Orientador : Anesio dos Santos Junior / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Eletrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-03T23:25:26Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Carvalho_EsdrasPenedode_D.pdf: 1776464 bytes, checksum: 0190f59fa01ca49b0518113d289152c6 (MD5) Previous issue date: 2004 / Doutorado / Automação / Doutor em Engenharia Elétrica

Este trabalho apresenta o desenvolvimento de algoritmos de adaptação do padrão de marcha com a utilização de redes neurais artificiais para uma órtese ativa para membros inferiores. Trajetórias estáveis são geradas durante o processo de otimização, considerando um gerador de trajetórias baseado no critério do ZMP (Zero Moment Point) e no modelo dinâmico do equipamento. Três redes neurais são usadas para diminuir o tempo de cálculo do modelo e da otimização do ZMP, e reproduzir o gerador de trajetórias analítico. A primeira rede aproxima a dinâmica do modelo fornecendo a variação de torque necessária para a realização do processo de otimização dos parâmetros de adaptação da marcha; a segunda rede trabalha no processo de otimização, fornecendo o parâmetro otimizado de acordo com a interação paciente-órtese; a terceira rede reproduz o gerador de trajetórias para um determinado intervalo de tempo do passo que pode ser repetido para qualquer quantidade de passos. Além disso, um controle do tipo torque calculado acrescido de um controle PD é usado para garantir que as trajetórias atuais estejam seguindo as trajetórias desejadas da órtese. O modelo dinâmico da órtese na sua configuração atual, com forças de interação incluídas, é usado para gerar resultados simulados. / This work deals with neural network-based gait-pattern adaptation algorithms for an active lower limbs orthosis. Stable trajectories are generated during the optimization process, considering a trajectory generator based on the Zero Moment Point criterion and on the dynamic model. Additionally, three neural network are used to decrease the time-consuming computation of the model and ZMP optimization and to reproduce the analitical trajectory generator. The first neural network approximates the dynamic model providing the necessary torque variation to gait adaptation parameters process; the second network works in the optimization procedure, giving the adapting parameter according to orthosis-patient interaction; and the third network replaces the trajectory generation for a stablished step time interval which can be reproduced any time during the walking. Also, a computed torque controller plus the PD controller is designed to guarantee the actual trajectories are following the orthosis desired trajectories. The dynamic model of the actual active orthosis, with interaction forces included, is used to generate simulation results.

Este trabalho apresenta o desenvolvimento de algoritmos de adaptação do padrão de marcha com a utilização de redes neurais artificiais para uma órtese ativa para membros inferiores. Trajetórias estáveis são geradas durante o processo de otimização, considerando um gerador de trajetórias baseado no critério do ZMP (Zero Moment Point) e no modelo dinâmico do equipamento. Três redes neurais são usadas para diminuir o tempo de cálculo do modelo e da otimização do ZMP, e reproduzir o gerador de trajetórias analítico. A primeira rede aproxima a dinâmica do modelo fornecendo a variação de torque necessária para a realização do processo de otimização dos parâmetros de adaptação da marcha; a segunda rede trabalha no processo de otimização, fornecendo o parâmetro otimizado de acordo com a interação paciente-órtese; a terceira rede reproduz o gerador de trajetórias para um determinado intervalo de tempo do passo que pode ser repetido para qualquer quantidade de passos. Além disso, um controle do tipo torque calculado acrescido de um controle PD é usado para garantir que as trajetórias atuais estejam seguindo as trajetórias desejadas da órtese. O modelo dinâmico da órtese na sua configuração atual, com forças de interação incluídas, é usado para gerar resultados simulados. / This work deals with neural network-based gait-pattern adaptation algorithms for an active lower limbs orthosis. Stable trajectories are generated during the optimization process, considering a trajectory generator based on the Zero Moment Point criterion and on the dynamic model. Additionally, three neural network are used to decrease the time-consuming computation of the model and ZMP optimization and to reproduce the analitical trajectory generator. The first neural network approximates the dynamic model providing the necessary torque variation to gait adaptation parameters process; the second network works in the optimization procedure, giving the adapting parameter according to orthosis-patient interaction; and the third network replaces the trajectory generation for a stablished step time interval which can be reproduced any time during the walking. Also, a computed torque controller plus the PD controller is designed to guarantee the actual trajectories are following the orthosis desired trajectories. The dynamic model of the actual active orthosis, with interaction forces included, is used to generate simulation results.

