A presente tese propõe o desenvolvimento e teste de um modelo de monitoramento automático de informações físicas de um motor aeronáutico baseado em dados históricos. Este modelo tenta determinar falhas, observando não apenas o comportamento espacial, mas também o comportamento temporal. Para a detecção espacial utilizou-se a busca em intervalos ortogonais, através de estruturas de dados do tipo k-d tree e, para interpolar os pontos no espaço de busca, usou-se morfologia matemática. A detecção temporal emprega um autômato finito para reconhecer a linguagem que os pontos assinam, através de sua evolução por agrupamentos de pontos. Esses agrupamentos, por sua vez, são determinados pelo algoritmo k-means, e o valor de k é sistematicamente definido através da metaheurística Firefly, maximizando a avaliação diagnóstica do detector temporal. O modelo desenvolvido nesta tese apresenta precisão e robustez ao que se propõe. No contexto espacial, os elementos influenciadores (parâmetros de sensitividade, especificidade e os operadores morfológicos) foram estudados e equacionados, permitindo assim, a flexibilidade de tornar o modelo mais rigoroso ou moderado, conforme demanda a situação. Por sua vez, o contexto temporal, apresentou uma alta eficiência para detectar positivos. Além disso, a detecção temporal, através de autômatos finitos, apresentou capacidade de indicar qualitativamente a situação de uma base de aprendizado, ao detectar também os alarmes falsos; podendo assim ser empregado como avaliador qualitativo para essas bases.

Uma forma de se possibilitar a aplicação em tempo real de técnicas de controle preditivo robusto (RMPC) em processos de dinâmica rápida de utilizar uma formulação que designa parte do esforço computacional para processos off-line. No caso do RMPC tratado neste trabalho a estratégia se vale do conceito de particionar o espaço de estados através de elipsoides invariantes assintoticamente estáveis para gerar uma sequência de matrizes de ganho de realimentação de modo off-line através de desigualdade matriciais lineares. Essas partições podem ser determinadas off-line e, assim, reduz-se o custo computacional necessário para execução em tempo real. Neste trabalho, apresenta-se um método para a obtenção de uma partição otimizada do espaço de estados que satisfaça estas condições necessárias para a utilização dessa estratégia off-line. O método é baseado no conceito de meta-heurísticas, mais especificamente em algoritmos genéticos, e busca garantir que a partição atenda as condições impostas ao mesmo tempo em que minimiza o custo da lei de controle. Sua utilização possibilitou a aplicação bem sucedida de uma lei de controle robusta em um estudo de caso envolvendo um helicóptero de bancada de três graus de liberdade.

The objective of this thesis is to propose a design method for controllers to secure specified robust oscillation amplitude and frequency for separable nonlinear systems exhibiting unavoidable or desirable limit cycles. The design approach of robust limit cycle controllers introduced here can be used for autonomous systems with separable single-input-single-output nonlinearities. The proposed design approach consists of quasi-linearization of the nonlinearity via the Describing Function (DF) method and then shaping the loop to reach desired limit cycle characteristics. As the DF method is used, loop shaping takes place in the Nyquist plot, because the intersection between the loop shaped loci and the DF negative reciprocal loci is related to the limit cycle characteristics of the system. In the problem addressed in this thesis, the original linear subsystem (i.e. without controller) is considered as an uncertain system with unstructured uncertainty. A condition to be satisfied by the shaped loop is given such that the controlled system has limit cycle characteristics as close as possible to the nominal characteristics even though the uncertainty considered. Three requirements are satisfied in the loop shaping step. The first requirement assures the nominal desired limit cycle characteristics in the designed system. The second is related to limit cycle stability, i.e., if a (small) perturbation disturbs the limit cycle of the controlled system, it will return to the earlier limit cycle. The third requirement addresses the robustness question, and the condition mentioned before is used. After the loop is shaped to satisfy the requirements, a controller is computed so that the controlled linear subsystem transfer function is equal the transfer function obtained in the loop shaping. This approach is applicable to systems with linear subsystems that are minimum phase. In some cases it may be necessary to add a high frequency pole in order to obtain a proper controller. Examples are given in order to illustrate the robustness of the controlled system with respect to uncertainty in the linear subsystem model. In the first example the intersection between the loop shaped loci and the DF negative reciprocal loci is on the real axis. In the second example the crossing point is not on the real axis and so, restrictions more generals than the ones used in the first example are used. In the third example the crossing point is on the real axis and output disturbance is considered.

