Integer/fractional decomposition of the impulse response of fractional linear systems

The decomposition of a fractional linear system is discussed in this paper. It is shown that it can be decomposed into an integer order part, corresponding to possible existing poles, and a fractional part. The first and second parts are responsible for the short and long memory behaviors of the system, respectively, known as characteristic of fractional systems.

Discrete fractional order system vibrations

A theory of free vibrations of discrete fractional order (FO) systems with a finite number of degrees of freedom (dof) is developed. A FO system with a finite number of dof is defined by means of three matrices: mass inertia, system rigidity and FO elements. By adopting a matrix formulation, a mathematical description of FO discrete system free vibrations is determined in the form of coupled fractional order differential equations (FODE). The corresponding solutions in analytical form, for the special case of the matrix of FO properties elements, are determined and expressed as a polynomial series along time. For the eigen characteristic numbers, the system eigen main coordinates and the independent eigen FO modes are determined. A generalized function of visoelastic creep FO dissipation of energy and generalized forces of system with no ideal visoelastic creep FO dissipation of energy for generalized coordinates are formulated. Extended Lagrange FODE of second kind, for FO system dynamics, are also introduced. Two examples of FO chain systems are analyzed and the corresponding eigen characteristic numbers determined. It is shown that the oscillatory phenomena of a FO mechanical chain have analogies to electrical FO circuits. A FO electrical resistor is introduced and its constitutive voltage–current is formulated. Also a function of thermal energy FO dissipation of a FO electrical relation is discussed.

System Modeling and Control Through Fractional-Order Algorithms

The theory of fractional calculus goes back to the beginning of thr throry of differential calculus but its inherent complexity postponed the applications of the associated concepts. In the last decade the progress in the areas of chaos and fractals revealed subtle relationships with the fractional calculus leading to an increasing interest in the development of the new paradigm. In the area of automaticcontrol preliminary work has already been carried out but the proposed algorithms are restricted to the frequency domain. The paper discusses the design of fractional-order discrete-time controllers. The algorithms studied adopt the time domein, which makes them suited for z-transform analusis and discrete-time implementation. The performance of discrete-time fractional-order controllers with linear and non-linear systems is also investigated.

The effect of water inorganic matrix in ibuprofen adsorption onto activated carbon for water and wastewater treatment

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Química e Bioquímica

Calibration Method for Underwater Visual Ground-Truth System

This work presents an automatic calibration method for a vision based external underwater ground-truth positioning system. These systems are a relevant tool in benchmarking and assessing the quality of research in underwater robotics applications. A stereo vision system can in suitable environments such as test tanks or in clear water conditions provide accurate position with low cost and flexible operation. In this work we present a two step extrinsic camera parameter calibration procedure in order to reduce the setup time and provide accurate results. The proposed method uses a planar homography decomposition in order to determine the relative camera poses and the determination of vanishing points of detected lines in the image to obtain the global pose of the stereo rig in the reference frame. This method was applied to our external vision based ground-truth at the INESC TEC/Robotics test tank. Results are presented in comparison with an precise calibration performed using points obtained from an accurate 3D LIDAR modelling of the environment.

Linear amplification with multiple nonlinear devices

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica e Computadores

Utilização de sensores de baixo custo na medição de monóxido de carbono no ar ambiente

