Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Automação e Sistemas, Florianópolis, 2012 / Made available in DSpace on 2013-06-25T19:20:31Z (GMT). No. of bitstreams: 1 313378.pdf: 967313 bytes, checksum: 012ab6f0cbb1ad0adcf9ee8e7b0f6036 (MD5) / Sistemas computacionais de tempo real são identificados como aqueles sistemas computacionais submetidos a requisitos de natureza temporal. Nestes sistemas, os resultados devem estar corretos não somente do ponto de vista lógico, mas também devem ser gerados no momento correto. Em tais sistemas, quando existe o compartilhamento de recursos, a sincronização de tarefas no acesso a estes é fundamental para garantir tanto a exclusão mútua, quanto a limitação no tempo de espera (evitando inversões de prioridade descontroladas), visto que isto pode induzir as tarefas a gerarem seus resultados em momentos incorretos (perda de deadlines ou não atendimento de algum requisito temporal). O não atendimento de um requisito temporal pode resultar em consequências catastróficas tanto no sentido econômico quanto em vidas humanas, dependendo do tipo de sistema. Para sincronização em multiprocessadores, alguns protocolos para escalonamento particionado foram propostos, como o Multiprocessor Priority Ceiling Protocol (MPCP), Flexible Multiprocessor Locking Protocol (FMLP) e o Multiprocessor Stack Resource Policy (MSRP). Neste contexto, esta dissertação de mestrado propõe duas variações para o protocolo MPCP, com as devidas análises de escalonabilidade e fatores de bloqueios associados. No entanto, ambas as variações podem ser encaradas também como variações do FMLP, dependendo do ponto de vista, pois abrangem características comuns a ambos os protocolos. Tais variações são o MPCP não preemptivo e MPCP com enfileiramento FIFO. Esta dissertação também apresenta comparações empíricas entre as propostas apresentadas e os protocolos existentes. Como resultados gerais, as propostas apresentadas se mostraram competitivas tanto em escalonabilidade quanto em overhead de implementação. O MPCP com enfileiramento FIFO se posicionou muito bem em sua versão baseada em suspensão. O MPCP não preemptivo, em sua versão baseada em spin obteve resultados muito próximos ao FMLP short. Do ponto de vista prático, as variações propostas facilitam a utilização em sistemas reais, quando comparadas com as propostas originais.<br> / Abstract : Real-time computational systems are identified as those systems subjected requirements of temporal nature. In these systems, the results should be correct not only from logical point of view, but also must be generated at the right time. In such systems, when there is resource sharing, tasks synchronization on access to these resources is essential to ensure both mutual exclusion and limitation of the waiting time (avoiding uncontrolled priority inversion), as this may induce the tasks to generate their results at wrong times (miss of deadlines or not meet a time requirement). A failure to meet a time requirement can result in catastrophic consequences both in the economic sense and in human lives, depending on the type of the system. For synchronization in multiprocessors, some protocols have been proposed for partitioned scheduling, as the Multiprocessor Priority Ceiling Protocol (MPCP), Flexible Multiprocessor Locking Protocol (FMLP) and Multiprocessor Stack Resource Policy (MSRP). In this context, this dissertation proposes two changes to the MPCP protocol, with appropriate schedulability analysis and blocking factors associated. However, both variants can also be viewed as variations of FMLP, depending on the point of view, because they cover features common to both protocols. Such variations are the nonpreemptive MPCP and the MPCP with FIFO queuing. This dissertation also presents empirical comparisons between the previously mentioned well-known protocols and the proposed variations. As general results, the proposals have showed to be competitive in both schedulability and implementation overhead. The MPCP with FIFO queuing was positioned very well in the suspension-based version. The nonpreemptive MPCP, in his spin-based version obtained results very close to the FMLP short. From a practical standpoint, the proposed changes facilitate the implementation in real systems, when compared to the original proposals.