Resumo: O Sistema de Posicionamento Global oferece um poderoso e relativamente barato processo para se determinar órbitas de satélites artificiais da Terra. Este trabalho apresenta um método de determinação de órbita para satélites com um receptor GPS a bordo. Medidas de pseudo-distância são usadas para estimar o vetor de estado. O estimador considerado é o método dos mínimos quadrados recursivo, através de rotações ortogonais de Givens, com a finalidade de evitar problemas numéricos e de inversão de matrizes. É considerado a modelagem das forças devido ao geopotencial de alto grau e ordem. Resultados indicam que a precisão em posição melhor que 10 m foi obtido usando dados reais do satélite Topex (com um mínimo de duas horas de dados - aproximadamente um período orbital). O resíduo de pseudo-distância teve um desvio padrão cerca de 5 m. / Abstract: The Global Positioning System is a powerful and low cost process to compute orbits for some artificial Earth satellites. This work presents a method of orbit determination for satellites with an onboard GPS receiver. Pseudo-ranges are used in the measurements equations for the orbit estimator. The estimator considered is the recursive least squares method, numerically improved with orthogonal Givens rotations and thus avoiding problems concerning inversion of matrices. Up to high order geopotential perturbations are taken into account. Results indicate that precision better than 10 m is easily obtained using batches of one orbital period for the TOPEX satellite (two hours of orbital period). Standard deviation of about 5 m resulted for the residuals. / Orientador: Rodolpho Vilhena de Moraes / Coorientador: Hélio Koiti Kuga / Mestre

In order to meet tight product quality specifications for chemical batch processes, it is vital to monitor and control product quality throughout the batch duration. However, the frequent lack of in situ sensors for continuous monitoring of batch product quality complicates the control problem and calls for novel control approaches. This thesis focuses on the study and application of multivariate statistical methods to control product quality in chemical batch processes. These multivariate statistical methods can be used to identify data-driven prediction models that can be integrated within a model predictive control (MPC) framework. The ideal MPC control strategy achieves end-product quality specifications by performing trajectory tracking during the batch operating time. However, due to the lack of in-situ sensors, measurements of product quality are usually obtained by laboratory assays and are, therefore, inherently intermittent. This thesis proposes a new approach to realise trajectory tracking control of batch product quality in those situations where only intermittent measurements are available. The scope of this methodology consists of: 1) the identification of a partial least squares (PLS) model that works as an estimator of product quality, 2) the transformation of the PLS model into a recursive formulation utilising a moving window technique, and 3) the incorporation of the recursive PLS model as a predictor into a standard MPC framework for tracking the desired trajectory of batch product quality. The structure of the recursive PLS model allows a straightforward incorporation of process constraints in the optimisation process. Additionally, a method to incorporate a nonlinear inner relation within the proposed PLS recursive model is introduced. This nonlinear inner relation is a combination of feedforward artificial neural networks (ANNs) and linear regression. Nonlinear models based on this method can predict product quality of highly nonlinear batch processes and can, therefore, be used within an MPC framework to control such processes. The use of linear regression in addition to ANNs within the PLS model reduces the risk of overfitting and also reduces the computational e↵ort of the optimisation carried out by the controller. The benefits of the proposed modelling and control methods are demonstrated using a number of simulated batch processes.

This thesis is concerned with developing a control and condition monitoring system for a class of fault tolerant actuators with high levels of redundancy. The High Redundancy Actuator (HRA) is a concept inspired by biomimetics that aims to provide fault tolerance using relatively large numbers of actuation elements which are assembled in parallel and series configurations to form a single actuator. Each actuation element provides a small contribution to the overall force and displacement of the system. Since the capability of each actuation element is small, the effect of faults within the individual element of the overall system is also small. Hence, the HRA will gracefully degrade instead of going from fully functional to total failure in the presence of faults. Previous research on HRA using electromechanical technology has focused on a relatively low number of actuation elements (i.e. 4 elements), which were controlled with multiple loop control methods. The objective of this thesis is to expand upon this, by considering an HRA with a larger number of actuation elements (i.e. 12 elements). First, a mathematical model of a general n-by-m HRA is derived from first principles. This method can be used to represent any size of electromechanical HRA with actuation elements arranged in a matrix form. Then, a mathematical model of a 4-by-3 HRA is obtained from the general n-by-m model and verified experimentally using the HRA test rig. This actuator model is then used as a foundation for the controller design and condition monitoring development. For control design, two classical and control method-based controllers are compared with an H_infinity approach. The objective for the control design is to make the HRA track a position demand signal in both health and faulty conditions. For the classical PI controller design, the first approach uses twelve local controllers (1 per actuator) and the second uses only a single global controller. For the H_infinity control design, a mixed sensitivity functions is used to obtain good tracking performance and robustness to modelling uncertainties. Both of these methods demonstrate good tracking performance, with a slower response in the presence of faults. As expected, the H_infinity control method's robustness to modelling uncertainties, results in a smaller performance degradation in the presence of faults, compared with the classical designs. Unlike previous work, the thesis also makes a novel contribution to the condition monitoring of HRA. The proposed algorithm does not require the use of multiple sensors. The condition monitoring scheme is based on least-squares parameter estimation and fuzzy logic inference. The least-squares parameter estimation estimates the physical parameters of the electromechanical actuator based on input-output data collected from real-time experiments, while the fuzzy logic inference determines the health condition of the actuator based on the estimated physical parameters. Hence, overall, a new approach to both control and monitoring of an HRA is proposed and demonstrated on a twelve elements HRA test rig.

