Sba: Controle & Automação Sociedade Brasileira de Automatica, Volume: 22, Issue: 6, Published: 2011
  • Untitled document Editorial

    Feltrin, Antonio Padilha; Minussi, Carlos Roberto; Teixeira, Marcelo Carvalho Minhoto; Lázaro, Ruben Augusto Romero
  • Kinematic control of constrained robotic systems

    Freitas, Gustavo M.; Leite, Antonio C.; Lizarralde, Fernando

    Abstract in Portuguese:

    Este artigo considera o problema de controle de postura para sistemas robóticos com restrições cinemáticas. A ideia principal é considerar as restrições cinemáticas dos mecanismos a partir de suas equações estruturais, ao invés de usar explicitamente a equação de restrição. Um estudo de caso para robôs paralelos e robôs cooperativos é discutido baseado nos conceitos de cinemática direta, cinemática diferencial, singularidades e controle cinemático. Resultados de simulação, obtidos a partir de um mecanismo Four-Bar linkage, uma plataforma de Gough-Stewart planar e dois robôs cooperativos, ilustram a aplicabilidade e versatilidade da metodologia proposta.

    Abstract in English:

    This paper addresses the posture control problem for robotic systems subject to kinematic constraints. The key idea is to consider the kinematic constraints of the mechanisms from their structure equations, instead of explicitly using the constraint equations. A case study for parallel robots and cooperating redundant robots is discussed based on the following concepts: forward kinematics, differential kinematics, singularities and kinematic control. Simulations results, obtained with a Four-Bar linkage mechanism, a planar Gough-Stewart platform and two cooperating robots, illustrate the applicability and versatility of the proposed methodology.
  • Normalized statical analysis with frequency and load variation for the class-E converter based on piezoelectric transformers

    Engleitner, Raffael; Pinheiro, José Renes; Bisogno, Fábio Ecke; Radecker, Matthias; Yangy, Yujia

    Abstract in Portuguese:

    Os transformadores Piezoelétricos permitem o projeto de aplicações promissoras para fontes de alimentação até 100W, melhorando a eficiência, reduzindo o tamanho, facilitando a obtenção de grandes relações de transformação, além de proporcionar alta imunidade contra ruídos eletromagnéticos e interferências. Por apresentarem um modelo elétrico equivalente de característica ressonante, utilizam-se topologias de conversores ressonantes para projetar estes conversores, como por exemplo, a topologia Classe-E. Para facilitar a análise de conversores de ordem superior, pode-se utilizar um método de análise normalizado. O controle do conversor Classe-E utilizando transformadores piezoelétricos é implementado através da variação da freqüência e da razão cíclica de operação. O ganho estático é regulado através da variação da freqüência de chaveamento, e a razão cíclica muda para atender as condições de comutação suave para diferentes freqüências. Este artigo apresenta uma análise completa normalizada deste processo, incluindo variação normalizada da frequência e carga, permitindo escolher um ponto ótimo de projeto estático e avaliar seu comportamento com a variação de frequência, sem a necessidade de parâmetros de projeto. São mostrados resultados experimentais para um conversor abaixador de 3W, para uma entrada universal de 85-260VAC e saída de 6VDC, para validar a metodologia apresentada.

    Abstract in English:

    Piezoelectric transformers (PTs) allow the design of promising power supply applications, increasing efficiency, reducing size, facilitating the achievement of high transformation ratio, besides providing high immunity against electromagnetic noise. Due to the electrical equivalent model having resonant characteristics, some resonant topologies are used to build these power supplies, i.e. the Class-E converter. In order to make easier the analysis of high order converters, it's possible to use a normalized analysis method. The control of the Class-E converter using PTs is implemented through the switching frequency and duty cycle variation. The static gain is achieved though the switching frequency variation, while the duty cycle is adjusted with the purpose of achieving soft switching for different frequencies and loads. This paper shows a normalized analysis of this process, including a normalized frequency and load variation, without the need of design parameters. Experimental results for a 3W step-down converter are shown for a universal 85-260VAC input and out put voltage 6 V DC, to validate the proposed method.
  • Chaos theory applied to input space representation of autonomous neural network-based short-term load forecasting models

    Ferreira, Vitor Hugo; Silva, Alexandre Pinto Alves da

    Abstract in Portuguese:

