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Este trabalho consiste em apresentar uma aplicação da PBL (aprendizagem baseada em projetos) sobre conceitos relacionados à automação industrial e redes industriais. Isto foi feito por meio do desenvolvimento de um sistema de comunicação industrial utilizando o padrão OPC com controle via dispositivo de comunicação móvel. Ao final do desenvolvimento deste sistema, o mesmo pode ser utilizado como um OAE (objeto de aprendizagem em engenharia), já que é um exemplo prático da utilização e controle via dispositivo de comunicação móvel.

Mestrado de dupla diplomação com a UTFPR - Universidade Tecnológica Federal do Paraná Acordos internacionais como a Agenda de 2030 para o desenvolvimento sustentável, aceleraram o desenvolvimento e utilização de tecnologias de energias renováveis e de uso eficientes da energia elétrica, dentre essas as microrredes. Uma microrrede inteligente integra sistemas de geração distribuída por fontes renováveis (ou não), equipamentos consumidores e sistemas de armazenamento e gestão de energia com alta capacidade de monitorização e controlo, a qual pode estar conectada ao sistema elétrico de energia ou a operar em modo autônomo. Esta dissertação tem como objetivo realizar a monitorização e análise de duas microrredes inteligentes em dois edifícios de divulgação de ciência, designadamente a Casa da Seda e o Posto Aquícola de Castrelos, na cidade de Bragança, Portugal. As microrredes inteligentes apresentadas neste trabalho são ligadas à rede elétrica e possuem potencial de geração fotovoltaico e hídrico, sistema de gestão e armazenamento de energia em baterias. Após a instalação das microrredes, realizou-se a monitorização e análise de seu desempenho. Na microrrede inteligente da Casa da Seda, após onze meses de operação, mostrou-se que o autoconsumo proposto foi devidamente implementado e que o sistema implementado possibilitou uma taxa de autonomia de 45% em termos anuais. Já a microrrede inteligente do Posto Aquícola de Castrelos, apesar de pouco de tempo operação (treze dias) já mostrou que o autoconsumo está a ser implementado e que tem bom potencial para que a taxa de autonomia seja elevada. Portanto, as microrredes inteligentes analisadas mostraram-se ser uma tecnologia que promove o uso eficiente, seguro e ambientalmente consciente da energia elétrica produzida localmente. International agreements, such as the 2030 Agenda for sustainable development, have accelerated the development and use of renewable energy technologies and efficient use of electricity, including microgrids. A smart microgrid integrates generation systems distributed by renewable sources (or not), consumer equipment and energy management and storage systems with high monitoring and control capabilities, which can be connected to the electrical energy system or operating in an autonomous mode. This dissertation aims to carry out the monitoring and analysis of two smart microgrids in two science dissemination buildings, namely the Silk House and the Castrelos Aquaculture Center, in the city of Bragança, Portugal. The smart microgrids presented in this work are connected to the grid and have the potential for photovoltaic and pico hydro generation, a management system, and energy storage in batteries. After the installation of the microgrids, their performance was monitored and analyzed. In the smart microgrid of Silk House, after eleven months of operation, it was shown that the proposed self-consumption was properly implemented and that the implemented system allowed an autonomy rate of 45% in annual terms. Already the smart microgrid of the Castrelos Aquaculture Center, despite the short time of operation (thirteen days) has already shown that self-consumption is being implemented and that it has good potential for the autonomy rate to be high. Therefore, the analyzed smart microgrids proved to be a technology that promotes the efficient, safe, and environmentally conscious use of the electricity produced locally.

Mestrado de dupla diplomação com a UTFPR - Universidade Tecnológica Federal do Paraná Sistemas ground-truth são extremamente úteis no campo da robótica, fornecendo dados externos precisos que são usados como referência na validação de sistemas de localização embebidos em robôs móveis. No entanto, sistemas ground-truth geralmente apresentam um custo elevado. O presente trabalho visa o desenvolvimento de um sistema ground-truth de baixo custo capaz de determinar a localização e orientação de agentes móveis por meio de um sensor laser rangefinder e uma câmera monocular. A metodologia criada é aplicável a diversos tipos de robôs móveis terrestres, bastando que seja possível fixar ao robô um alvo cilíndrico com marcadores coloridos. O sistema e a metodologia desenvolvida foram implementados e validados através do SimTwo, um simulador realista. Os resultados obtidos pelo sistema proposto foram comparados com os dados reais (fornecidos pelo simulador), demonstrando que a solução desenvolvida atende aos objetivos propostos. Por fim, são ressaltadas possíveis melhorias a serem implementadas em trabalhos futuros. Ground-truth systems are extremely useful in the field of robotics, providing accurate external data that is used as a reference in the validation of embedded localization systems in mobile robots. However, ground-truth systems generally have a high cost. The present work aims at the development of a low-cost ground-truth system capable of determining the location and orientation of mobile agents using a laser rangefinder sensor and a monocular camera. The methodology created is applicable to several types of mobile wheeled robots, provided that it is possible to fix a cylindrical target with colored markers to the robot. The developed system and methodology were implemented and validated through SimTwo, a realistic simulator. The results obtained by the proposed system were compared with the actual data (provided by the simulator), demonstrating that the developed solution meets the proposed objectives. Finally, possible improvements are highlighted to be implemented in future works.