O estudo de escoamentos de fluidos não-Newtonianos através de expansões desperta um grande interesse em pesquisadores nas diversas áreas da engenharia, devido a sua ampla aplicação em indústrias e no meio acadêmico. O objetivo principal desta Dissertação é simular problemas de escoamentos envolvendo fluidos viscoplásticos através de expansões axissimétricas abruptas. O modelo mecânico empregado é baseado nas equações de conservação de massa e de momentum para escoamentos isocóricos acoplados com a equação constitutiva de um Fluido Newtoniano Generalizada (GNL), com a função de viscosidade de Herschel-Bulkley regularizada pela equação de Papanastasiou. O modelo mecânico é aproximado por um modelo estabilizado de elementos finitos, denominado método Galerkin Mínimos-Quadrados, ou Galerkin Least-squares (GLS). Esse método (GLS) é usado a fim superar as dificuldades numéricas do modelo de Galerkin clássico: a condição de Babuška-Brezzi e a instabilidade inerente em regiões advectivas do escoamento. O método é construído adicionando termos de malha-dependentes a fim aumentar a estabilidade da formulação de Galerkin clássica sem danificar sua consistência. A formulação GLS é aplicada para estudar a influência do índice power-law, da tensão limite de cisalhamento e razão de aspecto na dinâmica do escoamento de fluidos de Herschel-Bulkley através de expansões axissimétricas abruptas de razão de aspecto 1:2 e 1:4. Os problemas que envolvem números de Reynolds desprezíveis, para uma escala do número de Herschel-Bulkley entre 0 e 100 e índice de comportamento entre 0,2 e 1,0 são apresentados. Os resultados são fisicamente detalhados e estão de acordo com a literatura. / The study of non-Newtonian fluid flows in expansions is of great interest for researchers in the several branches of engineering, due to their wide application both in industry and academy. The objective of this Dissertation is to simulate flow problems involving a viscoplastic fluid through an axisymmetric abrupt expansion. The mechanical model employed is based on the mass and momentum conservative equations for isochoric flows coupled with the Generalized Newtonian Liquid (GNL) constitutive equation, with the Papanastasiou-regularized Herschel-Bulkley viscosity function. The mechanical model is approximated by a stabilized finite element scheme, namely the Galerkin Least-squares method. This method (GLS) is used in order to overcome the numerical difficulties of the classical Galerkin method: the Babuška- Brezzi condition and the inherent instability in advective flow regions. The method is built adding mesh-dependent terms in order to increase the stability of the classical Galerkin formulation without damaging its consistency. The GLS formulation is applied to study the influence of power-law index, yield stress and aspect reason in the flow dynamics of Herschel- Bulkley fluids through an axisymmetric abrupt expansions of aspect reason 1:2 and 1:4. Problems involving negligible Reynolds numbers, for a Herschel-Bulkley number range between 0 and 100 and e power-law index range between 0.2 and 1.0 are presented. The results are physically comprehensive and are in accordance with the literature.

