Centralized Motion Control of a Linear Tooth Belt Drive: Analysis of the Performance and Limitations

A centralized robust position control for an electrical driven tooth belt drive is designed in this doctoral thesis. Both a cascaded control structure and a PID based position controller are discussed. The performance and the limitations of the system are analyzed and design principles for the mechanical structure and the control design are given. These design principles are also suitable for most of the motion control applications, where mechanical resonance frequencies and control loop delays are present. One of the major challenges in the design of a controller for machinery applications is that the values of the parameters in the system model (parameter uncertainty) or the system model it self (non-parametric uncertainty) are seldom known accurately in advance. In this thesis a systematic analysis of the parameter uncertainty of the linear tooth beltdrive model is presented and the effect of the variation of a single parameter on the performance of the total system is shown. The total variation of the model parameters is taken into account in the control design phase using a Quantitative Feedback Theory (QFT). The thesis also introduces a new method to analyze reference feedforward controllers applying the QFT. The performance of the designed controllers is verified by experimentalmeasurements. The measurements confirm the control design principles that are given in this thesis.

Design and analysis of a transversal-flux switched-reluctance-linear-machine pole-pair

The Switched Reluctance technology is probably best suited for industrial low-speed or zerospeed applications where the power can be small but the torque or the force in linear movement cases might be relatively high. Because of its simple structure the SR-motor is an interesting alternative for low power applications where pneumatic or hydraulic linear drives are to be avoided. This study analyses the basic parts of an LSR-motor which are the two mover poles and one stator pole and which form the “basic pole pair” in linear-movement transversal-flux switchedreluctance motors. The static properties of the basic pole pair are modelled and the basic design rules are derived. The models developed are validated with experiments. A one-sided one-polepair transversal-flux switched-reluctance-linear-motor prototype is demonstrated and its static properties are measured. The modelling of the static properties is performed with FEM-calculations. Two-dimensional models are accurate enough to model the static key features for the basic dimensioning of LSRmotors. Three-dimensional models must be used in order to get the most accurate calculation results of the static traction force production. The developed dimensioning and modelling methods, which could be systematically validated by laboratory measurements, are the most significant contributions of this thesis.

Towards input/output-free modelling of linear infinite-dimensional systems in continuous time

This dissertation describes a networking approach to infinite-dimensional systems theory, where there is a minimal distinction between inputs and outputs. We introduce and study two closely related classes of systems, namely the state/signal systems and the port-Hamiltonian systems, and describe how they relate to each other. Some basic theory for these two classes of systems and the interconnections of such systems is provided. The main emphasis lies on passive and conservative systems, and the theoretical concepts are illustrated using the example of a lossless transfer line. Much remains to be done in this field and we point to some directions for future studies as well.

Problemas com o uso de programação linear com posterior arredondamento da solução ótima, em regulação florestal

O principal objetivo deste trabalho foi avaliar, com a ajuda da Programação Inteira, as conseqüências do uso da Programação Linear com posterior arredondamento das respostas, com ênfase na regulação de florestas eqüiâneas. Para isto, um problema de regulação florestal simplificado foi idealizado e resolvido pelo modelo I, por meio de Programação Linear, Programação Linear com posterior arredondamento e Programação Inteira. Ao final, concluiu-se que o arredondamento das respostas obtidas pelo modelo resolvido por Programação Linear levou a uma solução inviável para o problema de regulação proposto. O mesmo não ocorreu com o modelo de Programação Inteira, que apresentou um plano de regulação factível e otimizado, mostrando que, do ponto de vista matemático, respostas com arredondamento da solução de modelos de Programação Linear não devem ser adotadas.

Combinação linear ponderada na definição de áreas prioritárias à conectividade entre fragmentos florestais em ambiente SIG

A fragmentação florestal de origem antrópica é um dos resultados do processo desordenado de uso e ocupação do solo, especialmente em paisagens intensamente cultivadas. Neste contexto, o presente trabalho objetivou definir áreas prioritárias, para favorecer a conectividade entre os fragmentos florestais, visando ações de recuperação florestal na Bacia do Rio Pardo, SP, utilizando a abordagem multicriterial denominada Combinação Linear Ponderada.Na definição dos critérios e, posteriormente, dos pesos de fatores, empregou-se a Técnica Participatória. Os fatores considerados importantes ao objetivo do trabalho foram: proximidade entre fragmentos de maior área nuclear, proximidade da cobertura florestal, proximidade da rede hidrográfica, distância aos centros urbanos, declividade, erodibilidade do solo. Considerando que as variáveis que interferem na escolha de áreas prioritárias à restauração florestal na Bacia do Rio Pardo-SP contribuem com pesos diferenciados no processo final de decisão, estabeleceu-se uma hierarquia, de acordo com a importância de cada fator para a aptidão da área. O fator de maior peso foi proximidade entre fragmentos de maior área nuclear (0,3713), seguido de proximidade da cobertura florestal (0,1911), proximidade da rede hidrográfica (0,1516), distância aos centros urbanos (0,1168), declividade (0,0840) e erodibilidade (0,0854).O resultado obtido foi um mapa de áreas prioritárias, com cinco graus de prioridade. A priorização de áreas ocorreu de maneira a promover, primeiro a união dos fragmentos de floresta com maior área nuclear e, a partir dessa união, a sucessiva expansão dessas regiões de prioridade muito alta tendendo a muito baixa. A metodologia mostrou-se adequada ao mapeamento de áreas prioritárias à restauração florestal, em bacias hidrográficas. Uma vez que fragmentos com maiores áreas nucleares sejam conectados com fragmentos pequenos, onde estes são predominantes na paisagem, estes promoverão a formação de fragmentos maiores a partir da formação de corredores florestais e da recomposição da vegetação.

