A maioria dos produtos agrícolas, após colheita, possui umidade ainda elevada, suficiente para danificá-los, assim estes devem ser submetidos aos processos de secagem. A matemática aplicada e computacional é uma poderosa ferramenta para modelar o fenômeno de transferência de energia e massa intrínsecas a esta dinâmica, e para melhor compreendê-la, é abordado na presente dissertação o estudo teórico e experimental da secagem de soja em camada espessa. Foram realizados experimentos para se compreender o comportamento da dinâmica de secagem do produto, bem como perda de massa de água (umidade), evolução da temperatura do ar e da temperatura dos grãos. Os experimentos visaram analisar a influência da velocidade do ar de secagem e influência da temperatura, e tiveram que ser metodologicamente executados a fim de se ter confiabilidade nos resultados, bem como o mantimento rigoroso de mesmas condições iniciais para um grupo de experimentos, como umidade inicial, temperatura e velocidade do ar, quando não variáveis. Agindo dessa forma, obtiveram-se dados que serviram para validar um modelo matemático envolvendo equações diferencias parciais para secagem em leito fixo e fluxo cruzado. As curvas de secagem experimentais mostram concordância com as curvas simuladas, obtidas ao resolver o modelo numericamente por diferenças finitas com o esquema de MacCormack. / 110 f.

Nesta pesquisa é apresentado um estudo do escoamento turbulento formado pela interação de “bluff-body” com o fluxo principal (ar). Os “bluff-bodies” estudados possuem a forma de um disco, cone e cilindro. A zona de recirculação formada por esta interação possibilita a aplicação de “bluff-body” como estabilizador mecânico de chama. Aplicando vários modelos de turbulência foram feitas simulações computacionais para analisar a formação da zona de recirculação do fluxo de ar em relação à forma do estabilizador de chama (disco, cone e cilindro), sua dimensão (grau de bloqueamento do canal) e velocidade de escoamento. Para escolher o modelo de turbulência que descreve melhor o comportamento do fluxo em escoamento turbulento com “bluff-body” foi feita uma comparação entre os dados experimentais e os obtidos computacionalmente. O modelo de turbulência K-Epsilon mostrou maior conformidade com os dados experimentais em comparação com os outros modelos aplicados. / 92 f.

O presente trabalho trata da modelagem matemática de um atuador pneumático elaborado para compor um mecanismo articulado. Tal mecanismo é utilizado para acionamento de uma ferramenta e está inserido em um projeto executado pela Unijuí Campus Panambi, oriundo de uma parceria entre a Associação IPD e a CELPE (Companhia Energética de Pernambuco), desenvolvido no âmbito do Programa de Pesquisa e Desenvolvimento Tecnológico do Setor Energético regulado pela ANEEL (código ANEEL PD-0043- 0311/2011). A utilização da pneumática inclui aplicações na construção de máquinas, ferramentas, máquinas agrícolas, sistemas de transporte, processamento de alimentos entre outros. Dentre os benefícios do uso da pneumática, considera-se que por ser limpa, de baixo custo, de alta relação potência por massa e de flexibilidade na instalação, torna-se atrativa para diversas aplicações em equipamentos manuais ou móveis. Entretanto, as características não lineares do sistema causam dificuldades no controle e podem ocasionar danos ao desempenho do sistema se não consideradas no projeto. Dentre as características não lineares, considera-se com maior ênfase neste trabalho a zona morta, o efeito da compressibilidade do ar, a vazão nos orifícios da válvula e o atrito nas vedações. A modelagem matemática é importante para fins de simulações computacionais utilizadas em análises de comportamento das variáveis de estado do sistema. Foram estudados modelos matemáticos utilizados anteriormente em acionamentos pneumáticos e a partir daí foi obtido um modelo matemático não linear de 5ª ordem que permite simular o comportamento dinâmico do atuador objeto deste estudo. O referido modelo reúne equações da servoválvula bem como do cilindro pneumático construído para compor o mecanismo apresentado. Os parâmetros da zona morta e do atrito foram obtidos experimentalmente e encontram-se descritos detalhadamente no decorrer deste trabalho. O modelo adotado foi validado em testes experimentais em malha aberta e são apresentados gráficos que ilustram as características do modelo, comparando o comportamento experimental do atuador com os resultados da simulação computacional. Esta pesquisa contribui para o desenvolvimento e aperfeiçoamento de equipamentos pneumáticos. / 89 f.

