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[pt] As técnicas de Controle Hierarquizado vem sendo aplicadas a contextos cada vez mais gerais, chegando agora, por exemplo, a sistemas a parâmetros distribuídos. Apresenta-se uma formalização axiomática do problema de controle ótimo que elas resolvem, buscando maior clareza neste processo. Desenvolve-se a aplicação do Controle Hierarquizado a sistemas compostos com sub-sistemas regidos por equações diferenciais parciais, através de uma definição formal, e chegando a alguns teoremas de aplicabilidade. Escreve-se as equações de dois exemplos, um dos quais representa o problema de controle ótimo de um forno de aquecimento de material transportado por uma esteira rolante.

[fr] Depuis quelques annés, les techniques do Commande Hierarchisée ont nu leur champ d’application s’ elargir, atteignant, par exemple, les systèmes à parametres repartis. Ce travail presente une formalisation axiomatique du problème de commande optimale complexe em vue d’une simplification de l’ètude de ces processus. Nous developpons l’application de la Commande Hierarchisée dans de systèmes composés avec sous-systèmes Regis par des equations diferentielles partielles, par une definition formelle. Nous arrivons à des théorèmes sur l’applicabilité de la mèthode. Nous écrivons les equations de resolution d’un problème de commande optimale d’um four de chauffage de material transporté par um tapis roulant.

Advisors/Committee Members: JORGE MUNIZ BARRETO, JORGE MUNIZ BARRETO, JORGE MUNIZ BARRETO.

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[pt] O presente projeto de pesquisa objetiva desenvolver um procedimento para determinação de trajetórias ótimas em pistas de corrida baseado em técnicas de otimização, considerando os limites geométricos da pista e as características dinâmicas do veículo. O veículo será representado por meio de um modelo simplificado de partícula orientada, mas que inclui as capacidades de tração, frenagem e aceleração normal típicas de um veículo terrestre de competição. Primeiramente, é determinada a trajetória de tempo mínimo para uma curva de 90 graus por meio da análise geométrica do problema e em seguida, é obtida a solução analítica geral para aplicação a qualquer ângulo. Em seguida, técnicas de otimização com restrição são empregadas de forma a obter a curva de menor tempo que concatena as trajetórias ótimas individuais de cada curva, previamente determinadas. São estudadas, ainda, as características dinâmicas de algumas curvas polinomiais para inferir aquela que melhor pode ser aplicada no processo de concatenação. A trajetória de menor tempo da pista de corrida obtida pelo procedimento de concatenação é apresentada e é feita uma análise das vantagens e desvantagens do método proposto. Como alternativa, é apresentada uma visão geral do problema de controle ótimo e é formulada a modelagem completa do problema de trajetória de mínimo tempo utilizando esta abordagem, incluindo as restrições dinâmicas do veículo e as restrições geométricas da pista. Algumas técnicas possíveis para solução do problema de controle ótimo são sugeridas.

[en] This work proposes a new procedure to determine the optimal trajectory on race tracks based on constrained optimization techniques, where the constraints are defined by means of the dynamic characteristics of the vehicle and the geometrical limits of the track. The vehicle is represented by an oriented particle with the capabilities of traction, braking and normal acceleration, which are typical in a competition vehicle. First, the minimum-time trajectory for a 90-degree curve is obtained through a geometrical analysis of the problem. The solution is then expanded to be applied to all angles. Starting from the individual minimum-time trajectory for each curve of the track, constrained optimization techniques are employed in order to obtain the shorter curve that concatenates these individual optimal trajectories. The dynamic characteristics of some polynomial curves are analyzed to infer the one that can best be applied in the concatenation process. The minimum-time trajectory for the race track obtained by the concatenation procedure is presented and the advantages and disadvantages of the proposed method are discussed. Alternatively, an overview of the optimal control problem is presented and a complete model of the minimum-time trajectory problem is developed using this approach, including the dynamic constraints of the vehicle and the geometric constraints of the track. Some possible methods for the solution of the optimal control problem are suggested.

Advisors/Committee Members: IVAN FABIO MOTA DE MENEZES, IVAN FABIO MOTA DE MENEZES.

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[pt] O controle ativo de vibrações consiste na supressão ou atenuação das vibrações mediante a adição deliberada de forças de controle ao sistema. O controle ativo de vibrações tem um grande interesse na indústria aeroespacial devido às restrições de peso. As técnicas de controle ótimo não são propícias quando se tem dinâmica não-modelada, incertezas paramétricas e ambientes ruidosos, como é o caso na indústria aeroespacial. Assim, as técnicas de controle robusto parecem mais adequadas. A procura da maior família de perturbações em torno de uma dada planta nominal estabilizável por um único contro-lador em malha fechada pode ser formulada como o problema de controle H 1 . De fato,para muitos problemas de controle que requerem bons desempenhos, como por exemplo,controle de grandes sistemas espaciais, o controle ótimo robusto (controle H2=H 1 ) é um dos que assegura a robustez em estabilidade e o desempenho ótimo requerido. O presente trabalho considera o problema de atenuação de distúrbios para uma viga flexível simplesmente apoiada. A viga é modelada como um sistema de parâmetros concentrados. Um procedimento é estabelecido de forma que se leve em conta o desempenho da viga controlada e a robustez em estabilidade do sistema controlado. O problema de controle foi formulado em um contexto hilbertiano que permitiu garantir a existência (e unicidade) da solução. Uma aproximação do controlador é calculada através de uma pro- jeção da solução em um espaço de dimensão finita gerado pelo método de Galerkin considerando-se funções racionais como base para um espaço de Hardy ponderado. Resultados da aplicação indicam que o desempenho é fortemente relacionado à estabilidade. Existe um compromisso entre estabilidade e desempenho.

[es] EL control activo de vibraciones consiste en suprimir o atenuar las vibraciones adicionando deliberadamente fuerzas de control al sistema. El control activo de vibraciones levanta gran interés en la industria aeroespacial debido a las restricciones de peso. Las técnicas de control óptimo no son propicias cuando se tiene una dinámica no modelada, errores paramétricas y ambientes ruidosos, como es el caso en la industria aeroespacial. Así, las técnicas de control robusto parecen más adecuadas. La búsqueda de la mayor familia de perturbaciones en torno a una planta nominal, estabilizable por un único controlador en malla cerrada puede ser formulada como el problema de control H1. De hecho, para muchos problemas de control es necesario un buen desempeño, como por ejemplo, el control de grandes sistemas espaciales, el control óptimo robusto (control H2=H1 ) es uno de los que asegura la robustez en estabilidad y el desempeño óptimo requerido. El presente trabajo considera el problema de atenuación de disturbios para una viga flexible simplemente apoyada, modelando la viga como un sistema de parámetros concentrados. Se establece un procedimiento que considera el desempeño de la viga controlada y la robustez en estabilidad del sistema. El problema de control fue formulado en un contexto hilbertiano, lo…

Advisors/Committee Members: RUBENS SAMPAIO FILHO.

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[pt] Objetiva-se, nesse trabalho, formular e testar numericamente uma perspectiva computacional, baseada em elementos de controle robusto e indices de desempenho H2, para a sintese de controladores de dimensão finita (DF) para sistemas lineares de dimensão infinita (DI) correspondentes a certas equações de evolução parabólicas e, especialmente, a uma versão simplificada da equação do calor. A abordagem aqui utilizada é a de usar modelos aproximantes de DF (modelos nominais) e limitantes superiores nas normas H (infinito) dos erros de aproximação correspondentes nas funções de transferência de DI em questão, de modo que o procedimento de síntese baseie-se apenas em funções de transferência racionais e os controladores resultantes sejam de DF.Mais especificamente, uma classe de controladores que asseguram a estabilidade do sistema em malha fechada envolvendo o sistema de DI em questão e definida tomando-se as soluções ótimas de problemas H2 (infinito) nos quais o funcional de custo (H2) nominal é minimizado sobre os controladores nominalmente estabilizantes, sob uma restrição (H infinito) de margem de estabilidade mínima definida por um parâmetro de projeto escalar denotado por micro. A obtenção de um controlador é então feita pela escolha do valor de micro de modo a minimizar um limitante superior (calculado apenas com base em funçõess racionais) sobre o funcional de custo calculado no sistema de DI original. Esse procedimento é ilustrado por exemplos numéricos envolvendo a versão simplificada da equação do calor.

