Faculdade de Engenharia Elétrica - FEE/CAMTUC

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Acesso aberto (Open Access)
Controle de robô pêndulo invertido sobre duas rodas por abordagem analítica e experimental
(2023-12-15) OLIVEIRA, Alexandre Montibeller de; TEIXEIRA, Raphael Barros; http://lattes.cnpq.br/4902824086591521; https://orcid.org/0000-0003-2993-802X
Este trabalho investigou os resultados da implementação na prática de um método analítico e um experimental de controle de posição angular de um robô pêndulo invertido sobre duas rodas construído no laboratório da UFPA (Universidade Federal do Pará), campus Tucuruí. O objetivo do controle foi manter o robô em equilíbrio vertical em regime permanente. O método analítico foi realizado por meio da modelagem do sistema por espaço de estados e projeto de controlador por realocação de polos com observador de estados. A parte teórica desse método foi desenvolvida com base nos parâmetros do robô do laboratório da UFPA. A contribuição desse trabalho foi implementar essa teoria no robô e analisar os resultados. O método experimental foi o de sintonia de controlador PID com base em resposta em frequência proposta por Ziegler-Nichols. Nesse trabalho foram apresentados os materiais e as metodologias utilizadas para adaptar a configuração física do chassi do robô, seus componentes eletromecânicos e de fixação, e o algoritmo de controle para encontrar um equilíbrio entre fazer o robô em malha aberta permanecer por mais tempo próximo do ponto de operação 0° e, em malha fechada, evitar que a posição angular do pêndulo variasse de maneira abrupta devido à aplicação de valores pequenos de torque pelos motores. Também foi apresentada a forma como ocorreu a integração do hardware do robô com a lógica de controle no Arduino por meio da plataforma IDE (Integrated Development Environment), tanto para o método analítico quanto para o experimental. O método analítico não teve o comportamento esperado, de forma que não foi eficaz no controle da posição angular do robô, sendo necessário mais pesquisa para viabilizar a aplicação da mesma. Para o método experimental de Ziegler-Nichols, foi alcançado o equilíbrio do robô em regime permanente; no entanto, ele não possibilitou um conhecimento mais aprofundado da dinâmica do sistema e a definição de requisitos de projeto mais específicos.
Acesso aberto (Open Access)
Desenvolvimento de protótipo e gêmeo digital como ferramenta para um laboratório virtual com foco em modelagem e controle de sistemas dinâmicos
(2023-12-11) FARIAS, Oséias Dias de; TEIXEIRA, Raphael Barros; http://lattes.cnpq.br/4902824086591521; https://orcid.org/0000-0003-2993-802X
Este trabalho apresenta um laboratório virtual abrangente para o estudo de sistemas de controle, que combina a integração de um protótipo físico, simulador 3D e uma interface gráfica interativa. A motivação para este projeto reside na intrínseca complexidade associada à compreensão de sistemas de controle, que frequentemente apresenta desafios, sobretudo para estudantes que precisam transpor a barreira de abstrair sistemas físicos em termos de equações matemáticas. Para o desenvolvimento do projeto foi implementado um protótipo do Aeropêndulo completo com um conjunto de software que permite a interação do usuário com o sistema físico, possibilitando ao usuário realizar modificações nos parâmetros do sistema em tempo real, além disso, foi elaborado um gêmeo digital para espelhar a dinâmica do protótipo do Aeropêndulo a partir de um simulador 3D, por fim, foi realizado testes para a validação do laboratório, sendo eles: aplicação de identificação de sistema usando função de transferência discreta e mínimos quadrados e teste em malha fechada com controlador PID. O projeto foi hospedado no GitHub, a fim de disseminar o conhecimento e permitir que entusiastas, estudantes e pesquisadores tenham acesso ao projeto completo, A combinação de protótipos, simuladores, interface gráfica e integração de diversas disciplinas da Engenharia Elétrica cria um ambiente de aprendizado envolvente e eficaz para o estudo de sistemas de controle. Essa abordagem reduz a resistência inicial dos alunos e promove uma compreensão mais profunda dos conceitos e aplicações dessa área. Por meio da prática, os estudantes podem perceber a relevância das abstrações matemáticas na resolução de problemas reais, preparando-os para lidar com sistemas de controle complexos e desafiadores.
