Engineering real-time applications with WorldFIP: tools and analysis

WorldFIP is standardised as European Norm EN 50170 - General Purpose Field Communication System. Field communication systems (fieldbuses) started to be widely used as the communication support for distributed computer-controlled systems (DCCS), and are being used in all sorts of process control and manufacturing applications within different types of industries. There are several advantages in using fieldbuses as a replacement of for the traditional point-to-point links between sensors/actuators and computer-based control systems. Indeed they concern economical ones (cable savings) but, importantly, fieldbuses allow an increased decentralisation and distribution of the processing power over the field. Typically DCCS have real-time requirements that must be fulfilled. By this, we mean that process data must be transferred between network computing nodes within a maximum admissible time span. WorldFIP has very interesting mechanisms to schedule data transfers. It explicit distinguishes to types of traffic: periodic and aperiodic. In this paper we describe how WorldFIP handles these two types of traffic, and more importantly, we provide a comprehensive analysis for guaranteeing the real-time requirements of both types of traffic. A major contribution is made in the analysis of worst-case response time of aperiodic transfer requests.

Red light (Processo contra-ordenacional em meio urbano)

Devido ao acréscimo significativo de viaturas e peões nas grandes cidades foi necessário recorrer aos mecanismos existentes para coordenar o tráfego. Nesta perspectiva surge a implementação de semáforos com o objectivo de ordenar o tráfego nas vias rodoviárias. A gestão de tráfego, tem sido sujeita a inovações tanto ao nível dos equipamentos, do software usado, gestão centralizada, monitorização das vias e na sincronização semafórica, sendo possível a criação de programas ajustados às diferentes exigências de tráfego verificadas durante as vinte e quatro horas para pontos distintos da cidade. Conceptualmente foram elaborados estudos, com o objectivo de identificar a relação entre a velocidade o fluxo e o intervalo num determinado intervalo de tempo, bem como a relação entre a velocidade e a sinistralidade. Até 1995 Portugal era um dos países com maior número de sinistros rodoviários Na sequência desta evolução foram instalados radares de controlo de velocidade no final de 2006 com o objectivo de obrigar ao cumprimento dos limites de velocidade impostos pelo código da estrada e reduzir a sinistralidade automóvel na cidade de Lisboa. Passados alguns anos sobre o investimento realizadoanteriormente, constatamos que existe a necessidade de implementar novas tecnologias na detecção das infracções, sejam estas de excesso de velocidade ou violação do semáforo vermelho (VSV), optimizar a informação disponibilizada aos automobilistas e aos peões, coordenar a interacção entre os veículos prioritários e os restantes presentes na via, dinamizar a gestão interna das contra ordenações, agilizar os procedimentos informatizar a recolha deinformação de modo a tornar os processos mais céleres.

Optimising protocol of acquisition and post-processing procedures in the assessment of coronary artery disease by computed tomography

Coronary artery disease (CAD) is currently one of the most prevalent diseases in the world population and calcium deposits in coronary arteries are one direct risk factor. These can be assessed by the calcium score (CS) application, available via a computed tomography (CT) scan, which gives an accurate indication of the development of the disease. However, the ionising radiation applied to patients is high. This study aimed to optimise the protocol acquisition in order to reduce the radiation dose and explain the flow of procedures to quantify CAD. The main differences in the clinical results, when automated or semiautomated post-processing is used, will be shown, and the epidemiology, imaging, risk factors and prognosis of the disease described. The software steps and the values that allow the risk of developingCADto be predicted will be presented. A64-row multidetector CT scan with dual source and two phantoms (pig hearts) were used to demonstrate the advantages and disadvantages of the Agatston method. The tube energy was balanced. Two measurements were obtained in each of the three experimental protocols (64, 128, 256 mAs). Considerable changes appeared between the values of CS relating to the protocol variation. The predefined standard protocol provided the lowest dose of radiation (0.43 mGy). This study found that the variation in the radiation dose between protocols, taking into consideration the dose control systems attached to the CT equipment and image quality, was not sufficient to justify changing the default protocol provided by the manufacturer.