[en] A computational perspective based on robust control tools is presented for the H2 synthesis of finite-dimensional controllers for linear, stable, distributed-parameter systems corresponding to certain evolution equations. The approach pursued here relies on finite-dimensional approximations and error bounds on the H (infinite) norms of the corresponding errors on transfer functions so that the resulting synthesis procedure solely depends on rational transfer functions, thereby yielding finite-dimensional controllers. More specifically, a class of stabilizing controllers for a given infinite-dimensional system is defined taking optimal solutions of H2 / H (infinite) problems - i.e., a nominal H2 cost is minimized over controllers which satisfy a nominal stability margin defined by a scalar parameter micro. A controller is then obtained by choosing micro in such a way as to minimize an upper bound on the value taken by the cost functional on the original infinite-dimensional system. This procedure is illustrated by simple numerical examples involving the (simplified) heat equation in one dimension.

Advisors/Committee Members: CARLOS KUBRUSLY, GILBERTO OLIVEIRA CORREA.

▼ [pt] Pontes com vãos superiores a 2.000 m tornam-se muito sensíveis à ação do vento, particularmente ao drapejamento. Nesta tese é estudado um método para a supressão do drapejamento em pontes de grandes vãos através de um controle aerodinâmico ativo. Apresentam-se técnicas analíticas de projeto para o controle ativo do sistema aero elástico constituído pelo tabuleiro e por duas superfícies de controle. Estas técnicas são baseadas em aproximações racionais das cargas aerodinâmicas não permanentes (ou auto-excitadas) no domínio Laplaciano, no qual as equações de movimento são representadas por equações matriciais de coeficientes constantes. A primeira parte da tese é dedicada à formulação matricial das funções racionais conhecida como Minimum State, assim como a aplicações a dados aerodinâmicos obtidos experimentalmente para vários tipos de seções transversais de pontes. A precisão das aproximações é calculada. Desenhos dos derivativos aerodinâmicos, dados sob forma de tabelas, e das respectivas aproximações, são elaborados para fins de comparação. Em seguida, são apresentadas as equações em espaço de estado descrevendo o comportamento aeroelástico de uma seção transversal de ponte. A partir dos dados geométricos e características dinâmicas de uma determinada ponte, (massa, momento de inertia polar, frequências naturais e fatores de amortecimento), e assumindo a semelhança geométrica entre as seções transversais da ponte em verdadeira grandeza e do modelo em escala do qual os derivativos aerodinâmicos foram extraídos, é possível calcular a velocidade crítica desta ponte, utilizando os programas em linguagem MATLAB apresentados no corpo deste trabalho. Esta parte da tese mostra ser possível construir um catálogo com vários perfis de pontes, caracterizados por derivativos aerodinâmicos variáveis em função de frequências reduzidas adimensionais, e das funções racionais correspondentes. A segunda parte é dedicada à fomulação das equações de movimento em espaço de estado, descrevendo o comportamento aeroelástico do sistema tabuleiro - superfícies de controle. As equações resultantes são ampliadas com novos estados aerodinâmicos responsáveis pela modelagem da influência do fluxo de ar sobre o tabuleiro e sobre as superfícies de controle em movimento. As equações de movimento são função da velocidade média do vento incidente. A dependência da equação de movimento à velocidade do vento motivou a aplicação dos conceitos de realimentação de ganhos, constante e variável, ao problema da supressão do drapejamento, os quais são apresentados separadamente em dois capítulos.O enfoque de ganho variável de saída é formulado em termos de minimização de um índice de desempenho dimensionalmente proporcional à soma do trabalho realizado pelas superfícies de controle e da energia cinética proporcional à velocidade vertical do tabuleiro. Apresenta-se também em detalhe um método sistemático para determinar a matriz de controle de ganhos variável, aplicada ao caso hipotético da ponte de Gibraltar. Neste caso, o conceito de realimentação de… Advisors/Committee Members: RAUL ROSAS E SILVA.

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[pt] Robôs híbridos equipados com pernas e rodas são uma solução promissora para uma locomoção versátil em terrenos acidentados. Eles combinam a velocidade e a eficiência das rodas com a capacidade das pernas de atravessar terrenos com obstáculos. Em geral, os desafios em locomoção para robôs híbridos envolvem planejamento de trajetória e sistemas de controle para o rastreamento da trajetória planejada. Esta tese se concentra, em particular, na tarefa de otimização de trajetória para robôs híbridos que navegam em terrenos acidentados. Para isso, propõe-se um algoritmo de planejamento que otimiza a posição e a orientação da base do robô e as posições e forças de contato nas rodas em uma formulação única, levando em consideração as informações do terreno e a dinâmica do robô. O robô é modelado como um único corpo rígido com massa e inércia concentrada no centro de massa, o que permite planejar movimentos complexos por longos horizontes de tempo e ainda manter uma baixa complexidade computacional para resolver a otimização de forma mais eficiente. O conhecimento do mapa do terreno permite que a otimização gere trajetórias para negociação de obstáculos de maneira dinâmica, em velocidades mais altas. Tais movimentos não podem ser gerados sem levar em consideração as informações do terreno. Duas formulações diferentes são apresentadas, uma que permite movimentos somente com as rodas, onde a negociação de obstáculos é permitida pelas pernas, e outra focada em movimentos híbridos dando passos e movendo as rodas, capazes de lidar com descontinuidades no perfil do terreno. A otimização é formulada como um NLP e as trajetórias obtidas são rastreadas por um controlador hierárquico que computa os comandos de atuação de torque para as juntas e as rodas do robô. As trajetórias são verificadas no robô quadrúpede ANYmal equipado com rodas não esterçáveis controladas por torque, em simulações e testes experimentais. O algoritmo proposto de otimização de trajetória permite que robôs com pernas e rodas naveguem por terrenos complexos, contendo, por exemplo, degraus, declives e escadas, enquanto negociam esses obstáculos com movimentos dinâmicos.

[en] Wheeled-legged robots are an attractive solution for versatile locomotion in challenging terrain. They combine the speed and efficiency of wheels with the ability of legs to traverse challenging terrain. In general, the challenges with wheeled-legged locomotion involve trajectory generation and motion control for trajectory tracking. This thesis focuses in particular on the trajectory optimization task for wheeled-legged robots navigating in challenging terrain. For this, a motion planning framework is proposed that optimizes over the robot’s base position and orientation, and the wheels’ positions and contact forces in a single planning problem, taking into account the terrain information and the robot dynamics. The robot is modeled as a single rigid-body, which allows to plan complex motions for long time horizons and still keep a low computational complexity to solve the optimization…

Advisors/Committee Members: MARCO ANTONIO MEGGIOLARO, MARCO ANTONIO MEGGIOLARO.

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[pt] O sistema elétrico é planejado para operar na condição mais confiável possível de atendimento, sem que sejam violadas as restrições operativas a que está sujeito. Para a busca da região segura de operação utilizam-se vários programas de otimização e simulação. O Fluxo de Potência Ótimo (FPO) é uma ferramenta muito útil para a busca do ponto de operação seguro. Mas, devido a sua complexidade computacional para solução das restrições não-lineares, possui resposta relativamente lenta, impossibilitando a sua utilização em diversos casos práticos, tanto em tempo real, onde existe a necessidade de rapidez de resposta, como no planejamento da operação, quando é necessário um grande número de execuções do FPO. Em contrapartida, o Fluxo de Potência Ótimo Linearizado (FPO DC), devido a sua simplicidade computacional, possui grande rapidez de resposta. Mas, nas suas aproximações não são consideradas as restrições reativas, o que pode levar a uma solução em que estas sejam violadas. Este trabalho apresenta uma metodologia que incorpora ao Fluxo de Potência Ótimo Linearizado restrições reativas em função da potência ativa do geradores, de tal forma que a solução fornecida por este modelo leve em consideração as restrições de tensão e potência reativa.