Grande parte dos componentes mecânicos e estruturas são solicitados por carregamentos que variam com o tempo e frequentemente falham por fadiga. Neste sentido, é indubitável que o modo de falha por fadiga seja considerado no projeto mecânico de componentes, equipamentos e estruturas sujeitas a carregamentos cíclicos. Os livros de projetos de máquinas ainda são os mais utilizados na indústria como referência teórica e prática ao dimensionamento contra a fadiga de produtos. Entretanto, muitos deles ainda não incluem as últimas descobertas e metodologias mais modernas para o cálculo de durabilidade de estruturas. Adicionalmente, de uma maneira geral, grande parte dos livros especializados em fadiga também não trazem informações detalhadas sobre a previsão de vida em fadiga sob a ótica do projeto mecânico, como a análise utilizando critérios de Fadiga Multiaxial e a análise de fadiga baseada em Elementos Finitos (FE-Based Fatigue Analysis). Baseado neste cenário, este trabalho tem o objetivo de propor um procedimento para avaliar a vida em fadiga de componentes e estruturas reunindo os métodos mais recentes utilizados nesta área. Dentre os vários assuntos incluídos no procedimento proposto, destacam-se: as importantes contribuições propostas pelo Conselho Alemão de Pesquisa em Engenharia (FKM-Guideline); a utilização de Análise por Elementos Finitos (FEA) na previsão de vida em fadiga; o cálculo do fator de tensão média utilizando pseudo tensões provenientes de FEA; a contabilização do efeito de entalhe em componentes com geometria complexa utilizando o Método do Gradiente de Tensão Relativo em conjunto com FEA, que pode ser aplicado tanto em carregamento uniaxial quanto em carregamento multiaxial; a contabilização do dano por fadiga em carregamento multiaxial de amplitude variável; a densidade da malha de elementos finitos adequada para utilizar em fadiga computacional; e a aplicação da teoria e dos critérios de Fadiga Multiaxial, principalmente em FE-Based Fatigue Analyses, cuja utilização é imprescindível em estruturas sujeitas a tensões cíclicas em mais de uma direção (x,y,z). / Most of mechanical components and structures are subjected to time varying loading and therefore often present fatigue failure. Therefore, it is essential to consider the fatigue failure mode in the project of components, machines and structures under cyclic loading. Design of Machine Elements books are still the most used in industry as theoretical and practical reference for designing products against fatigue. However, many of them still do not include the latest findings and methodologies used in fatigue life assessment of structures. Additionally, overall, most of the specialized fatigue books also do not include detailed information about fatigue life assessment in a mechanical project view, as the fatigue analysis using Multiaxial Fatigue criteria and the fatigue life prediction using the Finite Element Method (FE-Based Fatigue Analysis). Based on this fact, this thesis proposes a procedure for predicting component and structures fatigue life, gathering together the most recent methods used in the fatigue area. Among the several subjects included in this procedure, we can highlight: the important contributions of the German Engineering Research Council (FKM-Guideline); the use of Finite Element Analysis (FEA) in the fatigue life assessment; the calculation of the mean stress factor using the pseudo stresses from FEA; the computation of the notch eect in geometrically complex components using the Relative Stress Gradient Method in conjunction with FEA, method which can be applied both in uniaxial loading and multiaxial loading; the estimation of the fatigue damage in structures under variable amplitude multiaxial fatigue loading; the selection of an adequate Finite Element mesh density to use in computational fatigue; and the aplication of the Multiaxial Fatigue theory and criteria, specially in FE-Based Fatigue Analyses, of which use is essential in structures under ciclic stresses in 2 or 3 directions (x,y,z).