A grande maioria dos fluidos encontrados na natureza se comportam como fluidos não- Newtonianos o que torna o seu estudo muito importante para diversas áreas da engenharia. Este trabalho tem como objetivo simular o problema específico de escoamentos de fluidos viscoplásticos em expansões abruptas planares com razão de aspecto de 1:4. O problema em questão se mostra interessante pois em muitos sistemas industriais são apresentados a geometria proposta para estudo associada a fluidos viscoplásticos. Foi empregado o modelo mecânico multi-campos (mult-field) baseado nas equações de conservação de massa e balanço de momentum para escoamentos isocóricos acoplados com a equação constitutiva de um Fluido Newtoniano Generalizada (GNL), associada à função de viscosidade de Herschel-Bulkley regularizada através da equação de Papanastasiou. O modelo mecânico é aproximado por um modelo estabilizado de elementos finitos, denominado método Galerkin Mínimos-Quadrados (GLS). A fim de se pesquisar os fenômenos reológicos ali presentes é feito o estudo da influência do índice de power-law na topologia de um escoamento creeping flow (Re@0) para uma vasta faixa de números de Herschel-Bulkley variando entre 0.1 e 100. Os resultados mostraram-se satisfátorios, apresentando uma forte influencia do número de Herschel-Bulkley e do índice de power law na topologia e na dinâmica do escoamento. Obteve-se uma validação do trabalho comparando-se os resultados obtidos nesta dissertação com os obtidos em artigo de grande credibilidade e aceito por toda a academia científica. / The majority of fluids found in nature behave like non-Newtonian fluids what makes their study of great importance to various areas of engineering. The present work aims to simulate the specific problem of the viscoplastic fluids flows through in planar abrupt expansion with the aspect ratio of 1:4. The problem in question is interesting because in many industrial systems are the proposal to study geometry associated with viscoplastic fluid. It employed the multi-field mechanical model based on equations of conservation of mass and momentum balance for the isochoric flow coupled with the constitutive equation of the Generalized Newtonian Liquids (GNL), associated with the function of viscosity of Herschel-Bulkley regularized by the equation of Papanastasiou. The mechanical model is approximated by a stabilized finite element model, called Galerkin Least-Squares method (GLS). In order to research the rheological phenomena present is done studying the influence of power-law index in the topology of the creeping flow (Re@0) for a wide range of numbers of Herschel-Bulkley ranging between 0.1 and 100. The results have proved satisfactory, showing a strong influence on the number of Herschel-Bulkley and power law index of the topology and dynamics of the flow. Got to be a validation of the work comparing the results with those obtained in this thesis in an article of great credibility and accepted throughout the scientific academy.

A literatura de Finanças oferece evidências de que, tanto no Brasil quantos nos E.U.A., as firmas de capital aberto estão retendo cada vez mais caixa ao longo das últimas décadas. Sobre a fonte de caixa retido, há algumas evidências do importante papel da emissão de ações para as firmas estadunidenses, porém não foram localizados trabalhos relacionados sobre o caso brasileiro. Usando uma base de dados em painel com dados contábeis e de mercado de firmas listadas na BMF&BOVESPA de 1995 a 2013 e o modelo proposto por McLean (2011), estimado através do método dos mínimos quadrados, este estudo objetiva obter evidências sobre as fontes de caixa retido pelas firmas no mercado brasileiro através de análise da amostra completa e de grupos de firmas classificadas como irrestritas e restritas financeiramente. Os resultados encontrados sugerem que a emissão de ações, o endividamento e o fluxo de caixa operacional têm correlação positiva e significante com a variação em caixa e que o fluxo de caixa operacional é a principal fonte de caixa retido das firmas brasileiras. Explorou-se o papel dos motivos precaucionários sobre a decisão de retenção e foram encontradas evidências de que o grupo de firmas restritas financeiramente retém mais a partir do fluxo de caixa operacional em tempos de crescimento nestes motivos. Por último, buscou-se verificar o papel de impactos macroeconômicos sobre a decisão de retenção, com os resultados mostrando que choques exógenos afetam de maneira diferente as firmas consideradas irrestritas e restritas financeiramente. / The Finance literature offers evidence that, in Brazil as in the U.S.A., publicly traded firms are saving more and more cash over the past decades. About the source of cash savings, there is some evidence of the important role of shares issuance for US firms, but no work was found related with the Brazilian case. Using a panel database formed by accounting and market data from listed firms in BM&FBOVESPA from 1995 to 2013 and the model proposed by McLean (2011), estimated by the least squares method, this study aims to gather evidence on the sources of cash retained by companies in the Brazilian market through analysis of the full sample and groups of firms classified as financially unconstrained and constrained. The results suggest that the shares issuance, debt and operating cashflow have positive and significant correlation with the change in cash savings and that operating cashflow is the main source of cash for Brazilian firms. The role of precautionary motives for the retention decision was explored and evidence was found that in times of growth in these motives, more is retained from operating cashflow. Finally, we sought to determine the role of macroeconomic impacts on the retention decision, with the results showing that exogenous shocks affect differently the firms considered financially unconstrained and constrained.