[en] The electrical network is planned to stay in the most reliable operation conditions, without any violated operation constraints. Many optimization and simulation models are used to define the safe operation region. The Optimal Power Flow (OPF) is a useful tool for the search of the best safe operation point. However, the computational complexity associated to its non-linear constraints implies in a heavy computation time and makes it difficult to be used whenever a fast response is required, as in on-line oporation or even most operation planning problems. On the other hand, the Linearized Optimal Power Flow (LOPF), due to its simplicity, is a very fast tool. However, it does not consider reactive (voltage) constraints, and is not able to detect any violation. This work presents a model to incorporate voltage constraints in the Linearized Power Flow.

Advisors/Committee Members: LEONTINA MARIA VIANNA GRAZIADIO PINTO, LEONTINA MARIA VIANNA GRAZIADIO PINTO, LEONTINA MARIA VIANNA GRAZIADIO PINTO.

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[pt] Considera-se, neste trabalho, um problema de controle ótimo no qual o critério ( relativo à atenuação de sinais de perturbação) e a restrição (relativa à margem de estabilidade) são, respectivamente, normas e H2 e H(infinito) ponderadas de funções de transferência em malha fechada. Um procedimento iterativo para o obtenção de soluções aproximadas, no qual somente problemas H2 irrestritos são resolvidos, é apresentado. Vários exemplos de aplicação deste procedimento são discutidos.

[en] In this work an optimal control problem is considered in which the cost function (pertaining to disturbance attenuation) and the constraint (due to unstructured, stability margin requirements) are, respectively, weighted H2 e H(infinity) norms of closed-loop transfer functions. An iterative scheme is described for generating aproximate soluctions in which only unconstrained H2 problems are solved. Some numerical examples are then discussed.

Advisors/Committee Members: GILBERTO OLIVEIRA CORREA.

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[pt] Esta tese teve como objetivo o estudo do problema de Desempenho H2 Robusto, com enfase para o caso de perturbações lineares não estruturadas nos fatores coprimos normalizados da função de transferência que representa uma determinada planta nominal. A primeira parte desta tese foi dedicada à determinação de um novo índice de Desempenho H2 Robusto pela utilização de limitantes superiores, levando em conta dois fatores: melhoria destes limitantes com relação aos limitantes propostos na literatura e viabilidade de sua implementação numérica. A parte seguinte da tese foi dedicada à determinação de elementos que influenciam no Desempenho H2 Robusto. Estes elementos serviram de base para a definição de problemas de controle multiobjetivos que, por sua vez, geraram uma classe de controladores sobre a qual foi otimizado o índice de Desempenho H2 Robusto proposto nesta tese.

[en] The objective of this thesis was the study of the Robust H2 Performance problem, with emphasis on the case of linear and unstructured perturbations on the normalized coprime factors of the transfer function that represents the nominal plant. The first was dedicated to the determination of a new Robust H2 Performance index, by the utilization of upper bounds, taking into accunt two factors: better upper bounds, with relation to upper bonds proposed in the literature, and numerical implementation viability. The second part was dedicated to the determination of elements that have influence in the Robust H2 Performance. These elements became a basis for the definition of multiobjetive control problems, that generate a class of controllers, over which the Robust H2 Performance index, proposed in the first part of this thesis, was optimizated.

Advisors/Committee Members: MARCOS AZEVEDO DA SILVEIRA.

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[pt] Esta tese apresenta um estudo na área de controle robusto não paramétrico, mais precisamente relacionado ao Problema H2/Hinf. O Principal objetivo deste trabalho consiste no projeto de controladores por uma abordagem direta sobre o problema mencionado, baseada em método de Gallerkin. Dois métodos foram propostos, sendo denominados Expansão em Base Pré-Estabelecida (EBPE) e Expansão em Base Otimizada (EBO). Para a aplicação destes métodos, os controladores estabilizantes do sistema em estudo devem ser explicitados por intermédio da parametrização de Youla. Em seguida, uma nova parametrização é realizada a fim de colocar o problema resultante em um formato padrão, com a norma Hinf sob a forma do problema de Nehari. Um controlador calculado por EBO ou EBPE possui ordem previamente determinada, estabiliza internamente a planta, minimiza um funcional de desempenho e satisfaz a um nível pré- especificado de robustez em estabilidade. Em EBPE, uma base é escolhida para o espaço solução e o ajuste dos coeficientes de seus vetores é realizado minimizando o critério proposto. A vantagem deste método é resolver um problema de otimização convexo. Por outro lado, a escolha dos vetores que participarão da base truncada já estará definida, levando a uma solução com ordem superior àquela obtida por EBO e um mesmo nível de desempenho. No método EBO, as tarefas de escolha dos vetores que participarão da base e seus respectivos ajustes de coeficientes são realizados simultaneamente. Embora este problema seja não convexo, sua vantagem reside na possibilidade de encontrar soluções com ordens relativamente menores em comparação com aquelas por EBPE para um mesmo nível de desempenho. Adicionalmente, discute-se alguns resultados teóricos, onde a existência e a unicidade da solução do Problema H2/Hinf são demonstradas. Mostra-se também que a sequência de controladores calculados pelos métodos propostos, à medida que a ordem aumenta, converge para a solução ótima do problema original.

[en] This thesis presents a study on the subject of robust and non parametrical control, more precisely related to the Mixed H2/Hinf problem. The main purpose of this work consists in the controllers design by a direct approach over the mentioned problem, using Galerkin`s method. Two numerical methods were proposed, being known as Pre- Established Basis Expansion (EBPE) and Optimized Basis Expansion (EBO). For the application of these methods, the stabilizing controllers of the system under analisys must be explicated by Youla`s parametrization. After this, a new parametrization is performed in order to set the problem in a standard format, with the Hinf-norm in the Nehari problem. A controller computed by EBO or EBPE has a previously specified order, internally stabilizes the plant, minimizes a performance functional and satisfies a pre- established robustness stability margin. In the EBPE method, a basis is chosen from space solution and the adjustment of the vectors` coefficients is performed minimizing the proposed criterion. The advantage is solve a…

Advisors/Committee Members: MARCOS AZEVEDO DA SILVEIRA.

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[pt] O Planejamento econômico, abordado como um problema de controle, tem por objetivo estabelecer trajetórias ótimas (ou sub-ótimas) para as variáveis que estão sujeitas ao controle do Governo. Isto significa dizer que as varáveis de política (controle) não mais serão arbitrariamente determinadas pelos seus planejadores, sendo agora resultantes de um processo de otimização , tendo em vista o cumprimento de metas previamente estabelecidas. Neste artigo aplicamos um controlador adaptativo de certeza equivalente a um modelo macroeconométrico da economia brasileira, considerando erro de medida nas variáveis de estado. A adoção de um controlador adaptativo é justificada tendo em vista as críticas (principalmente a crítica de Lucas) que recaíram sobre os modelos macroeconométricos estacionários. Uma das formas adequadas de se tratar a não estacionariedade de tais modelos é por intermédio de um controlador adaptativo cujo objetivo será controlar e identificar simultaneamente o modelo em questão. Apresentamos uma pequena resenha das aplicações de controle ótimo e controle adaptativo em problema econômicos, ressaltando a aplicação de ambas as técnicas em modelos macroeconométricos com expectativas racionais. Por intermédio de simulações comparamos a política realmente efetivada pelo governo federal e a política ótima obtida via controle ótimo não adaptativo.

[en] Economic planning, when considered as a control problem, has as its objective establishing optimal (or sub-optimal) trajectories for the variables subject to Government Control. This means that the policy variables (control), instead of being arbitrarily determined by the policymakers, will be the result of an optimization process, with the objective of reaching pre-established goals. In this work a Certainly Equivalence Adaptative Control is applied to a macroeconometric model of the Brazilian economy with measurement error. Since the employment of time-invariant models has been widely criticized (Lucas critique) the model used here is time- varying. An adequate way to treat such a case is through an adaptative control scheme, in which control and identification of the model are perfomed simultaneously. By means of simulations the policy obtained with the adaptative controller is compared to the policy adopted by the Brazilian Government.

