A stable MPC with zone control

Several MPC applications implement a control strategy in which some of the system outputs are controlled within specified ranges or zones, rather than at fixed set points [J.M. Maciejowski, Predictive Control with Constraints, Prentice Hall, New Jersey, 2002]. This means that these outputs will be treated as controlled variables only when the predicted future values lie outside the boundary of their corresponding zones. The zone control is usually implemented by selecting an appropriate weighting matrix for the output error in the control cost function. When an output prediction is inside its zone, the corresponding weight is zeroed, so that the controller ignores this output. When the output prediction lies outside the zone, the error weight is made equal to a specified value and the distance between the output prediction and the boundary of the zone is minimized. The main problem of this approach, as long as stability of the closed loop is concerned, is that each time an output is switched from the status of non-controlled to the status of controlled, or vice versa, a different linear controller is activated. Thus, throughout the continuous operation of the process, the control system keeps switching from one controller to another. Even if a stabilizing control law is developed for each of the control configurations, switching among stable controllers not necessarily produces a stable closed loop system. Here, a stable M PC is developed for the zone control of open-loop stable systems. Focusing on the practical application of the proposed controller, it is assumed that in the control structure of the process system there is an upper optimization layer that defines optimal targets to the system inputs. The performance of the proposed strategy is illustrated by simulation of a subsystem of an industrial FCC system. (C) 2008 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Thermodynamic information system for diagnosis and prognosis of power plant operation condition

A thermodynamic information system for diagnosis and prognosis of an existing power plant was developed. The system is based on an analytic approach that informs the current thermodynamic condition of all cycle components, as well as the improvement that can be obtained in the cycle performance by the elimination of the discovered anomalies. The effects induced by components anomalies and repairs in other components efficiency, which have proven to be one of the main drawbacks in the diagnosis and prognosis analyses, are taken into consideration owing to the use of performance curves and corrected performance curves together with the thermodynamic data collected from the distributed control system. The approach used to develop the system is explained, the system implementation in a real gas turbine cogeneration combined cycle is described and the results are discussed. (C) 2011 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Control of fed-batch fermentations

Fed-batch fermentation is used to prevent or reduce substrate-associated growth inhibition by controlling nutrient supply. Here we review the advances in control of fed-batch fermentations. Simple exponential feeding and inferential methods are examined, as are newer methods based on fuzzy control and neural networks. Considerable interest has developed in these more advanced methods that hold promise for optimizing fed-batch techniques for complex fermentation systems. (C) 1999 Elsevier Science Inc. All rights reserved.

On the Hopf bifurcation in control systems with a bounded nonlinearity asymptotically homogeneous at infinity

The paper studies existence, uniqueness, and stability of large-amplitude periodic cycles arising in Hopf bifurcation at infinity of autonomous control systems with bounded nonlinear feedback. We consider systems with functional nonlinearities of Landesman-Lazer type and a class of systems with hysteresis nonlinearities. The method is based on the technique of parameter functionalization and methods of monotone concave and convex operators. (C) 2001 Academic Press.

Control of chaotic motion in a dual-spin spacecraft with nutational damping

Control of chaotic vibrations in a dual-spin spacecraft with an axial nutational damper is achieved using two techniques. The control methods are implemented on two realistic spacecraft parameter configurations that have been found to exhibit chaotic instability when a sinusoidally varying torque is applied to the spacecraft for a range of forcing amplitudes and frequencies. Such a torque, in practice, may arise under malfunction of the control system or from an unbalanced rotor. Chaotic instabilities arising from these torques could introduce uncertainties and irregularities into a spacecraft's attitude motion and, consequently, could have disastrous effects on its operation. The two control methods, recursive proportional feedback and continuous delayed feedback, are recently developed techniques for control of chaotic motion in dynamic systems. Each technique is outlined and the effectiveness on this model compared and contrasted. Numerical simulations are performed, and the results are studied by means of time history, phase space, Poincare map, Lyapunov characteristic exponents, and bifurcation diagrams.

