In this work, wavelet-based techniques are studxied for adaptive feature extraction in the time-frequency plane. Emphasis is placed on pattern recognition problems, in particular fault detection in control systems and classification / clustering electrocardiographic signals. In the context of fault detection, a technique for residue generation using wavelet filter banks is introduced. Numerical simulations show that the proposed method exhibits good noise rejection characteristics and robustness to transient inputs, either from commands or unmeasured exogenous disturbances. Results are compared to those obtained by a standard observer-based technique. Classification of electrocardiographic patterns is performed with a wavelet neural network, which employs an adaptive wavelet layer as a pre-processing stage to a perceptron classifier. Basic concepts involved, as well as aspects of training and initialization are discussed. Two modifications to the basic supervised training algorithm are proposed, namely the introduction of a bias component in the wavelets and the adoption of a weight decay policy. Results are interpreted with basis on the concept of superposition wavelets. A competitive wavelet network, inspired in Kohonen lavers, is proposed for means of pattern clustering. It was verified that this paradigm has some advantages over the conventional neural layers when patterns to be analyzed have a low signal to noise ratio. A hierarchical, multiresolutional procedure for performing clustering is also presented. Classification / clustering tests are carried out on signals taken from the MIT-BIH Arrhythmia Database.

O uso de materiais compósitos poliméricos na construção de aeronaves é cada vez mais intenso. Com isto, a possibilidade de ocorrer uma falha em serviço de uma peça fabricada com este material torna-se cada vez maior. A análise de falhas de materiais compósitos ainda é um tema pouco explorado, principalmente no Brasil, porém tem se tornado cada vez mais importante, em apoio à área de prevenção e investigação de acidentes aeronáuticos. Este trabalho visa caracterizar as fraturas de laminados de fita unidirecional de fibra de carbono de módulo intermediário com resina epóxi modificada, tipo 8552, em ensaios mecânicos de tração longitudinal e transversal e cisalhamento interlaminar. Parte das amostras de laminados foi submetida ao condicionamento higrotérmico, em situação de temperatura e umidade controladas, de modo a determinar a influência desses parâmetros nas propriedades mecânicas e na fratura dos laminados. Foram também estudadas algumas famílias de laminados cruzados de fibras de carbono com os sistemas de resinas epóxi F155 e F584 e tecidos de fibras de aramida e vidro, impregnados com os sistemas epóxi F155 e F161, respectivamente. Estas famílias foram ensaiadas em tração e compressão. As observações das fraturas das amostras ensaiadas mecanicamente foram realizadas com o auxílio da microscopia eletrônica de varredura, microscopia óptica e estereoscopia. A comparação dos resultados mostra que o condicionamento higrotérmico afeta de maneira significativa a resina, com pouca influência nas fibras e na interface fibra/resina. As fraturas, em geral, apresentam pouca diferença em função do condicionamento. A fratura das amostras ensaiadas em tração longitudinal é a que apresenta os aspectos mais interessantes do ponto de vista fractográfico. As amostras não submetidas ao condicionamento higrotérmico (amostras secas) revelam a importância da rigidez da fibra na fratura. A comparação das superfícies de fratura, obtidas sob um mesmo ensaio mecânico, mostra que as fibras menos rígidas apresentam maior influência na fratura. O tipo e o arranjo do reforço também apresentam influência nas superfícies de fratura dos laminados ensaiados mecanicamente.

Univariate Statistical Process Control (SPC) has been extensively employed in industry for fault detection and product quality control. However, for complex systems, better results have been obtained by the use of more elaborate Multivariate Statistical Process Control (MSPC) techniques. This work proposes the use of MSPC techniques (Hotelling T2 and Runger U2 statistics) for health monitoring of the Embraer 190 horizontal stabilizer system. For illustration, these techniques are applied in a simulated case study representing a degradation scenario with progressive increase in friction. For comparison, Univariate SPC is also employed. The results indicate that MSPC provides earlier indications of degradation as compared to Univariate SPC. In addition, a sensitivity analysis reveals that the MSPC methods are more robust with respect to changes in the time profile of the degradation, as well as alterations in the influence of temperature on the friction coefficient. In all cases, the best results are obtained by using the Runger U2 statistic.