Modelo de programação linear para seleção de pulverizadores agrícolas de barras

A seleção de pulverizadores agrícolas que se adaptem às necessidades da propriedade, é um processo trabalhoso, sendo uma das etapas mais importantes dentro do processo produtivo. O objetivo do presente trabalho foi o de desenvolver e utilizar um modelo de programação linear para auxiliar na seleção de pulverizadores agrícolas de barras, baseado no menor custo horário do equipamento. Foram utilizadas as informações técnicas referentes a 20 modelos de pulverizadores disponíveis no mercado, sendo quatro autopropelidos, oito de arrasto e oito do tipo montado. A análise de sensibilidade dos componentes dos custos operacionais mostrou que as taxas de reparo e depreciação foram os fatores que mais interferiram na variação do custo horário do conjunto trator-pulverizador. O modelo matemático desenvolvido facilitou a realização da análise de sensibilidade que foi processada em um tempo muito pequeno.

Relação entre índice de área foliar e frações de componentes puros do modelo linear de mistura espectral, usando imagens ETM+/Landsat

O índice de área foliar (IAF) é uma das mais importantes variáveis biofísicas da vegetação, estando relacionado diretamente com a evapotranspiração, com a produtividade da vegetação e com a interceptação da chuva pelo dossel. O objetivo deste trabalho foi analisar a relação do IAF de diversos tipos de cobertura do solo com Frações de Componentes Puros (FCPs) do Modelo Linear de Mistura Espectral (MLME). A área de estudo foi a microbacia hidrográfica do Ribeirão dos Marins, localizada no município de Piracicaba - SP. O IAF foi medido, no campo, com o equipamento LAI-2000, em 32 áreas com diferentes coberturas vegetais. A imagem utilizada foi do sensor ETM+ a bordo do satélite Landsat-7. No MLME, foram considerados três componentes puros (vegetação, solo e sombra), selecionados com o auxílio dos componentes principais. Como resultado, tem-se que o IAF variou de 0,47 a 4,48, quando consideradas todas as áreas. As relações do IAF com a fração do componente puro vegetação F VEG e com a fração do componente puro solo (F SOL) foram significativas, embora fracas. Ao considerar apenas dados de IAF de cana-de-açúcar, houve aumento da variação explicada tanto para F VEG como para F SOL, sugerindo que a estratificação da vegetação pelo tipo pode melhorar a estimativa do IAF.

Distribuição da carga hidráulica em linhas de derivação otimizadas por programação linear

A existência de diferentes combinações de uniformidade de emissão na unidade operacional com a declividade do terreno favorece a ocorrência de várias possibilidades de configurações no sistema de irrigação, por conseguinte de diferentes custos de implantação e de posterior manejo do sistema. Desde que bem dimensionado, consegue-se verificar, no sistema de irrigação localizada, que a otimização do sistema por meio da programação linear é a melhor metodologia frente aos outros métodos propostos na pesquisa operacional, visto que se encontra a solução ótima global para as variáveis preestabelecidas no dimensionamento. Este trabalho teve por objetivo, analisar a distribuição da carga hidráulica na linha de derivação, sob diferentes uniformidades de emissão e declividades do terreno, calculada por programação linear. Os resultados obtidos permitem análise consistente dos parâmetros hidráulicos da uniformidade de emissão preestabelecida para a linha de derivação. Observa-se, em todos os casos, comportamento decrescente de variação da carga hidráulica, ocorrendo em maior intensidade na seguinte ordem de uniformidade de emissão: 80% > 83% > 86% > 89% > 92%. Já os pontos de menor carga hidráulica, a 3% de declividade, encontram-se na décima primeira saída em todas as uniformidades de emissão testadas.

Computational modeling for irrigated agriculture planning. Part I: general description and linear programming

Linear programming models are effective tools to support initial or periodic planning of agricultural enterprises, requiring, however, technical coefficients that can be determined using computer simulation models. This paper, presented in two parts, deals with the development, application and tests of a methodology and of a computational modeling tool to support planning of irrigated agriculture activities. Part I aimed at the development and application, including sensitivity analysis, of a multiyear linear programming model to optimize the financial return and water use, at farm level for Jaíba irrigation scheme, Minas Gerais State, Brazil, using data on crop irrigation requirement and yield, obtained from previous simulation with MCID model. The linear programming model outputted a crop pattern to which a maximum total net present value of R$ 372,723.00 for the four years period, was obtained. Constraints on monthly water availability, labor, land and production were critical in the optimal solution. In relation to the water use optimization, it was verified that an expressive reductions on the irrigation requirements may be achieved by small reductions on the maximum total net present value.

