<p>When doing recording work in the studio, disturbing sound must be removed. In this thesis, the purpose of this thesis is to formulate a mathematical equation, by using MATLAB to identify a system, then using the system to do cancellation of disturbing sound. The method of doing cancellation is to subtract the simulated output by the actual output, and then the disturbing sound was cancelled. The main thesis work will focus on the system identification, which is the process of determining the characteristic of an unknown system. Three systems were identified with the same model structure, which is linear (ARX) model. After finding out the model, the model quality must be evaluated. If the model is valid, there is a discussion if it is possible to run the mathematical equation in the real application, and how is the market today.</p>

When doing recording work in the studio, disturbing sound must be removed. In this thesis, the purpose of this thesis is to formulate a mathematical equation, by using MATLAB to identify a system, then using the system to do cancellation of disturbing sound. The method of doing cancellation is to subtract the simulated output by the actual output, and then the disturbing sound was cancelled. The main thesis work will focus on the system identification, which is the process of determining the characteristic of an unknown system. Three systems were identified with the same model structure, which is linear (ARX) model. After finding out the model, the model quality must be evaluated. If the model is valid, there is a discussion if it is possible to run the mathematical equation in the real application, and how is the market today.

Este trabalho avaliou o potencial da aplicação da técnica recursiva dos mínimos quadrados (MQR) para o ajuste em tempo atual dos parâmetros de modelos autorregressivos com variáveis exógenas (ARX), as quais são constituídas pelos níveis de montante para melhorar o desempenho das previsões de níveis fluviais em tempo atual. Três aspectos foram estudados em conjunto: variação do alcance escolhido para a previsão, variação da proporção da área controlada em bacias a montante e variação da área da bacia da seção de previsão. A pesquisa foi realizada em três dimensões principais: a) metodológica (sem recursividade; com recursividade; com recursividade e fator de esquecimento); b) temporal (6 alcances diferentes: 10, 24, 34, 48, 58 e 72 horas); e c) espacial (variação da área controlada da bacia e da área da bacia definida pela seção de previsão). A área de estudo escolhida para essa pesquisa foi a bacia do rio Uruguai com exutório no posto fluviométrico de Uruguaiana (190.000 km²) e as suas sub-bacias embutidas de Itaqui (131.000 km²), Passo São Borja (125.000km²), Garruchos (116.000 km²), Porto Lucena (95.200 km²), Alto Uruguai (82.300 km²) e Iraí (61.900 km²). Os dados de níveis fluviométricos, com leituras diárias às 07:00 e às 17:00 horas, foram fornecidos pela Companhia de Pesquisa de Recursos Minerais (CPRM), sendo utilizados os dados de 1/1/1991 a 30/6/2015. Para a análise de desempenho dos modelos, foi aplicado como estatística de qualidade o coeficiente de Nash-Sutcliffe (NS) e o quantil 0,95 dos erros absolutos (EA(0,95): erro que não foi ultrapassado com a frequência de 0,95). Observou-se que os erros EA(0,95) dos melhores modelos obtidos para cada bacia sempre aumentam com a redução da área controlada, ou seja, a qualidade das previsões diminui com o deslocamento da seção de controle de jusante para montante. O ganho na qualidade das previsões com a utilização dos recursos adaptativos torna-se mais evidente, especialmente quando observam-se os valores de EA(0,95), pois esta estatística é mais sensível, com diferenças maiores em relação ao coeficiente NS. Além disso, este é mais representativo para os erros maiores, que ocorrem justamente durante os eventos de inundações. De modo geral, foi observado que, à medida que diminui a área da bacia, é possível obter previsões com alcances cada vez menores. Porém a influência do tamanho da área controlada de bacias a montante melhora o desempenho de bacias menores quando se observam principalmente os erros EA(0,95). Por outro lado, se a proporção da bacia controlada de montante já é bastante grande, como é o caso das alternativas 1 e 2 utilizadas para previsão em Itaqui (entre 88,5% e 95,4 %, respectivamente), os recursos adaptativos não fazem muita diferença na obtenção de melhores resultados. Todavia, quando se observam bacias com menores áreas de montante controladas, como é o caso de Porto Lucena para a alternativa 2 (65% de área controlada), o ganho no desempenho dos modelos com a utilização dos recursos adaptativos completos (MQR+f.e: mínimos quadrados recursivos com fator de esquecimento) torna-se relevante. / This study evaluated the potential of the application of the recursive least squares technique (RLS) to adjust in real time the model parameters of the autoregressive models with exogenous variables (ARX), which consists of the upstream levels, to improve the performance of the forecasts of river levels in real time. Three aspects were studied jointly: the variation of the lead time chosen for the forecast, the variation in the proportion of controlled area in upstream basins and variation in the area of forecasting section of the basin. The research was conducted in three main dimensions: a) methodological (without recursion; with recursion; with recursion and forgetting factor); b) temporal (6 different lead times: 