O presente trabalho ocupou-se do estudo da robustez do comportamento de um sistema afim por partes com tempos de transição minimamente espaçados que é encontrado em veículos lançadores e satélites. Os atuadores usados no controle de atitude desses sistemas são do tipo liga-desliga e possuem restrições temporais de chaveamento. Ciclos-limite e movimentos persistentes não-periódicos podem ocorrer. Na presença de incertezas de modelagem, o sistema está sujeito a bifurcações capazes de afetar o desempenho do controle. A natureza de comportamentos dinâmicos complexos nesse sistema foi investigada usando-se diagramas de bifurcação em função dos parâmetros de controle. Adotaram-se técnicas como mapas de Poincaré, espectro de Lyapunov e dimensões fractais calculadas usando transformada de wavelets. Revelou-se uma rica coexistência de dinâmicas complexas, tais como ciclos-limite de período-k e caos. Um atrator similar ao quase-periódico é caracterizado. Possíveis erros de modelagem do sistema de atuação foram caracterizados usando tanto representação paramétrica quanto não-estruturada. O método de Tsypkin foi utilizado para estudar a robustez da condição de existência de ciclo-limite. Assim, uma fronteira de robustez pôde ser identificada no espaço de parâmetros de controle. Essa fronteira foi validada por meio de simulação e comparada com aquela obtida pelo método da função descritiva, revelando as desvantagens deste método no projeto de controladores robustos para o sistema estudado. Também foi proposto um método de síntese de controladores robustos usando o lugar de Hamel. Os resultados mostram que é possível minimizar a amplitude de oscilação e o consumo de combustível robusta e simultaneamente.

Recentemente, sistemas de inserção de marca d'água digital foram propostos devido à necessidade de proteção da informação digital contra reprodução e distribuição. Este trabalho apresenta o algoritmo de Lie e Chang para inserir uma marca d'água em um sinal de áudio, ambos digitais, e propõe duas variações para este algoritmo. O esquema original é baseado nas alterações das amplitudes de duas seções de um grupo de amostras (Group of Samples - GoS) que contém três seções. Para embutir um bit em um GoS existem regras que são baseadas na média das amplitudes absolutas. Dependendo do bit que se deseja embutir as amplitudes das amostras de duas seções são modificadas. Após a inserção as amostras são submetidas ao teste do modelo psicoacústico para obedecer a um critério de qualidade que estabelece que 85% do sinal erro entre o sinal original e o sinal marcado deve estar abaixo de um limiar de audição no silêncio. Isto garante a imperceptibilidade da marca d'água ao ouvido humano. A primeira variação proposta para o algoritmo de Lie e Chang modifica as amplitudes das amostras ao alterar as três seções do GoS. Isto reduz a distorção introduzida pelo processo de marcação. O outro método propõe a substituição do limiar no silêncio no modelo psicoacústico pelo limiar com mascaramento. Esta proposta aumenta a robustez do sistema. Todos os métodos são testados em um conjunto com 3 músicas de estilos diferentes. O processo de extração consegue recuperar os bits da marca d'água sem erro. Os resultados mostram uma melhora no erro médio quadrático para a primeira proposta, para a segunda variação, por sua vez, observa-se uma melhora no limiar de proteção contra ataques.

Leis de controle preditivo têm encontrado crescente aceitação, especialmente com a evolução dos computadores e a ampliação de sua capacidade. Uma de suas características únicas é o tratamento sistemático de restrições no projeto dos controladores. Contudo, a presença conjunta de restrições e de incertezas, como erros de modelo ou perturbações, é capaz de levar controladores preditivos a perder a factibilidade, possivelmente ocasionando instabilidade e violações de restrições. Neste trabalho, um controlador preditivo robusto, baseado na formulação de endurecimento de restrições, é implementado para um helicóptero de três graus de liberdade mecânicos, com restrições no seu espaço de manobras, saturação nos atuadores e sujeito a perturbações limitadas. O controlador usa um modelo de predição linear obtido a partir da linearização de um modelo não-linear de sexta ordem existente na literatura. O modelo não-linear foi previamente ajustado, com base em dados experimentais, de modo a melhor representar o comportamento do sistema real. Um controlador preditivo nominal, que não leva em conta os efeitos das perturbações, foi considerado para fins de comparação. Resultados de simulações do tipo Monte Carlo e de testes experimentais revelam a superioridade, em termos de não-violação de restrições, do controlador preditivo robusto em relação a sua versão nominal. Por fim, foi proposta uma extensão da formulação de controle preditivo empregada. Tal extensão considera que os graus de liberdade de controle se encontram igualmente distribuídos ao longo do horizonte de predição.

