O desempenho comportamental de dispositivos MEMS (Sistemas Micro Eletro Mecânicos) baseados em deformação elástica pode ser modificado conforme a temperatura ambiente onde o mesmo está inserido. A compreensão do desempenho comportamental destas estruturas permite avaliar o grau de influência da variação térmica, além de verificar a funcionalidade das mesmas. As estruturas alvo são dois micros rotores utilizados nos atuadores comb-drive, tais como ponte dupla e dobradiça com tipologia simples e deslocamento unidirecional. Neste contexto, o objetivo deste trabalho foi obter um modelo comportamental estimado de micro rotores MEMS fundamentado na teoria de Identificação de Sistemas através de técnicas de modelagem matemática caixa cinza em diferentes temperaturas. A representação matemática utilizada corresponde aos modelos matemáticos auto regressivos com entradas e saídas exógenas. Os parâmetros dos modelos estimados são obtidos utilizando o método dos Mínimos Quadrados (MQ), sendo os dados processados em lote. Os testes experimentais das estruturas utilizadas foram realizados em uma plataforma experimental desenvolvida na ferramenta computacional que utiliza o método de elementos finitos, usando como teste um sinal degrau e um sinal degrau contaminado com ruído. Os índices de erro relativo, raiz do erro quadrático médio e a validação cruzada foram utilizados para validar os modelos estimados. O modelo estimado resultante apresentou um desempenho satisfatório quando foi comparado com os dados experimentais e com um modelo fenomenológico do processo. Desta forma, o modelo estimado obtido a partir dos dados no processo de fabricação, quando comparado com o modelo fenomenológico, auxilia o projetista de MEMS na melhora da qualidade do desempenho dessas estruturas. / 96 f.

Os MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) compõem uma tecnologia que tem ganhado destaque nas últimas décadas e sua difusão reflete um constante crescimento tanto em aplicações quanto em volume financeiro envolvido. Um MEMS de fundamental importância é o comb-drive. Várias são as áreas da indústria que se beneficiam das virtudes deste microdispositivo. Confiabilidade, invisibilidade e economia de energia são as principais qualidades desses sistemas. Os produtos desta tecnologia representam um mercado emergente e que movimenta bilhões de dólares anuais, contudo, há de se considerar a crescente exigência no quesito qualidade por parte daqueles que a utilizam. A forma como estes dispositivos tem sido testados, por amostragem, não garante esta qualidade com a segurança desejada. Também cabe destacar que os testes precisam ser realizados de forma rápida e com baixo custo. Este trabalho objetiva investigar um modelo matemático que expresse uma dinâmica próxima daquela observada em MEMS, visando contribuir para agilidade e qualidade dos testes. A técnica utilizada para encontrar os regressores e o emprego de modelos não-lineares são as principais diferenças deste trabalho em relação aos comumente encontrados na literatura no âmbito de MEMS. As técnicas utilizadas são oriundas da identificação de sistemas. Por se tratar de dispositivos com dimensões micrométricas, a coleta de dados reais torna-se inviável. Assim, os dados foram obtidos através de ensaios em uma plataforma de testes elaborada no software ANSYS®. De posse desses dados e considerando a estrutura do modelo NARX foi possível a elaboração de uma série de modelos, cada um deles com alguma diferença na estrutura. O método dos mínimos quadrados foi o escolhido para estimação dos parâmetros. Os resultados obtidos para cada modelo foram comparados aos coletados na plataforma. Esta comparação se deu na forma qualitativa e quantitativa e com base nisso foi possível identificar um modelo matemático acurado para a dinâmica não linear de dispositivos MEMS. / 98 f.

A necessidade de entregar energia pelas concessionárias a seus consumidores, com qualidade e continuidade é condição fundamental para o bom funcionamento de um sistema de distribuição. A falta monofásica de alta impedância é um distúrbio nos sistemas de distribuição de energia bastante frequente, cuja origem pode ser a mais variada possível tais como galhos de árvore que podem cair sobre a rede elétrica, descargas atmosféricas, choque de algum automóvel contra um poste, dentre outros eventos que podem ser citados. O pronto restabelecimento do sistema no tempo mais breve possível, com a detecção e eliminação deste transitório continuam sendo uma tarefa trabalhosa pelas próprias características que estas perturbações apresentam. Por isso, ainda hoje as faltas monofásicas são objeto de estudos, a fim de caracterizar melhor este evento, sendo possível atuar na sua neutralização no tempo mais breve possível. Redes neurais artificiais é uma alternativa na tarefa de identificação. Este trabalho tem por objetivo contribuir na investigação das potencialidades das redes neurais na identificação de falta monofásica em redes de distribuição. Tomando como referência um sistema de distribuição de energia com cinco alimentadores na configuração radial, três tipos de falta foram simulados em posições diferentes nos alimentadores. A primeira situação simulada consiste em uma falta monofásica de alta impedância variável, a segunda consiste na retirada e posterior reposição de cargas no sistema e a terceira situação consiste na simulação das duas situações transitórias citadas anteriormente sequencialmente. Redes neurais artificiais foram projetadas e testadas na tarefa de identificação dos eventos transitórios simulados. O algoritmo empregado no treinamento das redes foi o de retropropagação do erro (Bakpropagation) em conjunto com nove algoritmos de otimização do erro de aprendizagem. As redes foram testadas e os resultados analisados e apresentados neste trabalho. / 159 f.