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica. / Made available in DSpace on 2013-07-15T22:45:07Z (GMT). No. of bitstreams: 1 223492.pdf: 805066 bytes, checksum: 93d975d681991b781bea844cd7779943 (MD5) / Apresenta-se neste trabalho um estudo sobre estimacao de filas emtrafego urbano. Inicialmente, revisa-se alguns conceitos de trafego uteis ao entendimento do problema e apresentase de maneira concisa alguns dos modelos de dinamica de filas existentes juntamente com alguns dos sistemas de controle em tempo real que utilizam estes modelos. A partir deste estudo, e feita uma proposta de modelo de dinamica de filas horizontais que permite descrever o atraso veicular e a posicao do final da fila em uma via dotada de um detector veicular. O modelo proposto testado em duas configuracoes, uma delas com apenas um detector veicular na entrada da via, e outra com dois detectores veiculares, um na entrada e outro na saIda da via. Os resultados mostram a viabilidade do modelo para a segunda configuracao citada.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-graduação em Engenharia Elétrica / Made available in DSpace on 2013-12-05T21:34:31Z (GMT). No. of bitstreams: 1 227433.pdf: 760078 bytes, checksum: 07e3cb547dcf4198839f5df034bb4157 (MD5) / Aplicações tempo real modernas são dinâmicas, e não podem basear-se em cargas de trabalho no pior caso para oferecer garantias de execução. Então são necessários algoritmos de escalonamento capazes de tratar situações onde não existem recursos suficientes para todo o sistema. Nesse contexto a teoria do escalonamento baseado em valor torna-se útil para adicionar generalidade e flexibilidade a tais sistemas. Esta dissertação apresenta um estudo comparativo entre o comportamento de diferentes escalonadores tempo real em situações de sobrecarga, considerando o papel desempenhado pelo parâmetro valor. Os algoritmos analisados são EDF, HVF, HDF e DMB (Dynamic Misses Based). Este último é introduzido aqui para alterar dinamicamente o valor das tarefas refletindo suas importâncias de acordo com o número de deadlines perdidos. O principal objetivo da análise é definir o algoritmo de escalonamento mais adequado para ser usado em conjunto com a estratégia de escalonamento TAFT (Time-Aware Fault-Tolerant), levando-se em conta sua capacidade de utilizar o parâmetro valor para controlar o comportamento das tarefas. Os resultados obtidos mostram que algoritmos de escalonamento que usam o valor apresentam um melhor desempenho geral, com a penalidade da diminuição da funcionalidade. O algoritmo DMB aliado ao TAFT alcançou os resultados mais promissores devido à sua capacidade de controlar a degradação das tarefas durante a execução da aplicação.

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-graduação em Engenharia de Produção / Made available in DSpace on 2012-10-21T16:10:40Z (GMT). No. of bitstreams: 1 221787.pdf: 799150 bytes, checksum: 9264d780d083ba64fcccb99666546eb6 (MD5) / O sistema de controle via redes (Network Control Systems - NCS), consiste em malhas de controle realimentado sob um sistema de comunicação, sendo uma área de pesquisa multid iscip linar que integra as redes de comunicação, sistemas de tempo real e sistemas de controle. Neste trabalho é demonstrada a análise do impacto dos atrasos induzidos pelas redes de comunicação em NCS, como também a apresentação de metodologias de projetos com a simulação deste sistema, objetivando garantir desempenho e estabilidades aceitáveis em malhas de controle. As redes de comunicação são estudadas através das propriedades temporais do escalonamento de mensagens em tempo real, análogas ao escalonamento de tarefas de tempo real numa CPU (Central Processing Unit). São abordados três tipos de redes de comunicação em tempo real de padrão aberto e analisado o tempo de resposta das mensagens. Analisou-se o impacto do instante de amostragem e atraso sobre o desempenho de controle em sistemas de controle por computador e a problemática de sistemas de controle via redes, através de diferentes arquiteturas de NCS; além de ter-se demonstrado um estudo de caso do impacto das redes sobre o desempenho de NCS. Apresentou-se também métodos de projeto NCS baseado no WCRT (Worst Case Response Time) ou tempo de resposta das instâncias de mensagens no pior caso. O método apresentado permite ao projetista especificar um controlador em função do instante de amostragem e atraso de entrada-saída. Baseado nos conceitos de Margem de Atraso e Margem de Jitter para análise de estabilidade e projeto de sistemas de controle em tempo real, desenvolveu-se nesta tese uma inovação na aplicação de NCS. Network Control Systems NCS consist in feedback control system closed over a communication network and is