Solving optimal control problems with state constraints using nonlinear programming and simulation tools

This paper illustrates how nonlinear programming and simulation tools, which are available in packages such as MATLAB and SIMULINK, can easily be used to solve optimal control problems with state- and/or input-dependent inequality constraints. The method presented is illustrated with a model of a single-link manipulator. The method is suitable to be taught to advanced undergraduate and Master's level students in control engineering.

Domestic cold pitched roofs in the UK: - effect of using different roof insulation materials

The type and thickness of insulation on the topside horizontal of cold pitched roofs has a significant role in controlling air movement, energy conservation and moisture transfer reduction through the ceiling to the loft (roof void) space. To investigate its importance, a numerical model using a HAM software package on a Matlab platform with a Simulink simulation tool has been developed using insitu measurements of airflows from the dwelling space through the ceiling to the loft of three houses of different configurations and loft space. Considering typical UK roof underlay (i.e. bituminous felt and a vapour permeable underlay), insitu measurements of the 3 houses were tested using a calibrated passive sampling technique. Using the measured airflows, the effect of air movement on three types of roof insulation (i.e. fibreglass, cellulose and foam) was modelled to investigate associated energy losses and moisture transport. The thickness of the insulation materials were varied but the ceiling airtightness and eaves gap size were kept constant. These instances were considered in order to visualize the effects of the changing parameters. In addition, two different roof underlays of varying resistances were considered and compared to access the influence of the underlay, if any, on energy conservation. The comparison of these insulation materials in relation to the other parameters showed that the type of insulation material and thickness, contributes significantly to energy conservation and moisture transfer reduction through the roof and hence of the building as a whole.

Improved MATLAB GUIs for learning frequency response methods

The author developed two GUIs for asymptotic Bode plots and identification from such plots aimed at improving the learning of frequency response methods: these were presented at UKACC Control 2012. Student feedback and reflection by the author suggested various improvements to these GUIs, which have now been implemented. This paper reviews the earlier work, describes the improvements, and includes positive feedback from the students on the GUIs and how they have helped their understanding of the methods.

A MATLAB GUI for learning controller design in the frequency domain

A MATLAB GUI is presented which is used to help students learn to design controllers in the frequency domain. It complements the author’s two previous GUIs for plotting and identification of systems in the frequency domain. It also incorporates the concept used in the “electronic calculator that makes students think” to assist learning. Positive student feedback affirms that the GUI has helped their understanding.

Effect of "Pollutants" on the functionality of breathable roofing membranes in a bat roost

The performance of breathable roofing membranes (BRM’s) in buildings where bats roost have been investigated using experimental measurements and numerical simulations. Measurement techniques as outlined in BS EN ISO 12572 of membranes from manufacturers in its pure state and those that have been contaminated with bat urine, faeces and natural oils transmitted via fur because they were found in bat roost have been tested for their permeability functions. The findings from this shows that there are significant differences between the functionality of the pure samples compared to the contaminated samples, with an average of about 20-30% reduction in functionality. This paper integrates modelling techniques using a heat, air and mass software with a simulink interface on a Matlab platform to investigate the moisture transfer properties of the BRMs. The simulation results demonstrate high level of condensation formation when the BRM is contaminated as compared to when it is not.

An aggregated wind power generation model based on MERRA reanalysis data: MATLAB model and example data for the April 2014 wind farm distribution of Great Britain.

The MATLAB model is contained within the compressed folders (versions are available as .zip and .tgz). This model uses MERRA reanalysis data (>34 years available) to estimate the hourly aggregated wind power generation for a predefined (fixed) distribution of wind farms. A ready made example is included for the wind farm distribution of Great Britain, April 2014 ("CF.dat"). This consists of an hourly time series of GB-total capacity factor spanning the period 1980-2013 inclusive. Given the global nature of reanalysis data, the model can be applied to any specified distribution of wind farms in any region of the world. Users are, however, strongly advised to bear in mind the limitations of reanalysis data when using this model/data. This is discussed in our paper: Cannon, Brayshaw, Methven, Coker, Lenaghan. "Using reanalysis data to quantify extreme wind power generation statistics: a 33 year case study in Great Britain". Submitted to Renewable Energy in March, 2014. Additional information about the model is contained in the model code itself, in the accompanying ReadMe file, and on our website: http://www.met.reading.ac.uk/~energymet/data/Cannon2014/

Análise dinâmica de rotores de grupos turbo e hidrogeradores com o método das matrizes de transferência