O desempenho comportamental de dispositivos MEMS (Sistemas Micro Eletro Mecânicos) baseados em deformação elástica pode ser modificado conforme a temperatura ambiente onde o mesmo está inserido. A compreensão do desempenho comportamental destas estruturas permite avaliar o grau de influência da variação térmica, além de verificar a funcionalidade das mesmas. As estruturas alvo são dois micros rotores utilizados nos atuadores comb-drive, tais como ponte dupla e dobradiça com tipologia simples e deslocamento unidirecional. Neste contexto, o objetivo deste trabalho foi obter um modelo comportamental estimado de micro rotores MEMS fundamentado na teoria de Identificação de Sistemas através de técnicas de modelagem matemática caixa cinza em diferentes temperaturas. A representação matemática utilizada corresponde aos modelos matemáticos auto regressivos com entradas e saídas exógenas. Os parâmetros dos modelos estimados são obtidos utilizando o método dos Mínimos Quadrados (MQ), sendo os dados processados em lote. Os testes experimentais das estruturas utilizadas foram realizados em uma plataforma experimental desenvolvida na ferramenta computacional que utiliza o método de elementos finitos, usando como teste um sinal degrau e um sinal degrau contaminado com ruído. Os índices de erro relativo, raiz do erro quadrático médio e a validação cruzada foram utilizados para validar os modelos estimados. O modelo estimado resultante apresentou um desempenho satisfatório quando foi comparado com os dados experimentais e com um modelo fenomenológico do processo. Desta forma, o modelo estimado obtido a partir dos dados no processo de fabricação, quando comparado com o modelo fenomenológico, auxilia o projetista de MEMS na melhora da qualidade do desempenho dessas estruturas. / 96 f.

Este trabalho apresenta a modelagem matemática e a estratégia de controle de posição de um atuador pneumático para uma dada aplicação em um equipamento florestal, através de tratamentos teóricos, simulações numéricas e testes experimentais. Tal mecanismo é utilizado para acionamento de uma ferramenta e está inserido em um projeto executado pela Unijuí Campus Panambi, oriundo de uma parceria entre a Associação IPD e a CELPE (Companhia Energética de Pernambuco), desenvolvido no âmbito do Programa de Pesquisa e Desenvolvimento Tecnológico do Setor de Energia Elétrica regulado pela ANEEL (código ANEEL PD-0043-0311/2011). Atuadores pneumáticos são sistemas muito atrativos para diversas aplicações, em especial na robótica, porque eles têm a vantagem de baixo custo, leveza, durabilidade e são limpos quando comparados com os atuadores hidráulicos, também possuem facilidade de manutenção, têm boa relação força/tamanho e flexibilidade de instalação, e além disso o ar comprimido está disponível na maioria das instalações industriais. Em despeito dessas vantagens, sistemas de posicionamento pneumático possuem algumas características indesejáveis as quais limitam o uso destes em aplicações que requerem uma resposta precisa. Estas características indesejáveis derivam da alta compressibilidade do ar e das não-linearidades presentes em sistemas pneumáticos, tais como o comportamento não linear da vazão mássica nos orifícios da válvula e sua zona morta, além do atrito nas vedações do cilindro linear. A modelagem matemática como estratégia de pesquisa empregada nos mais variados campos do conhecimento tornou-se uma importante ferramenta para fins de simulações computacionais utilizadas em análises de comportamento das variáveis de estado do sistema. Devido à necessidade de um modelo matemático adequado contendo explicitamente o comportamento não linear da vazão mássica nos orifícios da servoválvula, a dinâmica das pressões nas câmaras do cilindro, o movimento do êmbolo do cilindro e a dinâmica do atrito, obteve-se um modelo matemático não linear de 5ª ordem, derivado do estudo de modelos matemáticos utilizados anteriormente em acionamentos pneumáticos. Com base no modelo não linear adotado é implementada uma estratégia de controle clássico. Os parâmetros da zona morta e do atrito foram obtidos experimentalmente e encontram-se descritos detalhadamente no decorrer deste trabalho. O modelo adotado foi validado em testes experimentais em malha aberta e fechada com planejamento da trajetória polinomial sem e com a compensação da zona morta, estes resultados são apresentados por meio de gráficos que ilustram as características do modelo, comparando o comportamento experimental do atuador com os resultados da simulação computacional. Esta pesquisa contribui para o desenvolvimento e aperfeiçoamento de equipamentos pneumáticos. / 108 f.