Este trabalho apresenta o estudo da modelagem matemática caixa preta de propulsores eletromecânicos de aeronaves do tipo multirrotor. Estas aeronaves têm sido crescentemente investigadas e ainda estão em evolução. Justifica-se este fato em função de possuírem aplicações em diversas áreas, inclusive em situações que causam risco à vida humana. Dentre os multirrotores destaca-se o quadrirrotor, que vem sendo utilizado como plataforma padrão de estudo. Este possui a capacidade de decolagem e aterrissagem vertical, o que desafia a área de controle. Nesse sentido, estudou-se a modelagem matemática do sistema de propulsão eletromecânico dos multirrotores a fim de poder contribuir futuramente com a otimização de seu controle. A metodologia utilizada consiste na compreensão do sistema de propulsão e utilização de uma plataforma de testes para a coleta de dados, seguida da aplicação de testes de estacionariedade para a análise dos mesmos. O cálculo das funções de autocorrelação e autocorrelação parcial é utilizado para determinação da estrutura e ordem dos modelos matemáticos e posteriormente, os parâmetros são estimados. A validação se dá pela comparação da simulação de cada modelo com os dados da plataforma e a análise dos resíduos. Além disso, são utilizados critérios de informação para seleção de modelos obtendo-se, a partir do Critério de Informação Bayesiano (BIC), uma aproximação prévia de resultados para diferentes modelos, visando garantir possíveis condições impostas pelo projeto que os utilizará. Dessa forma, a metodologia apresentada contribui para novas técnicas de controle. / 83 f.

O trabalho tem por objetivo propor um controlador automático para servoventiladores em modo de ventilação mandatória sobre a ventilação total do paciente hígido sob o efeito de neuro-bloqueadores. Através da especificação de parâmetros ajustáveis de equipamentos de ventilação mecânica e de modelos do sistema fisiológico humano, chega-se a uma série de requisitos de desempenho para este controlador que venha a desempenhar a função de estabilização da saturação de oxigênio no sangue do paciente intubado. A técnica de controle usada é do tipo preditiva baseada em modelos e, portanto, um modelo linear paramétrico é identificado a partir do modelo não-linear de validação. O controlador foi projetado para pequenas variações em torno do ponto de equilíbrio, utilizando o algoritmo GPC. Através de pequenos ajustes da ventilação total e da fração de oxigênio do ar fornecido às vias aéreas superiores do paciente, o controlador atua sobre o sistema, de forma a atingir e manter um certo grau requerido de saturação de oxigênio no paciente. No final do trabalho, uma análise de robustez é feita como validação de projeto.

O presente trabalho tem como objetivo apresentar um sistema de automação, controle, aquisição e identificação do modelo laboratorial de uma turbina a gás. Referido sistema de controle foi montado utilizando-se de componentes disponíveis no mercado tais como sensores, atuadores, controladores, softwares, etc. Merece destaque o desenvolvimento de software que instalado no CLP (Controlador Lógico Programável) controla, entre outras funções, a ação de válvulas proporcionais de controle de vazão garantindo as condições necessárias para o correto funcionamento da turbina. Agregado ao sistema funcional, um sistema laboratorial de aquisição e processamento de dados baseado em Labview foi implementado para a identificação dinâmica da máquina, com a finalidade de se obter a função de transferência do sistema que possibilitasse, a posteriori, a simulação e a otimização de estratégias de controle avançadas. A turbina a gás, não convencional e composta de turbo-compressores automotivos, turbina aeronáutica de jatos militares, etc., tinha potência estimada de 50kW e encontrava-se em desenvolvimento experimental por uma equipe de pesquisa sediada nas dependências do CTA-ITA.

Este trabalho apresenta um método para obtenção e simplificação de uma base de regras nebulosas. O método proposto para a extração de regras nebulosas é oriundo da combinação eficiente de diferentes técnicas relatadas independentemente na literatura. Inicialmente, são gerados agrupamentos de entrada e agrupamentos de saída correspondentes. Em seguida são definidas, de forma recursiva, regras nebulosas para classificação de padrões. Cada regra é associada a uma hipercaixa que define a região de existência de uma classe e/ou inibe a classificação do dado nos casos em que duas ou mais hipercaixas se superpõem (situação onde um ou mais dados podem pertencer a mais de uma região) evitando assim que sejam geradas regras conflitantes. Então, é discutido um mecanismo de redução do conjunto de regras com base nas superposições de classes, para a simplificação do conjunto de regras gerado, onde serão gerados os graus de pertinência para os dados de entrada. O método é ilustrado através de um exemplo no qual são determinadas regras para um controlador nebuloso para um sistema de controle de atitude utilizando atuadores com restrições de tempo de chaveamento e atrasos.