a multidisciplinary area that integrates the communication networks, real-time systems and control systems. In this work, are shown analysis of impact induced for delays in communication networks supporting NCS, as also the presentation of projects methodologies with system simulation, goal to guarantee acceptable performance and stabilities in control loops. The communication networks are studied with its real-time scheduling properties of messages, with analogous properties of real-time scheduling for tasks in CPU (Central Processing Unit). Three types real-time communication networks are defined and used the worst case response time over messages are studied. The analysis of impact at sampling instant and control delay over control performance in computer control systems and an extension to network control systems were realized, across the different NCS architectures, showing the case studies of network impact over NCS performance. Some NCS projects methodology based on WCRT (Worst Case Response Time) were presented and other method that allows designer to specify a controller in function of sampling period and input-output delay.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica. / Made available in DSpace on 2012-10-22T07:11:09Z (GMT). No. of bitstreams: 1 228111.pdf: 2060978 bytes, checksum: d002fbe7c9f25aab303c0727dfa3febe (MD5) / O módulo de controle de defasagem da estratégia Traffic-responsive Urban Control - TUC para controle em tempo-real de tráfego urbano é substituído por um método de maximização de largura de banda. A maximização de largura de banda é realizada em tempo-real, baseada nas mudanças das porcentagens de verde e do tempo de ciclo. Em vias arteriais é desejável, por operadores de tráfego e motoristas, uma boa progressão veicular. Técnicas de maximização de largura banda são largamente utilizadas em sistemas de planos a tempos fixos para favorecer a progressão veicular em vias arteriais. No controle em tempo-real a utilização destas técnicas não foi explorada. Simulações em uma via arterial com cinco interseções foram realizadas. Os resultados indicam que o desempenho desta estratégia é comparável com a estratégia de controle TUC e superior à estratégia de tempo fixo ajustada otimamente.

A computação de tempo real é uma das áreas mais desafiadoras e de maior demanda tecnológica da atualidade. Está diretamente ligada a aplicações que envolvem índices críticos de confiabilidade e segurança. Estas características, inerentes a esta área da computação, vêm contribuindo para o aumento da complexidade dos sistemas tempo real e seu conseqüente desenvolvimento. Isto fez com que mecanismos para facilitar especificação, delimitação e solução de problemas passem a ser itens importantes para tais aplicações. Este trabalho propõe mecanismos para atuarem no desenvolvimento de sistemas de tempo real, com o objetivo de serem empregados como ferramenta de apoio no problema da verificação de presença de inconsistências, que podem vir a ocorrer nos vários modelos gerados partir da notação da linguagem de modelagem gráfica para sistemas de tempo real - UML-RT(Unified Modeling Language for Real Time). Estes mecanismos foram projetados através da construção de um metamodelo dos conceitos presentes nos diagramas de classe, de objetos, de seqüência, de colaboração e de estados. Para construir o metamodelo, utiliza-se a notação do diagrama de classes da UML (Unified Modeling Language). Contudo, por intermédio das representações gráficas do diagrama de classes não é possível descrever toda a semântica presente em tais diagramas. Assim, regras descritas em linguagem de modelagem OCL (Object Constraint Language) são utilizadas como um formalismo adicional ao metamodelo. Com estas descrições em OCL será possível a diminuição das possíveis ambigüidades e inconsistências, além de complementar as limitações impostas pelo caráter gráfico da UML. O metamodelo projetado é mapeado para um modelo Entidade&Relacionamento. A partir deste modelo, são gerados os scripts DDL (Data Definition Language) que serão usados na criação do dicionário de dados, no banco de dados Oracle. As descrições semânticas escritas através de regras em OCL são mapeadas para triggers, que disparam no momento em que o dicionário de dados é manipulado. O MET Editor do SiMOO-RT é a ferramenta diagramática que faz o povoamento dos dados no dicionário de dados. SiMOO-RT é uma ferramenta orientada a objetos para a modelagem, simulação e geração automática de código para sistemas de tempo real.

