Dissertação para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica e de Computadores, na Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, sob a orientação do Professor Doutor Abel Peças Lopes

Dissertação apresentada para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica e de Computadores, na Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, sob a orientação do Professor Doutor Abel Peças Lopes

Submitted by Lucienne Costa (lucienneferreira@ufcg.edu.br) on 2018-05-17T23:29:24Z No. of bitstreams: 1 PABLO BEZERRA VILAR – TESE (PPGEE) 2017.pdf: 2044145 bytes, checksum: 067e43ad1834e474f34f9ad7e7d6f16f (MD5) / Made available in DSpace on 2018-05-17T23:29:24Z (GMT). No. of bitstreams: 1 PABLO BEZERRA VILAR – TESE (PPGEE) 2017.pdf: 2044145 bytes, checksum: 067e43ad1834e474f34f9ad7e7d6f16f (MD5) Previous issue date: 2017-04-17 / Neste trabalho, foram desenvolvidos dois modelos matemáticos capazes de representar o comportamento dinâmico de um varistor de óxido de zinco. Para isso, empregaram-se técnicas de identificação de sistemas que permitiram a criação de modelos que determinem a relação entre corrente e tensão no varistor, sem explicar a física do processo. Para desenvolver e validar o modelo matemático proposto, uma base de dados foi construída com amostras de varistores com diferentes características físicas. Os varistores foram submetidos a sinais de impulsos de corrente com diferentes amplitudes e formas de onda, com tempos de frente variando de 1,5 a 30 μs. A determinação dos parâmetros dos modelos desenvolvidos é realizada a partir do método dos mínimos quadrados, que deve ser aplicado a resposta ao impulso de corrente padrão 8/20 μs. Assim, os modelos desenvolvidos são capazes de representar a resposta dos diferentes varistores utilizando apenas informações que são tipicamente fornecidas pelos fabricantes. Foi também proposto um procedimento de simulação que permite que os modelos desenvolvidos neste trabalho possam ser utilizados no software ATP, que é utilizado para realização de simulação de transitórios em sistemas elétricos. O desempenho dos modelos desenvolvidos foi comparado com o desempenho de modelos tradicionais, observou-se que os desenvolvidos foram capazes de representar a resposta dos varistores superando as limitações dos modelos existentes. O desenvolvimento deste trabalho trouxe como principais contribuições um modelo de varistores completamente funcional e com características únicas em comparação com os já existentes e um procedimento de simulação que permite a interação de modelos matemáticos e sistemas elétricos no ambiente do ATP. / In this work, two mathematical models were developed capable of representing the dynamic behavior of a zinc oxide varistor. For this, systems identification techniques were used, that allowed the creation of models that determine relationship between current and voltage in a zinc oxide varistor, without explaining the physics of the process. To develop and validate the proposed mathematical model, a database was constructed with samples of varistors with different physical characteristics. The varistors were subjected to current pulse signals with different amplitudes and waveforms, with front times ranging from 1.5 to 30 μs. The determination of the parameters of the developed models is carried out using the least squares method, which must be applied the response to the standard current impulse 8/20 μs. Thus, the developed models are able to represent the response of the different varistors using only information that is typically provided by the manufacturers. It was also proposed a simulation procedure that allows the models developed in this work to be used on the ATP software, which is used to performer simulations of transients on power systems. The performance of the developed models was compared with the performance of traditional models, it was observed that the proposed models were able to represent the response of the varistors overcoming the limitations of the existing models. The development of this work brought as main contributions, a broad database that characterizes the dynamic behavior of the varistors, a model of varistors fully functional and with unique characteristics in comparison with the existing ones and a simulation procedure allows the interaction of mathematical models and Electrical systems in the ATP environment.

