Com a necessidade da obtenção da informação ser disponibilizada em vários locais simultaneamente, mostrando resultados on-line, faz com que as redes de comunicação de dados estejam cada vez mais presentes no dia-a-dia das pessoas e das empresas obrigando a constante busca por novas técnicas e meios de estabelecer essa comunicação. Disponibilizar sistemas de monitoração, supervisão e controle de dados on-line em máquinas e equipamentos em tempo real, não é uma tarefa nada fácil. Na estratégia de investimento, a escolha apropriada da rede e o meio de estabelecer essa comunicação na integração dos diversos equipamentos distribuídos em locais diferentes (remotos) é um fator importante para o sucesso dos dados que se queiram monitorar. O presente trabalho mostra as tecnologias de comunicação sem fio – Wireless e Celular através de uma pesquisa e estudo de caso feito em Laboratório da UFRGS e Faculdade SATC com a criação de um protótipo de uma interface de aquisição de dados utilizando a rede celular GSM/GPRS para simular a transmissão e recepção de dados para o monitoramento remoto de 02 (duas) variáveis aqui definidas como vibração da torre e desgaste de pastilha de freio em aerogerador de pequeno porte. Os dados aqui estudados mostram resultados que podem ser úteis para qualquer empresa que planeje implantar um sistema de monitoramento remoto através da Rede Celular (GSM/GPRS). Apesar de no experimento ter sido utilizado variáveis de um aerogerador, são mostradas outras aplicações possíveis de monitoramento remoto utilizando-se o canal de comunicação ar. / With the need to obtain the information be made available in several places simultaneously, showing results online, means that the networks of communication of data are increasingly present in the day-to-day of people and businesses requiring the constant search for new techniques and means to establish such communication. Enabling systems for monitoring, surveillance and control of data online in machinery and equipment in real time, nothing is not an easy task. In investment strategy, the choice of appropriate network and the means to establish this communication in the integration of the various equipment distributed in different locations (remote) is an important factor for the success of the data that we want to track. The present work shows the wireless communication technologies-Wireless and Mobile through a search and case study done in the laboratory and UFRGS and SATC College with the creation of a prototype of an interface for data acquisition using the GSM / GPRS cellular network to simulate the transmission and reception of data to the remote monitoring of 02 (two) variables here defined as vibration of the tower and wear of the brake chip in wind power of small. The data studied here show us results that can be useful for any business that plan deploy a system for remote monitoring via the Network Mobile (GSM / GPRS). Although the experiment have used variables of a wind power, are shown other possible applications of remote monitoring using the channel of communication wireless.

Os sistemas de comunicação sem fio vem ganhando cada vez mais espaço no cenário das comunicações digitais. Em relação aos tradicionais sistemas cabeados, as tecnologias de comunicação sem fio evitam a necessidade de infraestruturas de alto custo, tornam a rede mais flexível, trazem facilidades de reconfiguração e a portabilidade para terminais móveis. Com o crescimento e aprimoramento nos usos das redes de automação novas soluções de comunicação estão surgindo entre elas sistemas de comunicação sem fio que possam ser confiáveis e para aplicações em ambientes mais críticos. Em paralelo o espectro de frequência tem sido cada vez mais ocupado devido à grande demanda, especialmente a faixa de espectro não licenciada. A faixa de frequência de 2.4 GHz (ISM), por exemplo, tem sido vastamente explorada e deve ser atualmente a mais utilizada no mundo, especialmente pela aplicação das grandes redes de comunicação como a world wide web. Este trabalho aborda um estudo sobre coexistência do primeiro protocolo certificado para comunicação sem fio aplicado à indústria, o WirelessHART. É apresentada uma visão geral do protocolo, os diferentes mecanismos de coexistência propostos no padrão e ainda um conjunto de ferramentas desenvolvidas para a análise de desempenho do protocolo WirelessHART. Os estudos de caso utilizam os padrões IEEE 802.11g, IEEE 802.15.1 e o próprio WirelessHART, sendo aplicados a análises experimentais estando presentes condições reais de propagação de sinais de rádio frequência, as quais são muitas vezes simplificadas nos tradicionais trabalhos em ambientes simulados. / Wireless communication systems are gaining more space in digital communications area. Compared to traditional wired systems, wireless communication technologies avoid the need for costly infrastructure, making the networks more flexible, improving portability and allowing an easier reconfiguration of mobile terminals. With the growth and improvement in the use of automation networks, new solutions are emerging in the communication systems, including reliable wireless communication for applications in critical environments. In parallel the frequency spectrum has become increasingly busy due to high demand, especially the unlicensed spectrum band. The frequency range of 2.4 GHz (ISM), for example, has been widely explored worldwide, especially by the application of large communication networks such as the world wide web. This work discusses a study on coexistence of the first certified industrial wireless communication protocol, the WirelessHART. It presents an overview of the protocol, the different coexistence mechanisms proposed in the standard and also a set of tools developed for the performance and coexistence analysis of WirelessHART. Case studies assessing the impact of IEEE 802.11g, IEEE 802.15.1 as well as of other WirelessHART networks experimentally are presented, on which real conditions of propagation of radio frequency signals, which are often simplified in traditional work in simulated environments, are evaluated. Obtained results indicated the adequacy of WirelessHart for industrial applications.