[pt] Este trabalho tem por objetivo o estudo e a aplicação do Método de Mínimos Quadrados de Monte Carlo com diferentes bases polinomiais - Potência, Laguerre, Legendre e Hermite A - na precificação de Opções Asiáticas Americanas (Amerasian) tanto em sua modalidade de compra quanto em sua modalidade de venda. Os resultados encontrados ratificam a possibilidade de utilização alternativa de diversas bases polinomiais. Além disso, verifica-se a convergência em cada um dos experimentos, sem perder de vista a possibilidade de que haja, para cada tipo de Amerasian precificada, uma base polinomial específica que, marginalmente, mostra-se mais precisa. / [en] This work aims at studying and applying the Least-Squares Monte Carlo Method by using different polynomial basis - Power, Laguerre, Legendre and Hermite A - in pricing American Asian Options, either call or put. The results found ratify the possibility of an alternated use of several polynomial bases. Besides, each of the experiments is checked for convergence, taking into account that there may be an optimal polynomial basis for each kind of Amerasian option which is marginally more accurate regarding its pricing.

Fluidos Não-newtonianos estão presentes em grande quantidade na natureza e em muitas aplicações industriais. Tais fluidos apresentam uma variedade de comportamentos específicos. Dentre eles podemos citar: elasticidade, plasticidade, viscosidade variando com a taxa de deformação, tixotropia. Esta tese de doutorado apresenta um recente modelo para Fluidos Estruturados Tixotrópicos (de Souza Mendes, 2009), no qual baseasse nas tradicionais equações de balanço de momentum e massa, em uma equação constitutiva de Maxwell-b modificada e uma equação de evolução para o nível de estrutura do material. Na equação constitutiva de Maxwell-b modificada, tempo de relaxação e viscosidade estrutural são funções da estrutura do material. A equação evolutiva para o parâmetro de estruturação prevê efeitos de tixotropia, dependentes do tempo de equilíbrio do material. As equações que constituem o modelo mecânico para Fluidos Estruturados Tixotrópicos são aproximadas numericamente através do Método de Elementos Finitos de Galerkin Mínimos-quadrados (GLS). Tal método adicionou termos dependentes de malha ao método clássico de Galerkin, de forma a aumentar a estabilidade da formulação original, proporcionando compatibilizar os sub-espaços de velocidade e pressão. São investigados escoamentos creeping flow de Fluidos Estruturados Tixotrópicos em dois problemas clássicos de engenharia: em torno de um cilindro confinado entre duas placas e em uma expansão planar abrupta. Parâmetros relevantes ao modelo são variados em faixas pertinentes ao problema físico simulado e os resultados demonstraram uma boa capacidade de previsão. / Non-Newtonian fluids are present in large quantities in nature and in many industrial applications. Such fluids exhibit a variety of specific behaviors. Among them we can mention: elasticity, plasticity, viscosity varying with the strain rate, thixotropy, etc. This thesis presents a new model for thixotropic Structured Fluids (de Souza Mendes, 2009), in which were a basis in traditional balance equations of mass and momentum, the constitutive equation of Maxwell-type and an evolution equation for the level structure of the material. In the modified constitutive equation of Maxwell-b, relaxation time and structural viscosity are functions of material structure. The structure parameter evolutive equation provides effects of thixotropy, dependent on the equilibration time of the material. The equations which constitute the mechanical model for Structured Thixotropic fluids are approximated numerically using the Galerkin Least-squares Finite Element Method (GLS). Such a method added mesh dependent terms to the classical method of Galerkin in order to increase the stability of the original formulation, providing compatibility between sub-spaces of velocity and pressure. Are investigated Structured Thixotropic Fluids creeping flow in two classical problems in engineering: around a cylinder confined between two plates and in a planar abrupt expansion. Relevant parameters to the model are varied in pertinent ranges to physical problem simulated and the results demonstrated a good predictive capability.

