O problema de identificação de parâmetros consiste em se determinar parâmetros que minimizem a diferença entre valores medidos e calculados de determinadas grandezas. Certamente, essa identificação é realizada para parâmetros que apresentam razoável grau de incerteza nos seus valores. Neste trabalho apresentam-se os principais conceitos e fundamentos matemáticos envolvidos no assunto, desenvolve-se um procedimento de identificação de parâmetros com base matemática sólida e aplica-se esse procedimento em problemas de interesse prático da engenharia. São estudados o Túnel de Hudvudsta e a barragem de Machadinho, nos quais são identificados parâmetros relacionados com as ações ou com as propriedades físicas dos materiais, considerando modelos hierárquicos para representar as estruturas. Utilizam-se os principais critérios de identificação para a definição das funções objetivo e métodos do tipo Newton para a minimização dessas funções. / The parameter identification problem consists of determining the values of the parameters that minimize the difference between measured and calculated values of some variables. Indeed, this identification is performed to parameters that present some uncertainty on their values. In this work the main mathematical concepts and fundaments related to back analysis are presented. A procedure for parameter identification with a consistent mathematical basis is developed and applied in practical engineering problems. The Hudvudsta tunnel and the Machadinho dam are studied to identify parameters related to loads or material physical properties by using hierarchical models to represent the structures. The objetive functions are defined with the main identification criteria and minimized with Newton´s methods.

O problema de identificação de parâmetros consiste em se determinar parâmetros que minimizem a diferença entre valores medidos e calculados de determinadas grandezas. Certamente, essa identificação é realizada para parâmetros que apresentam razoável grau de incerteza nos seus valores. Neste trabalho apresentam-se os principais conceitos e fundamentos matemáticos envolvidos no assunto, desenvolve-se um procedimento de identificação de parâmetros com base matemática sólida e aplica-se esse procedimento em problemas de interesse prático da engenharia. São estudados o Túnel de Hudvudsta e a barragem de Machadinho, nos quais são identificados parâmetros relacionados com as ações ou com as propriedades físicas dos materiais, considerando modelos hierárquicos para representar as estruturas. Utilizam-se os principais critérios de identificação para a definição das funções objetivo e métodos do tipo Newton para a minimização dessas funções. / The parameter identification problem consists of determining the values of the parameters that minimize the difference between measured and calculated values of some variables. Indeed, this identification is performed to parameters that present some uncertainty on their values. In this work the main mathematical concepts and fundaments related to back analysis are presented. A procedure for parameter identification with a consistent mathematical basis is developed and applied in practical engineering problems. The Hudvudsta tunnel and the Machadinho dam are studied to identify parameters related to loads or material physical properties by using hierarchical models to represent the structures. The objetive functions are defined with the main identification criteria and minimized with Newton´s methods.

O presente trabalho tem como objetivo apresentar um sistema de automação, controle, aquisição e identificação do modelo laboratorial de uma turbina a gás. Referido sistema de controle foi montado utilizando-se de componentes disponíveis no mercado tais como sensores, atuadores, controladores, softwares, etc. Merece destaque o desenvolvimento de software que instalado no CLP (Controlador Lógico Programável) controla, entre outras funções, a ação de válvulas proporcionais de controle de vazão garantindo as condições necessárias para o correto funcionamento da turbina. Agregado ao sistema funcional, um sistema laboratorial de aquisição e processamento de dados baseado em Labview foi implementado para a identificação dinâmica da máquina, com a finalidade de se obter a função de transferência do sistema que possibilitasse, a posteriori, a simulação e a otimização de estratégias de controle avançadas. A turbina a gás, não convencional e composta de turbo-compressores automotivos, turbina aeronáutica de jatos militares, etc., tinha potência estimada de 50kW e encontrava-se em desenvolvimento experimental por uma equipe de pesquisa sediada nas dependências do CTA-ITA.