A disponibilidade das aeronaves modernas está diretamente ligada ao grau de complexidade de seus sistemas, à confiabilidade de seus componentes e às ferramentas embarcadas que auxiliam os técnicos durante as ações de manutenção. O trabalho desenvolvido nesta dissertação busca um melhor entendimento do sistema de manutenção e diagnóstico embarcado em uma aeronave regional com alto grau de integração entre seus sistemas, mostrando suas funcionalidades e os ganhos com sua correta utilização. Além disso, é discutida a importância da atualização periódica dos manuais de isolação de falha e da utilização sistemática dos mesmos, o custo adicional devido à transmissão de mensagens que não agregam valor via data link e a necessidade de testes detalhados durante o desenvolvimento dos sistemas de detecção de falhas para evitar que mensagens que não representam uma falha real sejam mostradas aos técnicos em manutenção. Ao final, são explicitadas as potenciais melhorias que deveriam ser levadas em consideração no desenvolvimento de um novo sistema de manutenção e diagnóstico, de modo que as expectativas do mercado sejam atendidas e superadas durante a operação de aeronaves modernas que possuem um alto grau de complexidade e integração.

Esta tese propõe avaliar a integridade estrutural de projetos de válvulas do tipo esfera trunnion e/ou gaveta. Por meio desta pesquisa, são avaliados os principais modos de falhas e parâmetros funcionais. Os estudos foram realizados utilizando a técnica dos elementos finitos e permitiram a construção de modelos para avaliar os seguintes modos de falha. (i) colapso estrutural dos principais componentes; (ii) vazamento na interface esfera/sede; (iii) travamento do sistema de acionamento devido à influência da vazão de escoamento do fluido. A avaliação da integridade estrutural é de fundamental importância para mitigar e/ou evitar erros, durante a fase de desenvolvimento de válvulas. Os modelos desenvolvidos também possibilitam o aprimoramento de novos projetos de válvulas e o aperfeiçoamento de projetos já desenvolvidos. O estudo proposto pode ser utilizado como indicador da qualidade de projeto de válvulas, auxiliando a equipe de desenvolvimento no dimensionamento de novos produtos, permitindo assim a avaliação dos requisitos funcionais e a avaliação da possível melhoria do projeto. Os resultados mostraram que o uso do método dos elementos finitos durante as fases iniciais do processo de desenvolvimento de válvulas é extremamente útil na concepção de novos produtos, permitindo a elaboração de produtos otimizados, sendo que por meio de um conhecimento multidisciplinar falhas prematuras podem ser detectadas nas fases iniciais do processo de desenvolvimento de projeto de válvulas, possibilitando com isso o desenvolvimento de um projeto mais racional com melhoria significativa de qualidade, confiabilidade, desempenho e competividade. O uso do método dos elementos finitos também possibilita uma redução do número de ensaios com protótipos físicos, o tempo de desenvolvimento e consequentemente o custo final do produto. / This thesis proposes to evaluate the structural integrity of the trunnion ball valves and/or gate. By means of this research, are evaluated main failure modes and functional parameters. The studies were conducted using the finite elements technique and allowed the construction of models to evaluate the following modes of failure. (i) structural collapse of the main components; (ii) leakage in the ball/seat interface; (iii) torque and/or locking of drive system due the influence of fluid flow rate. The evaluation of the integrity structural is of fundamental importance to mitigate and/or avoid errors, during the valve development phase. The models developed also enable the improvement de new valves design and the upgrade the valves design already developed. The proposed study can be used as an indicator the quality of valves design, assisting the development team in the design of new products, thus enabling the assessment of the functional requirements and evaluation of possible improvements in the design. The results showed that the use of finite element method during the early stage of valve development process is extremely useful in the conception the new products, allow to develop products optimized, and by means of a multidisciplinary knowledge premature failures can be detected in the early stages of the product design, besides enable the development of a design more rational with significant improvement in quality, reliability, performance and competitiveness. The use of finite element method also allows reduction the number of with physical prototype tests, time of development and the final cost of the product.