10, 24, 34, 48, 58 and 72 hours); and c) spatial (variation in the controlled area of the basin and the area of the basin defined by the forecast section). The study area chosen for this research was the Uruguay River basin with its outflow at the river gage station of Uruguaiana (190,000 km²) and its entrenched sub-basins in Itaqui (131,000 km²), Passo São Borja (125,000 km²), Garruchos (116,000 km²), Porto Lucena (95,200 km²), Alto Uruguai (82,300 km²), and Iraí (61,900 km²). The river levels data, with daily readings at 7am and 5pm, were provided by the Company of Mineral Resources Research (CPRM), with the data used from January 1, 1991 to June 30, 2015. We applied the Nash-Sutcliffe coefficient (NS) and the quantile 0.95 of absolute errors (EA(0,95): error has not been exceeded at the rate of 0.95) for the analysis of models performances. We observed that the errors EA(0.95) of the best models obtained for each basin always increase with the reduction of the controlled area then the quality of the forecasts decreases with displacement of the downstream control section upstream. The gain in quality of the forecasts with the use of adaptive resources becomes more evident especially when the observed values of EA(0.95) as this statistic is more sensitive with greater differences in relation to the Nash-Sutcliffe Coefficient (NS). Moreover, this is most representative for larger errors which occur precisely during flooding events. In general, we observed that, as much as the area of the basin decreases, it is possible to obtain forecasts with smaller lead times, but the influence of the size of the area controlled upstream basins improves the performance of smaller basins when observing, especially the errors EA (0.95). However, if the proportion of the upstream of controlled basin is already quite large - as in the case of the alternatives 1 and 2 used for forecast in Itaqui (between 88.5% and 95.4%, respectively) - the adaptive resources do not differ too much in getting better results. However, when observing basins with smaller areas controlled upstream - as is the case of Porto Lucena to alternative 2 (65% controlled area) - the performance gain of the models with the use of the complete adaptive resources (MQR+f.e.) becomes relevant.

Este trabalho avaliou o potencial da aplicação da técnica recursiva dos mínimos quadrados (MQR) para o ajuste em tempo atual dos parâmetros de modelos autorregressivos com variáveis exógenas (ARX), as quais são constituídas pelos níveis de montante para melhorar o desempenho das previsões de níveis fluviais em tempo atual. Três aspectos foram estudados em conjunto: variação do alcance escolhido para a previsão, variação da proporção da área controlada em bacias a montante e variação da área da bacia da seção de previsão. A pesquisa foi realizada em três dimensões principais: a) metodológica (sem recursividade; com recursividade; com recursividade e fator de esquecimento); b) temporal (6 alcances diferentes: 10, 24, 34, 48, 58 e 72 horas); e c) espacial (variação da área controlada da bacia e da área da bacia definida pela seção de previsão). A área de estudo escolhida para essa pesquisa foi a bacia do rio Uruguai com exutório no posto fluviométrico de Uruguaiana (190.000 km²) e as suas sub-bacias embutidas de Itaqui (131.000 km²), Passo São Borja (125.000km²), Garruchos (116.000 km²), Porto Lucena (95.200 km²), Alto Uruguai (82.300 km²) e Iraí (61.900 km²). Os dados de níveis fluviométricos, com leituras diárias às 07:00 e às 17:00 horas, foram fornecidos pela Companhia de Pesquisa de Recursos Minerais (CPRM), sendo utilizados os dados de 1/1/1991 a 30/6/2015. Para a análise de desempenho dos modelos, foi aplicado como estatística de qualidade o coeficiente de Nash-Sutcliffe (NS) e o quantil 0,95 dos erros absolutos (EA(0,95): erro que não foi ultrapassado com a frequência de 0,95). Observou-se que os erros EA(0,95) dos melhores modelos obtidos para cada bacia sempre aumentam com a redução da área controlada, ou seja, a qualidade das previsões diminui com o deslocamento da seção de controle de jusante para montante. O ganho na qualidade das previsões com a utilização dos recursos adaptativos torna-se mais evidente, especialmente quando observam-se os valores de EA(0,95), pois esta estatística é mais sensível, com diferenças maiores em relação ao coeficiente NS. Além disso, este é mais representativo para os erros maiores, que ocorrem justamente durante os eventos de inundações. De modo geral, foi observado que, à medida que diminui a área da bacia, é possível obter previsões com alcances cada vez menores. Porém a influência do tamanho da área controlada de bacias a montante melhora o desempenho de bacias menores quando se observam principalmente os erros EA(0,95). Por outro lado, se a proporção da bacia controlada de montante já é bastante grande, como é o caso das alternativas 1 e 2 utilizadas para previsão em Itaqui (entre 88,5% e 95,4 %, respectivamente), os recursos adaptativos não fazem muita diferença na obtenção de melhores resultados. Todavia, quando se observam bacias com menores áreas de montante controladas, como é o caso de Porto Lucena para a alternativa 2 (65% de área controlada), o ganho no desempenho dos modelos com a utilização dos recursos adaptativos completos (MQR+f.e: mínimos quadrados recursivos com fator de esquecimento) torna-se relevante. / This study evaluated the potential of the application of the recursive least squares technique (RLS) to adjust in real time the