Este trabalho apresenta um método para obtenção e simplificação de uma base de regras nebulosas. O método proposto para a extração de regras nebulosas é oriundo da combinação eficiente de diferentes técnicas relatadas independentemente na literatura. Inicialmente, são gerados agrupamentos de entrada e agrupamentos de saída correspondentes. Em seguida são definidas, de forma recursiva, regras nebulosas para classificação de padrões. Cada regra é associada a uma hipercaixa que define a região de existência de uma classe e/ou inibe a classificação do dado nos casos em que duas ou mais hipercaixas se superpõem (situação onde um ou mais dados podem pertencer a mais de uma região) evitando assim que sejam geradas regras conflitantes. Então, é discutido um mecanismo de redução do conjunto de regras com base nas superposições de classes, para a simplificação do conjunto de regras gerado, onde serão gerados os graus de pertinência para os dados de entrada. O método é ilustrado através de um exemplo no qual são determinadas regras para um controlador nebuloso para um sistema de controle de atitude utilizando atuadores com restrições de tempo de chaveamento e atrasos.

Este trabalho apresenta uma investigação sobre algumas técnicas de integração de sensores para a estimação dos estados de um dado sistema dinâmico com modelo linear. As abordagens utilizadas são baseadas no filtro de Kalman. São consideradas duas configurações para a integração das informações dos sensores: integração centralizada e integração distribuída. Tais algoritmos consideram incertezas nas redes de comunicação entre os sensores e o sistema de processamento central. Também é investigado um algoritmo de identificação dos ganhos ótimos dos filtros de Kalman, para um sistema de integração distribuída, baseado nas correlações das inovações. Como contribuições, são desenvolvidas expressões para a quantificação dos erros de identificação dos ganhos ótimos dos filtros de Kalman em função dos erros na avaliação das correlações das inovações. De início, são obtidas expressões para o caso em que não existem incertezas nas redes de comunicação e apenas um sensor é considerado. Este resultado é então generalizado para o caso em que existem incertezas nas redes de comunicação e múltiplos sensores são considerados. Todos os algoritmos investigados são apresentados com detalhes de sua derivação e de forma a facilitar a compreensão das técnicas de estimação utilizadas, a teoria de estimação e do filtro de Kalman são brevemente apresentadas. Simulações são utilizadas para avaliar o desempenho dos algoritmos.

This study concerns the development of a novel mechanical ventilation system, with a view to analysing the results of a new mechanical ventilation technique, referred to noisy ventilation. Additionally, the study addresses the assessment of the system, involving the estimation of certain mechanical parameters of the respiratory system under noisy ventilation and discusses a pilot trial in vivo, with a pig. During acute respiratory failure, intubation and invasive mechanical ventilation may be life saving procedures. The general aim of mechanical ventilation is to provide adequate gas exchange support, while not damaging the respiratory system. This technique is one of the most important life support tools in the intensive care unit. However, it may also be harmful by causing ventilator induced lung injury and other undesirable effects. There is a growing interest in the development and use of variable mechanical ventilation performing variable volume and variable pressure controlled ventilation. The reasons are that this technique can improve lung functions and reduce lung damage, when compared to standard mechanical ventilation. Moreover, variable ventilation can improve lung mechanics and gas exchanges. The new ventilation system has to have the capabilities to perform a noisy ventilation regime, besides the standard mechanical ventilation. The development started with commercial devices: a mechanical ventilator and a personal computer, whose roles were to execute the noisy ventilation regime and to implement the new ventilation pattern by means of a ventilation routine, commanding the mechanical ventilator. After these two components were working together, a bench test was performed, in which a calibrated measuring device and a mechanical lung simulator were utilized. Considering that the system was working properly, it was possible to validate it by analysing the results. As the mechanical properties of the respiratory system are important quantities to know, a parameter estimation method was developed, with a view to estimating some relevant properties, such as compliance, positive end--expiratory pressure, resistance and others. The estimates were related to the adopted model for the respiratory system. In this study, four models were discussed: first order linear model, flow dependent resistance model, volume dependent elastance model and second order linear model. For each one, all parameters were estimated and the outcomes from each estimation were compared with the others, with a view to finding relationships between them and to evaluating the goodness of each model. Furthermore, as some parameters could be adjusted directly in the devices, adjusted and estimated values could also be compared. Finally, one trial in vivo was performed, with a view to assessing the behaviour of the system in a real situation and to showing the developed system to the research team. The system was set to work in a noisy and in a standard ventilation regime. It showed reasonable results in terms of quality of ventilation as well as reliability and maintainability of the ventilatory regime, during the whole test period. The developed parameter estimation methods were utilized to estimate the mechanical respiratory properties of the animal under test and to find cross relationships between these outcomes and others, such as those from blood gas, ultrasonography and electrical impedance tomography.