Nas indústrias química e petroquímica o uso de sistemas redundantes é comum. Exceto pelos programas de lubrificação, a estratégia de manutenção adotada para estes sistemas é, principalmente, a manutenção corretiva. Os objetivos desta dissertação são, a partir do registro do histórico de falhas dos equipamentos de uma unidade fabril petroquímica e conceitos de confiabilidade, estimar o tempo limite que estes sistemas podem operar sem intervenções de manutenção, mantendo a disponibilidade do sistema em níveis adequados. Esse tempo limite foi usado para desenvolver um indicador a ser utilizado no processo de priorização das atividades de manutenção. Para atingir os objetivos foram desenvolvidas as seguintes etapas: a) revisão dos dados de confiabilidade; b) elaboração de modelagem de sistemas de bombeamento. Inicialmente foi realizada uma revisão dos dados de confiabilidade coletados pela empresa em estudo, a partir da qual se obteve análise dos problemas encontrados com os dados, sumário de procedimentos a serem adotados para cada tipo de problema e sugestões para evitar sua reincidência. Por meio dos resultados iniciais, foi elaborada a modelagem de sistemas de bombeamento, utilizando o método de Monte Carlo. Obtevese, como resultado, curvas de disponibilidade do sistema versus tempos para reparo. O método proposto é simples de ser utilizado em campo e, definida a disponibilidade desejada para o sistema redundante, permite o cálculo do máximo tempo para reparo do equipamento em falha. / In chemical and petrochemical industries redundant systems are usual. Except by lubrication programs, the maintenance strategy adopted for these systems is mainly corrective maintenance. Considering the historical failure records of the equipment of a factory and the use of reliability concepts, the goal of this work is to estimate the maximum time that these systems can operate without maintenance interference, while keeping the system availability on adequate levels. This maximum time was used to develop an indicator to be used in the process of prioritization of maintenance activities. To achieve these goals, the following steps have been developed: a) reliability data review; b) elaboration of a pumping system model. Initially, a review of the reliability data collect at the studied company was performed, from which an analysis of the problems encountered at these data, a summary of procedures to be adopted for each type of problem, and suggestions to avoid its recurrence were established. As a consequence of first results, a model for each pumping system using the Monte Carlo method was developed and availability curves of the system versus time to repair were obtained. The proposed method is simple to use in the field and, considering the desired availability for the redundant system, it allows the calculation of the maximum time to repair equipment failures.

O desenvolvimento de métodos que permitam reproduzir numericamente o comportamento el de sistemas estruturais reais tem desa ado cientistas e pesquisadores a abordarem questões que vão além das condições de integridade do sistema. Neste sentido, uma série de novos parâmetros devem ser considerados durante um processo de otimização estrutural, zelando pela con abilidade em níveis aceitáveis enquanto que os custos esperados de falhas sejam minimizados. Aparentemente, os objetivos segurança e economia competem entre si, nesse contexto, a otimização do risco estrutural surge como uma formulação que permite equacionar este problema através do chamado custo esperado total. Nesta Tese, apresenta-se o desenvolvimento de uma técnica precisa para satisfazer os termos que compõem a função custo esperado total, isto é, uma técnica capaz de estimar a con abilidade de sistemas estruturais redundantes pela identi cação dos múltiplos modos de falha de uma maneira mais precisa que os métodos convencionais aproximados e de simulação. Além disso, análises inelásticas de estruturas de aço incluindo as não linearidades físicas e geométricas são consideradas utilizando o MCDG, além de leis constitutivas para prever o comportamento inelástico. Em posse destas informações, o algoritmo calcula o risco como sendo a probabilidade de falha multiplicada pela consequência econômica resultante desta falha. Ao risco são acrescentados os demais custos associados ao sistema estrutural, os quais não dependem dos parâmetros aleatórios do sistema e por isso denominados custos xos. Como produto, tem-se o custo esperado total, o qual corresponde a função objetivo do problema de otimização estrutural. Aplicações numéricas demonstram a precisão e e ciência da metodologia na avaliação da probabilidade de falha de problemas envolvendo funções de estado limite altamente não lineares com múltiplas regiões de falhas, assim como os efeitos causados pelas não linearidades físicas e geométricas nas análises probabil ísticas e na otimização do risco das estruturas. Os resultados demonstraram que, em relação às incertezas e consequências monetárias da falha, a estrutura ótima pode ser encontrada apenas pela formulação da otimização do risco, onde a con guração da estrutura e os limites de segurança são otimizados simultaneamente. A otimização do risco resulta numa estrutura ótima em termos mecânicos, custo esperado total e segurança. / The development of methods that allow to numerically reproduce the actual behavior of real structural systems has challenged scientists and researchers and urged them to address issues that extend beyond the integrity of a system. Therefore, a series of new parameters must be taken into account during the structural optimization process, looking for acceptable reliability levels while minimizing the expected failure costs. Apparently, safety and economy compete with each other, and in this context, structural risk optimization arises as a formulation that allows equating this problem through the so-called total expected cost. In this Thesis, an accurate technique is developed to satisfy the minimization of the total expected cost function i:e:; a technique that allows estimating the reliability of redundant structural systems by the identi cation of multiple failure modes in a more precise way than conventional approximation and simulation methods. Besides, inelastic analysis of steel trusses including both geometric and physical nonlinearities are considered using the generalized displacement control method, in addition to constitutive laws to predict the inelastic behavior. Based on this information, the algorithm calculates risk as the failure probability multiplied by the economic losses resulting from such failure. The other costs associated to the structual system are added to the actual risk and since they do not depend on system's random parameters, they are referred as xed costs. As result, one obtains the total expected cost, which corresponds to the objective function of the structural optimization problem. Numerical applications shows the accuracy and e ciency of the methodology in the evaluation of the failure probability of problems represented by high nonlinear limit state functions with multiple failure regions. It is also included the e ects of geometric and physical nonlinearities originated in the probabilistic analysis and risk optimization of truss structures. Results show that, in consideration of uncertainty and the monetary consequences of failure, the optimum structure can only be found by a risk optimization formulation, where structural con guration and safety margins are optimized simultaneously. Risk optimization yields a structure which is optimum in terms of mechanics and in terms of the compromise between cost and safety.