Acesso aberto (Open Access)
Estratégia de controle PI com adaptação fuzzy no acionamento elétrico por orientação de campo do motor de indução
(2014-02-03) SILVA, Paulo Ítalo Moreira da; FARIA, Nielson Miranda; http://lattes.cnpq; TEIXEIRA, Raphael Barros; http://lattes.cnpq.br/4902824086591521
No presente trabalho é apresentada a estratégia de controle vetorial com emprego de controlador PI com adaptação fuzzy aplicada ao acionamento elétrico de um motor de indução trifásico (MIT). A estratégia de controle vetorial adotada baseia-se na orientação indireta de campo (IFOC). A estratégia de controle vetorial proposta é utilizada para o controle de velocidade de alto desempenho do MIT do tipo rotor “gaiola de esquilo”. Com o modelo matemático obtido sob a estratégia IFOC, são desenvolvidos controladores de PI de corrente e PI de velocidade, conforme os requisitos de projeto. O algoritmo fuzzy para o controlador PI utiliza a base de regras para gerar referências de ajustes para os ganhos do controlador PI, fazendo com que o controlador PI possa adaptar seus parâmetros de controle quando submetido a situações diversas. Os resultados das simulações apresentados validam a estratégia de controle utilizada neste trabalho como satisfatório, visto que os requisitos de projetos foram atendidos.
Acesso aberto (Open Access)
Identificação não-linear no espaço de estados por regressão esparsa de bancada motor-gerador
(2023-01-25) SOUZA, Klarissa Carvalho de; TEIXEIRA, Raphael Barros; http://lattes.cnpq.br/4902824086591521
No decorrer dos anos, cresce a busca pela identificação de sistemas dinâmicos utilizando aprendizagem de máquina. Essas ferramentas auxiliam, por exemplo, na compreensão e extração de informações de dados experimentais e na descoberta de estruturas de modelos matemáticos. Desta forma, este trabalho tem por objetivo apresentar os modelos obtidos de uma bancada motor-gerador utilizando o método de identificação esparsa de dinâmica não-linear (SINDy), este método tem-se mostrado útil na identificação da dinâmica não-linear, ao assumir que as equações possuem apenas alguns termos importantes que regem a dinâmica. A abordagem SINDy resolve um problema de regressão esparsa, eliminando os termos cujos coeficientes são menores que um limite. Os componentes usados no processo de identificação são baseados no Otimizador Threshold Least Square (STLSq). São apresentados os modelos obtidos no experimento linear e não linear por meio do pacote PySINDy. A raiz do erro quadrático é calculada pela métrica NRMSE para cada um dos modelos. Ao final do trabalho é visto que o método SINDy é capaz de identificar o modelo da bancada motor-gerador.
Acesso aberto (Open Access)
Modelagem e controle de robô pêndulo invertido sobre rodas
(2023-01-17) TEIXEIRA, Telson Galdino Pinheiro; TEIXEIRA, Raphael Barros; http://lattes.cnpq.br/4902824086591521
O robô pêndulo invertido sobre rodas é uma planta clássica de sistemas de controle, não linear e instável em malha aberta. Neste trabalho é realizada a modelagem utilizando leis físicas fundamentais das partes constitutivas do robô: o pêndulo, a roda e os motores de ativação. A agregação das equações destas partes conduz a um modelo de quarta ordem que expressa as propriedades dinâmicas do sistema. A estratégia de controle adotada foi do tipo realocação de polos do modelo no espaço de estados. Em se tratando de uma técnica linear, houve a necessidade de realizar a linearização do modelo em torno do ponto de operação desejado para o sistema. O modelo linear de quarta ordem mostrou-se controlável, porém não-observável, de maneira que foi necessário excluir uma das variáveis do modelo conduzindo a uma estrutura controlável e observável de terceira ordem. O projeto de controlador e observador foram bem sucedidos, e resultados computacionais do desempenho do sistema controlado foram levantados. O trabalho apresenta ainda a descrição, projeto e implementação da planta real, a ser utilizada na implementação da estratégia de controle em trabalhos futuros.
Acesso aberto (Open Access)
Modelagem e controle de sistema fotovoltaico para rastreamento do ponto de máxima potência
(2023-01-13) SANTOS, Elenildo Cássio Santos dos; TEIXEIRA, Raphael Barros; http://lattes.cnpq.br/4902824086591521
Este trabalho apresenta uma técnica de rastreamento de ponto de máxima potência para um sistema fotovoltaico (MPPT, do inglês: Maximum Power Point Tracking). O método perturba e observa (P&O) foi a técnica escolhida para realizar as simulações de um arranjo fotovoltaico com o auxílio de um conversor CC-CC do tipo Boost. Durante o trabalho realizou-se a plotagem da curva de corrente versus tensão (I × V) e tensão versus potência (P × V) para o nosso sistema, que possui três séries conectados em paralelo, sendo que cada série possui dois módulos conectados. Plotagem esta, necessária para a localização dos pontos de máxima potência. Além disso, fora realizada toda a modelagem matemática necessária para se obter a malha de controle do sistema, obtendo, por conseguinte os valores dos ganhos proporcionais e integrais para os dois controladores do tipo PI. Por fim, a técnica foi submetida à dois cenários distintos afim de testar a eficácia do rastreador. Para o primeiro cenário foi gerado curvas de irradiância e temperatura intercalando o valor de uma variável e fixando o valor da outra. Já para o segundo cenário, foram utilizadas amostras de curva de irradiância reais captadas na cidade de Brasília-DF durante um dia ensolarado. Todo o trabalho foi executado por simulações realizadas no software MatLab/Simulink. Para todos os cenários, a técnica apresentou resultados totalmente satisfatórios, ou seja, conseguiu rastrear o ponto de máxima potência, fazendo com que sistema fotovoltaico sempre trabalhasse com sua extrema eficiência.