A importância das redes de comunicação industriais em modernos sistemas de automação e controle industriais tem aumentado significativamente nos últimos anos, devido aos avanços nas áreas de processadores e softwares embarcados, que permitem o desenvolvimento de dispositivos com elevada capacidade de processamento a custos reduzidos. Estas características também são muito importantes em sistemas automotivos, visto que existe uma tendência para a substituição de sistemas mecânicos e hidráulicos em veículos e o espaço disponível para implementação é bastante reduzido. Esta substituição passa pela elaboração de complexos algoritmos de controle, os quais, quando operam sobre uma rede de comunicação, precisam considerar explicitamente os efeitos do canal de comunicação compartilhado na dinâmica do sistema em malha fechada. Este trabalho apresenta uma análise do impacto da comunicação em rede sobre sistemas de controle. Mais especificamente, analisa-se o comportamento do protocolo Flexray, recentemente desenvolvido por um consórcio de importantes empresas e que incorpora interessantes conceitos para escalonamento de mensagens síncronas e assíncronas. No trabalho foram realizados experimentos com três diferentes tipos de controladores aplicados ao estudo de caso de uma suspensão ativa, onde o sistema tem sua malha fechada sobre a rede FlexRay. / The importance of communication networks on modern automation systems has increased significantly over the last years, mostly due to advances in embedded microprocessor and software technologies, which enable the development of devices with high processing power at reduced costs. These characteristics are very important for vehicle systems, since there is nowadays a trend to replace mechanical and hydraulic systems, and the space available for implementation is limited. This replacement requires very complex control algorithms, which, when operating on a communication network, have to consider explicitly the effects introduced by the shared communication channel on the closed loop system dynamics. This work presents an analysis of the network communication impact over control systems. More specifically, it is of interest to analyse the behavior of the FlexRay protocol, which has been recently developed by a Consortium of important companies and incorporates interesting concepts of synchronous and asynchronous message scheduling. In this work, some experiments were performed with three controllers, which were developed using different methodologies, applied to the case study of an active suspension system, where the loop is closed over the FlexRay protocol.

O presente trabalho aborda o problema de estabilização local de sistemas não lineares quadráticos contínuos no tempo (possivelmente instáveis em malha aberta) e sujeitos a saturação de atuadores. Além disso o trabalho apresenta um estudo de técnicas de síntese de compensadores de anti-windup para sistemas quadráticos sujeitos à saturação de atuadores. A abordagem do estudo é comparativa em relação a duas formas de representação dos sistemas quadráticos. A primeira forma de abordagem é a Representação Algébrico-Diferencial — DAR (do inglês, Differential Algebraic Representation), aplicável a toda a classe de sistemas racionais. A segunda forma, por sua vez, consiste em uma decomposição quadrática, particular para sistemas quadráticos. Em ambos os casos, utiliza-se a não linearidade de zona morta e uma condição generalizada de setor para tratar da saturação. Para ambas representações, condições baseadas em Desigualdades Matriciais Lineares — LMIs (do inglês, Linear Matrix Inequalities) dependentes dos estados são obtidas para fornecer uma lei de controle linear, com o objetivo de estabilizar o sistema em malha fechada enquanto fornece uma região maximizada de estabilidade garantida associada a uma função de Lyapunov. A partir da mesma metodologia, são propostas técnicas de síntese de compensadores de anti-windup estáticos e dinâmicos. Exemplos numéricos são apresentados para verificar a eficácia dos métodos propostos. / This work addresses the problem of local stabilization of continuous-time quadratic systems (possibly open-loop unstable) and subject to actuator saturation. Furthermore, the work addresses a study of techniques for synthesis of anti-windup compensators for quadratic systems subject to actuator saturation. The study approach is comparative in the sense of considering two representations of quadratic systems. The first one is the Differential Algebraic Representation — DAR, suitable for the entire class of rational systems. The second representation consists in a quadratic decomposition, particular for quadratic systems. In both cases, it is used the deadzone nonlinearity and the generalized sector condition in order to deal with the saturation. For both representations, state-dependent Linear Matrix Inequalities — LMIs conditions are obtained to provide a control law with the aim of stabilize the closed-loop system while providing a region of guaranteed stability, associated to a Lyapunov function. Based on the same methodology, techniques are proposed for the synthesis of static and dynamic anti-windup compensators. Numerical examples are presented to verify the effectiveness of proposed methods.

