40001016043P4 Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica

Controle de trajetória em robôs autônomos com distribuição de massa assimétrica

2026-04-27T20:22:14Z

Controle de trajetória em robôs autônomos com distribuição de massa assimétrica Resumo: Este trabalho investiga o impacto de controladores de velocidade no desempenho de navegação de robôs móveis omnidirecionais com rodas Mecanum, considerando variações de carga (1–11 kg) e deslocamentos do centro de massa (±1,0 m por eixo). Implementou-se uma ar quitetura cascata (malha externa de posição 50 Hz e malha interna de velocidade 100 Hz) em simulação Gazebo/Robot Operating System (ROS) 2, comparando quatro estratégias: Malha Aberta, Proporcional-Integral-Derivativo (PID) com ganhos constantes, PID Adaptativo e Fuzzy Adaptativo. Foram executadas 144 trajetórias quadradas (5 m × 5 m), sendo 36 por controlador, cobrindo 36 configurações de carga. A principal contribuição é a demonstração quantitativa de que controladores adaptativos superiores na malha interna propagam seu desempenho para a malha externa. Os resultados, validados por Análise de Variância (ANOVA) (p < 0,0001), revelam que PID Adaptativo e Fuzzy são estatisticamente equivalentes (p = 0,978) e superiores ao PID com ganhos constantes: Raiz do Erro Quadrático Médio (RMSE) de 0,186±0,032 m/s (PID Adaptativo) e 0,240±0,086 m/s (Fuzzy), ambos 58–67% melhores que PID com ganhos constantes (0,568 m/s). O ranking consolidado, com base no RMSE de velocidade, é: PID Adaptativo ˜ Fuzzy > PID com ganhos constantes > Malha Aberta. O mecanismo reside no ajuste contínuo dos ganhos em função do erro e sua derivada, compensando variações de inércia. Conclui-se que controladores adaptativos são superiores para navegação com variação de carga, enquanto PID com ganhos constantes pode ser adequado para aplicações com carga constante; Abstract: This work investigates the impact of velocity controllers on the navigation performance of omni directional mobile robots with Mecanum wheels, considering load variations (1–11 kg) and center of mass shifts (±1.0 m per axis). A cascade control architecture (outer position loop at 50 Hz and inner velocity loop at 100 Hz) was implemented in Gazebo/Robot Operating System (ROS) 2 simulation, comparing four strategies: Open-Loop Control, Proportional-Integral-Derivative (PID) with constant gains, Adaptive PID, and Adaptive Fuzzy. A total of 144 square trajectories (5 m×5m)wereexecuted, with 36 per controller, covering 36 load configurations. The main contribution is the quantitative demonstration that adaptive controllers superior in the inner loop propagate their performance to the outer loop. Results, validated by Analysis of Variance (ANOVA) (p < 0.0001), reveal that Adaptive PID and Fuzzy are statistically equiv alent (p = 0.978) and superior to PID with constant gains: Root Mean Square Error (RMSE) of 0.186±0.032 m/s (Adaptive PID) and 0.240±0.086 m/s (Fuzzy), both 58–67% better than PID with constant gains (0.568 m/s). The consolidated ranking, based on velocity RMSE, is: Adaptive PID ˜ Fuzzy > PID with constant gains > Open Loop. The mechanism lies in continuous gain adjustment based on error and its derivative, compensating for inertia variations. It is concluded that adaptive controllers are superior for navigation with load variation, while PID with constant gains may be adequate for applications with constant load Orientador: Leandro dos Santos Coelho; Banca: Leandro dos Santos Coelho (Presidente da Banca), Lucas Weihmann, Gideon Villar Leandro e Andrei Camponogara; Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica. Defesa : Curitiba, 04/12/2025; Inclui referências

Circuitos lineares de primeira e segunda ordens descritos por equivalentes no domínio do tempo adaptados para análise de transitório