Este trabalho apresenta e compara alguns meios para o estudo do comportamento dinâmico de uma lavadora de roupas de eixo vertical durante o processo de extração de água das roupas, também conhecido como centrifugação. Os três métodos utilizados para estudar o comportamento dinâmico de uma lavadora de roupas de eixo vertical foram: analítico, experimental e simulação através de multicorpos. O interesse nesta etapa é devido ao fato dos problemas de vibração de uma lavadora ocorrerem principalmente durante a centrifugação. A modelagem de uma lavadora de roupas durante a etapa de centrifugação permite a obtenção de seu comportamento dinâmico bem como de suas principais características. Um outro tópico estudado neste trabalho foi o fenômeno de deslocamento da lavadora, um dos principais motivos de reclamação dos usuários de lavadoras de roupa automáticas. / This work presents and compares some ways to study the dynamic behavior of a vertical axis washing machine during the water extraction process, also called spinning stage. The three methodologies used to study the dynamic behavior of a vertical axis washing machine area: analytical, experimental and simulation using Multi Body System. The interest in this stage is due to the fact that the main vibration problems of an automatic washing machine occur in the spinning cycle. Since the unbalance force that causes the vibration problems is centrifugal in nature, this makes intuitive sense as the rotational speed of the basket is the largest during the spin extraction cycle. Thus, modeling the washing machine during the spinning cycle allow us to get its dynamic behavior as well as the main characteristics of this behavior. Another topic studied in this work was the walking phenomenon, the main complaint of the users.

Este trabalho apresenta uma metodologia para caracterizar em regime quase-estático de forças, o comportamento dinâmico de um veículo de passageiros compacto, a fim de determinar sua condição de estabilidade, inerente aos parâmetros adotados durante o desenvolvimento de seu projeto, através de uma manobra normalizada. Apresenta e discute os dados obtidos através da medição das grandezas físicas que caracterizam este comportamento dinâmico e sua evolução, imposta pela variação de um dos parâmetros que influenciam seu equilíbrio, a rigidez lateral de um de seus pneumáticos através da variação de sua pressão, tanto no eixo dianteiro quanto ao eixo traseiro. Avalia esta evolução através da caracterização teórica de seu comportamento sub ou sobre-esterçante e a compara com os resultados obtidos subjetivamente pela avaliação da sensação do condutor, realizada por profissionais especializados da indústria automobilística. Finalmente busca uma conclusão, propondo o balanceando do comportamento dinâmico esperado para o veículo com sua resposta aos testes subjetivos, a fim de que o projeto de novos veículos possa apresentar características e condições de segurança que melhor se adéqüem a forma de dirigir do motorista comum. / This study presents a methodology to characterize under quasi-static condition of forces, the dynamic behavior of a compact passenger vehicle to determine its condition of stability, inherent to the parameters used in the development of the project through a standardized maneuver. It presents and discusses the data obtained through the measurement of physical quantities that characterize its dynamic behavior and the evolution of this behavior, imposed by a variation in one of the parameters that influence their balance, the lateral rigidity of one of its tires by its pressure variation, in both the front and rear axles. Assesses these evolution through the theoretical characterization of the under or oversteer behavior and compares it with the results subjectively assessed by the driver feeling, held by professional evaluators of the auto industry. Finally search for a conclusion, offering the balance of the dynamic behavior expected for the vehicle with its response to subjective tests, aiming that the design of new vehicles may present safety and design characteristics that best suit the common driver way to drive.

Este trabalho apresenta uma metodologia para caracterizar em regime quase-estático de forças, o comportamento dinâmico de um veículo de passageiros compacto, a fim de determinar sua condição de estabilidade, inerente aos parâmetros adotados durante o desenvolvimento de seu projeto, através de uma manobra normalizada. Apresenta e discute os dados obtidos através da medição das grandezas físicas que caracterizam este comportamento dinâmico e sua evolução, imposta pela variação de um dos parâmetros que influenciam seu equilíbrio, a rigidez lateral de um de seus pneumáticos através da variação de sua pressão, tanto no eixo dianteiro quanto ao eixo traseiro. Avalia esta evolução através da caracterização teórica de seu comportamento sub ou sobre-esterçante e a compara com os resultados obtidos subjetivamente pela avaliação da sensação do condutor, realizada por profissionais especializados da indústria automobilística. Finalmente busca uma conclusão, propondo o balanceando do comportamento dinâmico esperado para o veículo com sua resposta aos testes subjetivos, a fim de que o projeto de novos veículos possa apresentar características e condições de segurança que melhor se adéqüem a forma de dirigir do motorista comum. / This study presents a methodology to characterize under quasi-static condition of forces, the dynamic behavior of a compact passenger vehicle to determine its condition of stability, inherent to the parameters used in the development of the project through a standardized maneuver. It presents and discusses the data obtained through the measurement of physical quantities that characterize its dynamic behavior and the evolution of this behavior, imposed by a variation in one of the parameters that influence their balance, the lateral rigidity of one of its tires by its pressure variation, in both the front and rear axles. Assesses these evolution through the theoretical characterization of the under or oversteer behavior and compares it with the results subjectively assessed by the driver feeling, held by professional evaluators of the auto industry. Finally search for a conclusion, offering the balance of the dynamic behavior expected for the vehicle with its response to subjective tests, aiming that the design of new vehicles may present safety and design characteristics that best suit the common driver way to drive.