Acesso aberto (Open Access)
Modelos de previsão de vazão afluente da UHE-Tucuruí: uma abordagem com redes neurais LSTM e CNN
(2023-12-06) MEDEIROS, Kevin Martins; TEIXEIRA, Raphael Barros; http://lattes.cnpq.br/4902824086591521; https://orcid.org/0000-0003-2993-802X
Este trabalho apresenta um estudo abrangente sobre a previsão de vazão afluentes da Usina Hidrelétrica de Tucuruí, situada na bacia do Tocantins-Araguaia. A pesquisa abrange cinco cenários distintos, variando a arquitetura dos modelos de previsão, incorporando Redes Neurais Recorrentes de Longa Memória de Curto Prazo (LSTM) e Redes Neurais Convolucionais (CNN). A implementação, conduzida em Python com o auxílio de bibliotecas como Pandas e NumPy, faz uso de um conjunto de dados históricos de vazões afluentes fornecidos pelo Operador Nacional do Sistema Elétrico (ONS) das Usinas de Tucuruí, Estreito e Lajeado. Os resultados obtidos foram avaliados minuciosamente por meio de análises aprofundadas, métricas de regressão e representações gráficas, demonstrando a eficácia dessas abordagens na previsão da vazão afluente diária da UHE-Tucuruí em horizontes temporais que variam de 1 a 7 dias. Além das contribuições metodológicas, este estudo proporciona insights cruciais que têm o potencial de elevar a precisão da previsão hidrológica, um campo de extrema importância na gestão de recursos hídricos e energia.
Acesso aberto (Open Access)
Monitoramento de armazenagem de grãos em silos utilizando o sensor Micropilot FMR67 e o ambiente de automação Tia Portal
(2024-07-03) SILVA, Karine Brito da; TEIXEIRA, Raphael Barros; http://lattes.cnpq.br/4902824086591521; https://orcid.org/0000-0003-2993-802X
Este trabalho apresenta um projeto que utiliza o sensor de nível Micropilot FMR67 - um radar de onda livre - para a medição contínua de sólidos a granel dentro dos silos de armazenamento, proporcionando dados confiáveis e precisos. O sistema proposto é controlado por um Controlador Lógico Programável (CLP), que desempenha um papel crucial na gestão dos dados recebidos pelo sensor e no monitoramento de volume. Os dados coletados e processados pelo CLP são exibidos em uma Interface Homem Máquina (IHM), que permite ao operador monitorar o nível do silo em tempo real. Isso não só ajuda a identificar e resolver problemas rapidamente, mas também proporciona uma base sólida para a melhoria contínua dos processos. A implementação deste sistema traz vários benefícios significativos para a empresa, pois, a automação do monitoramento de armazenamento aumenta a eficiência operacional, reduz o tempo e esforço necessários para essas atividades e minimiza os riscos associados à intervenção manual
Acesso aberto (Open Access)
Otimização evolutiva de controladores PID para bancadas motor-gerador utilizando algoritmos genéticos e PyGad
(2023-12-13) JESUS, Diego Antonio Silva de; TEIXEIRA, Raphael Barros; http://lattes.cnpq.br/4902824086591521; https://orcid.org/0000-0003-2993-802X
Este trabalho de conclusão de curso propõe uma abordagem inovadora para o controle de uma bancada motor-gerador, integrando técnicas avançadas de otimização, modelagem e controle. O estudo utiliza algoritmos genéticos (AGs) desenvolvidos com a biblioteca PyGad para otimização offline na sintonia dos controladores Proporcional-Integral (PI) e Proporcional-Integral-Derivativo (PID). A obtenção de dados da bancada é efetuada mediante a execução de um código Python dedicado, ao passo que um segundo código é elaborado para a criação do modelo, empregando a abordagem SINDy (Identificação Esparsa de Dinâmicas Não Lineares). Esse modelo serve como base para o desenvolvimento dos controladores. Dois conjuntos de códigos são implementados para os controladores PI e PID. O primeiro conjunto, de caráter offline, utiliza AG com PyGad para otimização dos parâmetros dos controladores. O segundo conjunto é de natureza online e tem como função a transmissão do controlador obtido com a otimização para a bancada motor-gerador em tempo real. O estudo aborda aspectos teóricos e práticos, fornecendo uma análise aprofundada dos resultados obtidos com a implementação dos controladores PI e PID, comparando o desempenho dos dois sintonizadores. Além disso, são apresentadas contribuições significativas no contexto de controle de sistemas dinâmicos, explorando a eficácia da integração de técnicas modernas para otimização e modelagem.
