Sba: Controle & Automação Sociedade Brasileira de Automatica, Volume: 20, Issue: 4, Published: 2009
  • A wavelet-based multivariable approach for fault detection in dynamic systems

    Paiva, Henrique Mohallem; Galvão, Roberto Kawakami Harrop; Rodrigues, Luis

    Abstract in Portuguese:

    Este artigo apresenta uma extensão multivariável para uma técnica recentemente proposta de detecção de falhas baseada em wavelets. Na formulação original, a Transformada Wavelet Discreta é utilizada para realizar testes de consistência dinâmica entre pares de sinais dentro de faixas de freqüência. Para isso, são empregados modelos do tipo média móvel com termo integrativo para reproduzir a dinâmica do sistema em cada faixa considerada. O presente trabalho introduz uma nova arquitetura, que possibilita o uso de modelos em subbandas com estruturas multivariáveis mais gerais. Mais especificamente, uma estrutura ARX (autoregressiva com entrada exógena) multivariável é adotada para cada modelo em sub-bandas. A técnica proposta é ilustrada em um estudo de caso envolvendo um modelo de simulação não-linear para uma aeronave com falha de sensor. Os resultados mostram que a abordagem multivariável é superior à formulação original em termos de amplificação doresíduo após a ocorrência da falha.

    Abstract in English:

    This paper presents a multivariable extension to a recently proposed wavelet-based technique for fault detection. In the original formulation, the Discrete Wavelet Transform is used to carry out dynamic consistency checks between pairs of signals within frequency subbands. For this purpose, moving average models with an integrative term are employed to reproduce the dynamics of the system in each subband under consideration. The present work introduces a new architecture allowing the use of subband models with more general multivariable structures. More specifically, a multivariable ARX (autoregressive with exogenous input) structure is adopted for each subband model. The proposed technique is illustrated in a case study involving a nonlinear simulation model for an aircraft with a sensor fault. The results show that the multivariable approach outperforms the original formulation in terms of residue amplification following the fault onset.
  • Approach for non-linear predictive control based on the local model ideas

    Bravo, Claudio O. Ayala; Normey-Rico, Julio E.

    Abstract in Portuguese:

    Este artigo apresenta uma nova abordagem para o controle preditivo não linear no contexto dos modelos locais. O algoritmo de controle proposto usa um modelo não linear (MNL) da planta para simular internamente o comportamento do processo. Quando se aplica uma mudança de set-point no processo, o algoritmo usa o MNL para identificar um modelo ARX linear. O procedimento de otimização é então executado usando este modelo linear e uma penalização variável do controle, determinada em função do ganho não linear do modelo identificado. O controle proposto é aplicado em al-guns processos simulados e também se apresentam comparações com outras técnicas de controle preditivo aplicadas a plantas não lineares disponíveis na literatura para ilustrar as principais vantagens da metodologia proposta: simplicidade, baixo tempo de processamento computacional e comportamento dinâmico uniforme em todo o intervalo de operação da planta.

    Abstract in English:

    This paper presents a new approach for non-linear predictive control based on the local model ideas. The algorithm uses a non-linear (NL) model of the plant for internal simulation. When a change in the operating point is required this NL model is used to identify a linear ARX model of the process. The optimization procedure is then executed using this linear model and a control weighting factor adapted to the nonlinear model static gain obtained from the inverse static characteristic. The proposed controller is applied to some simulated NL process and the obtained results compared to some MPC algorithms recently presented in literature to show the main advantages of this new approach: simplicity, low processing time and uniform dynamic behaviour in the operating range.
  • Robustness analysis of nonlinear systems subject to state feedback linearization

    Rohr, Eduardo Rath; Pereira, Luís Fernando Alves; Coutinho, Daniel Ferreira

    Abstract in Portuguese:

    O artigo apresenta uma metodologia para a análise da estabilidade de uma classe de sistemas não-lineares incertos sujeitos à linearização por realimentação de estados. A abordagem proposta permite permite a análise de sistemas cujas não-linearidades possam ser expressas nas formas polinomial e racional. Utilizando decomposição em soma de quadrados, as condições de estabilidade são descritas em termos de desigualdades matriciais lineares, que possuem solução numérica eficiente. O método é ilustrado com um exemplo numérico.