O objetivo deste trabalho é analisar a fadiga muscular usando sinais de EMG registrados durante uma atividade dinâmica utilizando três técnicas de análise: usando medidas de frequência mediana (MDF), coeficiente de correlação e informação mútua. As três medidas foram realizadas no domínio da frequência, e para a análise ser mais completa, nas duas últimas medidas foram realizadas duas formas de cálculo, considerando dois tipos de referência: uma referência fixa e outra variável. The aim of this work is to analyze muscle fatigue using EMG signals recorded during a dynamic activity using three analysis techniques: using measures of median frequency (MDF), correlation coefficient and mutual information. The three measurements were performed in the frequency domain, and for the analysis to be more complete, in the last two measurements two forms of calculation were performed, considering two types of reference: a fixed reference and a variable reference.

Técnicas de processamento de sinais aplicadas no reconhecimento de padrões e diagnóstico de falhas colaboram para evitar a manutenção não planejada e parada no processo produtivo. Os motores de indução trifásicos são amplamente utilizados e expostos a diversas situações operacionais indesejáveis que podem ocasionar falhas. Para evitar paradas não planejadas na indústria, diversas técnicas de previsão e monitoramento de falhas foram criadas. Este trabalho propõe uma metodologia de processamento digital de sinais aplicada em dados de emissão acústica do funcionamento de um motor capaz de classificar falhas de curto-circuito no estator. O método é baseado na aplicação do algoritmo de análise da componente principal robusta em sinais de áudio. Para possibilitar esta ação, o sinal é decomposto pela transformada wavelet a fim de obter características de diferentes faixas de frequência dos sinais e então obtêm-se os atributos que representam o sinal em análise. Para validação do estudo propõe-se a classificação das falhas de estator utilizando a técnica de máquinas de vetores de suporte, com a qual se atingiu mais de 99% de acerto. Signal processing techniques applied to pattern recognition and fault diagnosis collaborate to avoid unplanned maintenance in the production process. Three-phase induction motors are widely used and exposed to various undesirable operational situations that can cause failures. In order to avoid unplanned downtime, several failure detection and monitoring techniques were created. This work proposes a methodology for digital signal processing applied to acoustic emission signals from the operation of a motor capable of classifying stator short-circuit failures. The method is based on the application of the robust principal component analysis algorithm in audio signals. The signal is decomposed by the wavelet transform in order to obtain characteristics of different frequency ranges. Then calculates the attributes that represent the signal under analysis. For validation of the study, the classification of stator failures is proposed using a support vector machine that reached more than 99 % of correct calassifications.