Nos últimos anos tem-se assistido à introdução de novos dispositivos de medição da poluição do ar baseados na utilização de sensores de baixo custo. A utilização menos complexa destes sistemas, possibilita a obtenção de dados com elevada resolução temporal e espacial, abrindo novas oportunidades para diferentes metodologias de estudos de monitorização da poluição do ar. Apesar de apresentarem capacidades analíticas distantes dos métodos de referência, a utilização destes sensores tem sido sugerida e incentivada pela União Europeia no âmbito das medições indicativas previstas na Diretiva 2008/50/CE, com uma incerteza expandida máxima de 25%. O trabalho desenvolvido no âmbito da disciplina de Projeto consistiu na escolha, caracterização e utilização em medições reais de um sensor de qualidade do ar, integrado num equipamento protótipo desenvolvido com esse fim, visando obtenção uma estimativa da incerteza de medição associada à utilização deste dispositivo através da aplicação da metodologia de demonstração de equivalência de métodos de medição de qualidade do ar definida pela União Europeia. A pesquisa bibliográfica realizada permitiu constatar que o monóxido de carbono é neste momento o parâmetro de qualidade do ar que permite ser medido de forma mais exata através da utilização de sensores, nomeadamente o sensor eletroquímico da marca Alphasense, modelo COB4, amplamente utilizado em projetos de desenvolvimento neste cotexto de monitorização ambiental. O sensor foi integrado num sistema de medição com o objetivo de poder ser utlizado em condições de autonomia de fornecimento de energia elétrica, aquisição interna dos dados, tendo em consideração ser o mais pequeno possível e de baixo custo. Foi utlizado um sistema baseado na placa Arduino Uno com gravação de dados em cartão de memória SD, baterias e painel solar, permitindo para além do registo das tensões elétricas do sensor, a obtenção dos valores de temperatura, humidade relativa e pressão atmosférica, com um custo global a rondar os 300 euros. Numa primeira fase foram executados um conjunto de testes laboratoriais que permitiram a determinação de várias características de desempenho em dois sensores iguais: tempo de resposta, a equação modelo do sensor, avaliação da repetibilidade, desvio de curto e longo termo, interferência da temperatura e histerese. Os resultados demonstraram um comportamento dos sensores muito linear, com um tempo de resposta inferior a um minuto e com uma equação modelo do sensor dependente da variação da temperatura. A estimativa da incerteza expandida laboratorial ficou, para ambos os sensores, abaixo dos 10%. Após a realização de duas campanhas reais de medição de CO em que os valores foram muito baixos, foi realizada uma campanha de quinze dias num parque de estacionamento subterrâneo que permitiu a obtenção de concentrações suficientemente elevadas e a comparação dos resultados dos sensores com o método de referência em toda a gama de medição (0 a 12 mol.mol-1). Os valores de concentração obtidos pelos dois sensores demonstraram uma excelente correlação com o método de referência (r2≥0,998), obtendo-se resultados para a estimativa da incerteza expandida de campo inferiores aos obtidos para a incerteza laboratorial, cumprindo o objetivo de qualidade de dados definido para as medições indicativas de incerteza expandida máxima de 25%. Os resultados observados durante o trabalho realizado permitiram confirmar o bom desempenho que este tipo de sensor pode ter no âmbito de medições de poluição do ar com um caracter mais indicativo.

