Esta dissertação tem por objetivo explorar o relacionamento entre tecnologia, pedagogia e filosofia, identificadas como sendo três importantes áreas do conhecimento, visando o desenvolvimento de estratégias a serem utilizadas nos meios e-learning e b-learning. O ambiente virtual desenvolvido neste trabalho, incorpora um grupo correlato de tecnologias: animações, web editores, virtualdub software, filmes reais e outros, para criar um laboratório de física pela web, permitindo aos estudantes interagirem com o site, habilitando-os a resolver problemas de sistemas dinâmicos e colaborando com o contínuo desenvolvimento da consciência humana.

Sistemas eletro-hidráulicos são comumente empregados no controle direcional de veículos pesados, exemplo disso são médias e grandes aeronaves, que além de desempenho requer sistemas de alta confiabilidade. Devido ao relativamente recente desenvolvimento de métodos e ferramentas para desenvolvimento integrado de produto, os sistemas em questão estão cada vez mais adaptados às suas condições de operação. Sistemas aeronáuticos são exigidos ao máximo pois estão expostos à severas condições de operação, como temperaturas de -54C em vôos longos, podendo atingir em minutos temperaturas de 50C ao pousar. Estas condições devem ser analisadas durante o projeto para que se garanta o correto cumprimento das funções do sistema. Com base na metodologia de grafos de ligação, um modelo dinâmico completo de direcionamento de aeronaves é confeccionado, integrando os domínios físicos mecânico, hidráulico e sinais de controle. A metodologia empregada está fomentando um aumento no conhecimento de sistemas complexos. Diferente da tradicional metodologia de fluxo de sinais, os grafos de ligação através do fluxo de potência e ferramentas computacionais adequadas permitem que engenheiros de sistemas tenham seu foco direcionado nos fenômenos físicos envolvidos, com pouco ou nenhum esforço em tratamentos matemáticos. No modelo proposto, vários fenômenos físicos serão expostos, assim como uma breve introdução nas metodologias de modelagem dinâmica por fluxo de sinais e fluxo de potência e a comparação entre elas. Como estudo de caso são apresentadas a arquitetura e modelagem passo a passo do sistema de direcionamento de uma aeronave regional, sistema este que tem suas variáveis desconhecidas identificadas através de métodos numéricos e assim terá seu comportamento validado junto a dados reais de ensaios. O efeito de variáveis externas como temperatura e carga no eixo da roda são experimentados a analisados. Um estudo paramétrico é utilizado para identificar as variáveis mais significativas no desempenho do sistema e estas são alteradas para implementar uma melhoria no critério adotado.

Neste trabalho é proposto um modelo neural para ações de controle manual em tarefas de rastreamento. As tarefas de rastreamento aqui estudadas incluem aquelas em que é fornecido um preview explícito do sinal de referência (sinal explicitamente previsível) e aquelas em que a regularidade do sinal permite que o operador humano (OH) efetue uma predição em tempo real de seu valor futuro (sinal implicitamente previsível). Adicionalmente, é realizado um estudo sobre a previsibilidade de formas de onda. Foi comprovado que o fenômeno de melhoria do desempenho do OH obtido com o fornecimento de preview explícito também pode ser observado quando o OH está rastreando sinais implicitamente previsíveis. Além disso, verificou-se que o mesmo modelo é capaz de reproduzir as ações de controle manual nos dois casos. O estudo sugere que o aprendizado do OH na execução de uma tarefa de rastreamento pode ser dividido em duas partes: (1) um reconhecimento da dinâmica do processo que está sob seu controle seguido da (2) elaboração (quando possível) de um modelo dinâmico ou morfológico do sinal a ser rastreado. Os resultados também sugerem que o registro da atividade de um OH encarregado do controle de um determinado sistema dinâmico pode ser usado para treinar um controlador neural para desempenhar a mesma tarefa.

Predictive control algorithms have found growing acceptance in academic and industrial applications. However, as every control methodology, it has drawbacks, which is the need for an appropriate process model to be available. Therefore, the controller may become limited in applications with nonlinear and time-varying dynamics. When the predictions are not satisfactory due to an inappropriate model, it would be convenient to have an adaptive mechanism to match the process model and the process dynamics. In this work, SISO and MIMO formulations of indirect adaptive predictive control are implemented online to control an industrial tank level plant where process and heating tanks are operated. The experiments were carried out in conditions that are typical of an industrial situation, where the plant is nonlinear, multivariable and time varying. Results from the simulations and from the online implementation showed that the predictive control algorithm is limited when its predictive model is not representative and by implementing an adaptive mechanism these limitations have been overcome. Therefore, results show that the adaptive predictive controller outperforms the predictive controller when operating the industrial tank level plant, highlighting its potential as a solution for industrial control problems.