Este trabalho mostra os estudos teóricos sobre a caracterização do efeito piezoresistivo em filmes finos semicondutores, em especial, o silício tipo P e tipo N. Usa-se modelos matemáticos e simulação computacional, a partir de dados experimentais, para validar e aperfeiçoar os modelos matemáticos existentes na literatura para elementos sensores piezoresistivos baseados em filmes finos semicondutores. Neste trabalho é modelado o comportamento eletromecânico e térmico de um piezoresistor feito de silício policristalino tipo P e os resultados são comparados com aqueles mostrados, classicamente pela literatura, para o silício. / 90 f.

Os MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) compõem uma tecnologia que tem ganhado destaque nas últimas décadas e sua difusão reflete um constante crescimento tanto em aplicações quanto em volume financeiro envolvido. Um MEMS de fundamental importância é o comb-drive. Várias são as áreas da indústria que se beneficiam das virtudes deste microdispositivo. Confiabilidade, invisibilidade e economia de energia são as principais qualidades desses sistemas. Os produtos desta tecnologia representam um mercado emergente e que movimenta bilhões de dólares anuais, contudo, há de se considerar a crescente exigência no quesito qualidade por parte daqueles que a utilizam. A forma como estes dispositivos tem sido testados, por amostragem, não garante esta qualidade com a segurança desejada. Também cabe destacar que os testes precisam ser realizados de forma rápida e com baixo custo. Este trabalho objetiva investigar um modelo matemático que expresse uma dinâmica próxima daquela observada em MEMS, visando contribuir para agilidade e qualidade dos testes. A técnica utilizada para encontrar os regressores e o emprego de modelos não-lineares são as principais diferenças deste trabalho em relação aos comumente encontrados na literatura no âmbito de MEMS. As técnicas utilizadas são oriundas da identificação de sistemas. Por se tratar de dispositivos com dimensões micrométricas, a coleta de dados reais torna-se inviável. Assim, os dados foram obtidos através de ensaios em uma plataforma de testes elaborada no software ANSYS®. De posse desses dados e considerando a estrutura do modelo NARX foi possível a elaboração de uma série de modelos, cada um deles com alguma diferença na estrutura. O método dos mínimos quadrados foi o escolhido para estimação dos parâmetros. Os resultados obtidos para cada modelo foram comparados aos coletados na plataforma. Esta comparação se deu na forma qualitativa e quantitativa e com base nisso foi possível identificar um modelo matemático acurado para a dinâmica não linear de dispositivos MEMS. / 98 f.