Control of chaotic instability in a dual-spin spacecraft with dissipation using energy methods

Control of chaotic instability in a rotating multibody system in the form of a dual-spin spacecraft with an axial nutational damper is achieved using an algorithm derived using energy methods. The control method is implemented on two realistic spacecraft parameter configurations which have been found to exhibit chaotic instability when a sinusoidally varying torque is applied to the spacecraft for a range of forcing amplitudes and frequencies. Such a torque, in practice, may arise under malfunction of the control system or from an unbalanced rotor. Chaotic instabilities arising from these torques could introduce uncertainties and irregularities into a spacecraft's attitude and consequently impair pointing accuracy. The control method is formulated from nutational stability results derived using an energy sink approximation for a dual-spin spacecraft with an asymmetric platform and axisymmetric rotor. The effectiveness of the control method is shown numerically and the results are studied by means of time history, phase space, Poincare map, Lyapunov characteristic exponents and Bifurcation diagrams.

Contribution of cholinergic systems to state-dependent modulation of respiratory control

Respiration is altered during different stages of the sleep-wake cycle. We review the contribution of cholinergic systems to this alteration, with particular reference to the role of muscarinic acetylcholine receptors (MAchRs) during rapid eye movement (REM) sleep. Available evidence demonstrates that MAchRs have potent excitatory effects on medullary respiratory neurones and respiratory motoneurones, and are likely to contribute to changes in central chemosensitive drive to the respiratory control system. These effects are likely to be most prominent during REM sleep, when cholinergic brainstem neurones show peak activity levels. It is possible that MAchR dysfunction is involved in sleep-disordered breathing, Such as obstructive sleep apnea. (C) 2002 Elsevier Science B.V. All rights reserved.

Controlo de águas do processo e optimização da produção de papel

Na Fábrica de Papel da Ponte Redonda fabricam-se sacos de papel multi-folhas e papel reciclado do tipo Kraft. Tendo em consideração a primeira actividade, é de grande interesse optimizar o processo de fabrico de papel com vista a incorporara a máxima taxa de papel produzido internamente nas diferentes camadas dos sacos de papel. Os papéis de maior interesse são os do tipo Fluting e Liners, tendo sido produzidos em 2010 um total de 4,9 mil toneladas, ou seja 90% de todo o papel fabricado em 2010, correspondendo a a 4 mil toneladas de papéis do tipo Liners e 0,9 mil toneladas para os papéis do tipo Fluting. Nos papéis do tipo Liners incluem-se os papéis do tipo Test-Liner e Kraft-Liner, representando em termos produtivos valores idênticos. No âmbito deste trabalho, em que se pretendeu controlar as águas do processo e optimizar a produção de papel, foram introduzidos uma unidade de flutuação e um sistema que permitisse regular a consistência da suspensão fibrosa à entrada da máquina do papel, e foram ainda estudadas as possibilidades de adição de produtos químicos para melhorar as características da pasta assim como um tratamento microbiológico mais eficaz para todo o processo. Para se avaliar se as medidas implementadas teriam um impacto positivo na qualidade desses dois tipos de papéis, desenvolveu-se o trabalho em duas fases: a primeira envolve a introdução de um sistema de flutuação e de um sistema de controlo de consistência da pasta, assim como a selecção de produtos químicos a adicionar ao processo. A segunda fase consistiu na avaliação do efeito destas medidas nas características do papel fabricado. Para o efeito foram escolhidos dois tipos de papel e de diferentes gramagens, nomeadamente Test-Liner de 80 g/m2 e Fluting de 110 g/m2. Introduziu-se um flutuador com o objectivo de tratar parte das águas do processo de fabrico com vista a serem reutilizadas em determinadas aplicações possíveis para a qualidade da água obtida (lavagens e água do processo), de modo a conseguir-se uma poupança de água, assim como aproveitar-se as lamas resultantes, ricas em fibra de celulose, para utilizá-las como matéria-prima. Foi introduzido um regulador de consistência no processo da Ponte Redonda com o objectivo de alimentar de uma forma constante a consistência da pasta à entrada da máquina do papel proporcionando uma melhor formação da folha, devido à ligação entre fibras, na direcção máquina e direcção transversal. Esse sistema inovador é um Regulador de Consistência que vem proporcionar à máquina do papel uma alimentação em fibra mais constante. O fabrico de papel apenas a partir de fibras de celulose não permitirá obter um papel com as características desejadas para a sua utilização. Para corrigir estas deficiências, são adicionados produtos químicos para atribuir ou melhorar as propriedades dos papéis. Desta forma considerou-se interessante introduzir no processo um agente de retenção numa fase posterior à preparação da pasta e antes da chegada à máquina de papel, de forma a melhorar as características da suspensão fibrosa. Assim foi implementado um sistema cuja eficácia foi avaliada. Concluiu-se que com a sua implementação a máquina de papel apresentou melhores resultados na drenagem e na turbidez da água removida, significando uma água com menor teor de matéria suspensa e dissolvida, devido à melhor agregação das fibras dispersas na suspensão fibrosa, levando a um aumento da drenagem e consequentemente melhor eficiência das prensas e secaria. Foi também elaborado um estudo para introdução de um sistema de tratamento microbiológico em todo o processo de fabrico de papel, devido à existência de microorganismos prejudiciais ao seu fabrico. Concluiu-se que a água clarificada proveniente do flutuador apresentou qualidade aceitável para os objectivos pretendidos. No entanto, considerando a eficiência de 26,5% na remoção de sólidos suspensos será necessário mais algum tempo de utilização da água clarificada, cerca de um ano, para avaliar se esta terá algum efeito prejudicial nos equipamentos. Verificou-se que devido à existência de microrganismos em todo o processo de fabrico de papel será necessário efectuar lavagens aos tinões, tanques e circuitos com alguma regularidade, aproveitando-se as paragens do processo assim como implementar um sistema de tratamento microbiológico mais eficaz. Em resultado das medidas implementadas concluiu-se que os papéis produzidos apresentaram melhorias, tendo-se obtido melhores resultados em todos os ensaios de resistência. No papel do tipo Test-Liner destacam-se os bons resultados nos ensaios de superfície, Cobb60 e rebentamento. No caso do parâmetro do Cobb60, foi um resultado surpreendente visto que por norma este tipo de papéis reciclados não suportam este ensaio. Concluiu-se também que as medidas implementadas proporcionaram uma melhor agregação e ligação entre fibras, e melhor formação da folha na máquina do papel proporcionando aos papéis propriedades físico-mecânicas mais interessantes.