Distributed computing for the factory-floor: a real-time approach using WorldFIP networks

Field communication systems (fieldbuses) are widely used as the communication support for distributed computer-controlled systems (DCCS) within all sort of process control and manufacturing applications. There are several advantages in the use of fieldbuses as a replacement for the traditional point-to-point links between sensors/actuators and computer-based control systems, within which the most relevant is the decentralisation and distribution of the processing power over the field. A widely used fieldbus is the WorldFIP, which is normalised as European standard EN 50170. Using WorldFIP to support DCCS, an important issue is “how to guarantee the timing requirements of the real-time traffic?” WorldFIP has very interesting mechanisms to schedule data transfers, since it explicitly distinguishes periodic and aperiodic traffic. In this paper, we describe how WorldFIP handles these two types of traffic, and more importantly, we provide a comprehensive analysis on how to guarantee the timing requirements of the real-time traffic.

Análise do sistema de tratamento de efluentes gasosos de uma central de valorização energética de resíduos sólidos urbanos

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre Em Engenharia Química e Biológica Ramo de processos Químicos

Modellus: Learning Physics with Mathematical Modelling

Tese de doutoramento em Ciências da Educação, área de Teoria Curricular e Ensino das Ciências

Fractional order modelling of fractional-order holds

Discrete time control systems require sample- and-hold circuits to perform the conversion from digital to analog. Fractional-Order Holds (FROHs) are an interpolation between the classical zero and first order holds and can be tuned to produce better system performance. However, the model of the FROH is somewhat hermetic and the design of the system becomes unnecessarily complicated. This paper addresses the modelling of the FROHs using the concepts of Fractional Calculus (FC). For this purpose, two simple fractional-order approximations are proposed whose parameters are estimated by a genetic algorithm. The results are simple to interpret, demonstrating that FC is a useful tool for the analysis of these devices.

O controlo interno nos serviços e fundos autónomos

Mestrado em Auditoria

Fractional dynamics in financial indexes

The goal of this study is the analysis of the dynamical properties of financial data series from 32 worldwide stock market indices during the period 2000–2009 at a daily time horizon. Stock market indices are examples of complex interacting systems for which a huge amount of data exists. The methods and algorithms that have been explored for the description of physical phenomena become an effective background in the analysis of economical data. In this perspective are applied the classical concepts of signal analysis, Fourier transform and methods of fractional calculus. The results reveal classification patterns typical of fractional dynamical systems.

Analysis of financial data series using fractional Fourier transform and multidimensional scaling

The goal of this study is the analysis of the dynamical properties of financial data series from worldwide stock market indexes during the period 2000–2009. We analyze, under a regional criterium, ten main indexes at a daily time horizon. The methods and algorithms that have been explored for the description of dynamical phenomena become an effective background in the analysis of economical data. We start by applying the classical concepts of signal analysis, fractional Fourier transform, and methods of fractional calculus. In a second phase we adopt the multidimensional scaling approach. Stock market indexes are examples of complex interacting systems for which a huge amount of data exists. Therefore, these indexes, viewed from a different perspectives, lead to new classification patterns.

Multifunctional controller architecture for sold-state marx modulator based on FPGA

This paper proposes a multifunctional architecture to implement field-programmable gate array (FPGA) controllers for power converters and presents a prototype for a pulsed power generator based on a solid-state Marx topology. The massively parallel nature of reconfigurable hardware platforms provides very high processing power and fast response times allowing the implementation of many subsystems in the same device. The prototype includes the controller, a failure detection system, an interface with a safety/emergency subsystem, a graphical user interface, and a virtual oscilloscope to visualize the generated pulse waveforms, using a single FPGA. The proposed architecture employs a modular design that can be easily adapted to other power converter topologies.

Optimal tuning of fractional controllers using genetic algorithms

This study addresses the optimization of fractional algorithms for the discrete-time control of linear and non-linear systems. The paper starts by analyzing the fundamentals of fractional control systems and genetic algorithms. In a second phase the paper evaluates the problem in an optimization perspective. The results demonstrate the feasibility of the evolutionary strategy and the adaptability to distinct types of systems.