O presente trabalho trata da modelagem matemática de um braço robótico acionado por atuadores pneumáticos. O braço robótico tem grande potencial de aplicações nas indústrias e em equipamentos agro-florestais para manuseio de peças ou posicionamento de ferramentas. A utilização de atuadores pneumáticos tem as vantagens de baixo custo, alta relação potência por tamanho, flexibilidade de instalação, são limpos e não poluem o meio ambiente. Entretanto, os atuadores pneumáticos possuem diversas não linearidades tais como a zona morta na servoválvula, a compressibilidade do ar e o atrito causado pelas vedações nas partes móveis, que aliadas ao acoplamento dinâmico entre as variáveis de junta do robô dificultam sua modelagem e controle preciso. O protótipo do braço robótico modelado possui dois graus de liberdade com juntas rotativas acionadas por atuadores diferenciais. Para fins de modelagem, é realizada a identificação experimental das características não lineares do atrito. O objetivo principal é a validação experimental do comportamento do robô pneumático projetado. Para a aquisição de sinais e controle do robô, utiliza-se uma placa eletrônica dSPACE e o processamento dos resultados é realizado com o auxílio da ferramenta computacional MatLab. Como resultados, têm-se a modelagem matemática das principais características não lineares do braço robótico pneumático. Pretende-se assim contribuir para o desenvolvimento de soluções robotizadas com acionamento pneumático para problemas da indústria e agro-industriais. Esta pesquisa foi desenvolvida no Núcleo de Inovação em Máquinas Automáticas e Servo Sistemas (NIMASS), e contou com apoio da FAPERGS e do CNPq. / 105 f.

A necessidade de entregar energia pelas concessionárias a seus consumidores, com qualidade e continuidade é condição fundamental para o bom funcionamento de um sistema de distribuição. A falta monofásica de alta impedância é um distúrbio nos sistemas de distribuição de energia bastante frequente, cuja origem pode ser a mais variada possível tais como galhos de árvore que podem cair sobre a rede elétrica, descargas atmosféricas, choque de algum automóvel contra um poste, dentre outros eventos que podem ser citados. O pronto restabelecimento do sistema no tempo mais breve possível, com a detecção e eliminação deste transitório continuam sendo uma tarefa trabalhosa pelas próprias características que estas perturbações apresentam. Por isso, ainda hoje as faltas monofásicas são objeto de estudos, a fim de caracterizar melhor este evento, sendo possível atuar na sua neutralização no tempo mais breve possível. Redes neurais artificiais é uma alternativa na tarefa de identificação. Este trabalho tem por objetivo contribuir na investigação das potencialidades das redes neurais na identificação de falta monofásica em redes de distribuição. Tomando como referência um sistema de distribuição de energia com cinco alimentadores na configuração radial, três tipos de falta foram simulados em posições diferentes nos alimentadores. A primeira situação simulada consiste em uma falta monofásica de alta impedância variável, a segunda consiste na retirada e posterior reposição de cargas no sistema e a terceira situação consiste na simulação das duas situações transitórias citadas anteriormente sequencialmente. Redes neurais artificiais foram projetadas e testadas na tarefa de identificação dos eventos transitórios simulados. O algoritmo empregado no treinamento das redes foi o de retropropagação do erro (Bakpropagation) em conjunto com nove algoritmos de otimização do erro de aprendizagem. As redes foram testadas e os resultados analisados e apresentados neste trabalho. / 159 f.

O uso de dispositivos móveis teve um amplo crescimento na última década, aliado a este crescimento, houve uma diversi cação dos serviços utilizados. Estas características implicam um aumento no consumo de energia e da expectativa do tempo de uso. Neste contexto, o estudo de métodos que possibilitem aumentar ou mesmo prever o tempo de vida de uma bateria passam a ter signi cativa importância. Uma maneira de predizer o tempo de vida de baterias é através do uso de modelos matemáticos que simulam a descarga de energia nas mesmas. Este trabalho apresenta a modelagem matemática da predição do tempo de vida de baterias de Lítio Íon Polímero, através do modelo elétrico Battery, fazendo uso de um amplo conjunto de dados de descarga de baterias obtidos a partir da utilização de uma plataforma de testes. O modelo Battery necessita a estimação de um conjunto de parâmetros que são geralmente estimados através da análise visual de alguns pontos nas curvas características de descarga das baterias. Neste trabalho é proposto um Algoritmo Genético para sistematizar e otimizar a estimação destes parâmetros. Os resultados obtidos demonstram a superioridade do Algoritmo Genético na estimação dos parâmetros, já que este obteve uma taxa média de erro consideravelmente inferior às taxas de erro encontradas com os métodos de análise de curvas de descarga, demonstrando tanto a e cácia do modelo elétrico Battery, quanto a e ciência do Algoritmo Genético em estimar seus parâmetros. / 114 f.