    Abstract in English:

    This paper presents a methodology to the robust stability analysis of a class of single-input/single-output nonlinear systems subject to state feedback linearization. The proposed approach allows the analysis of systems whose nonlinearities can be represented in the rational (and polynomial) form. Through a suitable system representation, the stability conditions are described in terms of linear matrix inequalities, which is known to have a convex (numerical) solution. The method is illustrated via a numerical example.
  • Experimental evaluation of a cascade control technique with friction compensation for a flexible joint robot

    Ramires, A. R. G.; De Pieriy, E.R.; Guentherz, R.; Golinz, J. F.

    Abstract in Portuguese:

    Neste trabalho são apresentados resultados experimentais de seguimento de trajetória de posição de um robô manipulador com flexibilidade nas juntas. A estratégia de controle é baseada na metodologia do controle em cascata, dividindo o modelo do robô em dois subsistemas: o subsistema dos elos e o subsistema do rotor. Essa abordagem facilita a compensação do problema de atrito do subsistema mecânico ou dos elos. Usou-se para a compensação de atrito o modelo de LuGre. O principal objetivo da abordagem apresentada é fornecer um procedimento sistemático para identificação dos parâmetros do modelo de atrito e a análise de desempenho da estratégia proposta quando aplicada a um protótipo especialmente construído para testes experimentais.

    Abstract in English:

    This paper focuses on the experimental results of the position tracking control of a flexible joint robot manipulator. The applied control strategy is based on a well know cascade control methodology that divides the robot model into two subsystems: a link and a rotor subsystem. Thanks to this division a friction compensation based on the LuGre model is performed to the mechanical system. The main goal of the present work is to apply a systematic procedure to identify the friction model parameters and to analyse the control strategy performance when implemented to a robot prototype specially built for practical tests.
  • Class D Amplifier for Subwoofer Eletrônica De Potência

    Silva, Fabio V. R. da; Martins, Leandro dos S.; Vieira Júnior, João Batista; Coelho, Ernane A. A.; Freitas, Luiz Carlos de

    Abstract in Portuguese:

    Este artigo apresenta uma topologia de amplificador Classe D de potência adequado para operar com sub-woofer. A estrutura proposta não necessita de fonte de alimentação estabilizada e filtro passa baixas de saída como ocorre com os amplificadores Classe D tradicionais. Um protótipo de 1 kW foi implementado em laboratório obtendo-se rendimento superior a 90 % e THD inferior a 1 %. Roteiro de projeto, princípio de operação e estratégia de controle também são apresentados.

    Abstract in English:

    This paper proposal presents a high power Class-D audio amplifier for subwoofer applications with efficiency above 90%. A regulated dc voltage supply is not needed as well as a low pass output filter overcoming the disadvantages of ordinary Class-D audio amplifiers structures. A 1 kW laboratory prototype was implemented and it was found that efficiency above 90 % and THD below 1 % could be achieved. Detailed design guide lines, principle of operation analysis and control strategy are also included in this paper proposal.
  • Five-phase induction machine control with optimized air gap field Eletrônica De Potência

    Pereira, Luís A.; Scharlau, César C.; Pereira, Luís F. A.; Haffner, Sérgio

    Abstract in Portuguese:

    Apresenta-se neste artigo a formulação matemática de um modelo dinâmico para máquinas de indução pentafásicas. O modelo apresentado é baseado em componentes simétricas de valor instantâneo, resultando no desacoplamento das componentes fundamental e de terceiro harmônico da indução no entreferro A partir deste modelo obtém-se dois conjuntos de equações que correspondem a representação em variáveis de estados do efeito de cada um dos componentes harmônicos nas equações da máquina. Resultados de simulação baseados em uma técnica de controle do tipo V/f, a qual utiliza fatores de ponderação para as componentes harmônicas a fim de impor de uma forma de onda de indução trapezoidal no entreferro da máquina, são comprovados experimentalmente validando o modelo proposto.