A escolha do modelo de referência é a principal tarefa a ser executada pelo projetista em um projeto de controle por modelo de referência. Uma má escolha do modelo de referência pode resultar em um desempenho de malha fechada que tem pouca semelhança com o especificado e a malha fechada pode até ser instável. Neste trabalho, esse problema será discutido no controle de plantas multivariáveis. O resultado experimental em uma planta de controle de nível de três tanques mostra uma aparentemente correta, ainda que ingênua, escolha do modelo de referência levando a um desempenho muito pobre em malha fechada. O problema é, então, analisado, expondo a ingenuidade do exemplo. Começa-se por reconhecer as restrições fundamentais impostas pelo sistema e, em seguida, deriva-se diretrizes gerais que respeitam essas restrições, para uma escolha eficaz do modelo de referência em sistemas multivariáveis. Também é proporcionada uma nova formulação para calcular o grau relativo mínimo de cada elemento do modelo de referência sem a necessidade de um modelo completo da planta. A aplicação destas orientações em simulações e na planta de três tanques ilustra sua eficácia. / The choice of the reference model is the main task to be performed by the designer in a model reference control design. A poor choice of the reference model may result in a closed-loop performance that bears no resemblance to the specifications and the closedloop may even be unstable. In this work we discuss this issue in the control of multivariable plants. Experimental results in a three tank level control plant show a seemingly correct, yet naive, choice of reference model leading to very poor closed-loop performance. The problem is then analyzed, exposing the naivete of the design example. We start by recognizing the fundamental constraints imposed by the system and then deriving general guidelines respecting these contraints for the effective choice of the reference model in multivariable systems. We also provide a novel formulation to compute the minimal relative degree of each element of the reference model without needing a complete model of the plant. The application of these guidelines to simulations and the three tank plant illustrates their effectiveness.

Este trabalho aborda o problema de controle baseado em eventos para sistemas em tempo discreto, considerando que o sistema possui os dispositivos atuadores e sensores em nós diferentes e separados por uma rede de comunicação. A estratégia baseada em eventos consiste em reduzir a utilização da rede ao transmitir as informações do sensor para o atuador apenas quando um evento é gerado pela violação de um determinado limiar pela função de disparo. Primeiramente, são formuladas condições para a estabilidade de um sistema linear com realimentação estática de estados sob a estratégia proposta, com base na teoria de Lyapunov. Como as condições são postas na forma de desigualdades matriciais lineares (LMIs, do inglês linear matrix inequalities), problemas de otimização convexos podem ser utilizados na determinação dos parâmetros da função de disparo, bem como na resolução do problema de co-design, ou seja, do projeto simultâneo do controlador e da função de disparo, os quais são providos na sequência. A partir deste resultado básico, a metodologia é estendida para o caso em que ocorre a saturação do atuador. A seguir, é apresentada a extensão da metodologia para o caso em que o estado da planta não está disponível para o sensor, sendo então utlizado um observador de estados, considerando-se tanto o caso em que o modelo da planta utilizado no observador corresponde exatamente à dinâmica real da planta quanto o caso em que este modelo apresenta incertezas. Exemplos numéricos são apresentados para ilustrar todas as classes de sistemas consideradas, com os quais constata-se que a estratégia proposta é eficiente na redução da utilização dos recursos da rede de comunicação. / This work approaches the problem of event-triggered control for discrete time systems, considering that the system has the actuator and sensor devices in different nodes, separated by a communication network. The event-triggered strategy consists in reducing the utilization of the network by only transmitting the information from the sensor to the actuator when an event is generated by the violation of a determined threshold by the trigger function. Firstly, conditions for the stability of a linear system with a static state feedback under the proposed strategy are formulated based on the Lyapunov theory. Since the conditions are given in the form of linear matrix inequalities (LMIs), convex optimization problems can be used for the determination of the trigger function parameters, as well as the co-design of the feedback gain and the trigger function, which are given next. From this basic result, the methodology is extended to the case where occurs the saturation of the actuator. Following, the extension of the methodlogy to the case in which the plant states are not available for measure is presented, and a state-observer is used, considering both the case that the plant model corresponds exactly to the real plant dynamics and the case where this model has uncertainties. Numeric examples are shown to illustrate all the system classes considered, with which it is found that the proposed strategy is efficient in the reduction of the network resources utilization.