    Após 1991, a literatura sobre previsão de carga passou a ser dominada por propostas baseadas em modelos neurais. Entretanto, um empecilho na aplicação destes modelos reside na possibilidade do ajuste excessivo dos dados, i.e, overfitting. O excesso de não-linearidade disponibilizado pelos modelos neurais de previsão de carga, que depende da representação do espaço de entrada, vem sendo ajustado de maneira heurística. Modelos autônomos incluindo técnicas automáticas e acopladas para seleção de entradas e controle de complexidade dos modelos foram propostos recentemente para previsão de carga em curto prazo. Entretanto, estas técnicas necessitam da especificação do conjunto inicial de entradas que será processado pelo modelo visando determinar aquelas mais relevantes. Este trabalho explora a teoria do caos como ferramenta de análise não-linear de séries temporais na definição automática do conjunto de atrasos de uma dada série de carga a serem utilizados como entradas de modelos neurais autônomos. Neste trabalho, inferência Bayesiana aplicada a perceptrons de múltiplas camadas e máquinas de vetores relevantes são utilizadas no desenvolvimento de modelos neurais autônomos.

    Abstract in English:

    After 1991, the literature on load forecasting has been dominated by neural network based proposals. However, one major risk in using neural models is the possibility of excessive training, i.e., data overfitting. The extent of nonlinearity provided by neural network based load forecasters, which depends on the input space representation, has been adjusted using heuristic procedures. The empirical nature of these procedures makes their application cumbersome and time consuming. Autonomous modeling including automatic input selection and model complexity control has been proposed recently for short-term load forecasting. However, these techniques require the specification of an initial input set that will be processed by the model in order to select the most relevant variables. This paper explores chaos theory as a tool from non-linear time series analysis to automatic select the lags of the load series data that will be used by the neural models. In this paper, Bayesian inference applied to multi-layered perceptrons and relevance vector machines are used in the development of autonomous neural models.
  • NEWAVE versus ODIN: comparison of stochastic and deterministic models for the long term hydropower scheduling of the interconnected brazilian system

    Zambelli, Mônica; Soares Filho, Secundino; Toscano, André Emilio; Santos, Erinaldo dos; Silva Filho, Donato da

    Abstract in Portuguese:

    Este artigo compara o modelo NEWAVE, uma abordagem baseada em programação dinâmica dual estocástica usada no Brasil para o planejamento da operação de médio prazo, com o modelo ODIN (Otimização de Despacho Interligado Nacional), uma abordagem determinística baseada em modelo de controle preditivo. A primeira adota uma representação agregada do sistema e aproximações lineares para possibilitar a aplicação da técnica de programação dinâmica ao sistema brasileiro. A última usa um algoritmo de otimização não linear considerando vazões futuras previstas com uma representação detalhada das usinas individualmente. Dados de fontes oficiais foram usados para formular um caso de estudo sobre o planejamento mensal de Janeiro de 2011 que considera os planos de expansão até dezembro de 2015. Os testes foram realizados por simulação utilizando 75 séries históricos de vazões. Em comparação com o planejamento fornecido pela abordagem estocástica em vigor, a abordagem determinística proposta apresentou desempenho superior devido ao uso mais eficiente dos recursos hídricos, levando a uma operação mais segura e econômica.

    Abstract in English:

    This paper compares the NEWAVE model, a stochastic dual dynamic programming based approach used in Brazil for the long term hydropower scheduling of the interconnected Brazilian power system, to the ODIN model (Optimal Dispatch for the Interconnected Brazilian National system), a deterministic approach based on model predictive control. The former adopts a composite representation of the hydro system and piecewise linear approximations to make the application of dynamic programming solution technique possible to the Brazilian system. The latter uses a nonlinear optimization algorithm considering predicted future inflows with a detailed representation of the individual power plants. Data from official sources were used to formulate a case study on the monthly operation planning of January 2011 that considers the projected expansion plans up to December 2015. Tests were performed by simulation using 75 historical inflow scenarios. In comparison to the scheduling provided by the stochastic approach, the proposed deterministic one was found to provide a superior performance due to the more efficient use of water resources, leading to a more secure and economic operation.
  • Applying global time Petri net analysis on the embedded software context

    Peres, Leticia Mara; Künzle, Luis Allan; Todt, Eduardo

    Abstract in Portuguese:

    Redes de Petri e suas propriedades algébricas são usadas para modelar e analisar sistemas envolvendo paralelismo, concorrência e sincronização. Este artigo apresenta uma aplicação da técnica de Tempo Global (GTT - global time technique) que é uma abordagem para construir grafos de classes de redes de Petri temporais baseada nos tempos relativo e global. Além da construção deste grafo de classes propomos uma análise de escalonabilidade do tipo temporal quantitativa para políticas de prioridade fixa e earliest deadline first (EDF). Propomos que a análise de cenários, ou a duração de itinerários de comportamento, de um sistema pode ser feita usando esta técnica.