Providing Adaptation for an Adaptive Hypermedia System

O ensino à distância cresceu consideravelmente nos últimos anos e a tendência é para que continue a crescer em anos vindouros. No entanto, enquanto que a maioria das plataformas de ensino à distância utilizam a mesma abordagem de ensino para todos os utilizadores, os estudantes que as usam são na realidade pessoas de diferentes culturas, locais, idades e géneros, e que possuem diferentes níveis de educação. Ao contrário do ensino à distância tradicional, os sistemas de hipermédia adaptativa educacional adaptam interface, apresentação de conteúdos e navegação, entre outros, às características, necessidades e interesses específicos de diferentes utilizadores. Apesar da investigação na área de sistemas de hipermédia adaptativa já estar bastante desenvolvida, é necessário efetuar mais desenvolvimento e experimentação de modo a determinar quais são os aspetos mais eficazes destes sistemas e avaliar o seu sucesso. A Plataforma de Aprendizagem Colaborativa da Matemática (PCMAT) é um sistema de hipermédia adaptativa educacional com uma abordagem construtivista, que foi desenvolvido com o objetivo de contribuir para a investigação na área de sistemas de hipermédia adaptativa. A plataforma avalia o conhecimento do utilizador e apresenta conteúdos e atividades adaptadas às características e estilo de aprendizagem dominante de estudantes de matemática do segundo ciclo. O desenvolvimento do PCMAT tem também o propósito de auxiliar os alunos Portugueses com a aprendizagem da matemática. De acordo com o estudo PISA 2012 da OCDE [OECD, 2014], o desempenho dos alunos Portugueses na área da matemática melhorou em relação à edição anterior do estudo, mas os resultados obtidos permanecem abaixo da média da OCDE. Por este motivo, uma das finalidades deste projeto é desenvolver um sistema de hipermédia adaptativa que, ao adequar o ensino da matemática às necessidades específicas de cada aluno, os assista com a aquisição de conhecimento. A adaptação é efetuada pelo sistema usando a informação constante no modelo do utilizador para definir um grafo de conceitos do domínio específico. Este grafo é adaptado do modelo do domínio e utilizado para dar resposta às necessidades particulares de cada aluno. Embora a trajetória inicial seja definida pelo professor, o percurso percorrido no grafo por cada aluno é determinado pela sua interação com o sistema, usando para o efeito a representação do conhecimento do aluno e outras características disponíveis no modelo do utilizador, assim como avaliação progressiva. A adaptação é conseguida através de alterações na apresentação de conteúdos e na estrutura e anotações das hiperligações. A apresentação de conteúdos é alterada mostrando ou ocultando cada um dos vários fragmentos que compõe as páginas dum curso. Estes fragmentos são compostos por diferentes objetos de aprendizagem, tais como exercícios, figuras, diagramas, etc. As mudanças efetuadas na estrutura e anotações das hiperligações têm o objetivo de guiar o estudante, apontando-o na direção do conhecimento mais relevante e mantendo-o afastado de informação inadequada. A escolha de objectos de aprendizagem adequados às características particulares de cada aluno é um aspecto essencial do modelo de adaptação do PCMAT. A plataforma inclui para esse propósito um módulo responsável pela recomendação de objectos de aprendizagem, e um módulo para a pesquisa e recuperação dos mesmos. O módulo de recomendação utiliza lógica Fuzzy para converter determinados atributos do aluno num conjunto de parâmetros que caracterizam o objecto de aprendizagem que idealmente deveria ser apresentado ao aluno. Uma vez que o objecto “ideal” poderá não existir no repositório de objectos de aprendizagem do sistema, esses parâmetros são utilizados pelo módulo de pesquisa e recuperação para procurar e devolver ao módulo de recomendação uma lista com os objectos que mais se assemelham ao objecto “ideal”. A pesquisa é feita numa árvore k-d usando o algoritmo k-vizinhos mais próximos. O modelo de recomendação utiliza a lista devolvida pelo módulo de pesquisa e recuperação para seleccionar o objecto de aprendizagem mais apropriado para o aluno e processa-o para inclusão numa das páginas Web do curso. O presente documento descreve o trabalho desenvolvido no âmbito do projeto PCMAT (PTDS/CED/108339/2008), dando relevância à adaptação de conteúdos.

Modelação não linear de estruturas metálicas e mistas em situação de incêndio no software OpenSees

Os incêndios em edifícios representam um fenómeno que pode ter consequências devastadoras quando não controlado, não só em termos de perdas de vidas humanas, como em termos económicos. No passado, a ocorrência de incêndios de grandes dimensões mostrou os efeitos do fogo descontrolado nos edifícios, assim como a ineficiência dos meios de segurança ativa ao fogo. Nas últimas duas décadas, estas questões motivaram o estudo e compreensão da ação dos incêndios nas estruturas dos edifícios. Neste trabalho estuda-se a modelação da ação do fogo em estruturas metálicas e mistas, com o objetivo de contribuir para a sua melhor caracterização. A presente tese foca-se na validação e compreensão da implementação de análises termo-mecânicas a estruturas mistas no software de elementos finitos OpenSees (Open System for Earthquake Engineering Simulation), contribuindo assim para futuros estudos, não só de análises de estruturas mistas sujeitas a incêndio, mas também de análises de estruturas mistas sujeitas a eventos consecutivos, como sismo seguido de incêndio. Neste trabalho é feita uma breve descrição do fenómeno fogo, assim como dos processos inerentes à dinâmica de um incêndio que constituem uma fonte de incerteza para a modelação de cenários de incêndio num edifício. Posto isto, são abordados alguns modelos de incêndios presentes nos Eurocódigos, assim como o recente modelo de fogos móveis(“Travelling fires”). São realizados exemplos de aplicação no software e dois casos de estudo. O primeiro consiste na modelação de dois ensaios ao fogo realizados na Alemanha em 1986 em estruturas metálicas à escala 1/4. O segundo consiste na modelação de um ensaio ao fogo a uma viga de betão armado simplesmente apoiada, realizado no Instituto Superior Técnico em 2010. Os modelos numéricos desenvolvidos no OpenSees contabilizam as não linearidades físicas e geométricas, com elementos finitos de plasticidade distribuída e com uma formulação baseada em deslocamentos. Os resultados numéricos são então comparados com os experimentais, de modo a validar as análises termo-mecânicas no OpenSees.