    Abstract in English:

    This paper presents the mathematical formulation of a dynamic model of five-phase induction machines. The model is based on symmetrical components of instantaneous value, decoupling the effects of the fundamental and the third harmonic air gap induction components. Through this model, two sets of dynamic equations are obtained, corresponding to the fundamental and the third harmonic state space representations of the machine equations. Simulation results are obtained employing a modified V/f control technique, which uses weighting factors for each harmonic component in order to impose a trapezoidal induction waveform in the air gap of the machine. The simulation results are validated by practical tests.
  • Performance evaluation of the loss of excitation protection methods in synchronous generator Sistemas Elétricos De Potência

    Morais, Adriano Peres de; Cardoso Jr, Ghendy; Mariotto, Lenois

    Abstract in Portuguese:

    Este trabalho visa avaliar o desempenho dos métodos de proteção contra a perda de excitação em geradores síncronos. As técnicas são apresentadas de forma a tornar disponível em um único texto as diversas maneiras de se proteger o gerador síncrono contra a perda do seu sistema de excitação. Os métodos foram avaliados por meio de simulações computacionais de perda de excitação e oscilação estável de potência. Como estes possuem ajustes que dependem dos parâmetros do gerador protegido (Xd e X'd), a análise dos métodos foi realizada com três máquinas de parâmetros distintos.

    Abstract in English:

    This work aims to evaluate the performance of the loss of field protection methods in synchronous generators. The techniques are introduced to make available in a single text the various loss of field protection methods. The techiques were evaluated by means of computational simulations of loss of field and stable power oscillation. Due to the fact of having settings that depend on the parameters of the protected generator (Xd and X'd), it was performed a analysis with three machines of different parameters.
  • Optimal placement of capacitors in distribution networks to minimize voltage violations Sistemas Elétricos De Potência

    Haffner, Sérgio; Pereira, Luís Alberto; Gasperin, Leonardo Varaschin; Barreto, Lucio

    Abstract in Portuguese:

    Neste trabalho apresenta-se um modelo de otimização para o problema de alocação de bancos de capacitores em alimentadores de distribuição de energia elétrica. O modelo proposto apresenta função objetivo linear, restrições lineares e variáveis contínuas e binárias, sendo representado por um problema de programação linear inteira mista. Isto permite que a solução ótima de problemas reais possa ser obtida por intermédio de métodos de otimização clássica. Além disto, o modelo incorpora a definição simultânea do tap ótimo de operação dos transformadores de distribuição visando minimizar as violações nos limites de tensão, ampliando as possibilidades de ajuste. A função objetivo a ser minimizada representa os custos totais de investimento (aquisição, instalação e remoção) e de operação (manutenção e custos associados à violação dos limites de tensão). O modelo apresentado considera restrições operacionais, que descrevem a capacidade dos equipamentos, e restrições financeiras e lógicas, com o objetivo de reduzir o espaço de busca. A variação horária da carga é considerada por meio de um modelo simplificado que permite representar a característica individual de cada transformador de distribuição. O estado de operação dos bancos de capacitores automáticos é determinado juntamente com a solução do modelo, sendo estes equipamentos utilizados apenas quando necessário. A validade e a eficiência do modelo apresentado são comprovadas por intermédio de exemplos de aplicação em redes de distribuição de média tensão.

    Abstract in English:

    This paper presents a model to be applied to the optimal placement of capacitors in power distribution feeders. The proposed model has linear objective function, linear constraints, continous variables, and binary variables, being represented by a mixed integer linear programming. In this way, the optimal solution can be found faster and with less computational effort using methods suited for linear problems. In addition, the model allows the determination of the optimal tap for each distribution transformer thus minimizing voltage violations and at same time increasing the possibilities of tap adjustment. The objective function to be minimized represents the total cost of the investment (acquisition, installation and removal) and the operation costs (associated to maintenance and voltage violations). Operational constraints describing the equipment capacities are considered along with financial and logical constraints. These constraints are introduced to reduce the search space of the optimization procedure. The hourly load variation is considered through a simplified approach which allows to represent the specific transformer characteristics in an individual basis. The operation status of each capacitor bank is determined together with the solution of the optimization problem. Thus, these equipments are only switched on when they are actually needed. Finally, the proposed model is validated through an application example of a medium voltage distribution network, which also permits to assess the model overall performance.
  • Critical investigation of preconditioned GMRES via incomplete LU factorization applied to power flow simulation Sistemas Elétricos De Potência

