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- As tecnologias assistivas e os cidadãos mais idosos : propostas para a promoção de um melhor processo de envelhecimentoPublication . Gil, Henrique; Vieira, José BarrosO processo de envelhecimento promove um conjunto de perda de capacidades em diferentes níveis: físico, cognitivo, emotivo e social. A Iniciativa i2010: Plano de Acção «Tecnologias da Informação e das Comunicações e Envelhecimento», promovida pela União Europeia, visa a promoção de medidas e de ações que permitam uma melhor qualidade de vida para os cidadãos mais idosos. A Iniciativa i2010 pretende que sejam atingidos três diferentes domínios com as TIC mas com um enfoque nas tecnologias assistivas digitais: 1. Envelhecer bem no trabalho; 2. Envelhecer bem na comunidade; 3. Envelhecer bem em casa. É nesta última vertente que se pretende apresentar uma proposta que visa a criação e adaptação de dispositivos tecnológicos digitais que permitam uma monitorização das rotinas dos cidadãos mais idosos, salvaguardando-se todos os aspetos éticos e de privacidade, mas que seja potenciadora de um novo «ambiente» onde os cuidadores possam intervir sempre que for necessário de uma forma atempada em termos de salvaguarda do bem-estar e segurança dos cidadãos mais idosos. A conceção, o desenvolvimento e a implementação dos dispositivos digitais serão enquadrados nos projetos da Licenciatura em Engenharia Electrotécnica e das Telecomunicações (3º ano) na Escola Superior de Tecnologia do Instituo Politécnico de Castelo Branco.
- Passing from a gas to an electric water heater system: adaptive PID versus Smith predictive controlPublication . Vieira, José Barros; Mota, AlexandreThis paper presents the control results of an electric water heater system using two approaches: adaptable proportional integral derivative and Smith predictive control based in the physical internal model control structure. The electric water heater was modelled with two variable blocks connected in series: a first order system and a time delay. In fact, the gain, the time constant and the time delay of the system change linearly with the water that flows in the permutation chamber. The physical model of the electric water heater system was retched based in energy dynamic equations and validated with open loop data of the system in a similar way that was made in a previews study about modelling and controlling a gas water heater. The two different control algorithms explored are the adaptive proportional integral derivative (APID) and the Smith predictive control (SPC) based in the internal physical model control algorithm. The first approach has some problems dealing with the time constant and the time delay variations of the system. This solution can control the overshoot for all different water flows but the time constant of the close loop systems changes with the water flow. The APID does not deal well with water flow variations. The second approach is more adequate to control this kind of systems (first order system followed by a time delay that changes in time). The SPC loop is indicated for control time delay systems and with the à priori knowledge of the physical model we can achieve a very good control result. Finally, these two algorithms are applied in controlling the system and the results are compared using the mean square error criterion.
- Implementation of a stand-alone photovoltaic lighting system with MPPT battery charging and LED current controlPublication . Vieira, José Barros; Mota, AlexandreThis paper presents a efficient stand-alone battery photovoltaic (PV) lighting system which can provide functional illumination based on power light-emitting diodes (PLEDs). PLED with specific features of small size, long life and high-brightness light will be choices of future light sources. The PLEDs are feed using a lead acid battery that is charged with a PV panel. This paper presents an interface board with a ATMEL ATTINY861V microcontroller, a single-ended primary inductance converter (SEPIC) and input and output voltage and current measurements. The microcontroller runs the perturbation and observation (P&O) maximum power point tracker (MPPT) algorithm used in battery charging process. This algorithm makes the system more efficient. In order to control the PLEDs current, an equal interface board is used running now the proportional integral (PI) current PLED control algorithm adjusting the wanted level of light in the PLEDs array. The two identical interfaces boards based in the economic microprocessor achieved very good results in battery charging and discharge supervision improving the efficiency a life-time of the lead acid batteries (first board) and presents good current control results in the PLEDs array (second equal board) providing a constant PLEDs light even in voltage battery variations or discharges. The stand alone lighting system monitors the surround area and if it feels any movement it changes the level of light of PLEDs from signal light to illumination light. After a pre-defined time it comes back to signal light, saving energy.
- Thermoelectric generator using water gas heater energy for battery chargingPublication . Vieira, José Barros; Mota, AlexandreThis work deals with the design and a prototype implementation of a maximum power point tracker (MPPT) for a thermoelectric (TE) module aiming to improve energy conversion efficiency in battery charging. This system uses TE devices that directly convert heat energy from a water gas heater to electricity to charge a battery. The TE module exhibits a non-linear i-v characteristic and its maximum power point varies with the change of its surfaces temperatures. A SEPIC (single-ended primary inductance converter) DC–DC converter is applied and controlled by a microcontroller and to achieve the maximum power point tracking it is used the perturbation and observation (P&O) algorithm. The microcontroller will also control the charging process of lead-acid battery making an autonomous system that is used to feed the necessary electronics that controls an autonomous gas water heater system. The objectives of this work are to study the principle of TE power generation and to design and develop a TE battery charger that uses heat of a water gas heater system making an autonomous electrical system. The two different charging stages of a lead-acid battery lead us to a good interface board. Finally, experimental results performance of the first stage of charge using P&O MPPT algorithm are presented and compared with the results achieved with the direct connection of the TE module to the battery.