Influence of wearing an unstable shoe construction on compensatory control of posture

This study investigated the influence of wearing unstable shoe construction (WUS) on compensatory postural adjustments (CPA) associated with external perturbations. Thirty-two subjects stood on a force platform resisting an anterior-posterior horizontal force applied to a pelvic belt via a cable, which was suddenly released. They stood under two conditions: barefoot and WUS. The electromyographic (EMG) activity of gastrocnemius medialis, tibialis anterior, rectus femoris, biceps femoris, rectus abdominis, and erector spinae muscles and the center of pressure (CoP) displacement were acquired to study CPA. The EMG signal was used to assess individual muscle activity and latency, antagonist co-activation and reciprocal activation at joint and muscle group levels. Compared to barefoot, WUS led to: (1) increased gastrocnemius medialis activity, (2) increased total agonist activity, (3) decreased antagonist co-activation at the ankle joint and muscle group levels, (4) increased reciprocal activation at the ankle joint and muscle group levels, and (5) decrease in all muscle latencies. No differences were observed in CoP displacement between conditions. These findings demonstrate that WUS led to a reorganization of the postural control system associated to improved performance of some components of postural control responses.

Influence of long-term wearing of unstable shoes on compensatory control of posture: An electromyography-based analysis

Purpose: This study investigated the influence of long-term wearing of unstable shoes (WUS) on compensatory postural adjustments (CPA) to an external perturbation. Methods: Participants were divided into two groups: one wore unstable shoes while the other wore conventional shoes for 8 weeks. The ground reaction force signal was used to calculate the anterior– posterior (AP) displacement of the centre of pressure (CoP) and the electromyographic signal of gastrocnemius medialis (GM), tibialis anterior (TA), rectus femoris (RF) and biceps femoris (BF) muscles was used to assess individual muscle activity, antagonist co-activation and reciprocal activation at the joint (TA/GM and RF/(BF + GM) pairs) and muscle group levels (ventral (TA + RF)/dorsal (GM + BF) pair) within time intervals typical for CPA. The electromyographic signal was also used to assess muscle latency. The variables described were evaluated before and after the 8-week period while wearing the unstable shoes and barefoot. Results: Long-term WUS led to: an increase of BF activity in both conditions (barefoot and wearing the unstable shoes); a decrease of GM activity; an increase of antagonist co-activation and a decrease of reciprocal activation level at the TA/GM and ventral/dorsal pairs in the unstable shoe condition. Additionally, WUS led to a decrease in CoP displacement. However, no differences were observed in muscle onset and offset. Conclusion: Results suggest that the prolonged use of unstable shoes leads to increased ankle and muscle groups’ antagonist co-activation levels and higher performance by the postural control system.