A principal contribuição deste trabalho é a aplicação e análise de controladores lineares, em conjunto com compensadores "antiwindup", em um sistema físico. O sistema é um processo multivariável cujo objetivo é controlar, pela variação das vazões de líquido frio e quente, o nível e a temperatura de um fluido em um tanque de mistura. Como o sistema é não-linear, duas abordagens distintas são utilizadas. Primeiramente, um modelo linear e invariante no tempo é utilizado para gerar um controlador e um compensador antiwindup também invariantes no tempo. A segunda abordagem consiste em modelar o sistema como linear e dependente de parâmetros variantes no tempo e computar, como consequência, um controlador e um compensador antiwindup também variantes no tempo. Os resultados de simulações teóricas e ensaios práticos permitem validar e verificar a influência do antiwindup na malha de controle, demonstrando-se eficaz. The main contribution of this work is the application and analysis of linear controllers, along with antiwindup compensators, in a physical system. The considered system is a multivariate process aimed to control the level and temperature of a fluid in a mixing tank by varying the flows of cold and hot liquid. Since the system is nonlinear, two distinct approaches are used. First, a linear and time invariant model is used to generate a controller and an antiwindup compensator also time invariant. The second approach is to model the system as linear and dependent on time-varying parameters and to compute, as a consequence, a controller and a compensator antiwindup also variants in time. The results of theoretical simulations and practical tests allow to validate and verify the influence of antiwindup on the closed-loop control, proving to be effective.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) Este trabalho apresenta uma abordagem que utiliza dois sensores de emissão acústica e métodos de aprendizagem de máquina para detectar e classificar falhas em motores de indução trifásicos com alimentação direta operando em regime permanente e com diferentes cargas em seu eixo. É feita uma investigação nas características de frequência da emissão acústica e vibração das falhas de barra de rotor quebradas, dano em pista externa de rolamento e curto circuito em enrolamentos de estator. O método é baseado em picos de frequência e correlações entre os sinais dos microfones. Os dados são analisados em cada configuração de estado mecânico e comparado com a situação do motor em condição normal. Os resultados mostram o comportamento das características através de Mapas Auto-Organizáveis de Kohonen e a classificação é feita por uma combinação de Máquinas de Vetores de Suporte com taxas de acerto acima de 99.9 %. This work presents an approach using two acoustic emission sensors and machine learning methods to detect and classify faults in line-fed three-phase induction motors operating in steady state and subject to different shaft loads. An investigation is performed on frequency characteristics of acoustic emission and vibration signals of three kinds of faults: broken rotor bars, damaged outer race bearing and stator windings short-circuit. The method is based in frequency peaks and correlations between the microphones signals. The data are analyzed for each of the mechanical configurations and compared to the healthy situation. The results show the features behavior by means of Kohonen Self Organizing Maps and the classification is done by a combination of Support Vector Machines with accuracy rates over 99.9 %.

A escoliose é uma doença caracterizada pela deformação da coluna vertebral. Essa deformação é composta por uma curvatura lateral anormal e uma rotação axial de algumas vértebras. O método mais utilizado de medição do grau de escoliose é o ângulo de Cobb. Foram pesquisadas várias formas para se medir essa deformidade, assim como ângulos, afastamentos, áreas, raios de círculos e, por fim, elipses. Este trabalho propõe uma metodologia capaz de comparar a deformação da coluna com uma elipse, fornecendo, assim, parâmetros matemáticos e visuais suficientes para uma visão auxiliar sobre o grau de curvatura da coluna e sua progressão. Esta pesquisa utilizou uma técnica de algoritmo genético capaz de testar várias possibilidades de elipses candidatas ao “encaixe” ótimo da curvatura da coluna e, também, a determinação de parâmetros visuais e matemáticos que são compostos pelos parâmetros característicos da elipse que formam um índice capaz de fornecer uma visão geral da deformidade. Os resultados desta pesquisa apontam que a técnica proposta é capaz de reconhecer, com exatidão, os padrões elípticos em diferentes tipos (e graus) de colunas com escoliose a partir de imagens de raio X. Scoliosis is a disease characterized by a deformation of the spine. This deformation is composed of an abnormal lateral bending and a rotation of some vertebrae. The method more used for assessment of quantity of scoliosis is the angle of Cobb. Many ways were searched for assessment this deformity, as angles, distances, area, circles rays and, finally, ellipses. This paper proposes a methodology able of comparing the deformation of the spine with an ellipse, thus providing sufficient mathematical and visual parameters for an auxiliary view on the degree of curvature and its progression. The results were possible using genetic algorithm able to test many ellipses possible for the perfect fitting, having mathematical and visual parameters that are compound by characteristic parameters of ellipse that produces an index that gives a general view of the deformity. The results of this study indicates that the proposed technique is able to recognize with accuracy elliptical patterns in different types spine with scoliosis from x-ray images. Tese (Doutorado)

