Teses e Dissertações

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Ambiente de otimização dinâmica e simulação para obtenção de perfis de velocidade ótimos de veículos pesados com calibração simplificada
(2023) Barbosa, Pedro Muniz
Uma quantidade significativa de combustível fóssil consumido e poluentes emitidos em todo o mundo pode ser atrelada ao transporte em modal rodoviário. Além disso, o combustível sempre foi uma das principais parcelas em relação à precificação dos transportes de cargas e com isso, a economia dele se tornou um dos pilares para o desenvolvimento de novas tecnologias veiculares. A ecocondução, que consiste em conduzir o veículo visando condições de alta eficiência energética, tem sido amplamente estudada nos últimos anos devido aos seus possíveis benefícios na redução do consumo de combustível e emissão de poluentes. Uma das frentes de estudo da ecocondução é a otimização de perfis de velocidade, que se traduz em, através de um problema de controle ótimo, minimizar o consumo de combustível de uma rota tendo como variável de controle a velocidade do veículo. Boa parte das montadoras de veículos pesados já possuem soluções que buscam economizar combustível através desta estratégia, porém, tais soluções só são introduzidas no mercado através de veículos novos. Devido à alta idade média dos veículos rodoviários no Brasil e ao constante aumento dela, métodos que sejam também aplicáveis para esta frota já existente poderiam auxiliar no aumento da eficiência energética dela mais rapidamente. Neste trabalho é proposto um ambiente computacional baseado em otimização dinâmica e simulação numérica rigorosa para minimização do consumo de combustível em veículos pesados, através da otimização de perfis de velocidade em trajetos rodoviários que seja de aplicação genérica, ou seja, aplicável em qualquer marca ou modelo de veículo e que não necessite em sua calibração dados altamente custosos a serem obtidos, como fazem as soluções já existentes disponibilizadas por algumas montadoras. A metodologia utilizada consiste em definir um modelo de consumo de combustível de elevada exatidão e de fácil calibração, um modelo de dinâmica veicular que abrange os principais parâmetros de movimento do veículo, elaborar e resolver o problema de controle ótimo e por fim, verificar o desempenho da solução em um ambiente de simulação dinâmica que aborda diversos aspectos dimensionais e cinemáticos do veículo e do trajeto através do programa TruckSim. Os resultados mostraram, nos cenários de estudo, que tal solução tem capacidade de reduzir 8,32% em média do consumo de combustível de um caminhão quando comparado a um perfil de velocidade constante
Aplicação do controle de impedância para assistência ao operador de um sistema de movimentação de cargas
(2016) Monteiro Júnior, S.
O presente trabalho propõe o projeto e a implementação de um sistema de controle de impedância de um sistema de movimentação de cargas por meio de um motor elétrico para auxílio ao operador. O sistema de controle visa impor a relação dinâmica entre a força aplicada e a velocidade do transportador, ou seja, impor uma impedância mecânica aparente desejada. A metodologia proposta foi inspirada na técnica de linearização por realimentação a fim de promover uma alteração aparente na massa e no coeficiente de atrito viscoso do sistema. Mostra-se que, com essa técnica, pode-se obter um controle de impedância sem o uso de sensores de força, mas com uma possível redução de robustez às incertezas do modelo quando comparada às técnicas que medem a força. Nos experimentos é utilizado um conjunto de motor e tacogerador de 5 V da LJ Technical Systems. O controlador requer as informações da velocidade e da aceleração angular, mas somente a velocidade é medida diretamente, sendo a aceleração estimada numericamente. A lei de controle proposta gera termos aditivos à equação diferencial do modelo a fim de alterar sua característica dinâmica, inclusive viabilizando compensar parte do atrito de Coulomb. Como a força externa não é utilizada na lei de controle, não é gerado um erro de acompanhamento da impedância. Assim, incertezas paramétricas e dinâmicas não são consideradas explicitamente no projeto do controlador e a possível degradação no desempenho do sistema de controle é investigada com o auxílio de um sensor e de um estimador de força. Simulações numéricas sugerem que o controle de impedância proposto pode ser efetivo mesmo na presença de incertezas dos parâmetros do modelo. O bom desempenho do sistema de controle foi obtido com um esforço de controle compatível com o motor real.
Controle baseado em dados de resposta em frequência aplicado a uma suspensão veicular ativa
(2012) Vargas, C. M. C.
Controle da locomoção assistida de cadeiras de rodas manuais por meio do controle de impedância:análise via controle ótimo
(2017) Cuerva, V. I.