Esta tese apresenta um procedimento de identificação experimental de coeficientes hidrodinâmicos de veículos submarinos não tripulados. Apresenta-se o desenvolvimento de uma plataforma experimental para pesquisas em dinâmica, controle e navegação de veículos submarinos. A plataforma experimental inclui: 1) um veículo submarino não tripulado semi-autônomo do tipo estrutura-aberta chamado de LAURS, 2) um sistema multissensorial e multipropulsores para o controle de movimento, e 3) software e arquitetura de controle para a aquisição de dados dos sensores e o controle de movimento. A fim de deduzir as equações do movimento dinâmico do LAURS, apresenta-se a formulação geral das equações hidrodinâmicas não lineares de um veículo submarino com seis graus de liberdade. A partir destas equações gerais acopladas, são deduzidos modelos mais simples para um grau de liberdade (movimento unidirecional) e três graus de liberdade (movimento planar) do veículo. O método de estimação de parâmetros utilizado neste trabalho não requer medidas de aceleração e é baseado na aplicação da técnica dos mínimos quadrados à forma integral das equações dinâmicas do sistema. O procedimento de identificação proposto é baseado na informação dos sensores embarcados. Primeiramente, os coeficientes de arrasto são obtidos a partir de testes de velocidade constante e depois, fixando os coeficientes de arrasto do modelo matemático com estes valores obtidos, são identificados a inércia virtual e os coeficientes de acoplamento a partir de testes de velocidade variável. Nos testes de velocidade variável são aplicadas entradas de força do tipo senoidal. Apresentam-se os valores dos coeficientes hidrodinâmicos para os movimentos de avanço, deriva, arfagem, guinada e caturro do veículo, os quais foram obtidos usando o procedimento de identificação proposto. O desempenho dos modelos dinâmicos identificados é quantitativamente comparado ao movimento do veículo observado experimentalmente. Para o caso dos testes de velocidade constante em avanço e arfagem, foi feita uma comparação dos valores dos coeficientes obtidos usando a abordagem de identificação de sistemas com os dados obtidos a partir dos ensaios de reboque em tanque de provas. Os resultados obtidos validam o procedimento de identificação proposto. Além disso, são apresentados os resultados experimentais obtidos a partir de manobras do tipo zig-zag e é feita uma discussão da identificabilidade de coeficientes de modelos acoplados. Conclui-se que o procedimento de identificação proposto é eficaz na obtenção de valores reais (consistentes com a concepção física do veículo) para os coeficientes hidrodinâmicos de veículos submarinos. A fim de modelar a força hidrodinâmica que atua no veículo em avanço com movimento oscilatório e amplitudes menores do que um comprimento característico, são apresentados os resultados dos ensaios de oscilação forçada usando um mecanismo de movimento planar (MMP). Apresentam-se os valores dos coeficientes de arrasto e de inércia obtidos a partir dos ensaios em avanço no MMP para diferentes números de Keulegan-Carpenter. Os resultados mostram que os coeficientes de arrasto e de inércia para a faixa de velocidades de 0,1 até 0,8m/s dependem fortemente do número de Keulegan-Carpenter e não do número de Reynolds. A partir destes