- Maximum power point tracker applied in batteries charging with PV panelsPublication . Vieira, José Barros; Mota, AlexandreThis work deals with the design and a prototype implementation of a real time maximum power point tracker (MPPT) for photovoltaic (PV) panel aiming to improve energy conversion efficiency. This MPPT algorithm is integrated in the charging process of lead-acid batteries making an autonomous system that can be used to feed any autonomous application. The photovoltaic system exhibits a non-linear i-v characteristic and its maximum power point varies with solar insolation and temperature. To control the maximum transfer power from a PV panel the Perturbation and Observation (P&O) MPPT algorithm is executed by a simple microcontroller ATMEL ATTINY861V using the PV voltage and current information and controlling the duty cycle of a pulse width modulation (PWM) signal applied in to a DC/DC converter. The schematic and design of the single-ended primary inductance converter (SEPIC) is presented. This DC/DC converter is chosen because the input voltage can be higher or lower than the output voltage witch presents obvious design advantages. With the P&O MPPT algorithm implemented and executed by the microcontroller, the different charging stages of a lead-acid battery are showed and executed. Finally, experimental results of the performance of the designed P&O MPPT algorithm are presented and compared with the results achieved with the direct connection of the PV panel to the battery.
- Artificial neural networks and neuro-fuzzy systems for modelling and controlling real systems: a comparative studyPublication . Vieira, José Barros; Dias, Fernando; Mota, AlexandreThis article presents a comparison of artificial neural networks andneuro-fuzzy systems appliedfor modelling andcontrolling a real system. The main objective is to model and control the temperature inside of a kiln for the ceramic industry. The details of all system components are described. The steps taken to arrive at the direct and inverse models using the two architectures: adaptive neuro fuzzy inference system and feedforward neural networks are described and compared. Finally, real-time control results using internal model control strategy are resented. Using available Matlab software for both algorithms, the objective is to show the implementation steps for modelling and controlling a real system. Finally, the performances of the two solutions were comparedthrough different parameters for a specific real didactic case
- Modelização cinzenta aplicada à síntese de controladores com baixa complexidadePublication . Vieira, José BarrosNas últimas décadas tem-se assistido à automatização generalizada da maioria dos sistemas e equipamentos que nos rodeiam no dia-a-dia, desde os sistemas industriais, de transporte, até aos pequenos electrodomésticos. A automatização dos sistemas torna-os mais inteligentes, no sentido de maior capacidade de adaptação operacional e maior eficácia, facilitando e simplificando a sua utilização. O problema que serviu de motivação ao desenvolvimento deste trabalho foi precisamente a automatização de um equipamento de aquecimento de água a gás, conhecido por esquentador doméstico. Neste sentido, o presente trabalho propõe novas estratégias de automatização inteligentes para o controlo de um esquentador, adaptadas à execução em sistemas embutidos de baixo poder de cálculo. Este trabalho suporta a tese de que a utilização de modelos com um elevado nível de interpretabilidade propicia a construção de estruturas com baixa complexidade matemática, potenciando a simplicidade das malhas de controlo. A interpretabilidade dos modelos deste tipo, tipicamente classificados como de caixa cinzenta ou cinzentos, depende do tipo de conhecimentos utilizados e incorporados na sua construção. Existindo, desde modelos construídos e identificados com base em dados de entrada e saída que apresentam baixos níveis de interpretabilidade, passando por modelos baseados em conhecimentos experimentais com níveis de interpretabilidade intermédios até modelos baseados em conhecimentos fenomenológicos que apresentam elevados níveis de interpretabilidade. Com o objectivo de construir modelos para o esquentador com um razoável nível de interpretabilidade são neste trabalho apresentados e explorados três métodos de modelização neuro-difusa (modelização cinzenta escura) orientada por blocos (modelização cinzenta) e híbrida (modelização cinzenta clara). Neste âmbito, são propostos como modelos para o esquentador: o modelo neuro-difuso, Hammerstein adaptativo polinomial/neuro-difuso e híbrido série polinomial/neuro-difuso. Utilizando os referidos modelos são propostas três malhas de controlo baseadas no controlador Smith preditivo, com algumas simplificações que resultam da interpretabilidade dos respectivos modelos, tal como a linearização do esquentador relativamente ao fluxo de gás. Finalmente, os desempenhos dos vários controladores assim como os respectivos níveis de interpretabilidade e de complexidade matemática são comparados. Este trabalho apresenta diversas contribuições ao nível das diferentes abordagens de modelização e da definição de algoritmos de controlo a aplicar num esquentador doméstico: •Definição e identificação do modelo neuro-difuso, dos modelos Hammerstein adaptativo polinomial/neuro-difuso e dos modelos híbridos série polinomial/neuro-difuso, que exploram as várias metodologias de combinação de conhecimentos a priori na sua construção (modelização cinzenta); •Proposta de definição da equação de balanço de energias de um esquentador doméstico; •Proposta de alteração da malha de controlo Smith preditivo de forma a linearizar o sistema relativamente a uma dada variável de entrada; .Apresentação da malha de controlo Smith preditivo para sistemas com múltiplas entradas com diferentes tempos mortos; •Aplicação dos vários modelos cinzentos no controlo automático de um esquentador doméstico, obtendo controladores adaptativos e não adaptativos de complexidade matemática relativamente baixa. Este trabalho disponibiliza uma gama diversificada de soluções de controlo automático para o esquentador com semelhantes níveis de desempenho, mas com diferentes níveis de interpretabilidade e de complexidade matemática. De referir que os testes e as avaliações das soluções de controlo apresentadas, além de simuladas antecipadamente num computador, foram efectuados com dados reais.