalização, nebulização, inferência, desnebulização e desnormalização. As variáveis de entrada para o controlador difuso, durante o período: aeróbio foram dpH/dt, dpH/d(t-1) e o pH ; anóxico foram dORP/dt, dORP/d(t-1) e o OD. As normalizações das variáveis crisps estiveram no universo de [0,1], utilizando os valores extremos do ciclo 1 ao 70. Nas nebulizações foram aplicadas as funções triangulares, as quais representaram, satisfatoriamente, as indeterminações dos parâmetros. A inferência nebulosa foi por meio da base heurística (regras), com amparo do especialista, em que a implicação de Mamdani foi aplicada Nessas implicações foram utilizadas dezoito expressões simbólicas para cada período, aeróbio e anóxico. O método de desnebulização foi pelo centro de áreas, que se mostrou eficaz em termos de tempo de processamento. Para a sintonia do controlador difuso empregou-se o programa computacional MATLAB, juntamente com as rotinas Fuzzy logic toolbox e o Simulink. O intervalo entre as atuações do controlador difuso, ficou estabelecido em 5,0 minutos, sendo obtido por meio de tentativas. A operação do RSB 1, durante os 85 ciclos, apresentou a relação média DBO/NTK de 4,67 mg DBO/mg N, sendo classificado como processo combinado de oxidação de carbono e nitrificação. A relação média alimento/microrganismo foi de 0,11 kg DBO/kg sólido suspenso volátil no licor misto.dia, enquadrando nos sistemas com aeração prolongada, em que a idade do lodo correspondeu aos 29 dias. O índice volumétrico do lodo médio foi de 117,5 mL/g, indicando uma sedimentação com características médias. As eficiências médias no processo de remoção de carbono e nitrogênio foram de 90,8% (como DQO) e 49,8%, respectivamente. As taxas específicas médias diárias, no processo de nitrificação e desnitrificação, foram de 24,2g N/kg SSVLM.dia e 15,5 g N/kg SSVLM.dia, respectivamente. O monitoramento, em tempo real, do pH, ORP e OD, mostrou ter um grande potencial no controle dos processos biológicos, em que o pH foi mais representativo no período aeróbio, sendo o ORP e o OD mais representativos no período anóxico. A operação do RSB com o controlador difuso, apresentou do ciclo 71 ao 85, as eficiências médias no processo de remoção de carbono e nitrogênio de 96,4% (como DQO) e 76,4%, respectivamente. A duração média do período aeróbio foi de 162,1 minutos, que tomando como referência o período máximo de 200,0 minutos, reduziu em 19,0% esses períodos. A duração média do período anóxico foi de 164,4 minutos, que tomando como referência o período máximo de 290,0 minutos, apresentou uma redução de 43,3%, mostrando a atuação robusta do controlador difuso. O estudo do perfil temporal, no ciclo 85, mostrou a atuação efetiva do controlador difuso, associada aos pontos de controle nos processos biológicos do RSB. Nesse ciclo, as taxas máximas específicas de nitrificação e desnitrificação observadas, foram de 32,7 g NO3 --N/kg sólido suspenso volátil no licor misto.dia e 43,2g NO3 --N/kg sólido suspenso volátil no licor misto.dia, respectivamente.

Controle e otimização estrutural de manipuladores robóticos com elementos flexíveis usando atuadores e sensores piezelétricos

Neste trabalho, apresenta-se um modelo de controle de trajetória para um manipulador constituído de um braço rígido e um braco flexível com atuadores e sensores piezelétricos. O modelo dinamico do manipuladoré obtido de forma fechada através da formulacao de Lagrange. O controle utiliza o torque dos motores como atuadores para controle da trajetoria do angulo das juntas e tambem para atenuar as vibracoes de baixa frequencia induzidas nos bracos do manipulador. A estabilidade deste controlador e garantida pela teoria de estabilidade de Lyapunov. Atuadores e sensores piezeletricos sao adicionados para controlar as vibracoes de alta freqüência nâo alcançadas pelo controle de torque dos motores. Além disso,é proposta uma otimização simultânea do controle e dos atuadores e sensores através da maximização da energia dissipada no sistema, devido µa ação do controle, com otimização do posicionamento e tamanho dos atuadores e sensores piezelétricos na estrutura. Simulações são obtidas através do Matlab/Simulink paraverificar a eficiência do modelo de controle.