A movimentação assistida é um tópico crescente no ramo de pesquisa devido ao envelhecimento geral da população mundial e crescente número de pessoas com deficiências motoras. Dentre as soluções no leque de opções, a cadeira de rodas é o meio mais escolhido, principalmente por sua versatilidade e manuseabilidade porém, esta possui rendimento energético baixo que pode trazer problemas de fadiga e distensões nos músculos dos membros superiores. Por esse problema, é crescente a pesquisa em sistemas "híbridos"onde o paciente ainda precisa usar de sua força física com o auxílio de um aparato eletro-mecânico para reduzir o esforço físico e evitar lesões, mantendo sua versatilidade e manuseabilidade que dispositivos totalmente automáticos comumente não tem. A interação entre pessoa e máquina presente nesse tipo de sistema deve ser feita com precaução a fim de evitar impor esforços físicos no operador que podem causar lesões. Uma das formas mais comuns estudadas na literatura científica de obter essa interação é a criação de uma resistência mecânica virtual no sistema pessoa + assistência criando uma relação entre forças e velocidades. A está forma de comando é dado o nome controle de impedância . O controle de impedância consiste em fixar a relação entre forças aplicadas com a cinemática de resposta do sistema dinâmico controlado de forma a agir conforme um modelo dinâmico de referência especificado. Nesta pesquisa pretende-se investigar como um sistema por controle de impedância pode ser aplicado a uma cadeira de rodas motorizada para assistência na locomoção longitudinal e sua avaliação através de controle ótimo. A dissertação envolverá a definição e projeto do controle de impedância e os métodos utilizados de controle ótimo para avaliar os esforços da pessoa em comparação a cadeira de rodas manual.
Controle de impedância aplicado a uma suspensão ativa
(2014) Silva, D. L. F. da
Controle de model matching robusto aplicado a um sistema carro-pêndulo
(2012) Campos, E. L. L.
Este trabalho discute sobre o controle em malha fechada de um sistema carro-pêndulo na presença de uma incerteza paramétrica no seu modelo. O controlador robusto tem o objetivo de manter, por meio da realimentação, a trajetória ótima previamente determinada para uma manobra do sistema carro-pêndulo. Nas aplicações práticas em malha aberta, a trajetória desejada não é preservada devido aos inevitáveis distúrbios e as variações da planta ao longo do tempo. Para reduzir os problemas oriundos da incerteza do modelo, propõe-se a utilização de uma estrutura de controle do tipo model matching para preservar, de forma aproximada, a trajetória esperada. A estrutura do sistema de controle emprega o sinal da diferença entre a saída da planta real e a saída de um modelo de referência para fazer o casamento entre os modelos por meio da redução desse erro. O projeto do controlador é realizado por via da otimização numérica dos parâmetros do controlador durante uma manobra do sistema carro-pêndulo. Mostra-se que nesta aplicação não é necessário incluir restrições cinemáticas do carro na otimização, pois elas são indiretamente consideradas pela condição de robustez. As restrições utilizadas se referem à precisão da rejeição de distúrbios em determinadas frequências e a função objetivo utiliza o módulo do erro de casamento entre a malha fechada e o modelo de referência. Para obter-se um compensador robusto, a função objetivo e as restrições se referem a um conjunto de plantas com diferentes valores de seus parâmetros. Nesta aplicação, o parâmetro incerto considerado é o comprimento do pêndulo. Esta incerteza pode ser mesmo proposital, tornando interessante a solução robusta visto que o cabo pode ser içado em uma aplicação real de um guindaste. Para o procedimento proposto, foram feitos experimentos com um equipamento didático do tipo carro-pêndulo e os resultados sugerem que a metodologia é apropriada para a variação paramétrica considerada.
Controle ótimo de um veículo elétrico de competição em eficiência energética
(2015) Sanchez, R. B.