O presente trabalho tem como foco verificar a validade da ferramenta de análise modal operacional aplicada na identificação de parâmetros modais de uma aeronave em voo, a partir da excitação por turbulência contínua. Para atingir este propósito foram realizados estudos sobre as teorias que fundamentam a análise modal teórica, experimental e operacional. Nesta última, a metodologia é aplicada baseada no conhecimento apenas da resposta do sistema estudado, sem o conhecimento dos sinais de excitação. Como técnica utilizada para implementar a metodologia proposta foi escolhida a de Decomposição no Domínio da Frequência Melhorada (EFDD - Enhanced Frequency Domain Decomposition) para a identificação dos parâmetros dinâmicos de uma aeronave F-5EM em voo. Esta técnica tem como premissa básica que a excitação do sistema estudado seja realizada através de um sinal do tipo ruído branco, implicando que a matriz de densidade espectral de potência do sinal de entrada deve ser constante. A identificação dos parâmetros é baseada na Decomposição em Valores Singulares (SVD) da matriz de densidade espectral de potência dos sinais de resposta do sistema, sendo este processo de avaliação realizada através do software OMA. Para verificar a coerência com a teoria, foi estudada a caracterização da turbulência contínua, de modo a verificar seu comportamento característico de ruído branco, buscando identificar uma matriz de densidade espectral de potência constante para o intervalo de frequências de interesse, ou seja, de 0 a 100 Hz. Além disso, foram verificados pontos relevantes sobre as principais fases de uma campanha de ensaios, ressaltando a importância da participação em conjunto das equipes solicitantes de dados, de instrumentação e de execução dos ensaios, desde o planejamento até a coleta de dados. Os dados coletados nesta campanha de ensaios em voo foram comparados com os obtidos em trabalhos anteriores e foram verificadas consistências nos parâmetros observados, sendo possível obter com clareza os modos de vibração da aeronave estudada. A metodologia foi, desta forma, considerada válida, sendo sugeridas propostas de trabalhos futuros, de forma a aumentar sua robustez.

Este trabalho ampliou e aprofundou os estudos iniciais que alicerçaram a proposta de um novo modelo de rede neural artificial, a GasNet ([Hus1998], [HSO+1998], [HSJ+1998], [PHO1998] e [HSO2001]), cuja principal particularidade é a emulação de comunicação via moduladores químicos difusos. Em sua origem, o modelo GasNet foi aplicado na evolução bem sucedida de controladores para robôs móveis autônomos, oferecendo vantagens em relação ao tempo de convergência e grau de compactação das redes criadas, quando em comparação à evolução empregando modelos de redes tradicionais. As pesquisas realizadas aqui questionam, no entanto, o papel efetivo da atividade química do sistema, mostrando que versões simplificadas de GasNets, em que o substrato químico encontra-se desativado, são computacionalmente menos onerosas e fornecem similaridade, ou até equivalência de desempenho com as GasNets. O trabalho se baseou em experimentos computacionais com três problemas-teste onde a GasNet não tinha sido aplicada anteriormente, todos de natureza discreta, e no problema original usado na proposição da GasNet, o qual é de natureza contínua. Resultados obtidos demonstram que processos de estabilização dinâmica podem ser incorporados à GasNet, de modo a torná-la operacional em domínios discretos, e em domínios contínuos que apresentem limitações em sua capacidade de continuidade. Em geral, os resultados ampliam o conhecimento disponível sobre esse novo tipo de rede, em vários de seus aspectos, em particular, provocando uma releitura dos resultados já existentes na literatura, de modo a incorporar suas limitações, conforme evidenciadas na pesquisa, e traçando novas direções, indicativas de caminhos que devam ser seguidos nos desenvolvimentos subseqüentes da GasNet. ]