model parameters of the autoregressive models with exogenous variables (ARX), which consists of the upstream levels, to improve the performance of the forecasts of river levels in real time. Three aspects were studied jointly: the variation of the lead time chosen for the forecast, the variation in the proportion of controlled area in upstream basins and variation in the area of forecasting section of the basin. The research was conducted in three main dimensions: a) methodological (without recursion; with recursion; with recursion and forgetting factor); b) temporal (6 different lead times: 10, 24, 34, 48, 58 and 72 hours); and c) spatial (variation in the controlled area of the basin and the area of the basin defined by the forecast section). The study area chosen for this research was the Uruguay River basin with its outflow at the river gage station of Uruguaiana (190,000 km²) and its entrenched sub-basins in Itaqui (131,000 km²), Passo São Borja (125,000 km²), Garruchos (116,000 km²), Porto Lucena (95,200 km²), Alto Uruguai (82,300 km²), and Iraí (61,900 km²). The river levels data, with daily readings at 7am and 5pm, were provided by the Company of Mineral Resources Research (CPRM), with the data used from January 1, 1991 to June 30, 2015. We applied the Nash-Sutcliffe coefficient (NS) and the quantile 0.95 of absolute errors (EA(0,95): error has not been exceeded at the rate of 0.95) for the analysis of models performances. We observed that the errors EA(0.95) of the best models obtained for each basin always increase with the reduction of the controlled area then the quality of the forecasts decreases with displacement of the downstream control section upstream. The gain in quality of the forecasts with the use of adaptive resources becomes more evident especially when the observed values of EA(0.95) as this statistic is more sensitive with greater differences in relation to the Nash-Sutcliffe Coefficient (NS). Moreover, this is most representative for larger errors which occur precisely during flooding events. In general, we observed that, as much as the area of the basin decreases, it is possible to obtain forecasts with smaller lead times, but the influence of the size of the area controlled upstream basins improves the performance of smaller basins when observing, especially the errors EA (0.95). However, if the proportion of the upstream of controlled basin is already quite large - as in the case of the alternatives 1 and 2 used for forecast in Itaqui (between 88.5% and 95.4%, respectively) - the adaptive resources do not differ too much in getting better results. However, when observing basins with smaller areas controlled upstream - as is the case of Porto Lucena to alternative 2 (65% controlled area) - the performance gain of the models with the use of the complete adaptive resources (MQR+f.e.) becomes relevant.

MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) é um microsistema invasivo, intermediador e interativo que se desenvolve de forma inteligente, versátil e eficiente. Entretanto, a interatividade, característica que o torna altamente atrativo e suas qualidades de leveza, invisibilidade, economia quanto a consumo de energia, robustez e alta confiabilidade são foco de investigação. Através da obtenção dos parâmetros característicos muitos desses aspectos podem ser otimizados. Conseqüentemente, este trabalho se propõe obter os parâmetros característicos necessários ao modelo matemático de atuadores MEMS, baseados em deformação elástica e dinâmica combdrive, de forma a descrever com precisão o comportamento linear destes em nível de sistema. Os parâmetros característicos de MEMS podem ser extraídos no próprio simulador, ou identificados através da manipulação dos dados dos sinais de entrada e saída obtidos na execução de testes modais sobre o protótipo. Quando a identificação é determinística, utiliza sinais de excitação que obedecem a uma boa relação sinal-ruído (SNR-Signal-Noise Rate). Quando a identificação é estocástica utiliza sinais de excitação misturados com ruído. Essas duas formas de identificação podem ser interpretadas como os dois extremos de identificação. A rigor, qualquer procedimento que não esteja em nenhum desses extremos pode ser denominado de identificação “caixa-cinza”. Dessa forma, a proposta deste trabalho investigativo consiste em utilizar a identificação “caixa cinza” para obter os parâmetros característicos dos atuadores eletromecânicos MEMS combinando as vantagens dos procedimentos determinísticos e estocásticos. Sob este propósito, foi feita revisão das propriedades da matéria, conceituação de atuadores, compreensão da visão bottom-up e, finalmente, estudo de modelos estocásticos com entradas exógenas ARX (Autoregressive with Exogenous Inputs) e uso de estimadores recursivos, Mínimos Quadrado e Variável Instrumental. A comparação dos resultados do modelo determinístico produzido através de FEM/BEM permite testar o desempenho entre dois modelos de índoles diferentes. Os resultados obtidos após a coleta de dados, a escolha da representação matemática, a determinação da estrutura do modelo, a estimação dos parâmetros e a validação do modelo das três tipologias de atuadores desenvolvidos: pontes simples, ponte dupla e dobradiça dupla permitem identificar os parâmetros característicos com erro quadrático médio menor a 1% e validar esses parâmetros num período não maior a 0,5s. Os resultados se mostram altamente satisfatórios, tornando este trabalho uma contribuição científica à síntese