Advisors/Committee Members: RICARDO TANSCHEIT.

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[pt] É considerado o problema da estabilidade de sistemas dinâmicos bilineares em ambiente estocástico. Após a apresentação de uma coletânea de resultados já existentes, são propostas novas condições de estabilidade para sistemas discretos utilizando o método direto de Lyapunov. Tais resultados são comparados com os já existentes.

[en] The stability of bilinear dynamic systems in a stochastic environment is considered, including a survey on this field. New conditions for stability of discrete systems using the direct method of Lyapunov are proposed. The results developed here are compared with chose in the current literature.

Advisors/Committee Members: CARLOS KUBRUSLY.

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[pt] Curvas tensão × deformação sigmaxvarepsilon de um aço 1020 trabalhado a frio foram obtidas sob controle da taxa de deformação imposta no corpo de prova (e não da velocidade do pistão ou do travessão da máquina de testes), no intervalo 10-5 menor ou maior que Moeda menor ou igual 3 s-1. Este amplo conjunto de dados, tratado por um versátil programa desenvolvido para adquiri-los, filtrá-los e apresentá-los em tempo real, foi usado para verificar a adequação de diversos modelos propostos para descrever o efeito desta taxa, aplicando um algoritmo de otimização de Levenberg-Marquardt para ajustar os vários modelos estudados ao conjunto dos dados medidos. Este procedimento relativamente simples elimina os erros sistemáticos inerentes à prática tradicional de medir o efeito da taxa de deformação nas curvas s×e controlando a velocidade da carga, que podem ser particularmente relevantes nos corpos de prova de aço, cuja rigidez muitas vezes é pelo menos uma ordem de grandeza maior do que a da máquina de testes.

[en] Stressxstrain sigmaxvarepsilon curves of a cold worked 1020 steel were measured controlling the strain-rate imposed on the test specimens (and not the testing machine piston or load bean speed), in the range 10-5 less or equal E less or equal 3 s-1. This ample data set, properly treated by a versatile software developed to acquire, filter and present the data in real time, was used to verify the adequacy of several models proposed to describe the strain-rate influence, using an Levenberg-Marquardt optimization algorithm to fit the models to the ensemble of the measured data. This relatively simple procedure avoids the intrinsic systematic errors associated to the traditional practice of measuring the strain-rate effect on the sigmaxvarepsilon curves controlling the load speed, which may be particularly relevant when testing steel specimens, as their stiffness is many times at least an order of magnitude greater than those of the testing machines.

Advisors/Committee Members: JAIME TUPIASSU PINHO DE CASTRO.

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This dissertation presents as the main contribution the design and experimental validation of a robust H2 controller applied to boost converters with variations on the parameters load resistance, input voltage and operating point duty cycle. First, a polytopic model of the plant is presented, allowing to represent all the possible variations of the parameters within intervals previously established. Design conditions for a robust H2 controller, optimal under the quadratic stability, are detailed and used, allowing to eciently calculate the controller gains. These gains are implemented with analog circuitry and the closed-loop system is tested by means of simulation and experimental results, which show a good match and illustrate a good performance. Finally, the small perturbation rejection capacity of the closed-loop system subject to parametric variations is evaluated using the H1 guaranteed cost.

Esta dissertac~ao apresenta como principal contribuic~ao o projeto e a validac~ao experimental de um controlador robusto H2 aplicado a conversores boost com variac~oes nos par^ametros resist^encia de carga, tens~ao de entrada e raz~ao cclica do ponto de operac~ao. Primeiramente, um modelo politopico da planta e apresentado, permitindo representar todas as situac~oes de variac~oes possveis dos par^ametros mencionados, dentro de intervalos previamente estabelecidos. Condic~oes de projeto de um controlador robusto H2, otimo sob a estabilidade quadratica, s~ao detalhadas e utilizadas, permitindo calcular ecientemente os ganhos do controlador. Estes ganhos s~ao implementados de forma analogica e o sistema em malha fechada e testado por meio de resultados experimentais e de simulac~ao, que apresentam uma boa correspond^encia e ilustram um bom desempenho. Por m, a capacidade de rejeic~ao de pequenas perturbac~oes do sistema em malha fechada sujeito a variac~oes parametricas e avaliada utilizando o custo garantido H1.

Advisors/Committee Members: Márcio Stefanello, Luciano Schuch, Vinícius Foletto Montagner.

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[pt] Apresenta-se o uso das ferramentas lineares de Controle Clássico (Lugar Geométrico das Raízes) e Moderno (Realimentação de Estado e de Saída e Alocação de Pólos) para estabelecer os ajustes dos controladores adotados no problema de acompanhamento de trajetórias em traçados fechados por veículos terrestres, procurando reproduzir o comportamento do ser humano no comando deste tipo de sistema. Os modelos adotados para o veículo são lineares (funções de transferência e matrizes de estado e de entrada), porém a caracterização da trajetória fechada é geometricamente não-linear. Verifica-se deste modo como o projeto de um controle linear satisfaz as condições não lineares associadas. Os conceitos e ferramentas conhecidos são aplicados em diversos tipo de traçados, para diferentes condições do veículo - velocidade, limites de esterçamento, etc - e, a partir das simulações realizadas, são analisadas as características de comportamento do veículo - acelerações, estabilidade, etc - e comparadas as previsões dos projetos lineares com os resultados encontrados. É feita ainda uma breve introdução ao emprego do Controle Ótimo no problema de acompanhamento de traçados, utilizando um modelo bastante simplificado do veículo, e verificando as condições necessárias para se estabelecer a trajetória ótima em um traçado aberto, dado como critério o tempo mínimo para percorrê-lo.

[en] The use of classic and modern linear control tools (root locus and output regulation) is presented to determine the parameters of controllers used to follow a pre-defined closed path, in a way to approach the vehicle behavior and human actions when driving a car. The car is represented by linear models (transfer functions, state-space matrix), but the relation between the car and the closed path is non linear. It is verified how the project of a linear controller deals with the non linear characteristics of the closed loop. The concepts and tools of linear control are applied to some kinds of paths in different vehicle conditions (speed, steering angle limits, etc), and the results of simulations show the characteristics of the car, like accelerations, stability and position on the track. It`s also presented a little introduction to the problem of determine an optimal trajectory to run a corner, given the initial and final velocities and initial and final positions. In this case a very simple model is considered and the solution is based on open paths analysis.

Advisors/Committee Members: MARCO ANTONIO MEGGIOLARO, MARCO ANTONIO MEGGIOLARO.

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[pt] Este trabalho tem duas partes, uma teórica e uma computacional. Na primeira, são desenvolvidas fórmulas gerais utilizando-se o Princípio do Máximo Discreto para o dispatch ótimo em sistemas hidro-termo-elétricos. As restrições nas variáveis de estado - os volumes dos reservatórios - são levadas em consideração de modo rigoroso. A necessidade e suficiência do Princípio do Máximo Discreto são estudadas de modo cuidadoso. Na segunda parte, dois problemas são resolvidos e é apresentado um método para a determinação do valor inicial do vetor adjunto, que foi o problema mais dificil a ser solucionado do ponto de vista computacional.

[en] This work consists essentially of two parts: a theoretical and a computational one. In the first part general formulas are developed using the discrete maximum principle for the optimel dispatch of hydro-steam-electrical systems. The restrictions on the state vector (the volumes of the reservoirs) are rigorously taken into accout. The necessity and sufficiency of the discrete maximum principle are carefully studied. In the second part two problems are solved and method is presented for the determination of the initial value of the adjoint vector.

Advisors/Committee Members: GERALDO GUIMARAES BARROSO.