    Abstract in English:

    This paper presents an application of Global Time technique (GTT) which is an approach to construct class graphs of Time Petri nets based on relative and global time. Besides the constructing of GTT class graph we propose a schedulability analysis of quantitative time type for fixed priority policies and Earliest Deadline First (EDF). We propose that analysis of scenarios, or behavior itineraries duration of a system, can be done using this approach.
  • Hammer impact test applied for fouling detection in pipelines

    Silva, Jaidilson Jó da; Neff, Franz Helmut; Lima, Antonio Marcus Nogueira; Rocha Neto, José Sérgio da

    Abstract in Portuguese:

    A detecção da incrustação em sistemas de dutos é um problema persistente e requer uma demanda pertinente para as indústrias químicas, petrolíferas, alimentícias e farmacêuticas. A incrustação é um processo de deposição de materiais sólidos dissolvidos orgânicos e outros materiais pesados nos fluidos transportados ou em suspensão sobre as superfícies das paredes internas em sistemas de transporte de fluidos. Este trabalho apresenta resultados da pesquisa de excitação do teste do martelo para análise de vibrações utilizando testes não-invasivos para detecção de incrustação em tubulações. Dados da vibração foram analizados na presença de uma camada de incrustação no interior dos tubos usando um acelerometro e um microfone para detecção. Com a análise dos resultados obtidos é possível detectar o processo de incrustação, nas tubulações monitoradas, com e sem condições de carga, utilizando um microfone e um acelerômetro como sensores.

    Abstract in English:

    The fouling detection in duct systems is a persistent problem and remains a relevant demand for the chemical, oil, food and pharmaceutical industries. The fouling is a deposition process of heavy organic and other dissolved solid materials in the transported fluids or suspensions onto inner wall surfaces in fluid transport systems. This work presents research results of hammer test for vibration analysis using non-invasive tests to fouling detection in pipelines. Data were taken from the vibration in presence of an inner pipe fouling layer using an accelerometer and a microphone for detection. With the analysis of the obtained results is possible to detect the fouling process, in the monitored pipelines, with and without load conditions, using a microphone and an accelerometer as sensors.
  • Sisal: a supervisory system for oil wells

    Soares, Lennedy C.; Maitelli, André L.; Medeiros, Adelardo A. D.

    Abstract in Portuguese:

    A elevação artificial na indústria de petróleo utiliza uma variedade de métodos e equipamentos de automação específicos para cada método. Os sistemas de supervisão para estes processos geralmente são dedicados a um único método e/ou a um único fabricante. Para evitar esse problema, foi desenvolvido o sistema de supervisão SISAL, concebido para supervisionar poços com diferentes métodos de elevação e diferentes equipamentos de automação. O SISAL está atualmente em operação em vários estados brasileiros. Este trabalho mostra como esse sistema foi desenvolvido e apresenta alguns detalhes dos módulos do SISAL que lidam com o método de elevação artificial denominado Plunger Lift.

    Abstract in English:

    Artificial lifting in oil industry uses a variety of methods and specific automation equipments for each method. Supervisory systems to these processes are usually specific for a unique method and/or for a unique manufacturer. To avoid this problem, it has been developed a supervisory system named SISAL, conceived for supervising wells with different lift methods and different automation equipments. SISAL is now in operation in several Brazilian states. This work shows how this system has been developed and presents some details of the SISAL's modules dealing with the artificial lift method called Plunger Lift.
  • Design of a general brain-computer interface

    Benevides, Alessandro B.; Sarcinelli-Filho, Mário; Bastos Filho, Teodiano F.

    Abstract in Portuguese:

    Este artigo apresenta a classificação de três tarefas mentais, usando o sinal de EEG e simulando um processo em tempo real, o que se convencionou chamar de técnica pseudo online. Um classificador bayesiano é usado para reconhecer as tarefas mentais, a extração de característica usa a densidade espectral de potência, e o mapa Sammon é usado para visualizar a separação de classes. A escolha do canal de EEG e da frequência de amostragem é baseada na divergência simétrica de Kullback-Leibler, e um modelo de reclassificação é proposto para estabilizar as classificações.