de MEMS em nível de sistemas. / MEMS (Micro Electro-Mechanical Systems) is an invasive, intermediator and interactive small size system that develops in an intelligent, versatile and efficient way. However, the interactivity, feature that makes the system highly attractive and its qualities of lightness, invisibility, economy with regard to power consumption, robustness and high reliability are the focus of research. By obtaining the characteristic parameters many of these aspects can be optimized. Therefore, this study proposes to obtain the characteristic parameters necessary for the mathematical model for MEMS actuators, based on elastic deformation and dynamic comb-drive in order to accurately describe the linear behavior in level system. The characteristic parameters of MEMS can be extracted in the own simulator or identified through the manipulation of input and output data signals obtained in the execution of modal tests on the prototype. When the identification is deterministic, it uses the excitation signals that follow a good signal noise rate (SNR). When the identification is stochastic it uses excitation signals mixed with noise. These two forms of identification can be interpreted as the two extremes of the identification. Strictly speaking, any procedure that is not in any of these extremes may be called the "gray-box" identification. Thus, the propose of this research work consists of using the “gray-box” identification to obtain the characteristic parameters of the MEMS electro-mechanical actuators combining the advantages of the deterministic and stochastic procedures. Under this purpose, it was made revision of the matter features, conceptualization of the actuators, comprehension of the bottom-up vision and, finally, study of the stochastic models with autoregressive exogenous inputs (ARX) and the use of recursive estimators, Least Square and Instrumental Variable. The comparison of results of the deterministic model generated by FEM / BEM, allows testing the performance between two models of different kinds. The results obtained after the data collection, the choice of mathematical representation, the determination of the structure of the model, the estimation of the parameters and validation of the model of three actuators topologies developed (simple bridges, double bridge and double hinge) that permit to identify the parameters with a average quadratic error minor than 1% and to validate these parameters in a period not more than 0.5s. The results show highly satisfactory, becoming this work a scientific contribution to MEMS synthesis at system levels.

Este trabalho avaliou o potencial da aplicação da técnica recursiva dos mínimos quadrados (MQR) para o ajuste em tempo atual dos parâmetros de modelos autorregressivos com variáveis exógenas (ARX), as quais são constituídas pelos níveis de montante para melhorar o desempenho das previsões de níveis fluviais em tempo atual. Três aspectos foram estudados em conjunto: variação do alcance escolhido para a previsão, variação da proporção da área controlada em bacias a montante e variação da área da bacia da seção de previsão. A pesquisa foi realizada em três dimensões principais: a) metodológica (sem recursividade; com recursividade; com recursividade e fator de esquecimento); b) temporal (6 alcances diferentes: 10, 24, 34, 48, 58 e 72 horas); e c) espacial (variação da área controlada da bacia e da área da bacia definida pela seção de previsão). A área de estudo escolhida para essa pesquisa foi a bacia do rio Uruguai com exutório no posto fluviométrico de Uruguaiana (190.000 km²) e as suas sub-bacias embutidas de Itaqui (131.000 km²), Passo São Borja (125.000km²), Garruchos (116.000 km²), Porto Lucena (95.200 km²), Alto Uruguai (82.300 km²) e Iraí (61.900 km²). Os dados de níveis fluviométricos, com leituras diárias às 07:00 e às 17:00 horas, foram fornecidos pela Companhia de Pesquisa de Recursos Minerais (CPRM), sendo utilizados os dados de 1/1/1991 a 30/6/2015. Para a análise de desempenho dos modelos, foi aplicado como estatística de qualidade o coeficiente de Nash-Sutcliffe (NS) e o quantil 0,95 dos erros absolutos (EA(0,95): erro que não foi ultrapassado com a frequência de 0,95). Observou-se que os erros EA(0,95) dos melhores modelos obtidos para cada bacia sempre aumentam com a redução da área controlada, ou seja, a qualidade das previsões diminui com o deslocamento da seção de controle de jusante para montante. O ganho na qualidade das previsões com a utilização dos recursos adaptativos torna-se mais evidente, especialmente quando observam-se os valores de EA(0,95), pois esta estatística é mais sensível, com diferenças maiores em relação ao coeficiente NS. Além disso, este é mais representativo para os erros maiores, que ocorrem justamente durante os eventos de inundações. De modo geral, foi observado que, à medida que diminui a área da bacia, é possível obter previsões com alcances cada vez menores. Porém a influência do tamanho da área controlada de bacias a montante melhora o desempenho de bacias menores quando se observam principalmente os erros EA(0,95). Por outro lado, se a proporção da bacia controlada de montante já é bastante grande, como é o caso das alternativas 1 e 2 utilizadas para previsão em Itaqui (entre 88,5% e 95,4 %, respectivamente), os recursos adaptativos não fazem muita diferença na obtenção de melhores resultados. Todavia, quando se observam bacias com menores áreas de montante controladas, como é o caso de Porto Lucena para a