Neste trabalho, o problema de geração de trajetórias para Veículos Aéreos Não Tripulados em missões militares é modelado como um problema de otimização multiobjetivo que busca obter diferentes relações de compromisso entre comprimento total do percurso e exposição às ameaças de solo (e.g, radares e unidades de defesa antiaérea). A implementação computacional do modelo utiliza-se da Plataforma AEROGRAF, que permite a construção de cenários de otimização e a visualização dos resultados em ambiente georreferenciado. Ferramentas do campo da Otimização Evolutiva Multiobjetivo são utilizadas na abordagem, especificamente, os algoritmos denominados Generalized Differential Evolution 3 (GDE3), e Multiobjective Evolutionary Algorithm based on Decomposition (MOEA/D), que representam dois paradigmas de estruturação algorítmica distintos e vigentes na área. Os desempenhos dos algoritmos são mensurados e comparados a partir de quatro instâncias do problema, sob diferentes aspectos: esforço computacional, robustez ao ajuste de parâmetros, efetividade em lidar com restrições, e indicadores de qualidade. Os resultados experimentais fornecem parâmetros para subsidiar a opção por um ou outro método em função do tipo de cenário para o qual as trajetórias serão geradas. A abordagem multiobjetivo e o uso de ambiente georreferenciado permitem que o decisor tenha conhecimento de diferentes possibilidades antes de fazer a escolha da trajetória mais adequada ao cenário vigente.

Nas últimas décadas, as melhorias na tecnologia de extit{hardware} principalmente no que diz respeito a unidade de processamento central, memória e capacidade de armazenamento, diversas ferramentas numéricas aplicadas na engenharia foram desenvolvidas com o intuito de se obter respostas rápidas e mais baratas do que ensaios, experimentos e testes laboratoriais. A Dinâmica dos Fluidos Computacional (DFC) faz uma aproximação numérica como um meio de simular escoamentos. Um dos grandes desafios em soluções numéricas na DFC é a garantia da consistência, estabilidade e convergência garantindo com isso, a confiabilidade do código numérico. As turbomáquinas operam em uma ampla faixa de velocidades no campo do escoamento, podendo ter regiões com baixos números de Mach. Nesse ponto, surge um problema, pois códigos da DFC para o cálculo de escoamento compressível geralmente são programados seguindo formulações matemáticas baseadas no vetor de variáveis conservadas, podendo ter problemas numéricos e apresentar soluções inconsistentes devido a pequena variação da densidade do fluido. Chorin através de alguns estudos constatou que os códigos de DFC possuem uma diminuição de sua convergência e estabilidade quando o número de Mach do escoamento torna-se menor do que o limite de compressibilidade. Com o objetivo de solucionar este problema, Chorin criou a técnica de compressibilidade artificial. Choi e Merkle; Turkel e outros pesquisadores modificaram a técnica de compressibilidade artificial e desenvolveram a técnica de pré-condicionamento para diversas aplicações para garantir a convergência, estabilidade e melhorias na soluções numéricas dos códigos DFC para uma ampla faixa de velocidades do escoamento. No presente trabalho, foi realizada a implementação do método de pré-condicionamento de Turkel, Vatsa e Radaspiel em um programa de DFC desenvolvido por Tomita para calcular escoamentos compressíveis, internos e externos. A fim de melhorar a robustez do código numérico o pré-condicionador foi modificado seguindo o proposto no trabalho de Damorfal e Siu. O pré-condicionamento foi implementado primeiramente para as Equações de Euler e depois para escoamentos viscosos e turbulentos. Diversas experiências numéricas foram realizadas e resultados interessantes utilizando o código de DFC compressível e o código de DFC compressível com o pré-condicionador original e modificado foram obtidos. Todos estes casos estão apresentados e comentados no presente trabalho. A implementação do pré-condicionador em um código de DFC desenvolvido para o cálculo de escoamento tipicamente compressível resultou em uma ferramenta numérica com maior potencial para o cálculo do escoamento numa ampla faixa de número de Mach.