2026-04-23T10:42:06Z

Circuitos lineares de primeira e segunda ordens descritos por equivalentes no domínio do tempo adaptados para análise de transitório Resumo: A análise de circuitos elétricos tem como objetivo determinar todas as tensões e correntes em cada elemento a partir das leis fundamentais da teoria de circuitos, como as equações constitutivas dos elementos e as Leis de Kirchhoff, que sustentam métodos clássicos de análise em corrente contínua (CC), corrente alternada (CA) e regime transitório. Métodos sistemáticos, como a análise nodal e o método das malhas, transformam essas leis em sistemas de equações algébricas, mas, quando o circuito contém elementos armazenadores de energia, como capacitores e indutores, a representação adequada de seu comportamento dinâmico exige a conversão das equações diferenciais em expressões algébricas específicas para cada tipo de análise. Para circuitos complexos, é comum substituí-los por um circuito equivalente mais simples, de topologia fixa. Na literatura, é proposto o circuito equivalente baseado em matriz de parâmetros, entretanto ele é representado no domínio da frequência, e no domínio do tempo elementos cujo comportamento depende da frequência, como os representados por matrizes de parâmetros, requerem análises convolucionais para serem descritos adequadamente, o que aumenta a complexidade computacional e demanda software especializados. Diante disso, este trabalho propõe dois modelos equivalentes de circuitos lineares de duas portas diretamente no domínio do tempo discreto, com foco na análise transitória convencional, utilizando a matriz de parâmetros Z como base para a representação dos circuitos. Para circuitos de primeira ordem, os coeficientes foram obtidos por decomposição direta ou análise polinomial, sendo esta última expandida para circuitos de segunda ordem, e a validação foi realizada por meio de simulações manuais e no software QUCS, considerando diferentes cenários de frequência da fonte. Os resultados foram avaliados quantitativamente com métricas comoerro quadrático médio (MSE) e erro absoluto. Os modelos demonstraram precisão na reprodução do comportamento dinâmico dos circuitos em regime permanente, embora o modelo de segunda ordem apresente limitações, sendo válido apenas para circuitos estimulados por fontes periódicas; Abstract: The analysis of electrical circuits aims to determine all voltages and currents in each element based on the fundamental laws of circuit theory, such as the constitutive equations of the elements and Kirchhoff’s Laws, which support classical methods of analysis in direct current (DC), alternating current (AC), and transient regimes. Systematic methods, such as nodal analysis and mesh analysis, transform these laws into systems of algebraic equations, but when the circuit contains energy-storing elements such as capacitors and inductors, an adequate representation of their dynamic behavior requires converting differential equations into algebraic expressions specific to each type of analysis. For complex circuits, it is common to replace them with a simpler equivalent circuit of fixed topology. In the literature, an equivalent circuit based on parameter matrices is proposed, although it is represented in the frequency domain, and in the time domain elements whose behavior depends on frequency, such as those represented by parameter matrices, require convolutional analyses to be properly described, which increases computational complexity and demands specialized software. In this context, this work proposes two equivalent models of linear two-port circuits directly in the discrete-time domain, focusing on conventional transient analysis, using the parameter matrix Z as the basis for circuit representation. For first-order circuits, the coefficients were obtained through direct decomposition or polynomial analysis, the latter being extended to second-order circuits, and validation was carried out through manual simulations and in the QUCS software, considering different source frequency scenarios. The results were quantitatively evaluated using metrics such as mean squared error (MSE) and absolute error. The models demonstrated accuracy in reproducing the dynamic behavior of circuits in steady-state operation, although the second-order model presents limitations, being valid only for circuits excited by periodic sources Orientador: Prof. Ph.D. Eduardo Gonçalves de Lima; Banca: Eduardo Gonçalves de Lima (Presidente da Banca), Guilherme de Santi Peron, Luiz Schuartz; Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica. Defesa : Curitiba, 29/08/2025; Inclui referências; Área de concentração: Engenharia Elétrica

Solução de carregamento de veículos elétricos com gerenciamento de demanda máxima