Grande parte dos componentes mecânicos e estruturas são solicitados por carregamentos que variam com o tempo e frequentemente falham por fadiga. Neste sentido, é indubitável que o modo de falha por fadiga seja considerado no projeto mecânico de componentes, equipamentos e estruturas sujeitas a carregamentos cíclicos. Os livros de projetos de máquinas ainda são os mais utilizados na indústria como referência teórica e prática ao dimensionamento contra a fadiga de produtos. Entretanto, muitos deles ainda não incluem as últimas descobertas e metodologias mais modernas para o cálculo de durabilidade de estruturas. Adicionalmente, de uma maneira geral, grande parte dos livros especializados em fadiga também não trazem informações detalhadas sobre a previsão de vida em fadiga sob a ótica do projeto mecânico, como a análise utilizando critérios de Fadiga Multiaxial e a análise de fadiga baseada em Elementos Finitos (FE-Based Fatigue Analysis). Baseado neste cenário, este trabalho tem o objetivo de propor um procedimento para avaliar a vida em fadiga de componentes e estruturas reunindo os métodos mais recentes utilizados nesta área. Dentre os vários assuntos incluídos no procedimento proposto, destacam-se: as importantes contribuições propostas pelo Conselho Alemão de Pesquisa em Engenharia (FKM-Guideline); a utilização de Análise por Elementos Finitos (FEA) na previsão de vida em fadiga; o cálculo do fator de tensão média utilizando pseudo tensões provenientes de FEA; a contabilização do efeito de entalhe em componentes com geometria complexa utilizando o Método do Gradiente de Tensão Relativo em conjunto com FEA, que pode ser aplicado tanto em carregamento uniaxial quanto em carregamento multiaxial; a contabilização do dano por fadiga em carregamento multiaxial de amplitude variável; a densidade da malha de elementos finitos adequada para utilizar em fadiga computacional; e a aplicação da teoria e dos critérios de Fadiga Multiaxial, principalmente em FE-Based Fatigue Analyses, cuja utilização é imprescindível em estruturas sujeitas a tensões cíclicas em mais de uma direção (x,y,z). / Most of mechanical components and structures are subjected to time varying loading and therefore often present fatigue failure. Therefore, it is essential to consider the fatigue failure mode in the project of components, machines and structures under cyclic loading. Design of Machine Elements books are still the most used in industry as theoretical and practical reference for designing products against fatigue. However, many of them still do not include the latest findings and methodologies used in fatigue life assessment of structures. Additionally, overall, most of the specialized fatigue books also do not include detailed information about fatigue life assessment in a mechanical project view, as the fatigue analysis using Multiaxial Fatigue criteria and the fatigue life prediction using the Finite Element Method (FE-Based Fatigue Analysis). Based on this fact, this thesis proposes a procedure for predicting component and structures fatigue life, gathering together the most recent methods used in the fatigue area. Among the several subjects included in this procedure, we can highlight: the important contributions of the German Engineering Research Council (FKM-Guideline); the use of Finite Element Analysis (FEA) in the fatigue life assessment; the calculation of the mean stress factor using the pseudo stresses from FEA; the computation of the notch eect in geometrically complex components using the Relative Stress Gradient Method in conjunction with FEA, method which can be applied both in uniaxial loading and multiaxial loading; the estimation of the fatigue damage in structures under variable amplitude multiaxial fatigue loading; the selection of an adequate Finite Element mesh density to use in computational fatigue; and the aplication of the Multiaxial Fatigue theory and criteria, specially in FE-Based Fatigue Analyses, of which use is essential in structures under ciclic stresses in 2 or 3 directions (x,y,z).