A análise de falhas potenciais compreende o uso de técnicas sistemáticas (métodos) durante o Processo de Desenvolvimento de Produto (PDP) que utilizam conhecimentos tácitos de engenharia para prever possíveis falhas, tanto do projeto (design) do produto quanto de seu processo de fabricação, e propor ações que evitem a ocorrência dessas falhas. O problema prático que motiva a realização deste trabalho é a dificuldade enfrentada pelas empresas em alcançar plenamente todos os benefícios decorrentes da aplicação da análise de falhas potenciais. O exame do estado da arte indica que há diversos problemas e práticas propostas para minimizar esses problemas dispersos na literatura. Existem também empresas benchmark na aplicação de métodos de análise de falhas potenciais que podem ser estudadas para o levantamento de outras práticas. Assim, o trabalho tem como objetivo sistematizar os problemas e práticas presentes na literatura e práticas empregadas por uma empresa benchmark. A fim de atingir esse objetivo, são gerados dois resultados principais. O primeiro, alcançado por meio de uma Revisão Bibliográfica Sistemática, é o agrupamento dos problemas e das práticas de análise de falhas potenciais presentes na literatura em categorias. Os 37 problemas encontrados foram agrupados em: Definição do risco, Recursos, Integração PDP, Temporal, Cultura organizacional, Gestão de informações, Procedimentos e Comportamental; e as 161 práticas em Abordagem, Ferramenta, Framework, Método, Software e Diretriz. O segundo resultado, obtido a partir de um estudo de caso, são práticas empregadas por uma empresa que é referência na aplicação dos métodos de análise de falhas potenciais FMEA (Failure Mode and Effects Analysis) e DRBFM (Design Review Based on Failure Mode). Os resultados do estudo de caso sugerem que o sucesso da execução dos métodos FMEA e DRBFM, na unidade de negócio caso, deve-se à combinação de provisão de recursos, trabalho em equipe multidisciplinar, formação de competências (treinamento), definição de procedimentos, aplicação integrada com outros métodos/ferramentas do PDP, e, sobretudo, não considerar a aplicação como atividade pro forma. Os conhecimentos gerados nesse trabalho podem contribuir para auxiliar as empresas a alcançarem os benefícios da aplicação de métodos de análise de falhas potenciais no processo de desenvolvimento de produtos. / The potential failure analysis is the application of systematic techniques (methods) in the process of New Product Development (NPD) that make the use of tacit engineering knowledge to predict possible design and manufacturing process failures and to define countermeasures. The practical problem which motivates the accomplishment of this research is the challenge companies face in achieving the full benefits that can be yield with the application of methods of potential failure analysis. The status of the research carried out in the field shows that there are many problems related to that challenge and practices proposed to mitigate these problems, dispersed in the literature. Notwithstanding the practices later cited, benchmark companies in applying methods of potential failure analysis can be investigated for discovering more practices. The goal of this study is to systematize both the problems and practices reported in the literature and the practices adopted by a benchmark company. In meeting that goal, this research delivered two main outcomes. First, through a Systematic Literature Review, is the sorting of the problems and practices cited in the literature. The 37 problems found were categorised in the classes: Definition of risk, Resources, NPD integration, Moment, Organizational culture, Information management, Procedures and Behavioural; and the 161 practices in Approach, Tool, Framework, Method, Software and Guideline. The second outcome, accomplished through a case study, is a set of practices employed by a company which is reference in applying the FMEA (Failure Mode and Effects Analysis) e DRBFM (Design Review Based on Failure Mode) methods. The findings suggest that the successful execution of the FMEA and DRBFM methods, in the business unit case, is due to a combination of provision of resources, employing multi-disciplinary teams, training, defining and documenting the process of application, integrating the application of these methods with others NPD methods/tools, and, mainly, not considering the application a perfunctory task. It is believed that the knowledge resulted from this research might assist companies to get benefits from the methods of potential failure analysis applied into the process of new product development.