Submitted by Johnny Rodrigues (johnnyrodrigues@ufcg.edu.br) on 2018-04-26T19:19:12Z No. of bitstreams: 1 HENRIQUE MARTINNI RAMOS DE OLIVEIRA - DISSERTAÇÃO PPGEM 2014..pdf: 5119070 bytes, checksum: 23504b03a49c79c4f4d5a4f8815ee9ac (MD5) / Made available in DSpace on 2018-04-26T19:19:12Z (GMT). No. of bitstreams: 1 HENRIQUE MARTINNI RAMOS DE OLIVEIRA - DISSERTAÇÃO PPGEM 2014..pdf: 5119070 bytes, checksum: 23504b03a49c79c4f4d5a4f8815ee9ac (MD5) Previous issue date: 2014-08-01 / CNPq / Capes / As Ligas com Memória de Forma (LMF) devem seu comportamento único a uma transformação de fase reversível entre duas estruturas cristalinas: martensita (baixa temperatura e menor rigidez) e austenita (alta temperatura e maior rigidez). Essa transformação pode ocorrer em consequência de dois estímulos diferentes: uma mudança de temperatura ou aplicação de tensão mecânica, ambos acima de valores críticos característicos desses materiais. Do segundo caso resulta o fenômeno da superelasticidade, que é a capacidade de recuperar totalmente a deformação após o carregamento e descarregamento mecânico na fase de mais alta temperatura (austenita). No decorrer dessa deformação ocorre a transformação de fase induzida por tensão da austenita para a martensita. Esta transformação é exotérmica e tende a se estabilizar após certo número de ciclos de deformação. Estudos sobre as propriedades dinâmicas das LMF mostram que o comportamento superelástico é dependente da taxa de deformação, ou em outras palavras, da frequência de excitação. Este comportamento resulta da combinação complexa entre tensão mecânica, temperatura e taxa de dissipação do calor latente gerado no material. Observou-se também que altas frequências diminuem a capacidade de dissipação de calor latente, resultando no aumento de temperatura do material e valores de tensão de transformação de fase maiores. Considerações como estas são importantes para a modelagem do comportamento dinâmico do material, aplicável, por exemplo, em sistemas de absorção de vibração de construções civis. Nesse contexto, o objetivo deste trabalho é estudar experimentalmente a influência da frequência sobre o comportamento dinâmico superelástico de fios de LMF Ni-Ti pré-estabilizados, assim como os efeitos da geração de calor sobre as propriedades mecânicas avaliadas. Os testes realizados corresponderam a ensaios dinâmicos de tração uniaxial em fios superelásticos de LMF Ni-Ti com variação de freqüência e simultâneo acompanhamento de temperatura do material, usando uma máquina de ensaios da marca MTS modelo MTS 793 series. / Shape Memory Alloys (SMA) owe their behavior unique to a reversible phase transformation between two crystalline structures: martensite (low temperature and stiffness) and austenite (high temperature and stiffness). This phase change can occur as a result of two distinct stimuli: a change in temperature or an applied mechanical stress, both over certain critical values, characteristic of this materials. From the latter it results the phenomenon of the superelasticity, which is the ability to totally recover a deformation after simply ceasing the load. During this deformation occurs a stressinduced martensitic transformation from austenite to martensite, being it an exothermal process and that tends to stabilize after a certain number of cycles. Investigation concerning dynamic properties of SMA demonstrate that its superelastic behavior depends on the strain rate, or in other words, on the excitation frequency. This behavior results from the complex combination of mechanical stress, temperature and rate of latent heat dissipation generated in the material. It was also observed that high frequencies diminish the capacity of dissipation of latent heat, resulting in an increase in the material temperature and, therefore, in higher values of phase transformation stresses. This kind of consideration is fundamental in dynamic behavior modeling, applicable for instance, in vibration absorption systems in civil building. In this context, the objective of this work is experimentally study the influence of the frequency on superelastic behavior of pre-stabilized Ni-Ti SMA superelastic wires, as well as the effects of heat generation on the evaluated mechanical properties. Dynamical tests were performed in a uniaxial tensile mode in Ni-Ti SMA superelastic wires varying the frequency and simultaneously monitoring sample’s temperature, using a test machine from MTS, model MTS 793 series.