Este trabalho propõe uma metodologia de controle em malha aberta para condução de um veículo automotivo com tração elétrica em provas de eficiência energética. A atuação ótima da tensão do motor é obtida por meio da solução de um problema de controle ótimo que inclui restrições físicas e das exigências da prova. O modelo do veículo representa a dinâmica longitudinal de um ponto material para uma pista que pode ter inclinação variável ao longo da posição. A influência das curvas é considerada de forma indireta pela adição de uma restrição da máxima aceleração centrípeta tolerada pelo pneu. Os parâmetros do modelo foram baseados no veículo de competição Jarvis Mark II da equipe de eficiência energética da FATEC de Santo André/SP. A metodologia consiste em formular e transformar o problema de controle ótimo de energia mínima num problema de otimização paramétrica não linear discreto para solução por programas comerciais. A metodologia foi aplicada em pistas elementares e nota-se, por exemplo, que a estratégia ótima inclui soluções não triviais tais como a redução da velocidade nos aclives e acelerações nos declives apenas por meio da ação da força peso. A metodologia foi aplicada também às condições da Maratona Universitária de Eficiência Energética no kartódromo Ayrton Senna, porém as análises das pistas elementares não foram sempre válidas, invalidando a criação de um conjunto de regras gerais. Além do problema de condução a metodologia foi usada para se avaliar a influência da massa do conjunto, do raio da roda do veículo, e do coeficiente de resistência ao rolamento na solução de controle ótimo. Os resultados sugerem que tanto as questões de projeto como a estratégia de condução são muito relevantes para a problemática do consumo energético, porém percebe-se com isso que o procedimento proposto não pode ser facilmente convertido num conjunto de regras de condução, ou seja, para garantir a máxima eficiência energética é importante formular e resolver um problema de controle ótimo. Embora existam recomendações típicas do traçado de condução, recomenda-se investigar a solução ótima simultânea do problema de condução e de traçado.
Controle preditivo aplicado à fase de aproximação na formação de comboios veiculares
(2022) Batista, Flávio José Bento
A automação veicular, possui diversos desenvolvimentos que compõe o chamado sistema avançado de assistência ao condutor, (ADAS - Advanced Driver Assistance System), e caminham para a direção autônoma. Um elemento crucial à evolução do ADAS, é o controle da dinâmica longitudinal veícular, realizada pelo sistema de controle de cruzeiro adaptativo (ACC - Adaptive Cruise Control), amplamente utilizado em veículos de passeio e comerciais, com intuito de aumentar a segurança, conforto e economia de combustível à viagem. Sua função é, manter determinada velocidade de cruzeiro e, na presença de veículo lento a frente, adaptar sua velocidade, controlando a distância entre os veículos e formar um comboio com segurança, evitando acidentes e erros de condução. Existem três momentos básicos com o ACC, velocidade de cruzeiro (controle de velocidade), comboio formado (controle de distância) e a fase de aproximação de formação de comboio, no qual ocorrem trocas entre estes controladores. A revisão da literatura indica, que esse gerenciamento de controladores pode ser feito de diversas formas, visando requisitos diversos. O presente trabalho, desenvolve um controlador preditivo baseado em modelo (MPC - Model Predictive Control) para um ACC, com requisitos de consumo de combustível, segurança e conforto em viagem, incluídos explicitamente na fase de projeto e não apenas constatados a posteriori, utilizando-se das propriedades do método de Controle Ótimo, intrínsecas ao MPC. Aplicando em sua formulação, as equações levantadas, referentes a consumo, segurança e conforto. Com atenção a fase de aproximação, o MPC proposto, foi simulado e analisado perante outros dois métodos com este foco, obtendo um bom desempenho em consumo, segurança e conforto, respeitando as restrições impostas em projeto e sem negligenciar um requisito em prol de outro. O controlador concebido, também foi posto à prova em outros cenários, com situações comuns de acontecer em uma rodovia. O algoritmo do MPC, foi refinado durante todas estas simulações, obtendo comportamento que satisfez as restrições de projeto na maioria das situações impostas. No entanto, ocorreram eventos de instabilidades para a segurança do sistema veícular, por parte do algoritmo idealizado, expondo frentes de pesquisa para a continuidade deste trabalho. Por fim, os resultados apresentados pelo MPC projetado, foram alcançados, inserindo na fase de projeto os requisitos de consumo, segurança e conforto, obtendo boa performance, quando comparado as técnicas estudadas
Coordenação ótima de comboios baseada em sistema de sugestão de perfil cinemático
(2022) Dal Bon Tonetto, Paulo Eduardo
Órgãos internacionais como United States Environmental Protection Agency (EPA) e European Environment Agency (EEA) relatam que há tendência de crescimento das emissões dos veículos pesados para os próximos anos. Uma das possíveis explicações para isto é o fato de existir uma projeção indicando que a demanda pelo frete de carga continuará crescendo no mundo inteiro. A busca por novas tecnologias para reduzir as emissões de gases de efeito estufa no segmento de transporte, especialmente para os veículos pesados, torna-se necessária, e a dificuldade para expandir a malha rodoviária faz buscar novas estratégias para otimizar o sistema atual visando uma melhora na eficiência energética. Para atingir tal meta, diversas frentes de estudo estão sendo exploradas. A estratégia do comboio de caminhões, na qual os veículos trafegam com pequenas distâncias entre si promovendo uma economia de combustível, vem mostrando que é uma opção viável na prática, reduzindo o consumo, os custos operacionais e a emissão de gases poluentes, sendo que o método de otimização do perfil de velocidade de forma colaborativa pode auxiliar ainda mais na economia. No presente trabalho os efeitos da inclusão de veículos que não dispõem da tecnologia necessária para a formação de comboio de forma autônoma serão estudados. Na formação, um veículo não autônomo recebe sugestões de velocidades que são calculadas através de uma estratégia de controle ótimo. Foi possível concluir que em média para o perfil ótimo de velocidade os veículos seguidores são 26,9% mais econômicos que um veículo trafegando sozinho utilizando somente a estratégia de controle de cruzeiro. Os veículos seguidores utilizando a estratégia de sugestão apresentam a mesma diferença percentual (26,9%). Portanto a inclusão de veículos HDV na formação do comboio se mostrou eficiente na economia, sendo que o consumo dos seguidores não é afetado e o do líder pouco se altera comparado com a estratégia de controle de cruzeiro
Efeitos da assistência motorizada em malha fechada na locomoção por cadeiras de rodas manuais
(2018) Martins, M. A. A.
