Control design for multicast-aware class-based networks

The expectations of citizens from the Information Technologies (ITs) are increasing as the ITs have become integral part of our society, serving all kinds of activities whether professional, leisure, safety-critical applications or business. Hence, the limitations of the traditional network designs to provide innovative and enhanced services and applications motivated a consensus to integrate all services over packet switching infrastructures, using the Internet Protocol, so as to leverage flexible control and economical benefits in the Next Generation Networks (NGNs). However, the Internet is not capable of treating services differently while each service has its own requirements (e.g., Quality of Service - QoS). Therefore, the need for more evolved forms of communications has driven to radical changes of architectural and layering designs which demand appropriate solutions for service admission and network resources control. This Thesis addresses QoS and network control issues, aiming to improve overall control performance in current and future networks which classify services into classes. The Thesis is divided into three parts. In the first part, we propose two resource over-reservation algorithms, a Class-based bandwidth Over-Reservation (COR) and an Enhanced COR (ECOR). The over-reservation means reserving more bandwidth than a Class of Service (CoS) needs, so the QoS reservation signalling rate is reduced. COR and ECOR allow for dynamically defining over-reservation parameters for CoSs based on network interfaces resource conditions; they aim to reduce QoS signalling and related overhead without incurring CoS starvation or waste of bandwidth. ECOR differs from COR by allowing for optimizing control overhead minimization. Further, we propose a centralized control mechanism called Advanced Centralization Architecture (ACA), that uses a single state-full Control Decision Point (CDP) which maintains a good view of its underlying network topology and the related links resource statistics on real-time basis to control the overall network. It is very important to mention that, in this Thesis, we use multicast trees as the basis for session transport, not only for group communication purposes, but mainly to pin packets of a session mapped to a tree to follow the desired tree. Our simulation results prove a drastic reduction of QoS control signalling and the related overhead without QoS violation or waste of resources. Besides, we provide a generic-purpose analytical model to assess the impact of various parameters (e.g., link capacity, session dynamics, etc.) that generally challenge resource overprovisioning control. In the second part of this Thesis, we propose a decentralization control mechanism called Advanced Class-based resource OverpRovisioning (ACOR), that aims to achieve better scalability than the ACA approach. ACOR enables multiple CDPs, distributed at network edge, to cooperate and exchange appropriate control data (e.g., trees and bandwidth usage information) such that each CDP is able to maintain a good knowledge of the network topology and the related links resource statistics on real-time basis. From scalability perspective, ACOR cooperation is selective, meaning that control information is exchanged dynamically among only the CDPs which are concerned (correlated). Moreover, the synchronization is carried out through our proposed concept of Virtual Over-Provisioned Resource (VOPR), which is a share of over-reservations of each interface to each tree that uses the interface. Thus, each CDP can process several session requests over a tree without requiring synchronization between the correlated CDPs as long as the VOPR of the tree is not exhausted. Analytical and simulation results demonstrate that aggregate over-reservation control in decentralized scenarios keep low signalling without QoS violations or waste of resources. We also introduced a control signalling protocol called ACOR Protocol (ACOR-P) to support the centralization and decentralization designs in this Thesis. Further, we propose an Extended ACOR (E-ACOR) which aggregates the VOPR of all trees that originate at the same CDP, and more session requests can be processed without synchronization when compared with ACOR. In addition, E-ACOR introduces a mechanism to efficiently track network congestion information to prevent unnecessary synchronization during congestion time when VOPRs would exhaust upon every session request. The performance evaluation through analytical and simulation results proves the superiority of E-ACOR in minimizing overall control signalling overhead while keeping all advantages of ACOR, that is, without incurring QoS violations or waste of resources. The last part of this Thesis includes the Survivable ACOR (SACOR) proposal to support stable operations of the QoS and network control mechanisms in case of failures and recoveries (e.g., of links and nodes). The performance results show flexible survivability characterized by fast convergence time and differentiation of traffic re-routing under efficient resource utilization i.e. without wasting bandwidth. In summary, the QoS and architectural control mechanisms proposed in this Thesis provide efficient and scalable support for network control key sub-systems (e.g., QoS and resource control, traffic engineering, multicasting, etc.), and thus allow for optimizing network overall control performance.