Levantamento, reparação e beneficiação do simulador TERCO PST 2200 do Laboratório de Sistemas de Energia do ISEP

Este trabalho é baseado no simulador de redes PST2200 do Laboratório de Sistemas de Energia (LSE) pois está avariado com vários problemas conhecidos, designadamente: - Defeito de isolamento (disparo de diferencial), - Desregulação da velocidade da máquina primária (motor DC), - Circuito de excitação da máquina síncrona inoperacional, - Inexistência de esquemas elétricos dos circuitos do simulador, - Medidas desreguladas e com canais de medida com circuito impresso queimado. O trabalho executado foi: - O levantamento e desenho de raiz (não existe qualquer manual) dos esquemas dos 10 módulos do simulador, designadamente naqueles com avaria ou com desempenho problemático a fim de que se possa ter uma visão mais pormenorizada dos circuitos e seus problemas, por forma a intervir para os minimizar e resolver, - Foi realizado o diagnóstico de avaria do simulador e foram propostas soluções para os mesmos, - Realizaram-se as intervenções propostas e aprovadas. Nas intervenções realizadas, os princípios orientadores foram: - Aumentar a robustez do equipamento por forma a garantir a sua integridade a utilizações menos apropriados e manobras 'exóticas' próprias de alunos, que pela sua condição, estão em fase de aprendizagem, - Atualizar o equipamento, colocando-o em sintonia com o 'estado da arte', - Como fator de valorização suplementar, foi concebida e aplicada a supervisão remota do funcionamento do simulador através da rede informática. Foram detetados inúmeros erros: - Má ligação do motor de corrente continua ao variador, resultando a falta de controlo da frequência da rede do sistema, - Ligações entre painéis trocadas resultando em avarias diversas das fontes de alimentação, - Cartas eletrónicas de medidas avariadas e que além de se reparar, foram também calibradas. Devido ao mecenato da empresa Schnitt + Sohn participando monetariamente, fez-se o projeto de alteração e respetiva execução de grande parte do simulador aumentando a fiabilidade do mesmo, diminuindo assim a frequência das avarias naturais mais as que acontecem involuntariamente devido a este ser um instrumento didático. Além do trabalho elétrico, foi feito muito trabalho de chaparia para alteração de estrutura e suporte do material com diferenças de posicionamento. Neste trabalho dá-se também alguns exemplos de cálculo e simulação das redes de transporte que se pode efetuar no simulador como estudo e simulação de avarias num sistema produtivo real. Realizou-se a monitorização de dois aparelhos indicadores de parâmetros de energia (Janitza UMG96S) através duma rede com dois protocolos ethernet e profibus utilizando o plc (Omron CJ2M) como valorização do trabalho.

Discretization of complex-order algorithms for control applications

In this article we describe several methods for the discretization of the differintegral operator sa, where α = u + jv is a complex value. The concept of the conjugated-order differintegral is also introduced, which enables the use of complex-order differintegrals while still producing real-valued time responses and transfer functions. The performance of the resulting approximations is analysed in both the time and frequency domains. Several results are presented that demonstrate its utility in control system design.

Optimising the energy consumption on pultrusion process

This study is based on a previous experimental work in which embedded cylindrical heaters were applied to a pultrusion machine die, and resultant energetic performance compared with that achieved with the former heating system based on planar resistances. The previous work allowed to conclude that the use of embedded resistances enhances significantly the energetic performance of pultrusion process, leading to 57% decrease of energy consumption. However, the aforementioned study was developed with basis on an existing pultrusion die, which only allowed a single relative position for the heaters. In the present work, new relative positions for the heaters were investigated in order to optimise heat distribution process and energy consumption. Finite Elements Analysis was applied as an efficient tool to identify the best relative position of the heaters into the die, taking into account the usual parameters involved in the process and the control system already tested in the previous study. The analysis was firstly developed based on eight cylindrical heaters located in four different location plans. In a second phase, in order to refine the results, a new approach was adopted using sixteen heaters with the same total power. Final results allow to conclude that the correct positioning of the heaters can contribute to about 10% of energy consumption reduction, decreasing the production costs and leading to a better eco-efficiency of pultrusion process.