Os sistemas de controle e supervisão têm se revelado expressivamente importantes nos sistemas de produção. Garantir o funcionamento com qualidade dos processos industriais exige um controle permanente, sendo necessário manter constantes algumas variáveis. Um dos fatores que se destacam na utilização de monitoramento remoto é a possibilidade de centralizar o controle de um determinado processo em locais distintos, muitas vezes distantes do ponto de origem do problema, podendo ser acessado pelo responsável pelo processo e/ou muitas vezes resolvido pelo mesmo, sem a necessidade de locomover-se até o local do problema. Esse trabalho visou estudar e desenvolver um sistema utilizando a tecnologia de comunicação via rede elétrica e aquisição de dados, aplicado ao monitoramento e supervisão de temperatura do rotor de um aerogerador de pequeno porte por meio de um protótipo de simulação. O mesmo deu-se por meio de pesquisas e estudo de caso realizado em Laboratórios da Faculdade SATC, com a criação de um modelo de interface e aquisição de dados utilizando a rede elétrica para a transmissão e recepção de dados por intermédio da tecnologia PLC, como solução para o monitoramento remoto de uma variável definida como temperatura, simulando a temperatura do motor em um aerogerador de pequeno porte. Após a execução do protótipo, foram realizados testes comparativos entre a tecnologia PLC e a rede LAN em dois ambientes distintos: residencial e industrial. A análise do comportamento da rede LAN foi realizada através de um software de análise de redes, onde foram estabelecidos alguns parâmetros que representassem o desempenho da rede ao enviar e receber dados do sistema de monitoramento. Os resultados obtidos evidenciam as performances das tecnologias utilizadas como meios de transmissão, assim como apresentam um paralelo entre as mesmas. Os dados obtidos por este estudo mostram resultados satisfatórios da tecnologia PLC em relação à rede LAN, confirmando a possibilidade do uso desta tecnologia em sistemas de monitoramento remoto, permitindo assim um aumento na confiabilidade e comodidade operacional. / The control system and supervision have been revealed very important in product systems. To guarantee the function with quality, industrial process requires a permanent control being necessary keeping stable some variables. One important factor to point using remote monitoring is the possibility to centralize the control of one process in distinct place, many times far away from the problem original point. It can be accessed by responsible person for the process or many times solved by him without the necessity to be present where the problem started. This research studied and developed a monitoring system and supervision, using communication technology via electrical grid and data acquisition system. It was done by means of research and studies cases at SATC laboratory with data acquisition interface creation, using electric power distribution to transmit and receive the data by PLC technology as a solution to remote monitoring of a definite variable as temperature, simulating the temperature of a small wind power motor. After the prototype execution, comparatives tests were done between PLC technology and LAN network in two different environments: residential and industrial. The network behavior analysis was performed using a network analysis software, where were established some parameters that represent the performance of the network to send and receive data from the monitoring system.The data acquired in this research shows satisfactory results using PLC technology in relation to LAN network, confirming the possibility of use this technology in remote monitoring system allowing a reliability increase in operational convenience.

Com o desenvolvimento e disseminação dos protocolos de rede, o surgimento dos chips de ASIC e queda dos preços do silício (estes dois últimos fatores possibilitando com que os sensores e atuadores pudessem ser equipados com interfaces de rede e com isso se tornarem nós independentes em uma rede de controle em tempo real), viabilizaram o desenvolvimento dos sistemas de controle em rede que hoje em dia vêm sendo amplamente utilizados. Juntamente com o aparecimento dos sistemas de controle em rede, novos problemas surgiram sendo um deles o atraso de transporte nas comunicações dos sensores/atuadores/controladores e as conseqüências relacionadas a este fator. Este trabalho tem por objetivo contextualizar sistemas de controle em rede no que concerne novas metodologias de sistemas de controle, escalonamento e apresentar as influências causadas pela comunicação em redes Foundation Fieldbus no desempenho de sistemas de controle. / The development and dissemination of network protocols, the arising of ASIC chip and price drops in silicon (these two last factors allow sensors and actuators be equipped with network interfaces and thus become independent nodes in a real-time control network), make the development of Networked Control Systems possible, which became widely used. New issues - such as an increase in the communication delay among distributed sensors, controller, and actuators have to be handled by designers when developing networked control systems in order to ensure that stability and other usual control performance requirements are met. In this work, the timing behavior of a networked control developed using a Foundation Fieldbus-based network is studied and in particular the impact that communication parameters as jitter, macrocycle, and message scheduling have on control performance metrics like overshoot and settling time are evaluated both theoretically as well as experimentally.