Management and Control of Water Supply Systems

The fast increase in the energy’s price has brought a growing concern about the highly expensive task of transporting water. By creating an hydraulic model of the Water Supply System’s (WSS) network and predicting its behaviour, it is possible to take advantage of the energy’s tariffs, reducing the total cost on pumping activities. This thesis was developed, in association with a technology transfer project called the E-Pumping. It focuses on finding a flexible supervision and control strategy, adaptable to any existent Water Supply System (WSS), as well as forecasting the water demand on a time period chosen by the end user, so that the pumping actions could be planned to an optimum schedule, that minimizes the total operational cost. The OPC protocol, associated to a MySQL database were used to develop a flexible tool of supervision and control, due to their adaptability to function with equipments from various manufacturers, being another integrated modular part of the E-Pumping project. Furthermore, in this thesis, through the study and performance tests of several statistical models based on time series, specifically applied to this problem, a forecasting tool adaptable to any station, and whose model parameters are automatically refreshed at runtime, was developed and added to the project as another module. Both the aforementioned modules were later integrated with an Graphical User Interface (GUI) and installed in a pilot application at the ADDP’s network. The implementation of this software on WSSs across the country will reduce the water supply companies’ running costs, improving their market competition and, ultimately, lowering the water price to the end costumer.

Genetic programming and bacterial algorithm for neural networks and fuzzy systems design

In the field of control systems it is common to use techniques based on model adaptation to carry out control for plants for which mathematical analysis may be intricate. Increasing interest in biologically inspired learning algorithms for control techniques such as Artificial Neural Networks and Fuzzy Systems is in progress. In this line, this paper gives a perspective on the quality of results given by two different biologically connected learning algorithms for the design of B-spline neural networks (BNN) and fuzzy systems (FS). One approach used is the Genetic Programming (GP) for BNN design and the other is the Bacterial Evolutionary Algorithm (BEA) applied for fuzzy rule extraction. Also, the facility to incorporate a multi-objective approach to the GP algorithm is outlined, enabling the designer to obtain models more adequate for their intended use.

Comparison of on-line learning algorithms for RBF models in greenhouse environmental control problems

The problem with the adequacy of radial basis function neural networks to model the inside air temperature as a function of the outside air temperature and solar radiation, and the inside relative humidity in an hydroponic greenhouse is addressed.

Instrumentação e controlo para regulação de pH em sistemas de cultivo de organismos aquáticos

A Ria Formosa é um tesouro ambiental sem paralelo, preservando uma fauna e flora únicas no mundo. A riqueza deste habitat é de enorme importância para a região, e extremamente apetecível para cientistas oriundos de todas as partes do globo, que aqui frequentemente se deslocam para conduzirem estudos científicos e experiências. O Centro de Ciências do Mar (CCMAR) da Universidade do Algarve (que inclui o Centro Experimental do Ramalhete) conduz estudos e experiências neste palco, estudos que são de inquestionável valor para o conhecimento e desenvolvimento científico. Um assunto que está a merecer a atenção da comunidade científica mundial nos últimos anos é a questão da acidificação dos oceanos. A diminuição gradual do pH das águas pode vir a ter graves repercussões nos ecossistemas marinhos, e o Centro Experimental do Ramalhete tem vindo a conduzir experiências com fauna e flora provenientes da Ria Formosa em águas com níveis de pH mais reduzido, condições que se prevê que os oceanos venham a ter no futuro. Os equipamentos de instrumentação e controlo a que o Centro tem acesso condicionam as experiências que ali são levadas a cabo pelos investigadores, pelo que o desenvolvimento de equipamentos adequados incorporando tecnologias apropriadas permitiria a realização de novas e melhores experiências no campo da biologia marinha. Ao nível do controlo existe uma lacuna no mercado, entre controladores para aquariofilia demasiado simples e controladores industriais demasiado dispendiosos e complexos. Esta dissertação pretende colmatar essa lacuna através do desenvolvimento de um protótipo de um sistema distribuído microcontrolado para aquisição de dados e controlo de pH que vá ao encontro das necessidades dos investigadores do Centro e que se pretende simples, modular, flexível, económico e expansível no futuro. O foco centra-se no desenvolvimento da instrumentação necessária para as medições de temperatura e pH, e depois no estudo de uma malha de controlo PID utilizando como base um modelo do sistema obtido através de resultados experimentais, para o controlo automático do pH.