Este trabalho tem por objetivo avaliar diferentes controladores preditivos para sistemas de ventilação mecânica empregando uma metodologia multi-objetivo. Para isso, é utilizado um modelo para o sistema respiratório, que descreve as trocas gasosas ocorridas nos pulmões, no cérebro e nos tecidos corporais do indivíduo. Restrições foram impostas às variáveis manipuladas tendo em vista valores fisiologicamente aceitáveis. Os controladores foram implementados empregando a técnica de Controle por Matriz Dinâmica (Dynamic Matrix Control, DMC), tendo por finalidade regular a saturação de oxigênio no sangue arterial. Três abordagens foram comparadas: a primeira utiliza a fração inspirada de oxigênio como variável de controle, a segunda utiliza a ventilação total, e a terceira emprega ambas. Os resultados foram avaliados em termos de sensibilidade a ruído de medida e a uma perturbação paramétrica na dinâmica do sistema. Com base em tais critérios, fronteiras de Pareto foram estimadas para as três abordagens consideradas, variando-se os horizontes de predição e controle, bem como o peso do controle na função de custo. Como resultado, observou-se uma superioridade do controlador multivariável.

Este trabalho apresenta uma investigação sobre algumas técnicas de integração de sensores para a estimação dos estados de um dado sistema dinâmico com modelo linear. As abordagens utilizadas são baseadas no filtro de Kalman. São consideradas duas configurações para a integração das informações dos sensores: integração centralizada e integração distribuída. Tais algoritmos consideram incertezas nas redes de comunicação entre os sensores e o sistema de processamento central. Também é investigado um algoritmo de identificação dos ganhos ótimos dos filtros de Kalman, para um sistema de integração distribuída, baseado nas correlações das inovações. Como contribuições, são desenvolvidas expressões para a quantificação dos erros de identificação dos ganhos ótimos dos filtros de Kalman em função dos erros na avaliação das correlações das inovações. De início, são obtidas expressões para o caso em que não existem incertezas nas redes de comunicação e apenas um sensor é considerado. Este resultado é então generalizado para o caso em que existem incertezas nas redes de comunicação e múltiplos sensores são considerados. Todos os algoritmos investigados são apresentados com detalhes de sua derivação e de forma a facilitar a compreensão das técnicas de estimação utilizadas, a teoria de estimação e do filtro de Kalman são brevemente apresentadas. Simulações são utilizadas para avaliar o desempenho dos algoritmos.

This study concerns the development of a novel mechanical ventilation system, with a view to analysing the results of a new mechanical ventilation technique, referred to noisy ventilation. Additionally, the study addresses the assessment of the system, involving the estimation of certain mechanical parameters of the respiratory system under noisy ventilation and discusses a pilot trial in vivo, with a pig. During acute respiratory failure, intubation and invasive mechanical ventilation may be life saving procedures. The general aim of mechanical ventilation is to provide adequate gas exchange support, while not damaging the respiratory system. This technique is one of the most important life support tools in the intensive care unit. However, it may also be harmful by causing ventilator induced lung injury and other undesirable effects. There is a growing interest in the development and use of variable mechanical ventilation performing variable volume and variable pressure controlled ventilation. The reasons are that this technique can improve lung functions and reduce lung damage, when compared to standard mechanical ventilation. Moreover, variable ventilation can improve lung mechanics and gas exchanges. The new ventilation system has to have the capabilities to perform a noisy ventilation regime, besides the standard mechanical ventilation. The development started with commercial devices: a mechanical ventilator and a personal computer, whose roles were to execute the noisy ventilation regime and to implement the new ventilation pattern by means of a ventilation routine, commanding the mechanical ventilator. After these two components were working together, a bench test was performed, in which a calibrated measuring device and a mechanical lung simulator were utilized. Considering that the system was working properly, it was possible to validate it by analysing the results. As the mechanical properties of the respiratory system are important quantities to know, a parameter estimation method was developed, with a view to estimating some relevant properties, such as compliance, positive end--expiratory pressure, resistance and others. The estimates were related to the adopted model for the respiratory system. In this study, four models were discussed: first order linear model, flow dependent resistance model, volume dependent elastance model and second order linear model. For each one, all parameters were estimated and the outcomes from each estimation were compared with the others, with a view to finding relationships between them and to evaluating the goodness of each model. Furthermore, as some parameters could be adjusted directly in the devices, adjusted and estimated values could also be compared. Finally, one trial in vivo was performed, with a view to assessing the behaviour of the system in a real situation and to showing the developed system to the research team. The system was set to work in a noisy and in a standard ventilation regime. It showed reasonable results in terms of quality of ventilation as well as reliability and maintainability of the ventilatory regime, during the whole test period. The developed parameter estimation methods were utilized to estimate the mechanical respiratory properties of the animal under test and to find cross relationships between these outcomes and others, such as those from blood gas, ultrasonography and electrical impedance tomography.