    Pessanha, José E. O.; Portugal, Carlos; Saavedra, Osvaldo

    Abstract in Portuguese:

    Este artigo investiga causas associadas ao baixo desempenho de um pré-condicionador ILU e propõe uma metodologia para melhorar a sua qualidade e a taxa de convergência do método iterativo GMRES. O objetivo é solucionar o subproblema linear do fluxo de carga, com destaque para condições de carga pesada e de difícil convergência. A metodologia está baseada em duas etapas. Na primeira, um pré-condicionador é construído a partir da matriz Jacobiana da primeira iteração Newton-Raphson reordenada. A segunda etapa só é considerada se o GMRES falhar no início do processo de solução devido à baixa qualidade do pré-condicionamento. Nela, o processo é reiniciado e um pré-condicionador de melhor qualidade é construído a partir da matriz Jacobiana pré-processada via escalonamento e permutações não-simétricas e simétricas (reordenamento). A fim de amenizar o custo computacional associado a sua construção, uma estratégia para manter o pré-condicionador fixo sempre que possível é incluída. Experimentos numéricos corroboram a robustez numérica e a eficiência computacional da metodologia proposta.

    Abstract in English:

    This paper investigates the causes associated to the low performance of an ILU preconditioner and proposes a methodology to improve its quality and the GMRES iterative method convergence rate as well. The goal is solve the load flow sublinear problem, emphasizing heavy load scenarios of difficult convergence. The methodology is based on two steps. On the first one, a preconditioner is constructed based on the Jacobian matrix calculated and reordered at the first Newton-Raphson iteration. The second step is taking into account only in case of GMRES failure due to low quality preconditioning. The process is restarted an a better quality preconditioner is constructed based on the preprocessed Jacobian matrix through scaling and nonsymmetric and symmetric (reordering) permutations. In order to reduce the computational cost associated to the construction of the preconditioner, it is proposed a strategy for keeping it fixed as long as possible. Numerical experiments corroborate the numerical robustness and the computational efficiency of the proposed methodology.
  • HVDC modeling in frequency domain for harmonic analysis of unbalanced asynchronous systems Sistemas Elétricos De Potência

    Niquini, Filipe Magno Mayrink; Variz, Abilio Manuel; Pereira, José Luiz R.; Barbosa, Pedro G.; Carneiro Jr, Sandoval

    Abstract in Portuguese:

    Este trabalho propõe a modelagem de Elos de Corrente Contínua (HVDC, High Voltage Direct Current Link) para análise harmônica em sistemas elétricos de potência através de uma formulação no domínio da freqüência com representação completa e explícita dos sistemas CA e CC, bem como das características não-lineares dos conversores de potência. O desenvolvimento do modelo proposto é baseado no Método de Injeção de Correntes Trifásico Harmônico (MICTH) e permite a simulação sistêmica de redes CA com elo CC de alta complexidade, como sistemas com conversores de 12 pulsos e assíncronos. Os resultados das simulações do modelo proposto, no domínio da freqüência, foram validados a partir de comparações com resultados obtidos pelo ATP (Alternative Transients Program) no domínio do tempo.

    Abstract in English:

    This work proposes the modeling of High Voltage Direct Current Link (HVDC) for harmonic analysis in AC electrical power systems using frequency domain formulation with complete and explicit representation of the AC and DC networks, as well as, the converters non-linear characteristics and their harmonic interdependences. The proposed model development is based on the Three-phase Harmonic Current Injection Method (THCIM) and it allows the systemic simulation of AC networks with DC link of high complexity, as 12-pulse converter systems and asynchronous AC connection. The proposed model simulation results, in frequency domain, were validated against ATP (Alternative Transients Program) results, in time domain simulation.
  • Harmonic estimation technique for low-cost DSP implementation Processamento De Sinais

    Marques, Cristiano Augusto Gomes; Ribeiro, Moisés Vidal; Gomes, Pedro Henrique de Castro; Silva, Eduardo Antônio Barros da