alternativa 2 (65% de área controlada), o ganho no desempenho dos modelos com a utilização dos recursos adaptativos completos (MQR+f.e: mínimos quadrados recursivos com fator de esquecimento) torna-se relevante. / This study evaluated the potential of the application of the recursive least squares technique (RLS) to adjust in real time the model parameters of the autoregressive models with exogenous variables (ARX), which consists of the upstream levels, to improve the performance of the forecasts of river levels in real time. Three aspects were studied jointly: the variation of the lead time chosen for the forecast, the variation in the proportion of controlled area in upstream basins and variation in the area of forecasting section of the basin. The research was conducted in three main dimensions: a) methodological (without recursion; with recursion; with recursion and forgetting factor); b) temporal (6 different lead times: 10, 24, 34, 48, 58 and 72 hours); and c) spatial (variation in the controlled area of the basin and the area of the basin defined by the forecast section). The study area chosen for this research was the Uruguay River basin with its outflow at the river gage station of Uruguaiana (190,000 km²) and its entrenched sub-basins in Itaqui (131,000 km²), Passo São Borja (125,000 km²), Garruchos (116,000 km²), Porto Lucena (95,200 km²), Alto Uruguai (82,300 km²), and Iraí (61,900 km²). The river levels data, with daily readings at 7am and 5pm, were provided by the Company of Mineral Resources Research (CPRM), with the data used from January 1, 1991 to June 30, 2015. We applied the Nash-Sutcliffe coefficient (NS) and the quantile 0.95 of absolute errors (EA(0,95): error has not been exceeded at the rate of 0.95) for the analysis of models performances. We observed that the errors EA(0.95) of the best models obtained for each basin always increase with the reduction of the controlled area then the quality of the forecasts decreases with displacement of the downstream control section upstream. The gain in quality of the forecasts with the use of adaptive resources becomes more evident especially when the observed values of EA(0.95) as this statistic is more sensitive with greater differences in relation to the Nash-Sutcliffe Coefficient (NS). Moreover, this is most representative for larger errors which occur precisely during flooding events. In general, we observed that, as much as the area of the basin decreases, it is possible to obtain forecasts with smaller lead times, but the influence of the size of the area controlled upstream basins improves the performance of smaller basins when observing, especially the errors EA (0.95). However, if the proportion of the upstream of controlled basin is already quite large - as in the case of the alternatives 1 and 2 used for forecast in Itaqui (between 88.5% and 95.4%, respectively) - the adaptive resources do not differ too much in getting better results. However, when observing basins with smaller areas controlled upstream - as is the case of Porto Lucena to alternative 2 (65% controlled area) - the performance gain of the models with the use of the complete adaptive resources (MQR+f.e.) becomes relevant.

MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) é um microsistema invasivo, intermediador e interativo que se desenvolve de forma inteligente, versátil e eficiente. Entretanto, a interatividade, característica que o torna altamente atrativo e suas qualidades de leveza, invisibilidade, economia quanto a consumo de energia, robustez e alta confiabilidade são foco de investigação. Através da obtenção dos parâmetros característicos muitos desses aspectos podem ser otimizados. Conseqüentemente, este trabalho se propõe obter os parâmetros característicos necessários ao modelo matemático de atuadores MEMS, baseados em deformação elástica e dinâmica combdrive, de forma a descrever com precisão o comportamento linear destes em nível de sistema. Os parâmetros característicos de MEMS podem ser extraídos no próprio simulador, ou identificados através da manipulação dos dados dos sinais de entrada e saída obtidos na execução de testes modais sobre o protótipo. Quando a identificação é determinística, utiliza sinais de excitação que obedecem a uma boa relação sinal-ruído (SNR-Signal-Noise Rate). Quando a identificação é estocástica utiliza sinais de excitação misturados com ruído. Essas duas formas de identificação podem ser interpretadas como os dois extremos de identificação. A rigor, qualquer procedimento que não esteja em nenhum desses extremos pode ser denominado de identificação “caixa-cinza”. Dessa forma, a proposta deste trabalho investigativo consiste em utilizar a identificação “caixa cinza” para obter os parâmetros característicos dos atuadores eletromecânicos MEMS combinando as vantagens dos procedimentos determinísticos e estocásticos. Sob este propósito, foi feita revisão das propriedades da matéria, conceituação de atuadores, compreensão da visão bottom-up e, finalmente, estudo de modelos estocásticos com entradas exógenas ARX (Autoregressive with Exogenous Inputs) e uso de estimadores recursivos, Mínimos Quadrado e Variável Instrumental. A comparação dos resultados do modelo determinístico produzido através de FEM/BEM permite testar o desempenho entre dois modelos de índoles diferentes. Os resultados obtidos após a coleta de dados, a escolha da representação matemática, a determinação da estrutura do modelo, a estimação dos parâmetros e a validação do modelo das três