Tuning and application of integer and fractional order PID controllers

Fractional calculus (FC) is widely used in most areas of science and engineering, being recognized its ability to yield a superior modeling and control in many dynamical systems. In this perspective, this article illustrates two applications of FC in the area of control systems. Firstly, is presented a methodology of tuning PID controllers that gives closed-loop systems robust to gain variations. After, a fractional-order PID controller is proposed for the control of an hexapod robot with three dof legs. In both cases, it is demonstrated the system's superior performance by using the FC concepts.

Controlo de um robô autónomo através de redes neuronais

Neste trabalho pretende-se introduzir os conceitos associados às redes neuronais e a sua aplicação no controlo de sistemas, neste caso na área da robótica autónoma. Foi utilizado um AGV de modo a testar experimentalmente um controlo através de uma rede neuronal artificial. A grande vantagem das redes neuronais artificiais é estas poderem ser ensinadas a funcionarem como se pretende. A partir desta caraterística foram efetuadas duas abordagens na implementação do AGV disponibilizado. A primeira abordagem ensinava a rede neuronal a funcionar como o controlo por lógica difusa que foi implementado no AGV aquando do seu desenvolvimento. A segunda abordagem foi ensinar a rede neuronal artificial a funcionar a partir de dados retirados de um controlo remoto simples implementado no AGV. Ambas as abordagens foram inicialmente implementadas e simuladas no MATLAB, antes de se efetuar a sua implementação no AGV. O MATLAB é utilizado para efetuar o treino das redes neuronais multicamada proactivas através do algoritmo de treino por retropropagação de Levenberg-Marquardt. A implementação de uma rede neuronal artificial na primeira abordagem foi implementada em três fases, MATLAB, posteriormente linguagem de programação C no computador e por fim, microcontrolador PIC no AGV, permitindo assim diferenciar o desenvolvimento destas técnicas em várias plataformas. Durante o desenvolvimento da segunda abordagem foi desenvolvido uma aplicação Android que permite monitorizar e controlar o AGV remotamente. Os resultados obtidos pela implementação da rede neuronal a partir do controlo difuso e do controlo remoto foram satisfatórios, pois o AGV percorria os percursos testados corretamente, em ambos os casos. Por fim concluiu-se que é viável a aplicação das redes neuronais no controlo de um AGV. Mais ainda, é possível utilizar o sistema desenvolvido para implementar e testar novas RNA.

Interface IP-KNX para um sistema de controlo domótico

São vários os factores sociais e económicos que valorizam a aplicação de tecnologias de domótica em edifícios. No caso particular dos edifícios residenciais, a tendência dos seus utilizadores é a instalação de sistemas de controlo da segurança, do ambiente, de mecanismos de rega e de alarmes. Assim, seguindo a premissa do marketing, que identifica como uma boa prática a projecção de produtos / serviços que satisfaçam as necessidades inventariadas pelos seus utilizadores, este trabalho assenta na criação de um sistema domótico, controlado remotamente através de uma aplicação Android, que pretende, numa primeira instância, o controlo das lâmpadas de uma habitação. Neste trabalho é utilizado o protocolo KNX.TP para a comunicação dos dispositivos de domótica existentes no ISEP, que constituem o ambiente domótico deste trabalho. De forma a implementar o controlo remoto destes dispositivos via internet, este trabalho foca-se no desenvolvimento de uma interface IP-KNX, usando como hardware de controlo, um Arduino Mega 2560, uma placa de interface Ethernet para Arduino, a placa de integração KNX, e um servidor web com a linguagem PHP instalada. Para efeitos de demonstração, foi criada uma aplicação para o SO Android que controla as lâmpadas da rede KNX. Neste trabalho foram utilizadas várias linguagens de programação: C++ no firmware do Arduino, PHP no servidor web e JAVA + XML na aplicação Android.