Coletores de distribuição e sua otimização hidráulica, aplicados a uma instalação de produção de água arrefecida em sistemas de AVAC ( Fórum Picoas)

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Mecânica

Projecto de saneamento do sub-sistema da Ericeira: interceptor, emissários e sistemas elevatórios: fase III: emissário da Quinta das Pedras, Fonte Boa dos Nabos, interceptor do Outeirinho e desactivação da estação elevatória EE10

Relatório de Estágio para obtenção do grau de Mestre em Engenharia na Área de Especialização em Edificações

Planeamento de curto prazo de sistemas de energia solar usando técnicas de otimização robusta

Dissertação para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica

Controlo e optimização de sistemas AVAC recorrendo a técnicas de inteligência artificial

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Mecânica

Optimal fuzzy PID control tuned with genetic algorithms

Fuzzy logic controllers (FLC) are intelligent systems, based on heuristic knowledge, that have been largely applied in numerous areas of everyday life. They can be used to describe a linear or nonlinear system and are suitable when a real system is not known or too difficult to find their model. FLC provide a formal methodology for representing, manipulating and implementing a human heuristic knowledge on how to control a system. These controllers can be seen as artificial decision makers that operate in a closed-loop system, in real time. The main aim of this work was to develop a single optimal fuzzy controller, easily adaptable to a wide range of systems – simple to complex, linear to nonlinear – and able to control all these systems. Due to their efficiency in searching and finding optimal solution for high complexity problems, GAs were used to perform the FLC tuning by finding the best parameters to obtain the best responses. The work was performed using the MATLAB/SIMULINK software. This is a very useful tool that provides an easy way to test and analyse the FLC, the PID and the GAs in the same environment. Therefore, it was proposed a Fuzzy PID controller (FL-PID) type namely, the Fuzzy PD+I. For that, the controller was compared with the classical PID controller tuned with, the heuristic Ziegler-Nichols tuning method, the optimal Zhuang-Atherton tuning method and the GA method itself. The IAE, ISE, ITAE and ITSE criteria, used as the GA fitness functions, were applied to compare the controllers performance used in this work. Overall, and for most systems, the FL-PID results tuned with GAs were very satisfactory. Moreover, in some cases the results were substantially better than for the other PID controllers. The best system responses were obtained with the IAE and ITAE criteria used to tune the FL-PID and PID controllers.

Sistemas de supervisão e controlo de autómatos: soluções baseadas em OPC E IEC 60870-5-104

Atualmente, no segmento metro-ferroviário, há uma tendência para que todos os equipamentos que constituem os sistemas auxiliares de uma estação (escadas mecânicas, elevadores, bloqueadores, validadores de bilhética, ventiladores, bombas, entre outros) sejam dotados de inteligência. Tipicamente, um conjunto de equipamentos são ligados a um autómato que permite o controlo local e remoto e é vulgar que, sendo de fabricantes diferentes, suportem tecnologias distintas. Um sistema de supervisão que permita o acesso à informação disponibilizada por cada um dos autómatos, ou à atuação sobre um deles, terá por isso que implementar e suportar diversos protocolos de comunicação de forma a não ficar limitado a um tipo de tecnologia. De forma a diminuir os custos de desenvolvimento e operação de um sistema de supervisão e controlo e facilitar a integração de novos equipamentos, com diferentes características, têm sido procuradas soluções que garantam uma mais fácil comunicação entre os diversos módulos intervenientes. Nesta dissertação são implementadas soluções baseadas em clientes OPC-DA e OPC-AE e no protocolo IEC 60870-5-104, permitindo que os sistemas de supervisão e de controlo comuniquem com os equipamentos através destes três módulos. Os principais aspectos inovadores estão associados à implementação de uma arquitetura multiprotocolo usando as novas tendências de supervisão e controlo baseadas em soluções distribuídas.