    Abstract in Portuguese:

    Este trabalho aborda uma nova técnica para a estimação de harmônicos (amplitude e fase) com reduzida complexidade computacional para implementação em DSP. A técnica utiliza demodulação do sinal seguida de filtragem. Como resultado, estimações de harmônicos em 1/2, 1 e 2 ciclos da componente fundamental são obtidos. Resultados obtidos com sinais elétricos sintéticos e sinal real (medido) indicam que a técnica proposta é bastante interessante para implementação em DSP de baixo custo. A adequação da técnica para implementação em precisão finita é avaliada através da utilização do DSP TMS320F2812.

    Abstract in English:

    This work presents a new technique for harmonic estimation (amplitude and phase) with reduced complexity for DSP implementation. This makes use of demodulation followed by filtering approaches. As a result, harmonic estimations with 1/2, 1 and 2 cycles of the fundamental component are attained. Results obtained with synthetic and measured electric power signals indicate that this technique can be a very interesting one for low-cost DSP implementation. The suitability of finite-precision implementation of the proposed technique is presented and evaluated with DSP TMS320F2812.
  • A study on the application of bio-inspired algorithms to the problem of direction of arrival estimation Processamento De Sinais

    Boccato, Levy; Attux, Romis Ribeiro de Faissol; Krummenauer, Rafael; Lopes, Amauri

    Abstract in Portuguese:

    A solução clássica para o problema de estimação dos ângulos de chegada (DOA) de sinais incidindo em um arranjo de sensores é a aplicação do método de máxima verossimilhança. Este método leva ao problema de otimização de uma função custo não-linear, não-quadrática, multimodal e variante com a relação sinal-ruído (SNR). Os métodos propostos para tal tarefa, presentes na literatura, falham em uma ampla gama de valores de SNR. Este trabalho apresenta os resultados de um estudo sobre a aplicação de ferramentas pertencentes à computação natural ao problema de estimação DOA. Simulações demonstram que quatro dos algoritmos analisados alcançam o ótimo global para uma ampla faixa de valores de SNR, com esforços computacionais inferiores àquele exigido por uma busca exaustiva.

    Abstract in English:

    The classical solution to the problem of estimating the direction of arrival (DOA) of plane waves impinging on a sensor array is based on the application of the maximum likelihood method. This approach leads to the problem of optimizing a cost function which is non-linear, non-quadratic, multimodal and variant with respect to the signal-noise ratio (SNR). The methods proposed in the literature to solve this problem fail for a wide set of SNR values. This work presents the results obtained from a study on the application of natural computing algorithms to the DOA estimation problem. Computational simulations show that four of the analyzed algorithms find the global optimum for a broad range of SNR values with computational efforts lower than that associated with an exaustive search.
  • Characterization of bovine milk using ultrasound and artificial neural networks Redes Neurais

    Nazário, Sergio Luiz Sousa; Isepon, Jacira dos Santos; Buiochi, Flávio; Adamowski, Julio Cezar; Kitano, Cláudio; Higuti, Ricardo Tokio

    Abstract in Portuguese:

    O controle da qualidade de alimentos é muito importante para determinar as suas composições e teor nutritivo, bem como para detectar eventuais fraudes e adulterações, sejam elas em matérias-primas ou produtos industrializados. Por exemplo, o leite bovino pode sofrer adulteração por adição de outros produtos, com o objetivo de aumentar o volume ou prolongar o prazo de validade, causando prejuízos econômicos e sanitários. Este trabalho apresenta um estudo sobre a caracterização de leite fluido utilizando técnicas de ultra-som e redes neurais artificiais. Utilizou-se uma célula de medição de propriedades de líquidos por ultra-som para obter dados de densidade, velocidade de propagação e coeficiente de atenuação, que foram relacionados com as concentrações de gordura e água adicionada em amostras de leite bovino, obtidas com métodos convencionais utilizados em laticínios, para efeito de calibração das amostras. Esses dados foram utilizados para projetar redes neurais artificiais, que fornecem na saída o teor de gordura e a quantidade de água adicionada ao leite, a partir dos parâmetros medidos pela célula de medição. As redes neurais desenvolvidas resultaram em mais de 95% de amostras classificadas corretamente, com uma resolução de 0,1% na determinação da quantidade de gordura. Para quantidade de água adicionada, a resolução foi de 1% para 1 a 10% de água adicionada, e resolução de 5% para quantidade de água adicionada de 10 a 60%.