Este trabalho apresenta uma nova abordagem para a modelagem e resolução de problemas de fluxo de carga em sistemas elétricos de potência. O modelo proposto é formado simultaneamente pelo conjunto de equações não lineares que representam as restrições de carga do problema e por restrições de complementaridade associadas com as restrições de operação da rede, as quais propiciam o controle implícito das tensões nas barras com controle de geração. Também é proposta uma técnica para a obtenção dos valores discretos dos taps de tranformadores, de maneira que o ajuste dessas variáveis possa ser realizado em passos discretos. A metodologia desenvolvida consiste em tratar o sistema misto de equações e inequações não lineares como um problema de factibilidade não linear e transformá-lo em um problema de mínimos quadrados não lineares, o qual é resolvido por uma sequência de subproblemas linearizados dentro de uma região de confiança. Para a obtenção de soluções aproximadas desse subproblema foi adotado o método do gradiente conjugado de Steihaug, combinando estratégias de região de confiança e filtros multidimensionais para analisar a qualidade das soluções fornecidas. Foram realizados testes numéricos com os sistemas de 14, 30, 57, 118 e 300 barras do IEEE, e com um sistema brasileiro equivalente CESP 53 barras, os quais indicaram boa flexibilidade e robustez do método proposto. / This work presents a new approach to the load flow problem in electrical power systems and develops a methodology for its resolution. The proposed model is simultaneously composed by nonlinear equations and inequations which represent the load and operational restrictions of the system, where a set of complementarity constraints model the relationship between voltage and reactive power generation in controled buses. It is also proposed a new technique to obtaining a discrete solution for the transformer taps, allowing their discrete adjustment. The method developed treats the mixed system of equations and inequations of the load flow problem as a nonlinear feasibility problem and converts it in a nonlinear least squares problem, which is solved by minimizing a sequence of linearized subproblems, whitin a trust region. To obtain approximate solutions at every iteration, we use the Steihaug conjugate gradient method, combining trust region and multidimensional filters techniques to analyse the quality of the provided solution. Numerical results using 14, 30, 57, 118 and 300-bus IEEE power systems, and a real brazilian equivalent system CESP 53-bus, indicate the flexibility and robustness of the proposed method.

Este trabalho apresenta uma nova abordagem para a modelagem e resolução de problemas de fluxo de carga em sistemas elétricos de potência. O modelo proposto é formado simultaneamente pelo conjunto de equações não lineares que representam as restrições de carga do problema e por restrições de complementaridade associadas com as restrições de operação da rede, as quais propiciam o controle implícito das tensões nas barras com controle de geração. Também é proposta uma técnica para a obtenção dos valores discretos dos taps de tranformadores, de maneira que o ajuste dessas variáveis possa ser realizado em passos discretos. A metodologia desenvolvida consiste em tratar o sistema misto de equações e inequações não lineares como um problema de factibilidade não linear e transformá-lo em um problema de mínimos quadrados não lineares, o qual é resolvido por uma sequência de subproblemas linearizados dentro de uma região de confiança. Para a obtenção de soluções aproximadas desse subproblema foi adotado o método do gradiente conjugado de Steihaug, combinando estratégias de região de confiança e filtros multidimensionais para analisar a qualidade das soluções fornecidas. Foram realizados testes numéricos com os sistemas de 14, 30, 57, 118 e 300 barras do IEEE, e com um sistema brasileiro equivalente CESP 53 barras, os quais indicaram boa flexibilidade e robustez do método proposto. / This work presents a new approach to the load flow problem in electrical power systems and develops a methodology for its resolution. The proposed model is simultaneously composed by nonlinear equations and inequations which represent the load and operational restrictions of the system, where a set of complementarity constraints model the relationship between voltage and reactive power generation in controled buses. It is also proposed a new technique to obtaining a discrete solution for the transformer taps, allowing their discrete adjustment. The method developed treats the mixed system of equations and inequations of the load flow problem as a nonlinear feasibility problem and converts it in a nonlinear least squares problem, which is solved by minimizing a sequence of linearized subproblems, whitin a trust region. To obtain approximate solutions at every iteration, we use the Steihaug conjugate gradient method, combining trust region and multidimensional filters techniques to analyse the quality of the provided solution. Numerical results using 14, 30, 57, 118 and 300-bus IEEE power systems, and a real brazilian equivalent system CESP 53-bus, indicate the flexibility and robustness of the proposed method.