Esta dissertação descreve uma arquitetura de suporte para a criação de sistemas de automação baseados em objetos distribuídos e no barramento CAN. Consiste basicamente da utilização de orientação a objetos para modelagem dos sistemas bem como sua implementação na forma de objetos autônomos. Os objetos são então distribuídos em uma rede de placas microcontroladas, as quais são utilizadas para o controle da planta, e PC's, os quais são utilizados para supervisão e monitoração. O suporte em tempo de execução para os objetos é dado por um sistema operacional que permite a sua implementação na forma de processos concorrentes, o qual, no caso das placas microcontroladas, é um sistema operacional do tipo embarcado. A comunica ção entre os objetos é realizada através de um protocolo publisher/subscriber desenvolvido para o barramento CAN que é suportado por uma biblioteca e elementos de comunicação especí cos. Este trabalho tem como objetivo apresentar alternativas aos sistemas de automação existentes atualmente, os quais baseiamse geralmente em dispositivos mestre/escravo e em comunicações do tipo ponto a ponto. Dessa forma, a arquitetura desenvolvida, apropriada para sistemas embarcados, visa facilitar a criação e dar suporte para sistemas de automação baseados em objetos distribuídos.

A caracterização de desempenho e uma atividade fundamental na area de controle industrial. Por se tratar, na maior parte das vezes, de aplicações de tempo real, a caracterização de desempenho torna-se ainda mais necessária e importante. Entretanto, atualmente não há nenhuma metodologia estabelecida para realizar esta caracterização. Não há nem mesmo um conjunto de parâmetros que devem ser avaliados em um equipamento de controle utilizado em processos industriais. Para tentar suprir esta carência, este trabalho apresenta uma proposta de métricas e workloads para serem utilizados na avaliação de desempenho de sistemas de controle baseados em CLPs e CPUs Industriais. O processo de avaliação de desempenho e discutido em todas as etapas, desde o estudo da aplicação at e a execução dos passos de caracterização de desempenho. Para ilustrar a aplicação das métricas, técnicas e procedimentos propostos, são avaliadas três CPUs Industriais, e os resultados s~ao apresentados ao nal do trabalho. Espera-se assim estar contribuindo para o estabelecimento de uma metodologia padronizada para avaliação de desempenho de equipamentos de controle industrial.

Devido aos constantes avanços computacionais, bem como o desenvolvimento de eficientes métodos para a solução de problemas de otimização não-lineares, tem-se tornado interessante a realização de otimização em tempo real e como conseqüência o uso de estimadores on-line em processos químicos não lineares. Neste sentido, a atualização automática de modelos de processos torna-se interessante permitindo a realização de estimativas em tempo real de variáveis infreqüentemente medidas e/ou imensuráveis e de variáveis estados e parâmetros desconhecidos que são variantes no tempo. Usualmente, a atualização automática de modelos é feita baseado em algumas variáveis secundárias que são medidas on-line, como temperatura, pressão, composição e vazão. Nos estimadores baseados no filtro de Kalman, como o EKF e CEKF, os esforços computacionais são relativamente pequenos, variando de um simples cálculo algébrico de um ganho, por exemplo, o EKF, até a resolução de problema de otimização quadrático, como exemplo o CEKF. Estes pequenos esforços computacionais permitem rápidos resultados com relativa acuracidade, mas estes estimadores baseados no filtro de Kalman podem falhar quando o sistema tem acentuada não-linearidade, por exemplo. De outra maneira, a formulação MHE é capaz de tratar uma vasta gama de sistemas não-lineares, como aqueles que têm inversão do sinal de ganho de acordo com o ponto de operação. No entanto, na formulação MHE tem-se a necessidade de se resolver um problema NLP não convexo com muitas equações de desigualdade e graus de liberdade, e como conseqüência o tempo de processamento torna-se maior que o tempo de amostragem, fazendo impraticável a execução de ações de controle sobre o sistema em tempo real. Assim, é necessário a implementação de eficientes técnicas para resolver de maneira rápida os problemas de otimização dinâmica envolvidos na formulação MHE. Neste trabalho as estratégias seqüencial e simultânea são exploradas, almejando-se a aceleração da solução dos estágios de integração e otimização dinâmica do estimador MHE, permitindo uma ampla avaliação entre o estimador MHE e os estimadores baseados no filtro de Kalman. Os estimadores foram aplicados para sete estudos de caso, como a