Acesso aberto (Open Access)
Previsão de vazão afluente da UHE-Tucuruí por redes neurais recorrentes LSTM
(2022-07-11) SANTOS, Ayla Lis Lopes; TEIXEIRA, Raphael Barros; http://lattes.cnpq.br/4902824086591521
A previsão de vazões afluentes aos reservatórios das usinas hidrelétricas é de grande importância na otimização do planejamento de operação, e tem como objetivo apresentar um cenário futuro que poderá impactar no processo de geração de energia através do aumento ou diminuição de vazão afluente prevista. Neste processo de previsão são geralmente utilizados modelos matemáticos computacionais baseados em redes neurais. Neste trabalho apresentamos um estudo da aplicação de Redes Neurais Recorrentes Long Short-Term Memory (LSTM) no problema de previsão de vazão afluente diária da Usina Hidrelétrica (UHE) de Tucuruí localizada na Bacia Hidrográfica Tocantins Araguaia, no horizonte de 1 até 7 dias à frente, considerando as séries históricas de dados medidos pela Agência Nacional de Águas (ANA) de UHE’s localizadas à montante do seu reservatório. Os resultados obtidos através do treinamento do modelo, mostraram viabilidade de sua aplicação para previsão de vazão afluente diária por meio dos testes e análises realizadas ao longo do trabalho, onde o ajuste de cada cenário apresentado ficou em aproximadamente 91% ao ser realizada a comparação entre os valores computacionais, com a porção dos dados originais do conjunto separados para a validação.
Acesso aberto (Open Access)
Projeto e implementação do sistema de potência elétrica do satélite ST-OBSAT-01
(2024-02-22) PANAGIO, Dário Fernando da Silva; TEIXEIRA, Raphael Barros; http://lattes.cnpq.br/4902824086591521; https://orcid.org/0000-0003-2993-802X
A missão denominada Super Time Olimpíada Brasileira de Satélites 01 (ST-OBSAT-01) tem como propósito lançar um nanossatélite da categoria CubeSat 1U, ou seja, com dimensões de 10 x 10 x 10 cm, no ano de 2024. O objetivo é projetar um satélite de baixo custo explorando o uso de componentes comercialmente disponíveis. Este trabalho está concentrado no desenvolvimento do Sistema de Potência Elétrica (EPS, do inglês Electrical Power Subsystem) do satélite ST-OBSAT- 01, que é composto por um sistema de aquisição, armazenamento, distribuição e monitoramento de energia. Além disso, o EPS deve atender os requisitos da missão em diversas frentes, tais como a padronização, as conexões com os demais subsistemas, os requisitos de operação, o consumo, entre outros. Esta monografia descreve o design, análise, implementação e os testes de um módulo EPS, que é uma parte essencial do satélite. O EPS desenvolvido possui entrada para até seis painéis solares, os quais são interligados ao restante do sistema por meio de três conversores DC-DC boost em paralelo que incorporam um algoritmo de Rastreamento do Ponto de Máxima Potência (MPPT). Uma arquitetura centralizada de EPS foi adotada. Conversores DC-DC buck-boost disponibilizam saídas reguladas em 3,3 V e 5 V aos demais sistemas do satélite. As saídas reguladas são distribuídas a partir de um barramento central não regulado, conectado a uma bateria recarregável de Li-ion de 4,2 V. O EPS também incorpora circuitos de proteção das cargas, interruptores de segurança e um microcontrolador capaz de gerenciar, monitorar e fornecer dados de telemetria do EPS ao Computador de Bordo (OBC, do inglês On-Board Computer) do satélite. O produto final deste trabalho é um módulo composto por duas Placas de Circuito Impresso (PCBs, do inglês Printed Circuit Board), que juntas formam o EPS. A funcionalidade do módulo foi testada e os resultados foram devidamente documentados. Os testes abrangeram desde inspeções visuais até a integração, as medições elétricas e a aquisição de dados do sistema de telemetria. Durante o processo de teste, foram identificados pontos que necessitavam de correção, aprimoramento e melhorias. No geral, o módulo demonstrou um bom desempenho, alinhando-se a maior parte das expectativas iniciais do projeto. Toda a documentação pertinente à fabricação do módulo, projeto, códigos de programação e futuras atualizações foi disponibilizada no GitHub.

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