    Abstract in English:

    This paper presents the classification of three mental tasks, using the EEG signal and simulating a real-time process, what is known as pseudo-online technique. The Bayesian classifier is used to recognize the mental tasks, the feature extraction uses the Power Spectral Density, and the Sammon map is used to visualize the class separation. The choice of the EEG channel and sampling frequency is based on the Kullback-Leibler symmetric divergence and a reclassification model is proposed to stabilize the classifications.
  • Compact yet efficient hardware architecture for multilayer-perceptron neural networks

    Silva, Rodrigo Martins da; Mourelle, Luiza de Macedo; Nedjah, Nadia

    Abstract in Portuguese:

    Em termos computacionais, uma rede neural artificial (RNA) pode ser implementada em software ou em hardware, ou ainda de maneira híbrida, combinando ambos os recursos. O presente trabalho propõe uma arquitetura de hardware para a computação de uma rede neural do tipo perceptron com múltiplas camadas (MLP). Soluções em hardware tendem a ser mais eficientes do que soluções em software. O projeto em questão, além de explorar fortemente o paralelismo das redes neurais, permite alterações do número de entradas, número de camadas e de neurônios por camada, de modo que diversas aplicações de RNAs possam ser executadas no hardware proposto. Visando a uma redução de tempo do processamento aritmético, um número real é aproximado por uma fração de inteiros. Dessa forma, as operações aritméticas limitam-se a operações inteiras, executadas por circuitos combinacionais. Uma simples máquina de estados é demandada para controlar somas e produtos de frações. A função de ativação usada neste projeto é a sigmóide. Essa função é aproximada mediante o uso de polinômios, cujas operações são regidas por somas e produtos. Um teorema é introduzido e provado, permitindo a fundamentação da estratégia de cálculo da função de ativação. Dessa forma, reaproveita-se o circuito aritmético da soma ponderada para também computar a sigmóide. Essa re-utilização dos recursos levou a uma redução drástica de área total de circuito. Após modelagem e simulação para validação do bom funcionamento, a arquitetura proposta foi sintetizada utilizando recursos reconfiguráveis, do tipo FPGA. Os resultados são promissores.

    Abstract in English:

    There are several neural network implementations using either software, hardware-based or a hardware/software co-design. This work proposes a hardware architecture to implement an artificial neural network (ANN), whose topology is the multilayer perceptron (MLP). In this paper, we explore the parallelism of neural networks and allow on-thefly changes of the number of inputs, number of layers and number of neurons per layer of the net. This reconfigurability characteristic permits that any application of ANNs may be implemented using the proposed hardware. In order to reduce the processing time that is spent in arithmetic computation, a real number is represented using a fraction of integers. In this way, the arithmetics is limited to integer operations, performed by fast combinational circuits. A simple state machine is required to control sums and products of fractions. Sigmoid is used as the activation function in the proposed implementation. It is approximated by polynomials, whose underlying computation requires only sums and products. A theorem is introduced and proven so as to cover the arithmetic strategy of the computation of the activation function. Thus, the arithmetic circuitry used to implement the neuron weighted sum is reused for computing the sigmoid. this resource sharing decreased drastically the total area of the system. After modeling and simulation for functionality validation, the proposed architecture synthesized using reconfigurable hardware. The results are promising.
  • Stability analysis of Takagi-Sugeno fuzzy systems via LMI: methodologies based on a new fuzzy Lyapunov function

    Mozelli, Leonardo Amaral; Palhares, Reinaldo Martinez

    Abstract in Portuguese:

    A análise de estabilidade de sistemas fuzzy TS pode ser aprimorada com o uso de funções de Lyapunov fuzzy, uma vez que as mesmas são parametrizadas por funções de pertinência e podem definir melhor a característica variante no tempo de tais sistemas através do uso da informação relacionada à primeira derivada temporal das funções de pertinência. Neste trabalho uma função de Lyapunov fuzzy aperfeiçoada é usada com o intuito de se desenvolver condições de estabilidade que avaliam também a segunda derivada temporal das funções de pertinência, aprimorando a caracterização do aspecto variante no tempo de sistemas TS. Novos testes no formato de LMIs são desenvolvidos usando diferentes estratégias para incorporar tais derivadas e empregando algumas ferramentas numéricas que desacoplam as matrizes do sistema daquelas da função de Lyapunov fuzzy. Exemplos numéricos ilustram a eficácia dessas metodologias.

    Abstract in English:

    Stability analysis of TS fuzzy systems can be much improved by resorting to fuzzy Lyapunov functions, since they are parameterized by membership functions and can better characterize the time-varying feature of these systems by means of the information regarding the first time-derivative of the membership functions. In this paper an enhanced fuzzy Lyapunov function is used to develop stability conditions that evaluate also the second time-derivative of membership functions, improving the time-varying characterization of TS systems. By using diferent strategies to consider the information regarding such derivatives and employing some numerical tools that decouple system from Lyapunov function matrices new LMI tests are developed. Numerical examples illustrate the effectiveness of those methodologies.
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