planta de quatro tanques cilíndricos, o modelo do reator isotérmico com a reação de van de Vusse e o modelo de um CSTR exotérmico instável. A partir dos resultados, as vantagens e desvantagens da formulação via horizonte móvel são discutidas de modo a justificar o elevado esforço empregado na avaliação e projeto deste, comparado com os estimadores EKF e CEKF, quando o sistema tem acentuada não linearidade, incertezas no modelo e distúrbios e/ou ruídos nas medições. / Due to the constant computational advances, as well as the development of efficient methods for solving nonlinear optimization problems, it has become interesting to carry out dynamic optimizations in real time and the consequent use of on-line estimators on nonlinear chemical processes. In this framework, the automatic updating of process models becomes attractive to allow the accomplishment of real-time estimates of unmeasured or infrequent-measured variables, states variables and unknown or time-variant model parameters. Usually, the process model updating is made based on some auxiliary variables that are measured on-line, such as temperature, pressure, composition, and flow rate. In the traditional Kalman filter-based estimators, such as EKF and CEKF, the computational efforts are relatively small, ranging from a simple algebraic calculation of a gain, as in the EKF case, to the resolution of a quadratic optimization problem, like in the CEKF case. These small computational efforts allow faster results with relative accuracy, but these Kalman filter-based estimators may fail when the system has meaningful nonlinearities. On the other hand, the MHE formulation is able to treat a large range of nonlinear systems, as those that have the gain sign inversion according to the operating point. However, it has the necessity to solve possible non-convex NLP problem with many inequality equations and degrees of freedom, and as consequence, the processing time may become larger than the sampling time, making impracticable the execution of the control actions over the system in real time. Thus, it is necessary to implement efficient techniques to solve in a fast way the integration and dynamic optimization problems embedded in the MHE formulation. In this work, sequential and simultaneous strategies are explored to solve the estimators, aiming to speed up the solution of the integration and dynamic optimization stages, allowing a comprehensive evaluation between MHE and Kalman filter-based estimators. The estimators were applied to seven case studies, like the quadruple tank system, van de Vusse isothermal CSTR model and a more non-linear and unstable exothermal CSTR model. From the results, the advantages and drawbacks of the moving horizon formulation are brought up to justify the high effort spent in the design and evaluation phases, compared to the EKF and CEKF estimators, when the system has relatively high nonlinearities, model uncertainties and measurement disturbances.

Neste trabalho apresenta-se um método de desenvolvimento integrado baseado no paradigma de orientação a objetos, que visa abordar todo o ciclo de desenvolvimento de uma aplicação tempo real. Na fase de especificação o método proposto baseia-se no uso de restrições temporais padronizadas pelo perfil da UML-TR, sendo que uma alternativa de mapeamento destas restrições para o nível de programação é apresentada. Este mapeamento serve para guiar a fase de projeto, onde utilizou-se como alvo a interface de programação orientada a objetos denominada TAFT-API, a qual foi projetada para atuar junto ao ambiente de execução desenvolvido no âmbito desta tese. Esta API é baseada na especificação padronizada para o Java-TR. Este trabalho também discute o ambiente de execução para aplicações tempo real desenvolvido. Este ambiente faz uso da política de escalonamento tolerante a falhas denominada TAFT (Time-Aware Fault- Tolerant). O presente trabalho apresenta uma estratégia eficiente para a implementação dos conceitos presentes no escalonador TAFT, que garante o atendimento a todos os deadlines mesmo em situações de sobrecarga transiente. A estratégia elaborada combina algoritmos baseados no Earliest Deadline, sendo que um escalonador de dois níveis é utilizado para suportar o escalonamento combinado das entidades envolvidas. Adicionalmente, também se apresenta uma alternativa de validação dos requisitos temporais especificados. Esta alternativa sugere o uso de uma ferramenta que permite uma análise qualitativa dos dados a partir de informações obtidas através de monitoração da aplicação. Um estudo de caso baseado em uma aplicação real é usado para demonstrar o uso da metodologia proposta.