Há muitos anos, os sistemas de comitê já tem se mostrado um método eficiente para aumentar a acurácia e estabilidade de algoritmos de aprendizado nas décadas recentes, embora sua construção tem uma questão para ser elucidada: diversidade. O desacordo entre os modelos que compõe o comitê pode ser gerado quando eles são contruídos sob diferentes circunstâncias, tais como conjunto de dados de treinamento, configuração dos parâmetros e a seleção dos algoritmos de aprendizado. O ensemble pode ser visto como uma estrutura com três níveis: espaço de entrada, a base de componentes e o bloco de combinação das respostas dos componentes. Neste trabalho é proposta uma abordagem multi-nível usando Algoritmos Genéticos para construir um ensemble de Máquinas de Vetor de Suporte por Mínimos Quadrados ou LS-SVM, realizando uma seleção de atributos no espaço de entrada, parametrização e a escolha de quais modelos irão compor o comitê no nível de componentes e a busca por um vetor de pesos que melhor represente a importância de cada classificador na resposta final do comitê. De forma a avaliar a performance da abordagem proposta, foram utilizados alguns benchmarks do repositório da UCI para comparar com outros algoritmos de classificação. Além disso, também foram comparados os resultados da abordagem proposta com métodos de aprendizagem profunda nas bases de dados MNIST e CIFAR e se mostraram bastante satisfatórios. / Many years ago, the ensemble systems have been shown to be an efficient method to increase the accuracy and stability of learning algorithms in recent decades, although its construction has a question to be elucidated: diversity. The disagreement among the models that compose the ensemble can be generated when they are built under different circumstances, such as training dataset, parameter setting and selection of learning algorithms. The ensemble may be viewed as a structure with three levels: input space, the base components and the combining block of the components responses. In this work is proposed a multi-level approach using genetic algorithms to build the ensemble of Least Squares Support Vector Machines (LS-SVM), performing a feature selection in the input space, the parameterization and the choice of which models will compose the ensemble at the component level and finding a weight vector which best represents the importance of each classifier in the final response of the ensemble. In order to evaluate the performance of the proposed approach, some benchmarks from UCI Repository have been used to compare with other classification algorithms. Also, the results obtained by our approach were compared with some deep learning methods on the datasets MNIST and CIFAR and proved very satisfactory.

Neste trabalho, foram estudadas estratégias para caracterização de bebidas à base de soja (BBS), por meio de análises por espectroscopia no infravermelho médio com transformada de Fourier com acessório de reflexão total atenuada (FTIR-ATR). Foram utilizadas 20 amostras comerciais de BBS, de 7 diferentes sabores e 3 diferentes marcas. Os teores estudados nas BBS foram glicídios totais, glicídios redutores, glicídios não redutores, e proteínas totais. Os modelos de regressão multivariada foram construídos por mínimos quadrados parciais (PLS), empregando como seleção de variáveis os métodos de mínimos quadrados parciais por intervalo (iPLS) e mínimos quadrados parciais por sinergismo de intervalos (siPLS). As seleções de variáveis por siPLS apresentaram os melhores resultados para os modelos construídos. Entre as propriedades avaliadas, a de glicídios totais apresentou modelos com erros de calibração e previsão (RMSECV e RMSEP) baixos, e coeficientes de determinação (R2cv e R2prev) próximos de um. Para proteínas totais, os modelos apresentaram resultados promissores, pois também tiveram erros de calibração e previsão (RMSECV e RMSEP) baixos, e coeficientes de determinação (R2cv e R2prev) próximos de um, considerando-se que as amostras reais e não apresentavam uma variabilidade de concentração de proteínas ideal. Para as propriedades de glicídios redutores e glicídios não redutores, não foram obtidos bons resultados para os modelos de regressão. Desta forma, a metodologia proposta apresenta potencial em análises de rotinas para determinação simultânea de glicídios totais e proteínas, atendendo aos requisitos referente às informações nutricionais na rotulagem das BBS, somando-se às vantagens da espectroscopia no infravermelho, tais como rapidez na análise, elevada frequência analítica, pequena quantidade de amostra necessária, baixo custo, não ser destrutiva e ser ambientalmente amigável. / In this work, strategies were studied for the characterization of soy-based beverages (SBB), by means of Fourier transform infrared spectroscopy with attenuated total reflectance (FTIR-ATR). Twenty commercial samples of SBB were used, of 7 different flavors and 7 different brands. The contents studied in SBB were total sugar, reducing sugar, non-reducing sugars, and total proteins. The multivariate regression models were constructed by partial least squares (PLS), with evaluation of the methods by interval partial least squares (iPLS) and by sinergy interval partial least squares (siPLS), for selection of variables. The selections of variables per siPLS presented the best results for the constructed models. Among the evaluated properties, the total sugar content presented models with low calibration and prediction errors (RMSECV and RMSEP), and determination coefficients (R2cv and R2prev) close to one. For total proteins, the models presented promising results, as they also had low calibration and prediction errors (RMSECV and RMSEP), and determination coefficients (R2cv and R2prev) close to one, considering that the actual samples did not present an ideal protein concentration variability. For the properties of reducing sugars and non-reducing sugars, good results were not obtained for the regression models. In this way, the proposed methodology presents potential in routine analysis for simultaneous determination of total glycogen and protein, taking into account the requirements referring to the nutritional information in the SBB labeling, adding to the advantages of the infrared spectroscopy, such as speed in the analysis, high analytical frequency, small amount of sample required, low cost, non destructive and environmentally friendly.