tipologias de atuadores desenvolvidos: pontes simples, ponte dupla e dobradiça dupla permitem identificar os parâmetros característicos com erro quadrático médio menor a 1% e validar esses parâmetros num período não maior a 0,5s. Os resultados se mostram altamente satisfatórios, tornando este trabalho uma contribuição científica à síntese de MEMS em nível de sistemas. / MEMS (Micro Electro-Mechanical Systems) is an invasive, intermediator and interactive small size system that develops in an intelligent, versatile and efficient way. However, the interactivity, feature that makes the system highly attractive and its qualities of lightness, invisibility, economy with regard to power consumption, robustness and high reliability are the focus of research. By obtaining the characteristic parameters many of these aspects can be optimized. Therefore, this study proposes to obtain the characteristic parameters necessary for the mathematical model for MEMS actuators, based on elastic deformation and dynamic comb-drive in order to accurately describe the linear behavior in level system. The characteristic parameters of MEMS can be extracted in the own simulator or identified through the manipulation of input and output data signals obtained in the execution of modal tests on the prototype. When the identification is deterministic, it uses the excitation signals that follow a good signal noise rate (SNR). When the identification is stochastic it uses excitation signals mixed with noise. These two forms of identification can be interpreted as the two extremes of the identification. Strictly speaking, any procedure that is not in any of these extremes may be called the "gray-box" identification. Thus, the propose of this research work consists of using the “gray-box” identification to obtain the characteristic parameters of the MEMS electro-mechanical actuators combining the advantages of the deterministic and stochastic procedures. Under this purpose, it was made revision of the matter features, conceptualization of the actuators, comprehension of the bottom-up vision and, finally, study of the stochastic models with autoregressive exogenous inputs (ARX) and the use of recursive estimators, Least Square and Instrumental Variable. The comparison of results of the deterministic model generated by FEM / BEM, allows testing the performance between two models of different kinds. The results obtained after the data collection, the choice of mathematical representation, the determination of the structure of the model, the estimation of the parameters and validation of the model of three actuators topologies developed (simple bridges, double bridge and double hinge) that permit to identify the parameters with a average quadratic error minor than 1% and to validate these parameters in a period not more than 0.5s. The results show highly satisfactory, becoming this work a scientific contribution to MEMS synthesis at system levels.

MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) é um microsistema invasivo, intermediador e interativo que se desenvolve de forma inteligente, versátil e eficiente. Entretanto, a interatividade, característica que o torna altamente atrativo e suas qualidades de leveza, invisibilidade, economia quanto a consumo de energia, robustez e alta confiabilidade são foco de investigação. Através da obtenção dos parâmetros característicos muitos desses aspectos podem ser otimizados. Conseqüentemente, este trabalho se propõe obter os parâmetros característicos necessários ao modelo matemático de atuadores MEMS, baseados em deformação elástica e dinâmica combdrive, de forma a descrever com precisão o comportamento linear destes em nível de sistema. Os parâmetros característicos de MEMS podem ser extraídos no próprio simulador, ou identificados através da manipulação dos dados dos sinais de entrada e saída obtidos na execução de testes modais sobre o protótipo. Quando a identificação é determinística, utiliza sinais de excitação que obedecem a uma boa relação sinal-ruído (SNR-Signal-Noise Rate). Quando a identificação é estocástica utiliza sinais de excitação misturados com ruído. Essas duas formas de identificação podem ser interpretadas como os dois extremos de identificação. A rigor, qualquer procedimento que não esteja em nenhum desses extremos pode ser denominado de identificação “caixa-cinza”. Dessa forma, a proposta deste trabalho investigativo consiste em utilizar a identificação “caixa cinza” para obter os parâmetros característicos dos atuadores eletromecânicos MEMS combinando as vantagens dos procedimentos determinísticos e estocásticos. Sob este propósito, foi feita revisão das propriedades da matéria, conceituação de atuadores, compreensão da visão bottom-up e, finalmente, estudo de modelos estocásticos com entradas exógenas ARX (Autoregressive with Exogenous Inputs) e uso de estimadores recursivos, Mínimos Quadrado e Variável Instrumental. A comparação dos resultados do modelo determinístico produzido através de FEM/BEM permite testar o desempenho entre dois modelos de índoles diferentes. Os resultados obtidos após a coleta de dados, a escolha da representação matemática, a determinação da estrutura do modelo, a estimação dos parâmetros e a validação do modelo das três tipologias de atuadores desenvolvidos: pontes simples, ponte dupla e dobradiça dupla permitem identificar os parâmetros característicos com erro quadrático médio menor a 1% e validar esses parâmetros num período não maior a 0,5s. Os resultados se mostram