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[pt] Esta dissertação investiga o uso de programação genética linear na síntese automática de programas em linguagem de montagem para microcontroladores, que implementem estratégias de controle de tempo ótimo ou sub-ótimo, do sistema a ser controlado, a partir da modelagem matemática por equações dinâmicas. Uma das dificuldades encontradas no projeto convencional de um sistema de controle ótimo é que soluções para este tipo de problema normalmente implicam em uma função altamente não-linear das variáveis de estado do sistema. Como resultado, várias vezes não é possível encontrar uma solução matemática exata. Já na implementação, surge a dificuldade de se ter que programar manualmente o microcontrolador para executar o controle desejado. O objetivo deste trabalho foi, portanto, contornar tais dificuldades através de uma metodologia que, a partir da modelagem matemática de uma planta, fornece como resultado um programa em linguagem de montagem. O trabalho consistiu no estudo sobre os possíveis tipos de representações para a manipulação genética de programas em linguagem de montagem, tendo sido concluído que a linear é a mais adequada, e na implementação de uma ferramenta para realizar os três estudos de caso: water bath, cart centering e pêndulo invertido. O desempenho de controle dos programas sintetizados foi comparado com o dos sistemas obtidos por outros métodos (redes neurais, lógica fuzzy, sistemas neurofuzzy e programação genética). Os programas sintetizados demonstraram, no mínimo, o mesmo desempenho, mas com a vantagem adicional de fornecerem a solução já no formato final da plataforma de implementação escolhida: um microcontrolador.

[en] This dissertation investigates the use of genetic programming in automatic synthesis of assembly language programs for microcontrollers, which implement time-optimal or sub-optimal control strategies of the system to be controlled, from the mathematical modeling by dynamic equations. One of the issues faced in conventional design of an optimal control system is that solutions for this kind of problem commonly involve a highly nonlinear function of the state variables of the system. As a result, frequently it is not possible to find an exact mathematical solution. On the implementation side, the difficulty comes when one has to manually program the microcontroller to run the desired control. Thus, the objective of this work was to overcome these difficulties applying a methodology that, starting from the mathematical modeling of a plant, provides as result an assembly language microcontroller program. The work included a study of the possible types of genetic representation for the manipulation of assembly language programs. In this regard, it has been concluded that the linear is the most suitable representation. The work also included the implementation of a tool to accomplish three study cases: water bath, cart centering and inverted pendulum. The performance of control of the synthesized programs was compared with the one obtained by other methods (neural networks,…

Advisors/Committee Members: MARCO AURÉLIO CAVALCANTI PACHECO.

▼ [pt] Em alguns países, os sistemas de energia elétrica estão operando próximos aos seus limites devido à falta de investimentos para expansão da transmissão e crescimento natural da demanda de energia elétrica. Esta condição de operação também pode ocorrer em sistemas de potência nos quais a expansão da transmissão é realizada de forma adequada. Neste caso, o carregamento excessivo da rede de transmissão é geralmente originado pela perda de interligações que transportam grandes blocos de energia. Os dois cenários de operação descritos acima têm causado problemas de Estabilidade de Tensão em sistemas de energia elétrica. Os estados de instabilidade de tensão são caracterizados principalmente pela presença de dois mecanismos: a insolubilidade das equações de fluxo de potência e a perda de controlabilidade. Os distúrbios que originam estes dois mecanismos são de natureza aleatória. Conseqüentemente, os índices de estabilidade de tensão, usados para analisar a perda de controlabilidade e a insolubilidade, são variáveis aleatórias. Desta forma, a análise de estabilidade de tensão deveria reconhecer incertezas associadas com parâmetros da rede elétrica, tais como: flutuações de carga e disponibilidade dos equipamentos. Geralmente, a modelagem de incertezas na análise de estabilidade de tensão é realizada usando os seguintes métodos probabilísticos: a Simulação Monte Carlo e a Enumeração de Estados. O principal índice estimado por estes métodos é o risco de instabilidade de tensão. Entretanto, o cálculo do risco de instabilidade de tensão é geralmente realizado contabilizando apenas um dos mecanismos causadores dos cenários de instabilidade de tensão. Além disso, a severidade dos estados de instabilidade de tensão não tem sido devidamente investigada. O objetivo desta tese é desenvolver um método para realizar uma análise probabilística da estabilidade de tensão que contabilize os dois mecanismos causadores da instabilidade de tensão no cálculo do seu risco. Serão também propostos índices probabilísticos, baseados na Análise de Robustez, para expressar a severidade dos estados de instabilidade de tensão. O método proposto se baseia na combinação das seguintes técnicas: Enumeração de Estados, Simulação Monte Carlo, Método da Matriz D’ e Fluxo de Potência Ótimo Não-Linear. Os métodos de Enumeração de Estados e Simulação Monte Carlo são usados para selecionar os estados do sistema resultantes de falhas nos equipamentos e erros de previsão de carga. A identificação da perda de controlabilidade e a restauração da solubilidade dos estados selecionados são realizadas pelo Método da Matriz D’ e pelo Fluxo de Potência Ótimo, respectivamente. A combinação dos métodos citados acima foi usada para obter os seguintes índices probabilísticos: risco de instabilidade de tensão, valores esperados da margem de estabilidade de tensão para as barras, e probabilidades dos estados de robustez. Os resultados dos testes com o método proposto revelaram que as probabilidades de estados instáveis, associados aos dois mecanismos causadores da… Advisors/Committee Members: RICARDO BERNARDO PRADA.

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[pt] As metodologias de projeto estrutural foram fortemente influenciadas pelo advento da computação. Os avanços nas áreas de análise numérica, como o método dos elementos finitos, e os softwares de Desenho Assistido por Computador, literalmente ajudaram a moldar o mundo como ele é hoje. Implementações computacionais das técnicas de otimização estrutural, como a otimização topológica, permitem a determinação das estruturas base, gerando uma grande quantidade de projetos novos, mais eficientes, com o potencial de mudar drasticamente o futuro das aeronaves, automóveis, edifícios, etc. Introduzir restrições de tensão na otimização topológica tradicional permite a obtenção de soluções mais seguras e confiáveis que se assemelhem mais à estrutura final. Contudo, isto não é uma tarefa trivial, apresentando várias dificuldades conceituais e numéricas. Nesta dissertação, as principais questões deste problema são discutidas e as técnicas presentes hoje na literatura são revisadas e criticadas quanto aos seus desempenhos. A principal contribuição deste trabalho é uma nova técnica baseada no Método do Lagrangiano Aumentado que lida eficientemente com um grande número de restrições. Em contraste com os métodos existentes, que são dependentes do problema e da malha, a abordagem proposta apresenta poucos parâmetros que precisam ser ajustados a cada novo caso. Para avaliar suas potencialidades, desenvolveu-se um código em MATLAB, eficaz e robusto. Diversos exemplos representativos, incluindo problemas de larga escala, são apresentados. Finalmente, as soluções obtidas, incluindo algumas complicações inesperadas, são discutidas detalhadamente e sugestões para trabalhos futuros são propostas.

[en] Structural design methodologies were strongly influenced by the advent of computing. The advances in numerical analyses, such as the finite element method, and Computer Aided Design software have literally helped shape the engineering world as it is today. Structural optimization methods such as topology optimization aim to take the next step by letting the computer guide the design, in order to achieve new and more eficient designs. This approach has the potential to change the future of various industries, including aircraft, automobile, construction, etc. The introduction of stress constraints on traditional topology optimization allows for safer and more reliable solutions that will more closely resemble the final structure. The successful solution of this problem poses several conceptual and numerical dificulties. Thus this dissertation details the main issues of this problem and reviews the current techniques discussed in the literature including some critiques of their performance. The main contribution of this work is a novel technique based on the Augmented Lagrangian method that can eficiently handle a large number of constraints. In contrast to existing methods which are both problem- and mesh-dependent, the presented approach contains only a few parameters which need to be adjusted for each new case. In order to verify the…

Advisors/Committee Members: IVAN FABIO MOTA DE MENEZES, IVAN FABIO MOTA DE MENEZES.