    Abstract in English:

    The quality control of food products is very important to determine their composition and nutrition facts, and to detect eventual frauds and adulterations in raw or industrialized products. For example, bovine milk can be adulterated by addition of foreign products, in order to increase the volume or to extend the expiration date, with economic and sanitary impacts. This work presents the characterization of milk using ultrasound and neural networks techniques. An ultrasonic measurement cell was used to obtain the propagation velocity, attenuation coefficient and density of milk liquid samples with different fat contents and added water. Samples were calibrated by using conventional methods employed in the dairy industry. Artificial neural networks were designed to output the fat content and added water of samples from the information of the experimental parameters measured by the cell. The algorithm resulted in more than 95% of correct classification, with resolution of 0.1% in the determination of fat content. For the determination of added water, the resolution was 1% (between 1 and 10% of added water) and 10% (between 10 and 60% of added water).
  • Requirements elcitation and communication in disjoint domains: case study in automation to surgical processes Automação De Processos

    Queiroz, Ricardo Alexandro de A.; Silva, José Reinaldo

    Abstract in Portuguese:

    O final do século passado foi marcado por um crescente intresse nas fases preliminares do processo de design, especificamente na fase de requisitos e definição do problema. Na área de automação, o gerenciamento de requisitos é determinante para o sucesso dos projetos, embora grande parte do esforço no desenvolvimento de técnicas e métodos ter sido direcionado para as fases posteriores: o design e a implementação. Por não serem formais, os processos de eliciação e análise de requisitos são subestimados por profissionais da área de automação, onde o formalismo é fundamental para a validação dos processos de controle, automação e supervisão. Em especial, quando os ambientes de desenvolvimeno e de aplicação são disjuntos, isto é, usuários e stakeholders pertencem a um domínio com pouca ou nenhuma interseção com a área da engenharia, informática e automação, os processos de eliciação e análise se tornam bastante complicados. Neste trabalho é apresentada uma proposta de sistematização do gerenciamento de requisitos para domínios disjuntos, adaptando técnicas já conhecidas ao processo de prototipagem virtual, consolidado após o início deste século. Um estudo de caso é apresentado onde o desenvolvimento se dá na área de Engenharia de Automação para aplicações em processos pertinentes à cirurgia de catarata. Para aproximar os domínios busca-se uma abordagem mais simplificada das técnicas de prototipagem virtual tornando o processo mais prático, sem no entanto abdicar do formalismo dos modelos. Os dados levantados foram obtidos com a colaboração do Hospital Santa Luzia, Salvador, Bahia, e do Instituto da Visão, UNIFESP, em São Paulo.

    Abstract in English:

    By the end of 1990 the academy has experienced a remarkable growing in the interest on early design phases pushed by mass customization. In what concerns automation, requirement is a keyword since the detachment in the mechatronic approach is just the design process, although most of the development effort is still directed to the last design phases: optimization and implementation. In general, control and automation designers underestimate requirements elicitation and analysis, mostly by its semiformal nature. That is understandable, since formal approaches are very important to processes that are supposed to be autonomous. Especially in the case where the developer and application environment are disjoints, that is, the domain of users and stakeholders is very distinct from the developer domain, elicitation could become a very complex process. In this work it is presented a systematic approach to requirements management in disjoint domains inspired in the known technique of virtual prototyping that appear in the 2000's. A case study is addressed were a requirement elicitation and analysis is made in the domain of medical (ophthalmologic) surgery. To approximate both domains (Medical and Engineering) it is used a practical reduction of the virtual prototyping techniques that makes the process applicable still keeping its soundness. All data used in this work came from an elicitation done at Santa Luzia Hospital, in Salvador, Bahia, and from the Instituto da Visão, UNIFESP, São Paulo.
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