resultados, conclui-se que a amplitude da oscilação do veículo é o principal fator que causa a variação dos coeficientes hidrodinâmicos e não a velocidade do veículo. / In this work, a procedure for experimental identification of hydrodynamic coefficients of unmanned underwater vehicles is presented. At first, the development of a testbed for research on dynamics, control, and navigation of underwater vehicles is presented. This experimental platform includes: 1) a open-frame semi-autonomous unmanned underwater vehicle named LAURS, 2) a multi-sensorial and multi-thruster system for motion control, and 3) software and control architecture for sensor data logging and motion control. In order to derive the LAURS dynamic motion equations, the general formulation of the nonlinear hydrodynamic equations of motion of an underwater vehicle with six degree of freedom is initially presented. From these general coupled equations, simpler formulations with one (unidirectional movement) and three degrees of freedom (planar movement) are derived. The parameter estimation method does not require acceleration measurements and is based on the application of the least squares technique to the integral form of the system dynamic equations. The identification procedure is based on on-board sensor data. First the drag coefficients are obtained from constant velocity tests and afterwards, fixing the drag coefficients in the mathematical model with the obtained values, virtual inertia and coupling coefficients of the vehicle are identified from variable velocity tests. In the tests of variable velocity, sinusoidal force inputs are applied. Values of hydrodynamic coefficients for surge, sway, heave, yaw, and pitch motions are estimated using the proposed identification procedure. Performance of the identified dynamic models is quantitatively compared to the experimentally observed vehicle motion. In the case of constant velocity tests, for the surge and heave motions, comparisons of the hydrodynamic drag coefficient values obtained using the system identification method with data obtained from towing tank tests are presented. Obtained results corroborate for the feasibility of the proposed identification method. Moreover, experimental results obtained from zig-zag maneuvers are presented and the identifiability of coupled dynamic models is discussed. It is possible to conclude that using the proposed method actual hydrodynamic parameters might be estimated. In order to model the hydrodynamic force that acts on the vehicle, in surge motion, with oscillatory movements and with amplitudes that are smaller than or equal to the characteristic length of the LAURS, results of forced oscillation tests in a planar motion mechanism (PMM) are presented. The drag and inertia coefficient values obtained from surge motion tests in the PMM for different Keulegan-Carpenter numbers are presented and discussed. Results illustrates that drag and inertia coefficients, when the vehicle velocity is in the range of 0,1 and 0,8m/s, do not strongly depend on the Reynolds number, however, they are strongly dependent on the Keulegan-Carpenter number. In this context, we can conclude that the oscillation amplitude is the main factor that causes the variation of hydrodynamic coefficients and not the vehicle velocity.