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) Fundação Araucária de Apoio ao Desenvolvimento Científico e Tecnológico do Paraná Este trabalho tem como proposta a síntese de controladores aplicando um Algoritmo Genético, cuja função objetivo é minimizar a entropia do erro. Recentes estudos demonstram que métodos utilizados em sistemas que utilizam o erro quadrático médio para estimativa de erros não apresentam desempenho satisfatório se tratando de sinais não-gaussianos e não-lineares, assim foi necessária a busca de novas alternativas para resolução de problemas mais complexos. O método de minimização de entropia do erro vem sendo utilizado em pesquisas e apresentando desempenho satisfatório nesta área. Os controladores utilizados são dados na forma de função de transferência e buscou-se pela sintonização dos parâmetros do algoritmo genético em busca de melhor performance para o controlador gerado. Para testes foram feitas simulações utilizando o software MATLAB e a validação foi realizada em uma planta torcional com MATLAB/Simulink. Também é apresentada uma comparação com o método do erro quadrático médio. Resultados satisfatórios foram encontrados para ambos os métodos, porém, notou-se maior tempo de execução para a minimização de entropia devido a maior complexidade de sua função, que utiliza técnicas de janelamento de Parzen para estimar a função densidade de probabilidade do erro. This work proposes the synthesis of controllers applying a Genetic Algorithm, whose objective function is to minimize the entropy of the error. Recent studies demonstrate that methods used in systems that use the mean square error for error estimation do not present satisfactory performance when dealing with non-Gaussian and nonlinear signals, so it was necessary to search for new alternatives to solve more complex problems. The error entropy minimization method has been used in researches and presenting satisfactory performance in this area. The controllers used are data in the form of a transfer function and we searched for the tuning of the parameters of the genetic algorithm in search of better performance for the generated controller. For tests, simulations were performed using MATLAB software and the validation was performed in a torsion plant with MATLAB / Simulink. A comparison with the mean square error method is also presented. Satisfactory results were found for both methods, however, it was observed a longer execution time for the entropy minimization due to the greater complexity of its function, which uses Parzen’s windowing techniques to estimate the probability density function of the error.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) A análise do movimento humano e da fadiga muscular é amplamente estudada por meio do sinal de eletromiografia. Para este trabalho, utilizou-se de sinais de eletromiografia que foram cedidos para o estudo e que são provenientes de uma técnica não invasiva de coleta de sinais biológicos para um exercício dinâmico, no caso, o ciclismo. Essa coleta é feita por meio de eletrodos alocados nas regiões musculares que serão estudadas. O teste abordado submeteu dez ciclistas voluntários a um ciclossimulador, no qual, os indivíduos foram submetidos ao teste da corrida de 20 km contra o relógio. Os dados provenientes desse percurso possibilitaram a busca do indicativo do aparecimento da fadiga muscular nos indivíduos através da análise da frequência mediana dos sinais eletromiográficos. Ainda, a fim de comparação, propõe-se dois métodos de medida de informação: a entropia quadrática de Rényi e a correlação cruzada. No primeiro, realiza-se o processo de janelamento do sinal de EMG para os 10 indivíduos testados e estima-se a entropia quadrática de Rényi para cada janela usando-se do núcleo Gaussiano. Ao final, calcula-se a interpolação linear do resultado. No segundo método, analisa-se a correlação cruzada dos espectros de potência de trechos dos sinais para avaliar o grau de similaridade entre os trechos do mesmo sinal. Por fim, calcula-se a interpolação linear do resultado e verifica-se se ocorreu o decrescimento do sinal. Por meio dos resultados dos testes verifica-se que a frequência mediana contribuiu para encontrar as regiões dos sinais dos músculos que apresentam maior inclinação decrescente. Para a correlação cruzada, verificou-se que o sinal resultante da correlação de duas janelas indica por meio da interpolação linear que nem sempre se obtém um indicativo de fadiga decrescente, e esse comportamento também ficou evidente nos testes com a entropia. Assim, os resultados estatísticos apontam que essas duas metodologias são técnicas auxiliares na busca de reconhecimento de padrões musculares. The analysis of human movement and muscular fatigue is widely studied through the electromyo- graphy signal. For this work, we used electromyography signals that were assigned to the study and that came from a non-invasive technique of biological signal collection for a dynamic exercise, in this case cycling. This collection is done by means of electrodes placed in the muscular regions that will be studied. The test submitted submitted ten volunteer cyclists to a ciclossimulator, in which, the subjects were submitted to the test of the race of 20 km against the clock. The data from this course allowed the search for the indication of the appearance of muscular fatigue in the individuals through the analysis of the median frequency of the electromyographic signals. Also, in order to compare, two methods of information measurement are proposed: Rényi’s quadratic entropy and cross-correlation. In the first one, the process of windowing of the EMG signal is performed for the 10 individuals tested and the Rényi quadratic entropy for each window is estimated using the Gaussian nucleus. At the end, the linear interpolation of the result is calculated. In the second method, the cross-correlation of power spectra of signal segments is analyzed to evaluate the degree of similarity between the stretches of the same signal. Finally, the linear interpolation of the result is calculated and it is verified if the signal has decreased. By means of the results of the tests, it is verified that the median frequency contributed to find the regions of the signs of the muscles that have a greater descending slope. For cross-correlation, it was found that the signal resulting from the correlation of two windows indicates by means of linear interpolation that an indicative of decreasing fatigue is not always obtained, and this behavior was also evident in the tests with the entropy. Thus, the statistical results indicate that these two methodologies are auxiliary techniques in the search for recognition of muscular patterns.