Orientador: José Manoel Balthazar / Resumo: A microscopia da força atômica (AFM) com medidas em nanoescala, vêm da nanotecnologia e constitui atualmente um campo de pesquisa multidisciplinar. A proposta de pesquisa apresentada tem como objetivo contribuir a pesquisa cientifica sobre AFM considerando que sistema está operando no modo intermitente e em meio líquido, e que a dinâmica do amortecimento do meio líquido é determinado por derivadas de ordem fracionária. Através de ferramentas de simulação numérica serão realizadas a análise dinâmica do sistema para os casos em que o sistema tenha comportamento caótico. Para supressão deste comportamento caótico serão utilizadas e analisadas duas estratégias de controle, o controle SDRE (Estados Dependentes da Equação de Riccati) e o controle OLFC (Controle Linear por Realimentação Ótimo). / Abstract: The atomic force microscope (AFM) with nanoscale measurements comes from nanotechnology and is currently a multidisciplinary field of research. The present research proposal aims to contribute to scientific research on AFM considering that the system is operating in the intermittent mode and in liquid medium, and that the damping dynamics of the liquid medium is represented by fractional order derivatives. Through numerical simulation tools, the dynamic analysis of the system will be performed in cases where the system has chaotic behavior. To suppress this chaotic behavior we will use and analyze two control strategies, the SDRE (Riccati Equation Dependent States) and OLFC (Linear Control for Optimum Feedback). / Doutor

Em países com condições ambientais, sócio-culturais e econômicas favoráveis à aplicação de processos anaeróbios para tratamento de esgotos sanitários, o reator UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket) possui muitas vantagens, dentre os reatores anaeróbios, por permitir instalação, operação e manutenção a baixos custos, apresentar baixa geração de lodo, ser capaz de suportar sobrecargas hidráulicas e orgânicas e possuir eficiência de remoção de demanda química de oxigênio entre 70% e 80%. Contudo poucos estudos são reportados na literatura quando o reator é submetido a variações cíclicas diárias, de cargas orgânicas e hidráulicas, em períodos curtos de duração - iguais ou menores que 24 h. Para compreender os prováveis amortecimentos e atrasos nas respostas de reatores UASB quando submetidos a essas variações, desenvolveu-se um modelo matemático simplificado baseado no regime de escoamento contínuo de um tanque de mistura completa, no modelo cinético tipo Monod para remoção de DQO (Demanda Química de Oxigênio) e equacionamentos empíricos reportados na literatura. Esse modelo indicou que, mesmo apresentando baixa eficiência na remoção de demanda química de oxigênio, o reator possui capacidade de amortecer as variações impostas de vazão e respondeu com grande sensibilidade à variação de velocidade específica máxima de degradação de substrato, indicando que esse parâmetro cinético deve ser o parâmetro de calibração do modelo matemático. / In countries with favorable environmental, social, cultural and economical conditions, the use of anaerobic processes in treatment of domestic sewage. The UASB reactor (Upflow Anaerobic Sludge Blanket) has many advantages, among the anaerobic reactors, allows the installation, operation and maintenance with low costs; presents low sludge generation; is capable to support organic and hydraulic overloads and has COD removal efficiencies between 70% and 80%. However few studies are reported in the literature about reactors submitted to cyclical daily variations of organic and hydraulic loads in short periods of time - equal to or shorter than 24 hours. Aiming to understand the probable dampening and the delays in the response of the UASB reactors when submitted to these variations, it was developed a simplified mathematical model based on the continuous flow pattern of a completed stirred tank and in the Monod kinetic model for COD (Chemical Oxygen Demand) removal and empirical kinetic equations reported in the literature. The model indicated that, even when presenting low efficiency in the removal of COD, the reactor has a capacity to dampen the forced flow variations, and responded with great sensivity to the variation of qmáx., indicating that this kinetic parameter may be the calibration parameter of the mathematical model.