É notável que o Sistema Elétrico de Potência (SEP) está constantemente exposto a adversidades ocasionadas por forças da natureza ou desgastes naturais de seus componentes. A localização com certa exatidão de uma falta no Sistema de Transmissão de Energia Elétrica (STEE), ocasionada por uma destas adversidades, contribui para a confiabilidade e segurança da operação do SEP. Neste contexto, este trabalho apresenta um método computacional de Localização de Faltas (LDF), desenvolvido em ambiente MATLAB®, baseado na Impedância Aparente (IA), utilizando dados de apenas um terminal, sendo o equacionamento desenvolvido em componentes simétricas. Este método tem como dados de entrada as componentes fundamentais de tensão e corrente do terminal local e a Potência de Curto Circuito (SCC) do sistema equivalente conectado ao terminal remoto. Para validar o método proposto foram realizadas diversas simulações para todos os tipos de faltas shunt, contemplando inúmeras condições destas, utilizando para isso, o programa computacional ATP-EMTP, alimentado com dados de parâmetros reais de um sistema de transmissão. Objetivando analisar a eficiência deste método, realizou-se a comparação de seus resultados com os resultados obtidos por um método estado-da-arte. A partir de análises e comparações, os resultados alcançados pertencentes ao método de LDF proposto, apresentam-se promissores para a LDF em sistemas de transmissão. / Electric Power Systems (EPS) are constantly exposed to adversities caused by forces of nature and components lifetime. The precise fault location in the Transmission System (TEPS), caused by these adversities, contributes to the reliability and safety the operation of the EPS. In this context, this work presents a computational method for fault location (FL), developed in MATLAB ® environment, based on the Apparent Impedance (AI) of the transmission line. The proposed method uses only one terminal data and is developed in symmetrical components equations. This method has as input data the fundamental components of voltage and current of the local terminal and the short circuit power (SCP) of the equivalent system connected to the remote terminal. The proposed method is validated through several simulations for all fault types, covering many fault conditions, making use of the software ATP-EMTP, fed with data from the actual parameters of a real life transmission system. Aiming to analyze the efficiency of this method, a comparison was made against the an state-of-the-art method. From analysis and comparison of the results obtained, is observed that the proposed scheme is capable to obtain precise fault location estimations and presents as promising method for the FL in transmission systems.

Relés de distância são muito utilizados para proteger linhas de transmissão. Porém, há baixa precisão dos limites de sua zona de proteção devido a fenômenos de subalcance e sobrealcance. Assim, nesta dissertação de mestrado é proposto um algoritmo com compensação da resistência de falta, baseado em coordenadas de fase, objetivando aumentar a precisão dos limites da zona de proteção. A formulação proposta utiliza uma estimativa da corrente de falta para estimar a resistência de falta e compensar a impedância aparente calculada. Foram realizados o equacionamento e desenvolvimento do algoritmo para faltas tipo fase. Simulações e testes numéricos comparativos com formulações estado-da-arte verificaram a eficiência do método proposto. / Distance Relays are widely used to protect transmission lines. However, due to underreaching and overreaching phenomena, there is a low precision in protection zone limits of distance relays. Thus, in this dissertation, a new algorithm based in phase coordinates is proposed to increase the precision in zone protection limits. The proposed method uses the fault corrent to estimate the fault resistance and compensate the apparent impedance calculated. The equation development was done for phase type faults. Comparative tests with state-of-the-art formulations verified the efficiency of the proposed method.