PV systems linked to the grid: parameter identification with a heuristic procedure

This paper focuses on a PV system linked to the electric grid by power electronic converters, identification of the five parameters modeling for photovoltaic systems and the assessment of the shading effect. Normally, the technical information for photovoltaic panels is too restricted to identify the five parameters. An undemanding heuristic method is used to find the five parameters for photovoltaic systems, requiring only the open circuit, maximum power, and short circuit data. The I–V and the P–V curves for a monocrystalline, polycrystalline and amorphous photovoltaic systems are computed from the parameters identification and validated by comparison with experimental ones. Also, the I–V and the P–V curves under the effect of partial shading are obtained from those parameters. The modeling for the converters emulates the association of a DC–DC boost with a two-level power inverter in order to follow the performance of a testing commercial inverter employed on an experimental system.

An evolutionary multi-objective optimization system for earthworks

Earthworks involve the levelling or shaping of a target area through the moving or processing of the ground surface. Most construction projects require earthworks, which are heavily dependent on mechanical equipment (e.g., excavators, trucks and compactors). Often, earthworks are the most costly and time-consuming component of infrastructure constructions (e.g., road, railway and airports) and current pressure for higher productivity and safety highlights the need to optimize earthworks, which is a nontrivial task. Most previous attempts at tackling this problem focus on single-objective optimization of partial processes or aspects of earthworks, overlooking the advantages of a multi-objective and global optimization. This work describes a novel optimization system based on an evolutionary multi-objective approach, capable of globally optimizing several objectives simultaneously and dynamically. The proposed system views an earthwork construction as a production line, where the goal is to optimize resources under two crucial criteria (costs and duration) and focus the evolutionary search (non-dominated sorting genetic algorithm-II) on compaction allocation, using linear programming to distribute the remaining equipment (e.g., excavators). Several experiments were held using real-world data from a Portuguese construction site, showing that the proposed system is quite competitive when compared with current manual earthwork equipment allocation.

Timber frames as an earthquake resisting system in Portugal

Timber frames are commonly adopted as a structural element in many countries with specific characteristics varying locally, in termsof geometry and materials.Their diffusion in Southern European countries is linked to their good seismic-resistant capacity, but only in the last decade interest has grown for this structural typology, and studies have been performed to better understand their behaviour. In this contribution, a brief state of the art on existing timber frame building typologies is presented, focusing on their seismic-resistant characteristics. Additionally, an overview of possible strengthening solutions, adopted both in practice, and tested experimentally are presented. Their performance when applied to walls and connections is also discussed.

Different module placements in a modular façade system for natural ventilation

Nowadays natural ventilation has gained prominence because its correct use can reduce energy consumption for cooling systems and improve thermal comfort among users. In this paper, we report on the modelling initiative, based on the wind tunnel tests that were carried out for the determination of the influence of natural ventilation in buildings. Indeed, the renewal of air in a closed environment without using an air conditioning system with mechanical elements can lead to energy savings and, in addition, provide air quality.The wind tunnel tests were carried out by varying the positioning of six ventilation modules in the façade system configuration. The modules were positioned below the window-sill (ventilated window-sill) as well as separately above and below the façade. The wind speed measurements were taken inside and outside the model for the different façades configurations to evaluate the best performance in relation to natural ventilation. The results supported the positioning of the six ventilation modules below the window-sill, forming a â ventilated window-sillâ as the most effective natural ventilation solution.

Study of natural ventilation for a modular façade system in wind tunnel tests

Wind tunnel tests are a reliable tool to determine the effect of natural ventilation on buildings. This paper presents results of wind tunnel tests conducted to evaluate the influence of ventilation modules positioning on a façade system. Modules positioning was modified, resulting in different façade configurations. The tests were carried out with the use of a model, varying the position of the ventilation modules in the façade configuration. The cases tested were six ventilation modules positioned below the window-sill (ventilated window-sill), and three ventilation modules positioned above and below the façade. The façade system proposed was movable and interchangeable so that the same basic model could be used to test the possibilities for ventilation. Wind speed measurements were taken inside and outside the model for the different façades configurations to evaluate the best performance in relation to natural ventilation. Singleâ sided and Cross ventilation were considered for wind speed measurements. Results show the use of six ventilation modules positioned below the window-sill, forming "a ventilated window-sill" is the best solution in terms of natural ventilation.

Desenvolvimento e otimização do projeto mecatrónico para um Tribómetro Linear

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Mecânica