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O objetivo deste t rabalho é mostrar a eficácia entre as estratégias de controle: sistema de massa ativa regulada (ATMD); tendão; isolamento da base e sistema híb1'ido. A matriz ponderada Q usada no sistema de ATMD é determinada através do método da matriz de amortecimento modificado C e matriz de rigidez modificada K. Para a estrutura modelada com controle híbrido, um algorítmo de controle ótimo com aceleração, velocidade e deslocamento realimentados é proposto. Na estrutura modelada com controle a-Livo por tendão, um algorítmo para calcular o ganho de realimentação ótimo da saída é desenvolvido de um modo simples tal que certo índice de realização prescrito é minimizado. Com a introdução de uma operação matricial especial. o ganho de realimentação ótimo é obtido sistematicamente pela resoluçã.o simultânea e iterativa de equações algébricas lineares. Uma vez conhecido o vetor de controle. é resolvido um problema. diferencial vetorial de valor inicial do tipo.T\a seqüência foram feitas simulações numéricas usando dois tipos de parâmetros estruturais uma estrutura rígida e outra mais flexível.

The purpose of this work is to show the effectiveness of control strategies among the aclive t uned mass damper ATMD system, Active Tendon systern, base-isolation system and hybrid control system. The weighting matrix Q used in the ATMD is determined through a method t hat modifies the damping matrix Õ and the stiffness matrix F;. For the hybrid control system, an optimal-con trol algorithm ·with acceleration: velocity and displacement feedback is proposed. For the active Tendon control system, an algorithm to calculate optimal direct output feedback gai n is developed in a simple fashion such that a certain prescribed performance index is minimized. With the int roduction of a special matrix operation. optimal feedback gain is obtained systematically by solving simultaneously linear algebraic equation iteratively. In the following, numerical somula.tions for two types of structural pa.ra.meters are prcscnted (one is a st iff structure and t he other is a soft structure).

Advisors/Committee Members: Tsukazan, Teresa.

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[pt] Este trabalho, apresenta o estudo de uma lei de comando, proposta para um regulador extremal, capaz de regular três tipos de sistemas, ou seja: N-L, L-n, e L-N-nl, onde L é uma sistema linear de primeira ordem, e N é um sistema Não Linear que apresenta características parabólica, os blocos estão ligados em cascata, e é suposto que apenas a entrada e saída do conjunto, sejam acessíveis. O estudo foi feito por simulação analógica. No computador IBM-1130, utilizando para tanto o programa CSMP (continuous system modeling program). São apresentados e discutidos, os resultados gráficos, ilustrando as trajetórias e o comportamento dos três sistemas estudados, Quando sujeitos à lei de comando imposta pelo regulador. Estes resultados, levaram a concluir que, utilizando a lei de comando proposta, é possível, partindo de quaisquer condições iniciais, conduzir e faze com que os sistemas estudados, fiquem trabalhando no extremo da característica não linear, e que as oscilações, tanto em regime transitório como em regime permanente, são de amplitude dessprezível.

[en] This work presents the study of a control law for na extreme control regulator with the capability of controlling three types of systems, namely N-L, L-N, L-N and L-N-L, where L is a first-order linear system and N is a non-linear system that possesses a parabolic characteristic. The system blocks are interconnected in series and it is assumed that only the input and output terminals of the complete system are accessible. The study was made by an analogue simulation on the IBM-1130 computer, utilizing the CSMP (continuous system modeling program). The results are presented and discussed graphically and the curves illustrate the performance of the three systems when subject to the control law imposed by the regulator, these results lead to the conclusion that using the proposed control law it is possible to achieve control for any set of initial conditions. The transient and steady state responses show a very small amplitude of oscillation.

Advisors/Committee Members: ANDREA LEVY.

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[pt] Esta tese teve como objetivo principal propor um modelo analítico que relacione os efeitos dos mecanismos de controle nos processos de formação da confiança entre organizações envolvidas em alianças e parcerias, identificando seus reflexos no desempenho. O estudo buscou preencher uma lacuna na literatura, que na maioria dos casos trata os conceitos como antagônicos ou substitutos e não os relaciona diretamente com o desempenho. Esta pesquisa acredita que são conceitos complementares. A metodologia utilizada foi o estudo de caso, em uma aliança estratégica entre um banco de desenvolvimento (o BNDES) e 20 agentes financeiros em um fundo de aval, que concede garantias para micro, pequenas e médias empresas, com análise documental, entrevistas semiestruturadas e aplicação de questionários com escala tipo likert. Foram analisados os instrumentos contratuais, normativos e mecanismos de controle, a natureza de sua formalização e a percepção quanto a sua aplicação e seus efeitos sobre a dinâmica da confiança em ambos os níveis operacional e gerencial do relacionamento interorganizacional. Os resultados da análise dos contratos, normativos, entrevistas e questionários, indicaram que para ampliar suas operações, o fundo precisou equilibrar uma estrutura de governança com perspectiva estrutural, baseada em controles, com uma estrutura relacional, baseada em mecanismos informais, que gerasse confiança dos agentes financeiros. A principal contribuição deste estudo é esclarecer a relação confiança e controle no desenho de mecanismos de governança interorganizacional. Além disto, o modelo considera o tipo de organização, o nível hierárquico dos respondentes, e relacionamento passado entre as organizações. E finalmente, o estudo propõe uma avaliação de desempenho que considera não só as percepções expressas nas respostas aos questionários, mas também indicadores empresariais.

[en] This thesis aimed to propose an analytical model that relates the effects of control mechanisms in the formation of trust between organizations involved in alliances and partnerships, identifying their effects on performance. The study sought to fill a gap in the literature, which in most cases considers these as antagonistic or substitutes concepts and not directly related to performance. This research believes that these are complementary concepts. The methodology used was the case study of a strategic alliance between a development bank (BNDES) and 20 financial agents in a guarantee fund, which guarantees for micro, small and medium enterprises, with document analysis, semi-structured interviews and application of questionnaires with Likert type scale. The study analyses contractual, regulatory and control mechanisms instruments, the nature of formalization, the perception of implementation and its effects on the dynamics of trust at both operational and management levels of interorganizational relations. The results of contracts, regulatory, interviews and questionnaires analysis indicated that to expand its operations, the fund need to balance…

Advisors/Committee Members: PATRICIA AMELIA TOMEI.

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[pt] Um dos algoritmos mais eficientes para resolver problemas de planejamento de operações hidrotérmicas, que são modelos estocásticos multiestágio de larga escala, é o chamado algoritmo de programação dinâmica dupla estocástica (SDDP). O planejamento da operação dos sistemas de energia visa avaliar o valor dos recursos escassos (por exemplo, água) para alimentar os modelos de despacho de curto prazo usados na implementação real das decisões. Quando o modelo de planejamento se desvia significativamente da realidade da operação implementada, as políticas de decisão são consideradas inconsistentes no tempo. A literatura recente explorou diferentes fontes de inconsistência, como medidas de risco dinâmico inconsistentes no tempo, representação imprecisa do processo de informação e simplificações no modelo de planejamento de rede. Este trabalho aborda a inconsistência no tempo devido a simplificações na representação da rede no modelo de planejamento que estende a literatura existente. O objetivo deste trabalho é propor uma estrutura, composta por uma metodologia e um pacote computacional de código aberto, para testar o impacto operacional e econômico das simplificações da modelagem sobre o fluxo de energia da rede em sistemas de energia hidrotérmica. Entre as inúmeras formulações disponíveis no pacote, nos concentramos em avaliar o custo e o desempenho operacional das seguintes aproximações de modelos: o modelo de rede de transporte (NFA), atualmente em uso pelo operador de sistema brasileiro; o relaxamento de cone de segunda ordem (SOC); o relaxamento de programação semidefinida (SDP); a aproximação do fluxo de energia de corente continua (DC); e o DC com aproximação de fluxo de potência com perda de linha (DCLL). Todas as formulações mencionadas anteriormente são testadas como aproximações para o modelo de rede na fase de planejamento, onde é construída a função de custo futuro. Em seguida, avaliamos cada aproximação simulando a operação do sistema usando um modelo de implementação que minimiza o custo imediato sob as restrições de fluxo de energia AC e a respectiva função de custo futuro. A comparação é feita para dois sistemas, um composto por um ciclo e o outro aproximadamente radial.