No trabalho foi provada a unicidade da recuperação do coeficiente de condutividade da equação do calor, que por hipótese tem suporte compacto, quando o dado é a distribuíção da temperatura em abertos não simplesmente conexos. / Analisamos o problema inverso da identificação do coeficiente de condutividade $1 + ho$ da equação do calor. Provamos um resultado de unicidade para uma versão linearizada desse problema em $R^n$, para $n$ ímpar, que não depende da hipótese sobre a posição relativa entre o suporte, assumido compacto, da função desconhecida $ho$ e um aberto limitado $\\Omega^$, onde as medidas de temperatura são efetuadas. Provamos o caso em que $\\supp(ho)$ pode ser não simplesmente conexo, e que $\\Omega^$ pode pertencer à uma de suas componentes limitadas. Trata-se de uma extensão, para $n$ ímpar, de um teorema provado por Elayyan e Isakov.

As equações diferenciais impulsivas (EDIs) modelam fenômenos que são contínuos por partes, isto é, que evoluem continuamente mas em certos momentos sofrem mudanças abruptas (impulsos) consideradas instantâneas quando comparadas à duração total do processo. Surgem nas mais diversas áreas das ciências, como na modelagem de concentração de medicamentos no corpo humano e no impacto de propaganda nas vendas de uma empresa. O problema direto associado a uma EDI com instantes de impulsos pré-fixados consiste em, fornecidos a equação diferencial, a condição inicial, os momentos de impulso e os saltos, determinar a solução do problema. Por outro lado, as incógnitas dos problemas inversos associados são os saltos e/ou os momentos de impulso. Em geral, os problemas inversos não podem ser resolvidos diretamente por meio de técnicas convencionais. A abordagem funcional é uma alternativa baseada na minimização de um funcional de erro que confronta dados do fenômeno real e do modelo matemático. O mínimo global deste funcional corresponde à solução do problema inverso. O objetivo principal desta dissertação é investigar os problemas inversos de identificação dos parâmetros saltos e momentos de impulso. Buscamos descrever uma técnica que permita tratar de problemas inversos associados às EDIs de forma bem geral, que não utilize informações específicas da aplicação além das medidas no tempo inicial e final do processo. Para isso, desenvolvemos um programa computacional composto por uma função para solução numérica do problema direto usando o método de Runge-Kutta de quarta ordem, função esta que é chamada diversas vezes para cada resolução do problema direto com diferentes valores para as incógnitas; e pelo método de otimização Simulated Annealing que altera sistematicamente os valores das incógnitas. Os resultados mostram que resolver os problemas inversos que surgem das EDIs não é uma tarefa simples, que a técnica estudada é promissora e que pode ser aperfeiçoada / Impulsive differential equations (IDEs) model piecewise continuous phenomena, that is, that evolve continuously but at certain moments suffer abrupt changes (impulses) considered instantaneous when compared to the total duration of the process. They arise in several areas of science, such as the modeling of drug concentration in the human body and the impact of advertising on a companys sales. The direct problem associated with an IDE with impulses at fixed times consists of determining the solution to the problem, provided the differential equation, the initial condition, the moments of impulse and the jumps. On the other hand, the unknowns of the associated inverse problems are the jumps and/or the moments of impulse. In general, the inverse problems cannot be solved directly by conventional techniques. The functional approach is an alternative based on the minimization of an error functional that confronts data of the real phenomenon and the mathematical model. The global minimum of this functional corresponds to the solution of the inverse problem. The main objective of this dissertation is to investigate the inverse problems of jumps and moments of impulse parameters identification. We have attempted to describe a technique that allows treating of the inverse problems associated with IDEs in a general way, which does not use particular information of the application besides the measurements in the initial and final time of the process. For this, we developed a computer program composed by a function to solve the direct problem numerically using the fourth-order Runge-Kutta method, which is called several times for each resolution of the direct problem with different values for the unknowns; and by the Simulated Annealing optimization method which changes the values of the unknowns systematically. The results show that solving the inverse problems that arise from IDEs is not a simple task and that the technique studied is promising and can be improved

Esta dissertação consiste em um sistema eletrônico microprocessado para monitoração de baterias cujos subsistemas permitem simular processos diversos submetendo-as a tipos diferentes de carga e descarga de forma controlada. O sistema compartilha informações externa e internamente, controlando parâmetros a fim de efetuar os ensaios padronizados ou simulando a alimentação de uma carga real de maneira segura e confiável. Inicialmente, as informações para os testes são feitas de forma manual a partir de templates onde os dados do ensaio e especificações do fabricante são carregadas para iniciar o teste. Assim o sistema fica instruído para executar as demais rotinas e processos de forma automática, quer seja no mesmo teste em ou outro posterior, onde se use a mesma bateria. O sistema se propõe ao ensaio de diversos tipos de químicas de baterias, com algoritmos distintos a cada uma delas, criando arquivos de configuração e de dados, que podem ser armazenados para uso posterior ou utilizados para uma análise imediata. Ao final do ensaio ou ciclo executado é possível escolher a forma de apresentação dos resultados sob forma de planilhas, gráficos e valores, a fim de que seja possível analisar o dispositivo e os processos envolvidos.