Simulação de um sistema aerogerador com controlo óptimo predictivo

Nesta dissertação de mestrado propõe-se simular um sistema para melhorar a qualidade da energia eléctrica produzida por um parque eólico, utilizando conversores multinível NPC costas com costas e controlo óptimo predictivo. Neste trabalho é feito o controlo da potência activa e reactiva que é fornecida à rede de energia eléctrica, a partir de um gerador eólico e é optimizada a forma de onda alternada e sinusoidal de tensão trifásica sem neutro, minimizando o tremor das correntes e a distorção harmónica total, contribuindo para melhorar a qualidade de energia da rede ou de sistemas de alimentação para aplicações críticas como são os sistemas de telecomunicações. Recorre-se ao Matlab/Simulink para simular e comparar os resultados obtidos no sistema de conversão de energia de um parque eólico com o conversor costas com costas com controlo óptimo predictivo com os resultados obtidos com o conversor costas com costas PWM, disponível na biblioteca do software de simulação.

Projeto de um protótipo de um veículo elétrico

Os veículos movidos com combustíveis fósseis são, hoje em dia, os veículos mais utilizados em transportes. Estes meios de transporte caracterizam-se pelo seu baixo rendimento e por serem poluentes, pelo que, nos últimos anos, tem havido um esforço em criar ou melhorar meios de transporte, através do aumento do seu rendimento e eliminando a emissão de poluentes. A utilização de máquinas elétricas como meio de locomoção é uma das soluções alternativas, uma vez que, estas apresentam um rendimento elevado e não emitem diretamente gases tóxicos, apesar das baterias serem uma das principais dificuldades, no que diz respeito à relação peso/densidade de energia. Por outro lado, as baterias, devido à sua capacidade de armazenamento de energia, podem ser utilizadas para armazenar energia da rede elétrica, contribuindo para uma melhor gestão, e também para armazenar num veículo elétrico a energia gerada em modo de travagem e que posteriormente pode ser utilizada para fazer mover o motor elétrico. Neste trabalho fez-se um projeto de um veículo elétrico (VE) e estudou-se o impacto da utilização em massa de veículos elétricos na gestão da rede de energia elétrica. A verificação experimental fez-se com um conversor DC/DC bidirecional com uma configuração em ponte H e com um conversor DC/DC redutor unidirecional. Utilizaram-se compensadores clássicos para, em malha fechada, regular o binário, a velocidade e a corrente, através de compensadores Proporcional Integrativo (PI) e Proporcional Integrativo Derivativo (PID). No desenvolvimento deste projeto, fez-se uma análise teórica, realizaram-se simulações na ferramenta MATLAB/Simulink onde foram criados modelos do veículo elétrico para verificar o seu comportamento, e seguidamente analisaram-se experimentalmente estes resultados. O controlo deste veículo foi feito com a utilização de microcontroladores de baixo custo, recorrendo a uma arquitetura de processamento distribuído/partilhado, constituindo esse estudo uma nova contribuição. Os resultados demonstraram que o rendimento dos veículos elétricos em média encontram-se nos 85-90 %, superior aos atuais 40% dos veículos a combustão interna, eliminando também a emissão de poluentes.

Estudo comparativo do desempenho de controladores robustos aplicados a um sistema de tanques acoplados.

Currently the uncertain system has attracted much academic community from the standpoint of scientific research and also practical applications. A series of mathematical approaches emerge in order to troubleshoot the uncertainties of real physical systems. In this context, the work presented here focuses on the application of control theory in a nonlinear dynamical system with parametric variations in order and robustness. We used as the practical application of this work, a system of tanks Quanser associates, in a configuration, whose mathematical model is represented by a second order system with input and output (SISO). The control system is performed by PID controllers, designed by various techniques, aiming to achieve robust performance and stability when subjected to parameter variations. Other controllers are designed with the intention of comparing the performance and robust stability of such systems. The results are obtained and compared from simulations in Matlab-simulink.

Uma implementação da análise de componentes independentes em plataforma de hardware reconfigurável

Blind Source Separation (BSS) refers to the problem of estimate original signals from observed linear mixtures with no knowledge about the sources or the mixing process. Independent Component Analysis (ICA) is a technique mainly applied to BSS problem and from the algorithms that implement this technique, FastICA is a high performance iterative algorithm of low computacional cost that uses nongaussianity measures based on high order statistics to estimate the original sources. The great number of applications where ICA has been found useful reects the need of the implementation of this technique in hardware and the natural paralelism of FastICA favors the implementation of this algorithm on digital hardware. This work proposes the implementation of FastICA on a reconfigurable hardware platform for the viability of it's use in blind source separation problems, more specifically in a hardware prototype embedded in a Field Programmable Gate Array (FPGA) board for the monitoring of beds in hospital environments. The implementations will be carried out by Simulink models and it's synthesizing will be done through the DSP Builder software from Altera Corporation.