[en] One of the most efficient algorithms for solving hydrothermal operation planning problems, which are large-scale multi-stage stochastic models, is the so-called stochastic dual dynamic programming (SDDP) algorithm. Operation planning of power systems aims to assess the value of the scarce resources (e.g. water) to feed short-term dispatch models used in the actual implementation of the decisions. When the planning model significantly deviates from the reality of the implemented operation, decision policies are said to be time-inconsistent. Recent literature has explored different sources of inconsistency such as time-inconsistent dynamic risk measures, inaccurate representation of the information process and simplifications in the network planning model. This work addresses the time-inconsistency due to simplifications in the…

Advisors/Committee Members: ALEXANDRE STREET DE AGUIAR.

▼ Esta dissertação apresenta um panorama do sistema de saúde brasileiro, com ênfase no caso do Estado de Pernambuco. A gestão de sistemas de saúde se manifesta sob a forma geral de longas filas de espera, que são analisados neste contexto, incluindo algumas abordagens que têm sido propostas e implementadas em Pernambuco, a fim de resolver o problema. Um modelo de crescimento econômico ótimo destacando o setor de saúde, e, em seguida, operando em conjunto, os setores de saúde e educação é proposto. Os resultados do princípio do máximo de Pontryagin aplicado a este modelo mostram os benefícios mútuos para ambos os setores e os seus efeitos no bem-estar da sociedade. Um estudo de caso de filas de espera no Hospital da Restauração, em Recife, Pernambuco, é apresentado. Advisors/Committee Members: SOUZA, Fernando Menezes Campello de (advisor).

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[pt] Esta dissertação está estruturada como uma coleção de cinco artigos formatados em capítulos. Os quatro primeiros artigos apresentam contribuições em modelagem e metodológicas para problemas de operação ou investimento em sistemas de potência usando arcabouço de otimização robusta adaptativa e modificações no algoritmo de geração de linhas e colunas (CCGA). O primeiro artigo aborda a programação de curto prazo com restrição de segurança, onde a resposta automática de geradores é considerada. Um modelo robusto de dois estágios é adotado, resultando em complexas instâncias de programação inteira mista, que apresentam variáveis binárias associadas às decisões de primeiro e segundo estágios. Um novo CCGA que explora a estrutura do problema é desenvolvido. O segundo artigo usa redes neurais profundas para aprender o mapeamento das demandas nodais aos pontos de ajuste dos geradores para o problema do primeiro artigo. O CCGA é usados para garantir a viabilidade da solução. Este método resulta em importantes ganhos computacionais em relação ao primeiro artigo. O terceiro artigo propõe uma abordagem adaptativa em dois estágios para um modelo robusto de programação diária no qual o conjunto de incerteza poliedral é caracterizado diretamente a partir dos dados de geração não despachável observados. O problema resultante é afeito ao CCGA. O quarto artigo propõe um modelo de dois estágios adaptativo, robusto em distribuição para expansão de transmissão, incorporando incertezas a longo e curto prazo. Um novo CCGA é desenvolvido para lidar com os subproblemas. Finalmente, sob uma perspectiva diferente e generalista, o quinto artigo investiga a adequação de prêmios de incentivo para promover inovações em aspectos teóricos e computacionais para os desafios de sistemas de potência modernos.

[en] This dissertation is structured as a collection of five papers formatted as chapters. The first four papers provide modeling and methodological contributions in scheduling or investment problems in power systems using the adaptive robust optimization framework and modifications to the column-and-constraint-generation algorithm (CCGA). The first paper addresses the security-constrained short-term scheduling problem where automatic primary response is considered. A two-stage robust model is adopted, resulting in complex mixed-integer linear instances featuring binary variables associated with first- and second-stage decisions. A new tailored CCGA which explores the structure of the problem is devised. The second paper uses deep neural networks for learning the mapping of nodal demands onto generators set point for the first paper s model. Robust-based modeling approaches and the CCGA are used to enforce feasibility for the solution. This method results in important computational gains as compared to results of the first paper. The third paper proposes an adaptive data-driven approach for a two-stage robust unit commitment model, where the polyhedral uncertainty set is characterized directly from data, through the convex hull of a set of…

Advisors/Committee Members: ALEXANDRE STREET DE AGUIAR.

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[pt] O objetivo desse trabalho é apresentar uma metodologia para obtenção do traçado ótimo de cabos aderentes em vigas de concreto protendido, levando em consideração a variação das perdas por atrito ao longo dos cabos. Para atingi-lo, a formulação proposta considera os efeitos das perdas por atrito sobre as tensões e estabelece o valor custo mínimo da protensão como objetivo da otimização. As demais perdas de protensão são consideradas constantes ao longo da viga, embora a formulação proposta permita a inclusão de sua avaliação pontual em trabalhos futuros. A opção por essa forma de trabalho se deu por se considerar que as perdas por atrito são as que mais influenciam o traçado do cabo. A formulação permite também que se modele vários cabos de protensão, procurando reproduzir melhor a situação real de projeto.Foi implementado um sistema computacional para otimização do traçado dos cabos,utilizando o algoritmo de otimização LINGO. Os exemplos testados atestam a validade da formulação proposta A formulação proposta neste trabalho pretende ser uma ferramenta de auxílio ao projetista na fase de anteprojeto, pois não há automatização de todo o processo, nem são consideradas todas as situações de projeto. Convém ressaltar que, ainda que trabalhos futuros ampliem o conjunto das restrições do problema, aumentando o leque das condições de projeto consideradas, a interferência do projetista será sempre necessária e decisiva para obtenção de um projeto eficiente.

[en] The objective of this work is to present a methodology for cable optimization in prestressed concrete beams, considering the variation of the friction loss of prestress along the cables. The proposed formulation considers the effect of the friction loss of prestress on the stresses and establishes the lower cost of the prestress as the aim of the optimization. Other losses of prestress are considered to be constant along the cables, although the formulation allows us to include the correct evaluation in future works. The formulation allows to project more than one cable, so as to reproduce better the real project situation. It was implemented a computational system to the cables optimizations, using the LINGO optimizer. The examples tested prove the validity of the proposed formulation. The formulation proposed in this work aim to be an auxiliary tool to the structural designer in the preliminary project phase because the process is not completely automated and it is not considered the entire project situation. It s important to notice that even if the future woks enlarge the problem restriction set, enlarging the set of the project considerations; the interference of the structural designer will be always important and decisive to obtain an efficient design.

Advisors/Committee Members: LUIZ ELOY VAZ, LUIZ ELOY VAZ, LUIZ ELOY VAZ.

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[pt] Neste trabalho apresenta-se ferramentas computacionais para o projeto de lajes maciças de concreto armado. O projeto de lajes é feito utilizando-se uma análise elástica, elasto- plástica perfeita, um dimensionamento ótimo utilizando programação matemática e um projeto pela análise plástica. O projeto convencional de lajes de concreto armado tem sido feito a partir de esforços solicitantes determinados pela hipótese de comportamento linear elástico do material. Utilizando-se as ferramentas computacionais desenvolvidas neste trabalho é proposto um procedimento de projeto de lajes maciças de concreto armado que utiliza esforços solicitantes obtidos através de uma análise elasto-plástica perfeita desenvolvida pelo método dos elementos finitos. O dimensionamento das armaduras ortogonais, positivas e negativas, em cada ponto da laje é feito de modo a atender aos critérios de resistência definidos em função dos momentos de flexão e de torção e de maneira a se ter o menor consumo de aço. Os estados limites de utilização correspondentes à flecha da laje e à abertura de fissuras também são considerados no projeto. A análise elástica e elasto-plástica perfeita das lajes, descritas pelo seu plano médio e discretizadas pelo método dos elementos finitos, são feitas em regime de pequenos deslocamentos com formulação consistente em deslocamentos. Na análise elasto- plástica perfeita é utilizado o algoritmo de Newton-Raphson para solução das equações de equilíbrio a nível global da estrutura. As relações da Teoria da Plasticidade são resolvidas a nível local, ou seja, para cada ponto de Gauss da estrutura discretizada. O problema de retorno das tensões na análise elasto-plástica perfeita é formulado como um problema de Programação Matemática (PM). O Método dos Pontos Interiores proposto por Herskovits (HERSKOVITS, 1995) é utilizado como algoritmo de retorno das tensões na análise elasto-plástica perfeita.

