On the application of optimal control techniques in lossy fieldbuses

The performance of real-time networks is under continuous improvement as a result of several trends in the digital world. However, these tendencies not only cause improvements, but also exacerbates a series of unideal aspects of real-time networks such as communication latency, jitter of the latency and packet drop rate. This Thesis focuses on the communication errors that appear on such realtime networks, from the point-of-view of automatic control. Specifically, it investigates the effects of packet drops in automatic control over fieldbuses, as well as the architectures and optimal techniques for their compensation. Firstly, a new approach to address the problems that rise in virtue of such packet drops, is proposed. This novel approach is based on the simultaneous transmission of several values in a single message. Such messages can be from sensor to controller, in which case they are comprised of several past sensor readings, or from controller to actuator in which case they are comprised of estimates of several future control values. A series of tests reveal the advantages of this approach. The above-explained approach is then expanded as to accommodate the techniques of contemporary optimal control. However, unlike the aforementioned approach, that deliberately does not send certain messages in order to make a more efficient use of network resources; in the second case, the techniques are used to reduce the effects of packet losses. After these two approaches that are based on data aggregation, it is also studied the optimal control in packet dropping fieldbuses, using generalized actuator output functions. This study ends with the development of a new optimal controller, as well as the function, among the generalized functions that dictate the actuator’s behaviour in the absence of a new control message, that leads to the optimal performance. The Thesis also presents a different line of research, related with the output oscillations that take place as a consequence of the use of classic co-design techniques of networked control. The proposed algorithm has the goal of allowing the execution of such classical co-design algorithms without causing an output oscillation that increases the value of the cost function. Such increases may, under certain circumstances, negate the advantages of the application of the classical co-design techniques. A yet another line of research, investigated algorithms, more efficient than contemporary ones, to generate task execution sequences that guarantee that at least a given number of activated jobs will be executed out of every set composed by a predetermined number of contiguous activations. This algorithm may, in the future, be applied to the generation of message transmission patterns in the above-mentioned techniques for the efficient use of network resources. The proposed task generation algorithm is better than its predecessors in the sense that it is capable of scheduling systems that cannot be scheduled by its predecessor algorithms. The Thesis also presents a mechanism that allows to perform multi-path routing in wireless sensor networks, while ensuring that no value will be counted in duplicate. Thereby, this technique improves the performance of wireless sensor networks, rendering them more suitable for control applications. As mentioned before, this Thesis is centered around techniques for the improvement of performance of distributed control systems in which several elements are connected through a fieldbus that may be subject to packet drops. The first three approaches are directly related to this topic, with the first two approaching the problem from an architectural standpoint, whereas the third one does so from more theoretical grounds. The fourth approach ensures that the approaches to this and similar problems that can be found in the literature that try to achieve goals similar to objectives of this Thesis, can do so without causing other problems that may invalidate the solutions in question. Then, the thesis presents an approach to the problem dealt with in it, which is centered in the efficient generation of the transmission patterns that are used in the aforementioned approaches.

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.

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

Controlo clássico vs. preditivo na regulação de frequência em sistemas de potência

Dissertação para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica Ramo Automação e Electrónica Industrial

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.

Sistema de Gestão Técnica Aplicado aos Sistemas de Rega

A cidade do Porto é uma das regiões do país onde é importante uma gestão sustentável e integrada dos recursos hídricos. A (re) utilização de água surge neste contexto como uma possível resposta na sua utilização como um recurso hídrico passível de ser usado beneficamente, permitindo a poupança de fontes de água convencionais e aumentando a disponibilidade dos recursos hídricos existentes para finalidades que requerem padrões de qualidade mais exigentes. O potencial desta prática no nosso país é enorme, considerando que o volume de água tratada descarregada no ano 2000 era suficiente para suprir 10% das necessidades em água para rega num ano seco, sem necessidade de armazenamento sazonal. Por outro lado, um sistema de rega, quando devidamente projetado e funcionando adequadamente, permite que a água seja aplicada com um caudal, duração e frequência que maximizam o consumo da água e nutrientes pela planta. Este projeto consiste no desenvolvimento de um Sistema de Gestão Técnica para o controlo do sistema de rega dos jardins do ISEP – Instituto Politécnico de Engenharia do Porto com recurso a um autómato programável (PLC). Pretende-se otimizar os consumos energéticos do sistema de rega tendo em conta os parâmetros de humidade, temperatura e velocidade do vento característicos do local a regar. Outros dos objetivos é controlar o processo de enchimento e de rega. Esta operação consiste no controlo das bombas e respetivos débitos e conhecimento dos caudais necessários. Pretende-se, igualmente, definir e colocar em marcha todo o equipamento necessário para a realização do projeto. Os dados coletados devem ser tratados de tal modo que possam ser realizadas análises diárias, mensais e/ou anuais. Neste trabalho foram efetuados os cálculos de dimensionamentos relativamente às necessidades hídricas da planta e necessidades de rega, entre outros.

Estudo para a optimização dos sistemas de climatização com vista à obtenção de um edifício com baixas necessidades energéticas em climatização

A presente tese tem como principal objectivo abordar o tema da eficiência energética em edifícios, no que se refere aos sistemas de climatização. O desenvolvimento deste projecto realizou-se em torno dos consumos energéticos dos diferentes sistemas de climatização estudados (e por conseguinte da envolvente do edifício), focando o cumprimento dos requisitos térmico e energéticos das normas vigentes (RCCTE e RSECE) em Portugal, tendo como objectivo identificar os parâmetros com maior impacto e a relação tendencial entre as soluções construtivas e tecnológicas adoptadas, sempre com o horizonte de maximizar a eficiência energética e diminuir a dependência face à energia primária e consequentemente a emissão de gases que provocam o efeito de estufa. É âmbito desta tese comparar diferentes tipos de sistemas de climatização a nível energético e torná-los os mais eficientes possíveis, para que também se possam tornar monetariamente aliciantes e aumentar o rácio entre benefício/custo. Para tal, numa primeira fase foi feito um estudo térmico da envolvente do edifício, tendo sido utilizado um software de simulação energética de edifícios acreditado pela norma ASHRAE 140-2004 para se poder compreender como o edifício se comportava ao longo do ano, e introduzir algumas correcções na respectiva envolvente, para baixar as potências térmicas/eléctricas dos equipamentos do sistema de AVAC. De seguida foram estudados três sistemas possíveis de climatização para o edifício, de modo a identificar o mais eficiente numa base anual, bem como a possibilidade de combinar o uso de fontes de energia renováveis com o intuito de satisfazer ao máximo as necessidades térmicas do edifício e, ainda, de minimizar o consumo de energia de origem não renovável. Por fim, para avaliar as diferentes potencialidades de cada sistema de climatização estudado, fez-se o respectivo estudo à sua viabilidade económica. Nas considerações finais da presente tese é realizado um estudo aos benefícios que uma possível alteração da arquitectura do edifício pode trazer no aumento da iluminação natural do mesmo integrado com um controlo da iluminação artificial necessária para os diferentes espaços climatizados. Os resultados obtidos foram comparados entre si e corrigir a envolvente exterior reduz os consumos energéticos do edifício em cerca de 11%. As medidas correctivas propostas no sistema de climatização base originam uma redução energética igual a 43%. A nível ambiental, é possível a redução do número de emissões de CO2 em cerca de 72.1%.