altamente satisfatórios, tornando este trabalho uma contribuição científica à síntese de MEMS em nível de sistemas. / MEMS (Micro Electro-Mechanical Systems) is an invasive, intermediator and interactive small size system that develops in an intelligent, versatile and efficient way. However, the interactivity, feature that makes the system highly attractive and its qualities of lightness, invisibility, economy with regard to power consumption, robustness and high reliability are the focus of research. By obtaining the characteristic parameters many of these aspects can be optimized. Therefore, this study proposes to obtain the characteristic parameters necessary for the mathematical model for MEMS actuators, based on elastic deformation and dynamic comb-drive in order to accurately describe the linear behavior in level system. The characteristic parameters of MEMS can be extracted in the own simulator or identified through the manipulation of input and output data signals obtained in the execution of modal tests on the prototype. When the identification is deterministic, it uses the excitation signals that follow a good signal noise rate (SNR). When the identification is stochastic it uses excitation signals mixed with noise. These two forms of identification can be interpreted as the two extremes of the identification. Strictly speaking, any procedure that is not in any of these extremes may be called the "gray-box" identification. Thus, the propose of this research work consists of using the “gray-box” identification to obtain the characteristic parameters of the MEMS electro-mechanical actuators combining the advantages of the deterministic and stochastic procedures. Under this purpose, it was made revision of the matter features, conceptualization of the actuators, comprehension of the bottom-up vision and, finally, study of the stochastic models with autoregressive exogenous inputs (ARX) and the use of recursive estimators, Least Square and Instrumental Variable. The comparison of results of the deterministic model generated by FEM / BEM, allows testing the performance between two models of different kinds. The results obtained after the data collection, the choice of mathematical representation, the determination of the structure of the model, the estimation of the parameters and validation of the model of three actuators topologies developed (simple bridges, double bridge and double hinge) that permit to identify the parameters with a average quadratic error minor than 1% and to validate these parameters in a period not more than 0.5s. The results show highly satisfactory, becoming this work a scientific contribution to MEMS synthesis at system levels.

Commercial Aircraft Corporation of China, Ltd (COMAC)and Chinese Scholarship Council. / The aim of this thesis is to develop a real time PIO detection and mitigation system that consists of a detector based on short time Fourier transform(STFT) and autoregressive model(ARX) with exogenous inputs, together with an adaptive controller based mitigation system. The system not only detects the traditional PIO characteristics but also focuses on the trend of pilot behaviour by calculating the rate of change in the open loop crossover frequency. In the detection system, a sliding windowed STFT method was applied to identify the frequency and phase characteristics of the system via processing the signal of pilot input and aircraft state. An ARX model was also applied to get the rate of change of the crossover frequency. After detection, a PIO cue was shown on the primary flight display. A scheduled gain controller was coupled to provide PIO mitigation by varying stick input gain. Compensatory and tracking tests for the evaluation of this system were performed using a quasi-linear Boeing-747 aircraft model including nonlinear command gearing and actuator rate-limiting. Bandwidth and Gibson criteria were used to design PIO prone control laws for system evaluation experiments. Results from PIO tests conducted on desktop PCs were presented. These were analyzed and compared with those obtained from implementing the Real-time Oscillation Verifier module available in literature.

Made available in DSpace on 2014-12-17T14:55:00Z (GMT). No. of bitstreams: 1 SergioJGS.pdf: 1164807 bytes, checksum: 597fe8700a95271ecd0c0f3e0b460362 (MD5) Previous issue date: 2007-11-13 / This work intends to analyze the behavior of the gas flow of plunger lift wells producing to well testing separators in offshore production platforms to aim a technical procedure to estimate the gas flow during the slug production period. The motivation for this work appeared from the expectation of some wells equipped with plunger lift method by PETROBRAS in Ubarana sea field located at Rio Grande do Norte State coast where the produced fluids measurement is made in well testing separators at the platform. The oil artificial lift method called plunger lift is used when the available energy of the reservoir is not high enough to overcome all the necessary load losses to lift the oil from the bottom of the well to the surface continuously. This method consists, basically, in one free piston acting as a mechanical interface between the formation gas and the produced liquids, greatly increasing the well s lifting efficiency. A pneumatic control valve is mounted at the flow line to control the cycles. When this valve opens, the plunger starts to move from the bottom to the surface of the well lifting all the oil and gas that are