[en] In this work it is presented computational methodologies for the design of reinforced concrete massive slabs. The design of the slabs is made using an elastic and perfect elastoplastic analysis, an optimum design using mathematical programming and a plastic analysis project. The conventional project of reinforced concrete slabs has been made starting from efforts determined by the hypothesis of linear elastic behavior of the material. Using the computational methodologies developed in this work, it is proposed a procedure of design of reinforced concrete massive slabs that uses efforts obtained through a perfect elasto-plastic analysis developed by the finite element method. The design of the orthogonal reinforcements, positive and negative, in each point of the slab is made in order to assist the yield criteria defined in function of the bending and torsion moments and in order to obtain the lowest consumption of reinforcement. The limit states of serviceability corresponding to the slab deflection and crack opening are also considered in the design.The elastic and perfect elasto-plastic analyses of the slabs,…

Advisors/Committee Members: LUIZ ELOY VAZ, LUIZ ELOY VAZ, LUIZ ELOY VAZ, MARTA DE SOUZA LIMA VELASCO.

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[pt] A busca por uma estrutura ótima, que consuma o mínimo de material possível, e atenda, ao mesmo tempo, aos critérios de segurança e bom comportamento em serviço e aos aspectos construtivos, deve ser preocupação primordial de todo engenheiro de projeto. Daí a grande importância da área da engenharia que trata de otimização de estruturas, que visa estudar ferramentas que auxiliem o engenheiro na obtenção do projeto ótimo.Este trabalho tem como objetivo apresentar uma metodologia para a determinação do traçado ótimo de cabos aderentes de protensão, considerando- se condições do estado limite último de flexão, além daquelas usuais referentes aos estados limites de utilização.A solução de problema é obtida via técnicas de otimização, trabalhando com o algoritmo de Han-Powell, de programação não-linear.As variáveis de projeto são a força de protensão, os coeficientes das parábolas que descrevem o cabo protendido e os parâmetros da configuração deformada em cada seção de estudo da viga.O problema de otimização estrutural proposto é minimizar a força de protensão em vigas isostáticas e hiperestáticas, submetido a restrições geométricas, limitações das tensões nos bordos extremos da viga no estado limite de utilização, e verificação do estado limite último em seções previamente definidas.O desenvolvimento de um programa de computador permitiu a implementação deste problema e a geração, como resultado, do traçado ótimo de um cabo médio, e da força de protensão mínima, após as perdas imediatas, consideradas constantes ao longo do comprimento da viga.

[en] The search for the optimum design, with the minimum possible material consumption and satisfying, at the same time, safety and in service conditions and also the constructive aspects, must be a central preoccupation of all engineers.Therefore the optimization of structures is such an important engineering area, which studies tools for helping the engineering to obtain the optimum design. The objective of this work is to present on methodology for the determination of the optimum design of prestressed cable, considering both the ultimate limit state and the in service limit state.The solution of the problem is obtained through optimization techniques, normally,the Han-Powell algorithm is applied for solving the non-linear programming problem.The design variables are the prestressed force and the parameters, which define the geometry of the cable and the deformation of the beam in given sections.The proposed optimization problem is to minimize the prestressed force in beams while constraining the geometry of the cable and the stresses during in service loads and satisfying safety in the ultimate limit state in prescribed sections. A computer program, based on the formulation, was developed which allowed the user to obtain the optimum design of the cable and the correspondent minimum prestressed force, after immediate losses which are considered constant along the beam length.

Advisors/Committee Members: LUIZ ELOY VAZ, LUIZ ELOY VAZ, LUIZ ELOY VAZ.

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[pt] Este trabalho apresenta uma abordagem de modelagem de sistemas dinâmicos, em conjunção com uma nova proposta de controladores embarcados para veículos automotores. Nesta nova proposta, além de ser possível modificar o controle aplicado à dinâmica veicular, por intermédio da habilitação e desligamento sucessivos de controladores locais específicos, também é possível modificar a complexidade do modelo dinâmico do automóvel, fazendo-o se comportar o mais próximo possível de como o homem o percebe: em partes e com complexidades diferentes à medida que se alteram as situações operacionais. Esta abordagem aproxima o veículo do conceito de homeostase empregado nas ciências médicas, que determina o funcionamento normal do corpo humano. Ela reconhece a capacidade de um controlador hierarquizado de alto nível determinar doses de ações de controle para situações críticas distintas conseguindo, com isso, restabelecer uma condição de estabilidade local que, por consequência, tende a garantir a estabilidade global do veículo. Este trabalho apresenta as considerações teóricas e o princípio dos desenvolvimentos para a obtenção do Controlador Homeostático, junto com simulações e aplicações em casos particulares.

[en] This work presents a technique for modeling dynamic systems together with a new proposal for the design and development of embedded controllers for automotive systems. In this new approach not only is it possible to modify the applied controller to vehicle dynamics by simply enabling or disabling successive specific local controllers, but it is also possible to change complexity of the dynamic model of the car. With this approach the designer makes the vehicle behave closer to what is perceived by humans: a vehicle in parts and with different complexities as operational situations may change. This approach approximates the vehicle to the homeostasis concept, employed in medical sciences, which determines the normal behavior of the human body. It recognizes the ability of a high level hierarchical controller to determine small control actions for critical specific scenarios. By that the controller reestablishes local stability and, as a direct consequence, ensures global stability of the vehicle. This work presents theoretical considerations and the initial developments in order to achieve the Homeostatic Controller. It also presents simulations and applications to specific cases.

Advisors/Committee Members: RICARDO TANSCHEIT.

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[pt] O novo Modelo Energético Brasileiro trouxe um mundo de novos desafios para as Distribuidoras de Energia Elétrica. Elas têm que atender a carga através de contratos de longo prazo (cinco a quinze anos). As incertezas são enormes, desde a evolução da carga até a disponibilidade de energia, com seus preços associados. As restrições se encontram próximas a seus limites, sendo a sobrecontratação severamente punida - apenas 3% de excesso pode ser contratado na tarifa regulada e recuperado no preço ao consumidor. As distribuidoras devem então criar um portfólio de contratos sob incertezas, minimizar os custos (visando um preço competitivo) e os riscos (visando garantias a longo prazo). Este trabalho tem como objetivo ajudar o agente a construir seu portfólio ótimo, que corresponde a um problema não-linear, inteiro, misto, de larga escala, a princípio de difícil solução através de modelos atualmente disponíveis (tanto modelos econômicos como algoritmos de otimização). Neste trabalho, combinase técnicas econômicas e de otimização, num novo modelo capaz de analisar um portfólio possível e/ou encontrar um conjunto de soluções ótimas. O modelo pode ser adaptado para acomodar diferentes funções- objetivo, tais como risco mínimo, custo mínimo, VaR (Value-at-Risk), etc. Espera-se que o modelo possa oferecer uma ferramenta eficiente e flexível, além de precisa, capaz de ajudar a encontrar uma comercialização justa, mitigando riscos e minimizando custos, levando a um melhor uso da energia e a um preço melhor para toda a sociedade.

[en] The new Brazilian Energy Model brought a whole new world of challenges to Distribution Companies (DISCOS). They have to meet the load through longterm contracts (five to fifteen years). Uncertainties are enormous, from load evolution to energy availability and associated prices. Restrictions are tight - for instance overcontracting is punished - only a mere 3% excess may be included in the regulated tariff and thus recovered by consumer´s prices. DISCOS must therefore build a contract portfolio under uncertainties, minimize costs (searching for a competitive price) and risks (searching for long-term guarantees). The objective of this work is to help the agent constructing its optimum portfolio - which corresponds to a large-scale non-linear mixed integer problem, in principle difficult to solve by available models (from economic to optimization algorithms). In this model economic and optimization techniques have been combined into a new model able to both analyze a possible portfolio and/or find a set of optimal solutions. The model may be adapted to accommodate different objective functions, such as minimum risk, minimum cost, VaR (Value- at-risk), etc. This model may offer an efficient and flexible, yet precise tool, able to help finding a fair trade, mitigating risks and minimizing costs, leading to a better use of energy and a better price for whole society.

Advisors/Committee Members: JACQUES SZCZUPAK, JACQUES SZCZUPAK.