Tese (doutorado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Mecânica, Programa de Pós-Graduação em Ciências Mecânicas, 2013. / Submitted by Alaíde Gonçalves dos Santos (alaide@unb.br) on 2014-02-21T11:33:33Z No. of bitstreams: 1 2013_MarcoPauloGuimaraes.pdf: 4890160 bytes, checksum: 22610f00c133fd540cb0a2a9dbddbf5f (MD5) / Approved for entry into archive by Guimaraes Jacqueline(jacqueline.guimaraes@bce.unb.br) on 2014-02-21T11:52:13Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2013_MarcoPauloGuimaraes.pdf: 4890160 bytes, checksum: 22610f00c133fd540cb0a2a9dbddbf5f (MD5) / Made available in DSpace on 2014-02-21T11:52:13Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2013_MarcoPauloGuimaraes.pdf: 4890160 bytes, checksum: 22610f00c133fd540cb0a2a9dbddbf5f (MD5) / Este trabalho propõe avaliar o uso de forças (momentos) de controle não lineares para o controle semiativo de vibrações em uma estrutura sujeita a esforços torcionais, modelada por parâmetros discretos que resultam em baixas frequências naturais. O controle semiativo é concebido para ser realizado por meio de um momento de controle produzido por atrito de Coulomb em um freio eletromagnético. Estratégias de controle específicas são apresentadas considerando as flexibilidades e restrições apresentadas por este tipo de controlador. Técnicas de otimização estocásticas são utilizadas para desenvolver modelos não lineares adotados para o momento de controle. Esses modelos consideram momentos de controle que podem ser função da velocidade e/ou do deslocamento e de suas potências. Os resultados obtidos por simulação são comparados com os de um controle passivo clássico para a mesma estrutura e permitem avaliar a vantagem relativa da estratégia adotada para diferentes tipos de excitação. _________________________________________________________________________________ ABSTRACT / This study aims at evaluating the use of nonlinear control forces (moments) for semiactive control of vibrations in a structure with torsional efforts, modeled by lumped parameters that result in low natural frequencies. Semiactive control is designed to be performed by Coulomb friction forces in a magnetic brake. Specific control strategies are presented considering the flexibilities and constraints presented by this type of controller. Stochastic optimization are used to develop nonlinear models adopted for the control moment. These models consider control moments that can be function of speed and/or displacement and its powers. The results obtained by simulation are compared with those of a classical passive control applied to the same structure to evaluate the advantage of the strategy used for different excitations.

Com o desenvolvimento e disseminação dos protocolos de rede, o surgimento dos chips de ASIC e queda dos preços do silício (estes dois últimos fatores possibilitando com que os sensores e atuadores pudessem ser equipados com interfaces de rede e com isso se tornarem nós independentes em uma rede de controle em tempo real), viabilizaram o desenvolvimento dos sistemas de controle em rede que hoje em dia vêm sendo amplamente utilizados. Juntamente com o aparecimento dos sistemas de controle em rede, novos problemas surgiram sendo um deles o atraso de transporte nas comunicações dos sensores/atuadores/controladores e as conseqüências relacionadas a este fator. Este trabalho tem por objetivo contextualizar sistemas de controle em rede no que concerne novas metodologias de sistemas de controle, escalonamento e apresentar as influências causadas pela comunicação em redes Foundation Fieldbus no desempenho de sistemas de controle. / The development and dissemination of network protocols, the arising of ASIC chip and price drops in silicon (these two last factors allow sensors and actuators be equipped with network interfaces and thus become independent nodes in a real-time control network), make the development of Networked Control Systems possible, which became widely used. New issues - such as an increase in the communication delay among distributed sensors, controller, and actuators have to be handled by designers when developing networked control systems in order to ensure that stability and other usual control performance requirements are met. In this work, the timing behavior of a networked control developed using a Foundation Fieldbus-based network is studied and in particular the impact that communication parameters as jitter, macrocycle, and message scheduling have on control performance metrics like overshoot and settling time are evaluated both theoretically as well as experimentally.