Trens de pouso são dispositivos sofisticados com funções importantes às aeronaves, responsáveis pela absorção de choques, frenagem e manobras. Para tanto o conhecimento antecipado de seu comportamento durante o pouso se faz necessário. Essa caracterização é realizada através de ensaios de queda e análises computacionais capazes de simular diversos cenários.Um modelo computacional realista de trem de pouso é requerido para simulações digitais projetadas para predizer a dinâmica do sistema em resposta à energia provida no momento do toque. Estas simulações geram equações que modelam o comportamento dinâmico do sistema, cargas aerodinâmicas, choques e reações. A flexibilidade deve ser incluída nos modelos computacionais de modo que o modelo aproxime-se ao máximo de um trem de pouso real, garantindo maior precisão dos resultados. Como refinamento desses modelos este trabalho propõe a inclusão da estrutura flexível criada num software de análise de sistemas multicorpos utilizando os modos normais de vibração e estáticos (modos de Craig-Bampton) obtidos de um modelo de elementos finitos do corpo. Utilizou-se o software DADS na modelagem de sistemas multicorpos e o ANSYS para elementos finitos. Os resultados demonstram a importância de se avaliar os efeitos da flexibilidade estrutural nos esforços desenvolvidos durante o pouso.

Esta dissertação apresenta o desenvolvimento do método do gradiente de segunda ordem para a resolução de problemas de otimização de sistemas dinâmicos. O método é aplicado, em particular, a problemas de otimização de trajetórias espaciais: transferência entre a Terra e Marte e transferência entre órbitas circulares. Visando mostrar a sua eficiência e aplicabilidade, são resolvidos, primeniramente, problemas clássicos em teoria do controle ótimo como: distância entre dois pontos no plano; distância entre ponto e reta; problema de Zermelo; problema da brachistócrona e perfil aerodinâmico de arrasto mínimo.

The stability of a liquid rocket engine (LRE) has long been extensively studied in foreign space programs, mainly because the combustion chamber, by itself, is a source of unstable process. The next phase of the Brazilian space program requires a reliable engine to fulfill the mission goal. Thus, understanding and predicting the influence of self-oscillating process ia a necessity. The theoretical analysis of system stability, as wel as, the simulation of its operation requires the elaboration of the mathematical model to describe, approximately, the most important phenomena of an actual system. In the present work, the calculation of the model parameters is based on a gesidned LRE, which is able to be part of the second stage of the VLS-2. The combustion chamber, the injector head, he cooling jacket and the pipelines constitute a model that is simulated, and the influence of liquid compressibility effect, on its step and frequency responses, is considered. Afterwards, the stability of the system is analyzed using the Routh-Hurwitz criterion. Undoubtedly, the most interesting task in the study of system stabiblity is the definition of how a given parameter of the system influences on its stability. Here, the stated problem is solved by the construction of a region of stability, using three criteria, Mikhailov, Routh-Hurwitz and Hermite-Biehler, to find out the stability limits. The Hermite-Biehler (Interlacing) Theorem succeds in providing this region when more than one parameter is being analyzed. In the last chapter is introduced a new approach for the study of dynamic characteristics of system, the Kharitonov's Theorem, where a parameter is considered with uncertainties. For LRE this is very important, specially when it is treated in the combustion processes.

Neste trabalho uma metodologia é proposta para a implementação de um ambiente computacional para detecção e diagnose de falhas (DDF) em sensores de manipuladores robóticos. Esse ambiente computacional é formado por um subsistem de simulação de manipuladores robóticos e por um subsistema de detecção e diagnose de falhas. O subsistema de simulação de manipuladores robóticos é composto por blocos básicos de simulação e controle de manipuladores robóticos, como o bloco da planta do manipulador que se deseja simular, o bloco do sistema de controle composto por controladores do tipo PID e torque computado (que podem ser selecionados e configurados pelo usuário), o bloco do planejador de tarefas e o bloco de sensores. O subsitema de detecção e diagnose de falhas usa um método de redundância de sensores baseado na integração dos valores medidos combinado com as equações estáticas do manipulador robótico. Um sistema especialista é usado como apoio ao subsistema de detecção e diagnose de falhas, onde são implementadas regras para melhorar a capacidade de diagnóstico e produzir uma possível compensação de falhas. Um exemplo aplicativo ilustra a metodologia proposta, o qual pode ser facilmente implementada e possui baixo custo de equipamento, pois utiliza sensores comuns disponíveis em muitos manipuladores robóticos. Entretanto, este método pode exigir um esforço computacional significante e indesejado, principalmente com a utilização de manipuladores robóticos com vários graus de liberdade. Porém, caso o esforço computacional seja considerado grande em determinadas aplicações, pode-se fazer uso de controladores e processadores dedicados (por exemplo, DSPs), rápidos e de baixo custo (atualmente muito comuns no mercado).