Poucos estudos são reportados na literatura sobre o comportamento dinâmico do reator UASB submetido a variações cíclicas diárias, de cargas orgânicas e hidráulicas, em períodos curtos de duração - iguais ou menores que 24h, com os quais verifica-se queda na eficiência do reator, causada pela provável flotação dos grânulos, problemas com geração de odor e alta concentração de sólidos suspensos no efluente. Para melhor compreender a resposta dinâmica desses reatores submetidos a essas variações, foi desenvolvido o modelo MMS baseado no modelo hidrodinâmico de mistura completa em reatores em série, modelo cinético de primeira ordem para consumo de substrato e para crescimento da biomassa e equacionamentos empíricos reportados na literatura. Esse modelo indicou a capacidade do reator de amortecer as variações impostas e a influência da cinética na eficiência de remoção da matéria orgânica. Para calibrar e validar o MMS, foi avaliado o desempenho de um reator UASB (160 L) no tratamento de esgoto sanitário municipal da cidade de São Carlos. Durante o período de operação, o reator foi submetido a variações senoidais cíclicas, de cargas orgânica e hidráulica, em valores inferiores e superiores a 40% e 60% da vazão afluente de 16,0 L/h. A produção média de gás metano e a eficiência média de remoção de DQO alcançadas pelo reator foram de aproximadamente: 1,83 L/h e 61% para vazão afluente de 16 L/h, TDH de 10 h e velocidade ascensional de 0,23 m/h; 2,24 L/h e 48% para variação cíclica de 40% e 2,97 L/h e 40% para variação cíclica de 60%. O MMS indicou faixa de valores para a DQO efluente com diferença em relação aos resultados observados experimentalmente - de 37% para vazão afluente constante de 16 L/h e 59% e 56% para variações senoidais cíclicas de 40% e 60% da vazão afluente, respectivamente – devido à limitação do modelo em considerar o arraste de sólidos no efluente que ocorreu ao longo de toda a operação do reator e mais acentuadamente quando foram aplicadas variações da vazão afluente. O modelo ADM1 proposto por Batstone et al.(2002a,b)apresentou menor similaridade com os resultados observados experimentalmente por não contemplar a variação horária e diária de alguns parâmetros de entrada, mas apenas a média aritmética dos valores. / There are no extensive reports on the dynamic behaviour of UASB reactor submitted to cyclical daily variations of organic and hydraulic loads of short periods of time - equal to or shorter than 24 hours - that can damage the reactor efficiency due to probable granule flotation, odor generation and high concentration of suspended solids in the effluent. Aiming to understand the dynamic response of these reactors when submitted to these variations, it was developed the MMS model based on the N-continuous flow stirred tank reactors (CSTR) in series model, first order kinetics model for substrate consumption and biomass growth and empirical equations reported in the literature. The model indicated the reactor capacity on dampening the imposed flow rate variations and the influence of the kinetics in the organic matter removal efficiency. It was evaluated the response of a UASB in bench scale (160 L) treating sanitary sewage of São Carlos city in order to calibrate and validate the MMS. During the operation, the reactor was submitted to cyclical sinusoidal variations of organic and hydraulic loads in lesser and higher values of 40% and 60% of the influent flow rate of 16 L/h. The reactor achieved mean methane production and mean COD removal efficiency of: 1,83 L/h and 61% to influent flow rate of 16 L/h, HRT of 10 h and upflow velocity of 0,23 m/h; 2,24 L/h and 48% to sinusoidal variation of 40%; 2,97 L/h and 40% to sinusoidal variation of 60%. The MMS model results indicated a range of effluent COD values with a difference of 37% to influent flow rate of 16 L/h, 59% and 56% to sinusoidal variations of 40% and 60%, respectively, in comparison with the experimental observed data. This probably occurred due to the model limitation in considering and predicting the solids washout in the effluent that was verified during all the operation, and also more significant when the sinusoidal variations were applied. The ADM1 reported by Batstone et al. (2002a,b) presented lesser similarity with the experimental observed results due to the fact that it does not consider hourly and daily variations of some input parameters, but only the arithmetical mean of the values.