Optimizing the embedded heaters position in the pultrusion process using finite element analysis

This study is based on a previous experimental work in which embedded cylindrical heaters were applied to a pultrusion machine die, and resultant energetic performance compared with that achieved with the former heating system based on planar resistances. The previous work allowed to conclude that the use of embedded resistances enhances significantly the energetic performance of pultrusion process, leading to 57% decrease of energy consumption. However, the aforementioned study was developed with basis on an existing pultrusion die, which only allowed a single relative position for the heaters. In the present work, new relative positions for the heaters were investigated in order to optimize heat distribution process and energy consumption. Finite Elements Analysis was applied as an efficient tool to identify the best relative position of the heaters into the die, taking into account the usual parameters involved in the process and the control system already tested in the previous study. The analysis was firstly developed with basis on eight cylindrical heaters located in four different location plans. In a second phase, in order to refine the results, a new approach was adopted using sixteen heaters with the same total power. Final results allow to conclude that the correct positioning of the heaters can contribute to about 10% of energy consumption reduction, decreasing the production costs and leading to a better eco-efficiency of pultrusion process.

Environmental/Regatta Buoy: Sensing System

Um dos principais objetivos da ciência é perceber a natureza, i.e., descobrir e explicar o funcionamento do mundo que nos rodeia. Para tal, os cientistas precisam de coligir dados e monitorar o meio ambiente. Em particular, considerando que cerca de 70% da Terra é coberta por água, a coleta de parâmetros de caracterização da água de grandes superfícies é uma prioridade. A monitorização das condições da água é feita principalmente através de bóias. No entanto, as bóias disponíveis no mercado não satisfazem as necessidades existentes. Esta é uma das principais razões que levaram o Laboratório de Sistemas Autónomos (LSA) do Instituto Superior de Engenharia do Porto a lançarem um projeto para o desenvolvimento de uma bóia reconfigurável e com dois modos de funcionamento: monitorização ambiental e baliza ativa de regata. O segundo modo é destinado a regatas de veleiros autónomos. O projeto começou há um ano com um projeto do European Project Project [1] (EPS), realizado por quatro estudantes internacionais, destinado à construção da estrutura da bóia e à selecção dos componentes mais adequados para o sistema de medição e controlo. A arquitetura que foi definida para este sistema é do tipo mestre-escravo e é composta por uma unidade de controlo mestre para a telemetria e configuração e uma unidade de controlo escrava para a medição e armazenamento de dados. O desenvolvimento do projeto continuou com dois estudantes belgas que trabalharam na comunicação e no armazenamento de dados. Este projeto, que prossegue com o desenvolvimento da medição e do armazenamento de dados do lado da unidade de controlo escrava, tem os seguintes objetivos: (i ) implementar o protocolo de comunicação na unidade de controlo escrava; (ii ) coligir e armazenar os dados dos sensores no cartão SD em tempo real; (iii ) fornecer dados em tempo útil; e (iv) recuperar dados do cartão SD em tempo diferido. As contribuições anteriores foram estudadas e foi feito um levantamento dos projetos congéneres existentes. O desenvolvimento do projeto atual começou com o protocolo de comunicação. Este protocolo, que foi projetado pelos alunos anteriores, foi um bom ponto de partida. No entanto, o protocolo foi atualizado e melhorado com novas funcionalidades. Esta última componente foi um trabalho conjunto com Laurens Allart, que esteve a trabalhar no subsistema de telemetria e de configuração durante este semestre. O protocolo foi implementado do lado da unidade de controlo escrava através de uma estrutura de múltiplas actividades paralelas (multithreaded). Esta estrutura recebe as mensagens da unidade mestre, executa as ações solicitadas e envia de volta o resultado. A bóia é um dispositivo reconfigurável multimodo que pode ser expandido com novos modos de operação no futuro. Infelizmente, sofre de algumas limitações: suporta uma carga máxima de 40 kg e tem uma área de implantação limitada pela distância máxima à estacão base.