Conhecer o comportamento vibratório de rotores de máquinas rotativas, já durante a fase de projeto, é uma necessidade cada vez maior nos dias atuais, quando modificações corretivas, após o início da operação, já não são mais aceitáveis, devido aos altos custos de material e execução empregados, se comparados com os lucros que são cada vez mais reduzidos, em função das regras impostas pelo mercado, e devido também ao tempo necessário para tais modificações, que implica em manter a máquina parada, sem gerar lucros nesse penodo, acarretando em mu1tas contratuais para o fabricante. o presente trabalho visa dar subsídiosà análise dinâmicadas linhas de eixos de turbo e hidrogeradores (conjuntos formados pela turbina mais o gerador, usados respectivamentenas centraistermelétricase hidrelétricas). Inicialmente é feita uma breve explanação sobre formas construtivas de hidrogeradores e tipos de turbinas hidráu1icas utilizados atualmente. O trabalho prossegue apresentando as propriedades dos mancais com filme de óleo, os fenômenos do empuxo magnético no rotor do gerador e do efeito giroscópico, bem como a norma ISO 1940, que define os níveis admissíveis de desbalanceamentos residuais para rotores de máquinas É apresentada uma formulação matemática pelo Método das Matrizes de Transferência para as análises das vibrações livres, bem como das vibrações forçadas com carregamentos cíclicos devido aos desbalanceamentos residuais das linhas de eixos. A análise das vibrações livres é feita para a obtenção das fteqüências naturais torcionais e das fteqüências tlexionais críticas em um plano. A análise das vibrações forçadas é elaborada para fornecer as respostas dinâmicas em dois planos ortogonais, devido ao desbalanceamento residual. Para aplicação da metodologia de cálculo apresentada, são elaboradas rotinas computacionais de cálculos, utilizando como plataforma o software MATLAB. Para testar o Método das Matrizes de Transferência, bem como os programas de computador elaborados, faz-se algumas análises com soluções analíticas exatas e comparam-se resultados obtidos. Como aplicação prática, faz-se um estudo aprofundado dos comportamentos dinâmicos algumas linhas de eixos de hidrogeradores, para variações de configurações de construção dessas, bem como para as diversas condições de operação.

Simulação de sistemas térmicos de potência para geração de energia elétrica

O presente trabalho é dedicado à simulação numérica de sistemas térmicos de potência. O trabalho é iniciado com a modelagem de um ciclo Rankine, dedicado à produção de energia elétrica, para o qual foi elaborado um programa de simulação com a linguagem de programação MATLAB. A partir desse primeiro caso, são apresentados os modelos empregados para representar os diversos componentes que formam o circuito, como o gerador de vapor, a turbina, o condensador e a bomba. Além desses componentes, são introduzidas as equações que representam o escoamento do fluido de trabalho, no caso a água, permitindo assim o cálculo da perda de carga nas diferentes canalizações do circuito, sendo também acoplado o funcionamento da bomba. Essa alternativa pennite uma melhor avaliação do trabalho despendido para operar o sistema. A modelagem do ciclo deixa então de ser exclusivamente tennodinâmica, e passa a incluir aspectos de mecânica de fluidos. Outras variantes desse ciclo simples são também modelados e simulados, incluindo ciclos Rankine regenerativos e com irreversibilidades. As simulações são efetuadas admitindo-se parâmetros de operação, como, potência da turbina, temperatura do vapor d'água na entrada da turbina e pressão do vapor d'água na saída da turbina, com a variante de fixar-se o título do vapor d'água na saída da turbina.

Um sistema automatico de regulacao e controle da geracao de energia eletrica a partir de uma turbina eolica

Estações de microondas são alimentadas por banco de baterias que são carregados através da rede, caso estejam perto, ou de grupos geradores a diesel, quando estão localizados em zonas remotas. No Brasil existem 543 dessas estações isoladas da rede de alimentação. Turbinas eólicas acopladas a geradores de energia elétrica poderão, em alguns desses locais realizar o suprimento necessário de energia, e com isso poderão obter uma grande economia na compra e também no transporte do diesel até essas estações. Uma turbina Darrieus de 6m de diâmetro e três pás foi desenvolvida e instalada em uma dessas estações, localizada em Porto Alegre. A turbina parte através de um motor de arranque de 12 V e movimenta um gerador de indução de 3 KW, autoexcitado por capacitores. Variando o banco de capacitores podemos manter a tensão mesmo com a variação do sistema, partindo-o com uma velocidade de vento de 4 m/s e aplicando o freio quando a rotação atingir 200 rpm ou a velocidade de vento chegar a 16 m/s. Ele também realiza o chaveamento dos relés que escolhem o banco de capacitores utilizado, acionam o motor de partida e selecionam o sistema de carga de baterias.

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.