Comparison of maps of spatial variability of soil resistance to penetration constructed with and without covariables using a spatial linear model

A study about the spatial variability of data of soil resistance to penetration (RSP) was conducted at layers 0.0-0.1 m, 0.1-0.2 m and 0.2-0.3 m depth, using the statistical methods in univariate forms, i.e., using traditional geostatistics, forming thematic maps by ordinary kriging for each layer of the study. It was analyzed the RSP in layer 0.2-0.3 m depth through a spatial linear model (SLM), which considered the layers 0.0-0.1 m and 0.1-0.2 m in depth as covariable, obtaining an estimation model and a thematic map by universal kriging. The thematic maps of the RSP at layer 0.2-0.3 m depth, constructed by both methods, were compared using measures of accuracy obtained from the construction of the matrix of errors and confusion matrix. There are similarities between the thematic maps. All maps showed that the RSP is higher in the north region.

Correlação linear e espacial entre produtividade de Brachiaria brizantha, densidade do solo e porosidade total em função do sistema de manejo do solo

A densidade e a porosidade são propriedades físicas do solo que são alteradas em função do sistema de manejo utilizado, com consequente influência sobre a produtividade das culturas. A produtividade da planta forrageira, Brachiaria brizantha, em função da densidade do solo e da porosidade total foi analisada em dois sistemas de manejo de solo, em experimento conduzido no segundo semestre de 2009, no município de Santa Teresa, no Estado do Espírito Santo. O objetivo foi estudar a variabilidade e as correlações lineares e espaciais entre os atributos da planta e do solo, visando a selecionar um indicador da qualidade física do solo de boa representatividade para produtividade de forragem. Marcaram-se duas parcelas de 40 m por 50 m a cada 5 m, em duas direções, resultando em um reticulado retangular de 99 pontos, em cada um dos sistemas utilizados: preparo convencional e plantio direto. Os atributos estudados, além de não terem variado aleatoriamente, apresentaram variabilidade dos dados entre média e alta, e seguiram padrões espaciais bem definidos, com alcance entre 20,3 e 24,2 m. Por sua vez, a correlação linear entre o atributo da planta e os do solo, em função do elevado número de observações, foi baixa. A melhor correlação para produtividade de matéria seca foi com a densidade do solo na profundidade de 0,0 - 0,15 m, independentemente do sistema de manejo do solo, indicando que a produtividade e a densidade do solo são inversamente proporcionais. Portanto, a densidade do solo avaliada na camada de 0,0 - 0,15 m apresentou-se como satisfatório indicador da qualidade física do solo, quando se considerou a produtividade da forrageira.

Influência local em um modelo espacial linear da produtividade da soja utilizando distribuição t-Student

O uso das ferramentas da geoestatística, aliadas à agricultura de precisão permitem o acompanhamento das áreas agrícolas produtoras de soja, estabelecendo as relações de dependência espacial entre os pontos amostrados. A modelagem da estrutura de variabilidade espacial possibilita a construção de mapas temáticos dos atributos estudados, utilizando como método de interpolação a krigagem. Porém, a presença de valores atípicos entre os elementos amostrais pode influenciar na construção e interpretação desses mapas. A distribuição de probabilidades t-Student tem sido utilizada na tentativa de diminuir a influência dos valores atípicos durante a estimativa dos parâmetros de dependência espacial, por ter caudas mais pesadas que a distribuição normal. A detecção dos valores influentes na área em estudo, por meio da análise de diagnósticos de influência local, confere maior confiabilidade na utilização dos mapas gerados, corroborando a aplicação de insumos. Deste modo, o objetivo deste trabalho foi aplicar as técnicas de influência local em dados espacialmente referenciados, com os modelos de perturbação aditiva e utilizando a matriz escala, considerando a distribuição t-Student n-variada. Foi utilizado um modelo espacial linear para o estudo de dados da produtividade da soja em função da altura média de plantas e do número médio de vagens por planta. As técnicas de influência local foram eficientes para detectar pontos que influenciam na escolha do modelo geoestatístico, nas estimativas dos parâmetros e na construção do mapa temático.

Anastomose esôfago-jejunal látero-lateral com grampeador linear cortante complementada por sutura manual

One of the most difficult procedures in digestive-tract surgery is esophago-jejunal anastomosis following total gastrectomy. Cost/benefit analysis of this procedure justifies the use of mechanical staplers, in spite of their high cost. A technical variant of the side-to-side esophago-jejunal anastomosis is presented, which incorporates the use of a cutting linear stapler. Technical maneuvers are easy to perform, the cost of the cutting linear stapler is smaller than the circular ones, the amplitude of the anastomosis is wider and the likelihood of fistulae is smaller when compared to other techniques. The side-to-side esophago-jejunal anastomosis with the cutting linear stapler is always complemented by a manual suture.