Estudo da minimização do consumo de combustível em comboio de veículos pesados por meio da otimização dos perfis de velocidade
(2020) Nanni, Bruno Baeta
Dados apresentados por órgãos ambientais de vários países apontam para um crescimento da emissão de gases responsáveis pelo efeito estufa. Nesse contexto, o segmento de transporte aparece como um dos principais contribuidores, tendo destaque os números relacionados aos veículos pesados. A situação fica ainda mais preocupante quando projeções indicam o aumento da demanda do transporte de carga em sistemas rodoviários para as próximas décadas. Diante deste cenário, torna-se necessária a busca por novas soluções que promovam uma melhora da eficiência do segmento. Para atingir tal meta diversas frentes de estudo estão sendo exploradas. Dentre elas, está a estratégia do comboio de caminhões, no qual os veículos trafegam com pequenas distâncias entre si com o objetivo de diminuir o arrasto aerodinâmico. Deste modo, há uma redução do consumo de combustível, dos custos operacionais e da emissão de gases poluentes. Outra alternativa é o método de otimização do perfil de velocidade de acordo com as restrições do trajeto (tempo, distância, semáforos, velocidade e topografias). No presente trabalho propõe-se estudar, justamente, a otimização do perfil de velocidade em comboios de caminhões, analisando os efeitos que esta abordagem conjunta proporciona para o consumo de combustível. Diversas simulações foram realizadas para verificar esta questão, considerando diferentes cenários, comboios e trajetos. Os resultados obtidos indicam que a estratégia proposta promove uma melhora da eficiência do consumo de combustível dos veículos pesados analisados e, consequentemente, contribui para a redução da emissão de gases poluentes
Projeto de um sistema de controle adaptativo para laminação a frio baseado em sistema inteligente com cancelamento das perturbações por filtro inverso
(2009) Caldas, L.
O objetivo desse trabalho é o projeto de um sistema de controle para laminador a frio, de alto desempenho para a melhoria na qualidade da espessura de saída em produtos planos e laminados. A estrutura de controle proposta, baseada no princípio do BISRA é integrada por dois modelos sendo um controlador adaptativo cuja função de transferência é o inverso da função de transferência da planta e o cancelador fazendo a função de filtro inverso e adaptativo para as perturbações de entrada. O cancelador das perturbações é baseado no controlador Internal Mode Control (IMC) para a rejeição de perturbações, as quais são separadas na saída da planta e injetadas em um filtro adaptativo inverso e subtraídas da entrada da planta e injetadas em um filtro adaptativo inverso e subtraídas da entrada da planta para o seu cancelamento. Quanto ao controlador da dinâmica da planta, a operação é feita em malha aberta para o acompanhamento do sinal de referência. Ambos os modelos são adaptados por uma rede neural e nebulosa. Os modelos da planta e do inverso da planta são obtidos numericamente por meio de uma modelagem rede neural nebulosa, baseados no modelo nebuloso Takagi e Sugeno. A sintonia automática das regras nebulosas é realizada usando a estatística multivariada aplicada à base de dados denominada de agrupamentos "cluster". O desempenho da arquitetura de controle é avaliado, sob às mesmas condições, com o resultado obtido em um projeto de controle de espessura para um laminador cuja arquitetura de controle é baseada em um regulador LQG em malha fechada. O resultado obtido por simulação mostra que o sistema de controle proposto apresenta melhor desempenho do que o projeto com LQC, quanto à precisão de controle, desconsiderando-se o esforço de controle
Projeto do sistema de controle de uma turbina hidráulica por meio de otimização numérica
(2014) Canonico, R.

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