Conselho Nacional do Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) Fundação Araucária de Apoio ao Desenvolvimento Científico e Tecnológico do Paraná Este trabalho propõe o estudo e desenvolvimento de uma metodologia alternativa de identificação de falhas nos enrolamentos do estator de motores de indução trifásicos conectados diretamente à rede elétrica. A fim de reduzir a dimensão e complexidade destes tipos de sistemas, são utilizadas duas ferramentas de processamento de sinais, extração e seleção de características. Na etapa de extração, calcula-se a informação mútua atrasada dos sinais de correntes das fases A e B da máquina e na seleção, os algoritmos árvore de decisão C4.5 e rede neural artificial MLP são utilizados para a predição das classes, a fim de se obter um sistema de diagnóstico de falhas de estator eficaz. Os resultados experimentais offline e online consideram problemas de qualidade de energia, uma ampla faixa de conjugado de carga e curto-circuito entre as espiras do enrolamento de estator da ordem de 1% à 20%, os quais são apresentados para validar a abordagem desenvolvida neste trabalho. Os resultados obtidos indiciam que esta abordagem pode ser empregada para classificar falhas de curto-circuito entre as espiras do stator. This work proposes the study and development of an alternative approach to diagnose stator short-circuit faults in induction motors driven directly from a supply line. In order to reduce the size and complexity in these types of systems, signal processing techniques of extraction and feature selection are used. In the extraction step, the mutual information of the delayed phases of current signals, ia and ib, are computed and in the selection procedure, the algorithms C4.5 decision tree and multilayer perceptron neural network are employed in order to obtain an effective diagnostic of stator short-circuit faults. To assess the classification accuracy across the various levels of stator short-circuit fault severity (from 1% to 20%), offline and online experimental tests also considered a wide range of load conditions and voltage unbalance in the power supply. The obtained results indicate that this approach can be employed to classify stator short-circuit faults.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) O ensino na área de automação industrial, em cursos de engenharia, além dos fundamentos teóricos, requer o aprendizado prático de implementação de redes de Petri, hardwares e softwares dos controladores lógicos programáveis. Para desenvolver conhecimentos e habilidades, é necessário o uso intensivo de laboratórios, os quais nem sempre estão disponíveis nas universidades. Nesse contexto, os laboratórios remotos contribuem para prover experiências e aprendizado prático real, por meio do controle de equipamentos a um número maior de alunos e de universidades diferentes. Este trabalho tem por finalidade implementar um laboratório remoto de automação para viabilizar práticas de aprendizagem de redes de Petri. O laboratório remoto disponibiliza experiências a partir de plantas industriais virtuais e as implementa utilizando um controlador lógico programável (CLP) que é programado em Grafcet de acordo com tarefas pré-definidas. A lógica de controle das plantas industriais é modelada em rede de Petri Interpretada e, posteriormente, é gerado um programa em Grafcet. O laboratório possibilita a qualquer usuário, conectado à internet, a possibilidade de enviar e monitorar comandos remotamente de forma interativa e rápida. Para demonstrar a utilização do laboratório, foi realizado um cenário no qual são descritas as ações de um usuário do sistema e a resposta do sistema às ações do usuário, para a modelagem e controle de uma planta de dosagem de tinta. O trabalho apresenta também um estudo de usabilidade, realizado com dez alunos voluntários do curso de graduação em Engenharia de Controle e Automação, levando em consideração características de inteligibilidade, apreensibilidade, operacionabilidade e atratividade do laboratório remoto. In education in industrial automation, engineering courses, in addtion to theoretical foundations, it requires practical learning implementation of Petri nets, hardware and software for programmable logic controllers. To develop the knowledge and skills intensive use of laboratories, which are not always available in universities. In this context, remote laboratories contribute to provide experiences and real hands-on learning throught the equipment control to a great number of different students and universities. This study aims to propose build a remote lab automation to provide experiments of Petri nets. Experiences are drawn from a virtual and industrial systems implemented using a programmable logic controller (PLC) that is programmed in Grafcet according to predefined specifications. The system to be modeled is implemented in Petri net and the generated in a program Grafcet. The laboratory enables any user connected to the internet can send and monitor remotely commands interactively and quickly. To demonstrate the use of the laboratory, a practical experiment was carried out with the control of an ink production following step by step guidelines given to the remote user. The paper also presents a usability study conducted with ten course the student volunteers degree in Control and Automation Engineering, taking into account characteristics of understandability, learnability, operability and attractiveness of the remote laboratory.