Reconhecimento de padrões de falhas em motores trifásicos utilizando redes neurais

This work presents a diagnosis faults system (rotor, stator, and contamination) of three-phase induction motor through equivalent circuit parameters and using techniques patterns recognition. The technology fault diagnostics in engines are evolving and becoming increasingly important in the field of electrical machinery. The neural networks have the ability to classify non-linear relationships between signals through the patterns identification of signals related. It is carried out induction motor´s simulations through the program Matlab R & Simulink R , and produced some faults from modifications in the equivalent circuit parameters. A system is implemented with multiples classifying neural network two neural networks to receive these results and, after well-trained, to accomplish the identification of fault´s pattern

Um sistema para simular o comportamento de bancos trifásicos de reguladores de tensão usados em sistemas de distribuição de energia elétrica

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior

Controle fuzzy espacialmente diferenciado para um sistema de irrigação

Traditional irrigation projects do not locally determine the water availability in the soil. Then, irregular irrigation cycles may occur: some with insufficient amount that leads to water deficit, other with excessive watering that causes lack of oxygen in plants. Due to the nonlinear nature of this problem and the multivariable context of irrigation processes, fuzzy logic is suggested to replace commercial ON-OFF irrigation system with predefined timing. Other limitation of commercial solutions is that irrigation processes either consider the different watering needs throughout plant growth cycles or the climate changes. In order to fulfill location based agricultural needs, it is indicated to monitor environmental data using wireless sensors connected to an intelligent control system. This is more evident in applications as precision agriculture. This work presents the theoretical and experimental development of a fuzzy system to implement a spatially differentiated control of an irrigation system, based on soil moisture measurement with wireless sensor nodes. The control system architecture is modular: a fuzzy supervisor determines the soil moisture set point of each sensor node area (according to the soil-plant set) and another fuzzy system, embedded in the sensor node, does the local control and actuates in the irrigation system. The fuzzy control system was simulated with SIMULINK® programming tool and was experimentally built embedded in mobile device SunSPOTTM operating in ZigBee. Controller models were designed and evaluated in different combinations of input variables and inference rules base

Projeto em FPGA de um controlador unificado para correção de fator de potência em retificadores boost bidirecionais monofásicos

The use of Field Programmable Gate Array (FPGA) for development of digital control strategies for power electronics applications has aroused a growing interest of many researchers. This interest is due to the great advantages offered by FPGA, which include: lower design effort, high performance and highly flexible prototyping. This work proposes the development and implementation of an unified one-cycle controller for boost CFP rectifier based on FPGA. This controller can be applied to a total of twelve converters, six inverters and six rectifiers defined by four single phase VSI topologies and three voltage modulation types. The topologies considered in this work are: full-bridge, interleaved full-bridge, half-bridge and interleaved half-bridge. While modulations are classified in bipolar voltage modulation (BVM), unipolar voltage modulation (UVM) and clamped voltage modulation (CVM). The proposed project is developed and prototyped using tools Matlab/Simulink® together with the DSP Builder library provided by Altera®. The proposed controller was validated with simulation and experimental results

A New Approach for Real Time Fault Diagnosis in Induction Motors Based on Vibration Measurement

Condition monitoring is used to increase machinery availability and machinery performance, reducing consequential damage, increasing machine life, reducing spare parts inventories, and reducing breakdown maintenance. An efficient real time vibration measurement and analysis instruments is capable of providing warning and predicting faults at early stages. In this paper, a new methodology for the implementation of vibration measurement and analysis instruments in real time based on circuit architecture mapped from a MATLAB/Simulink model is presented. In this study, signal processing applications such as FIR filters and fast Fourier transform are treated as systems, which are implemented in hardware using a system generator toolbox, which translates a Simulink model in a hardware description language - HDL for FPGA implementations.

Load compensation in four-wire electrical power systems

This work describes a methodology for power factor control and correction of the unbalanced currents in four-wire electric circuits. The methodology is based on the insertion of two compensation networks, one wye-grounded neutral and another in delta, in parallel to the load. The mathematical development has been proposed in previous work [3]. In this paper, however, the methodology was adapted to accept different power factors for the system to be compensated. on the other hand, the determination of the compensation susceptances is based on the instantaneous values of the load currents. The results are obtained using the MatLab - Simulink environment.

Vibration energy harvesting using piezoelectric transducer and non-controlled rectifiers circuits

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)