Sistemas e soluções pós-tensão na reabilitação de obras de arte

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Civil

Sistemas de fachadas em perfilaria de alumínio, painel compósito em Alucobond e estruturas metálicas

A memória descritiva do estágio transcreve e revela os conhecimentos adquiridos ao longo do curso e aplicados ao longo do estágio, bem como todos aqueles obtidos e aperfeiçoados no estágio, nomeadamente no que espeita a planeamento, controlo de custos, aprovisionamento, preparação dos materiais e elaboração de autos de medição. Para um melhor aprofundamento destes conceitos, foi proposto pela empresa, o acompanhamento técnico de duas obras, contudo, ambas distintas quer ao nível de materiais e execução. Primeiramente, é feita uma pequena apresentação da empresa assim como uma descrição global das duas obras que foram propostas pela empresa, para fazer o acompanhamento técnico ao longo do estágio Apresentados os traços gerais do estágio é realizada uma pequena exposição teórica dos dois principais elementos, alumínio e aço, constituintes dos principais materiais utilizados nas duas obras em acompanhamento, indicando alguns dados sobre o seu modo de produção e caracterização física e mecânica. Nos dois capítulos seguintes faz-se uma descrição dos principais trabalhos realizados em ambas as obras. Na obra da rua Alfredo do Guisado são enunciados todas as tarefas da produção e da preparação em oficina para aplicação em obra de uma fachada ventilada em painel compósito de Alucobond. No que respeita a obra da Caetano Parts é feito o enquadramento do acompanhamento técnico em todas as tarefas desempenhadas pelas oficinas, descrevendo todos os processos envolvidos desde a preparação, aprovisionamento, tratamento e montagem dos diferentes materiais em obra. Por fim, são apresentadas algumas considerações finais do estágio desenvolvido.

Dimensionamento de Sistemas de Compensação do Fator de Potência com Filtragem Passiva de Harmónicos

A eficiência energética tem um papel de importância crescente devido a questões ambientais e ao aumento dos custos energéticos. Recentemente foram tomadas medidas para regular o consumo e o fornecimento de energia reativa em Portugal, que tornaram mais rigorosas as condições de faturação. O custo crescente da energia e a implementação das smart grids apontam para um futuro de maior rigor sobre a utilização da energia reativa. Não será de estranhar que as regras de faturação sejam mais severas daqui a uns anos. O desenvolvimento tecnológico nas áreas da análise da energia e nas formas de controlo da compensação de energia reativa permitem resultados muito mais eficazes que aqueles apresentados pelos vulgares sistemas a contactores que constituem a maioria dos cenários. Apesar de terem um custo inicial superior, os sistemas de compensação do fator de potência com filtragem passiva de harmónicos, desde que projetados corretamente, trazem vantagens evidentes na sua exploração a longo prazo. Com este trabalho pretende-se promover a sensibilização para o uso de sistemas mais eficientes na compensação de energia reativa e para que estes sejam projetados mais à medida das necessidades de cada local. Também se demonstra a extrema importância da adequação destes sistemas à qualidade de energia do local, principalmente em termos de conteúdo harmónico. Desta forma, os sistemas serão mais flexíveis em termos de utilização e possibilitam a sua adaptação às necessidades mesmo que as regras de faturação de energia reativa se tornem mais rigorosas.

Aplicação de variadores de velocidade em sistemas de climatização

Por um lado vivemos numa sociedade cujos padrões de conforto são cada vez mais exigentes, por outro encontramo-nos numa era pautada por um certo declínio económico, social e também ambiental. Não se assumindo uma estratégia que limite ou diminua essas condições de conforto resta-nos atuar de forma a que os recursos utilizados para garantir esse mesmo conforto sejam utilizados da melhor forma possível. O setor dos edifícios é responsável por uma grande parcela de consumo de energia na sociedade atual, sendo que os sistemas de climatização que dele fazem parte, apresentam.se na maioria dos casos como os grandes consumidores de energia. Nesse sentido têm sido feitos esforços enormes no sentido de encontrar soluções que garantam a eficiência energética destes sistemas. O Variador Eletrónico de Velocidade apresenta-se como uma das soluções amplamente difundidas, na vertente do controle de processos e economia de energia. A sua aplicação em sistema de climatização é mais um desses casos. Nesse sentido, numa primeira parte é feito o estudo das características e funcionamento dos Variadores de Velocidade, Sistemas de Climatização e sua aplicação conjunta. Em seguida é realizada uma aplicação informática que pretende demonstrar a economia de energia garantida por aplicação de um Variador de Velocidade.