above it until to reach the well test separator where the fluids are measured. The well test separator is used to measure all the volumes produced by the well during a certain period of time called production test. In most cases, the separators are designed to measure stabilized flow, in other words, reasonably constant flow by the use of level and pressure electronic controllers (PLC) and by assumption of a steady pressure inside the separator. With plunger lift wells the liquid and gas flow at the surface are cyclical and unstable what causes the appearance of slugs inside the separator, mainly in the gas phase, because introduce significant errors in the measurement system (e.g.: overrange error). The flow gas analysis proposed in this work is based on two mathematical models used together: i) a plunger lift well model proposed by Baruzzi [1] with later modifications made by Bolonhini [2] to built a plunger lift simulator; ii) a two-phase separator model (gas + liquid) based from a three-phase separator model (gas + oil + water) proposed by Nunes [3]. Based on the models above and with field data collected from the well test separator of PUB-02 platform (Ubarana sea field) it was possible to demonstrate that the output gas flow of the separator can be estimate, with a reasonable precision, from the control signal of the Pressure Control Valve (PCV). Several models of the System Identification Toolbox from MATLAB? were analyzed to evaluate which one better fit to the data collected from the field. For validation of the models, it was used the AIC criterion, as well as a variant of the cross validation criterion. The ARX model performance was the best one to fit to the data and, this way, we decided to evaluate a recursive algorithm (RARX) also with real time data. The results were quite promising that indicating the viability to estimate the output gas flow rate from a plunger lift well producing to a well test separator, with the built-in information of the control signal to the PCV / Este trabalho se prop?e a realizar uma an?lise do comportamento da vaz?o de g?s de po?os produzindo por plunger lift para vasos separadores de teste em plataformas de produ??o de petr?leo com o objetivo de propor uma t?cnica de estima??o da vaz?o durante os instantes de golfadas provocadas por estes tipos de po?os. A motiva??o para este trabalho surgiu diante da perspectiva de instala??o pela PETROBRAS de alguns po?os equipados com plunger lift no campo mar?timo de Ubarana situado na costa do Rio Grande do Norte onde a medi??o dos volumes produzidos ? feita em vaso separador na plataforma. O m?todo de eleva??o artificial de petr?leo denominado plunger lift ? utilizado quando a energia dispon?vel no reservat?rio n?o ? suficiente para vencer todas as perdas de carga necess?rias para elevar o petr?leo do fundo do po?o at? a superf?cie de forma cont?nua. O m?todo consiste, basicamente, de um pist?o livre (plunger) agindo como uma interface mec?nica entre o g?s da forma??o e os l?quidos produzidos, aumentando enormemente a efici?ncia de eleva??o. ? instalada, tamb?m, uma v?lvula de controle acionada pneumaticamente, na linha de produ??o do po?o para efetuar o controle dos ciclos. Ao ser aberta a v?lvula, o pist?o se desloca do fundo do po?o at? a superf?cie, elevando o ?leo e o g?s que se encontram acima do mesmo at? chegar no vaso separador de teste onde os fluidos ser?o medidos. O vaso separador de teste ? utilizado para fazer a aferi??o dos volumes produzidos pelo po?o durante um determinado per?odo de tempo denominado de teste de produ??o. Na maioria dos casos, os vasos separadores s?o projetados para medi??o de vaz?es estabilizadas, ou seja, razoavelmente constantes atrav?s do uso de controladores eletr?nicos de n?vel e de press?o. No caso de po?os produzindo por plunger lift, as vaz?es de l?quido e de g?s na superf?cie s?o c?clicas e de amplitude vari?vel, acarretando o surgimento de golfadas no interior do vaso separador provocando, principalmente para o caso do g?s, erros significativos no sistema de medi??o (ex.: erro de overrange ). A an?lise da vaz?o de g?s proposta neste trabalho se baseia na integra??o de dois modelos matem?ticos: i) modelagem de um po?o de plunger lift proposta por Baruzzi [1] com modifica??es efetuadas posteriormente por Bolonhini [2] na implementa??o de um simulador de plunger lift; ii) modelagem de um vaso separador bif?sico (g?s + l?quido) a partir de um modelo trif?sico (?leo + g?s + ?gua) proposto por Nunes [3]. Com base nos modelos acima e utilizando-se dados coletados no vaso separador de teste da plataforma PUB-02 (campo de Ubarana), foi poss?vel demonstrar que a vaz?o de sa?da de g?s do vaso de teste pode ser estimada, com razo?vel precis?o, a partir do sinal de controle da v?lvula controladora de press?o (PCV). Diversos modelos dispon?veis no toolbox de Identifica??o de Sistemas do MATLAB? foram analisados para se avaliar qual seria o que melhor se adaptava aos dados coletados no campo. Para a valida??o dos modelos foi usado o crit?rio de AIC, bem como uma variante do crit?rio de valida??o cruzada. O modelo ARX foi o que apresentou melhor desempenho com base nos dados coletados e, desta forma, decidiu-se avaliar tamb?m um algoritmo recursivo (RARX) com dados obtidos em tempo real. Os resultados foram bastante promissores, indicando a viabilidade de se poder estimar a vaz?o de sa?da de g?s de um po?o de plunger lift produzindo para um vaso separador de teste a partir da informa??o contida no sinal de controle da PCV