2026-04-10T17:29:42Z

Solução de carregamento de veículos elétricos com gerenciamento de demanda máxima Resumo: Com o constante aumento da adesão de veículos elétricos como meio de transporte, carregar todos esses veículos se torna um problema para ser resolvido. O tipo de carregador mais aderido pelos usuários para carregar veículos elétricos são os carregadores residenciais, dada sua praticidade. Porém em edificações com muitos destes carregadores isso deve ser gerenciado para que não sobrecarregue a instalação elétrica. Neste estudo aborda-se uma proposta de algoritmo para gerenciamento de carregadores de veículos elétricos aplicando-se uma otimização baseada no algoritmo genético NSGA-III, visando assim alocar da melhor maneira a demanda destes equipamentos sem passar da limitação da instalação elétrica atual. Esta pesquisa caracteriza-se como um estudo de natureza aplicada com abordagem qualitativa e quantitativa. O estudo se desenvolveu com base em referencial teórico, legislações e normas nacionais e internacionais, e também literatura relevante na área. O desenvolvimento do algoritmo se baseou em linguagem de programação Python com utilização de otimização a partir de algoritmo genético NSGA-III, que tem um bom desempenho para trabalhar com cenários multiobjetivos. Foram estipulados quatro cenários nos quais foram sendo variadas as condições, e no quarto cenário foi apresentada a versão com a implementação da otimização com algoritmo genético. Para testar esta otimização o algoritmo foi aplicado em três cenários com condições de entrada diferentes para comparação de resultados, podendo-se assim avaliar a adaptabilidade da solução em diferentes aplicações. Percebeu-se que dos quatro cenários avaliados o que continha a otimização se destacou em resultados, e entre os cenários comparativos esse modelo mostrou constantemente o melhor desempenho para diferentes variáveis de entrada. Com a avaliação dos resultados obtidos foi observado que a solução não só é viável como também pode ter incrementos futuros, como ser complementada com fontes de energia renovável, incluir refinamento no cálculo do carregamento ou também ser complementada com medidores de energia inteligentes; Abstract: With the constant increase in the adoption of electric vehicles as a means of transportation, charging all these vehicles becomes a problem to be solved. The type of charger most adopted by users to charge electric vehicles are residential chargers, given their practicality. However, in buildings with many of these chargers, this must be managed so as not to overload the electrical installation. This study addresses a proposed algorithm for managing electric vehicle chargers by applying an optimization based on the NSGA-III genetic algorithm, thus aiming to optimally allocate the demand of these equipment without exceeding the limitation of the current electrical installation. This research is characterized as an applied study with a qualitative and quantitative approach. The study was developed based on theoretical framework, national and international legislation and standards, and also relevant literature in the area. The algorithm development was based on Python programming language using optimization from the NSGA-III genetic algorithm, which has good performance for working with multi-objective scenarios. Four scenarios were stipulated in which conditions were varied, and in the fourth scenario, the version with the implementation of optimization with genetic algorithm was presented. To test this optimization, the algorithm was applied in three scenarios with different input conditions for result comparison, thus being able to evaluate the adaptability of the solution in different applications. It was observed that among the four evaluated scenarios, the one containing optimization stood out in results, and among the comparative scenarios, this model constantly showed the best performance for different input variables. With the evaluation of the obtained results, it was observed that the solution is not only viable but can also have future increments, such as being complemented with renewable energy sources, including refinement in the charging calculation, or also being complemented with smart energy meters Orientador: Prof. Dr. Alexandre Rasi Aoki; Coorientador: Prof. Dr. Bruno Knevitz Hammerschmitt; Banca: Alexandre Rasi Aoki (Presidente da Banca), Alzenira da Rosa Abaide e Mateus Duarte Teixeira; Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica. Defesa : Curitiba, 02/07/2025; Inclui referências

Fluxo de potência e estimação de estados para análise de redes integradas de transmissão e distribuição de energia elétrica

2026-03-27T12:44:39Z

Fluxo de potência e estimação de estados para análise de redes integradas de transmissão e distribuição de energia elétrica Resumo: Este trabalho propõe uma extensão da formulação convencional de fluxo de potência desacoplado rápido de Newton-Raphson para permitir a análise de sistemas de transmissão e distribuição (T&D) em uma abordagem unificada. A extensão proposta associa a eficiência computacional bem conhecida dos algoritmos de fluxo de potência desacoplado rápido de Newton-Raphson à aplicação da normalização complexa por unidade (cpu). Injeções artificiais de potência em barras de fronteira de T&D são anexadas à formulação de fluxo de potência como novas variáveis de estado, a fim de manter a precisão da análise. As modificações necessárias no algoritmo de fluxo de potência desacoplado rápido de Newton-Raphson e uma visão geral da técnica de normalização cpu são apresentadas. Além disso, este trabalho apresenta também uma abordagem de estimação de estados desacoplada para sistemas interligados de transmissão e distribuição (T&D). A abordagem proposta é baseada em uma aplicação inovadora da normalização complexa por unidade, que além de viabilizar o uso de métodos desacoplados em sistemas de distribuição, permite o processamento de redes T&D interconectadas sem recorrer a técnicas de compensação fictícia nas barras de fronteira, o que traz robustez ao processo iterativo. Os resultados das simulações do fluxo de potência e do estimador de estados propostos atestam a relevância de uma análise unificada de T&D para determinar adequadamente a interrelação de alimentadores de distribuição ativos e a operação do sistema de transmissão. Neste contexto, o desempenho da abordagem proposta indica claramente sua eficácia para lidar com diferentes redes de energia topológicas e operacionais; Abstract: This work proposes an extension of the conventional Newton-Raphson fast decoupled power flow formulation to enable the analysis of transmission and distribution (T&D) systems in a unified approach. The proposed extension combines the well-known computational efficiency of Newton Raphson fast decoupled power flow algorithms with the application of complex per unit normalization (cpu). Artificial power injections at T&D boundary buses are appended to the power flow formulation as new state variables to maintain the accuracy of the analysis. The necessary modifications to the Newton-Raphson fast decoupled power flow algorithm and an overview of the cpu normalization technique are presented. Furthermore, this work also presents a decoupled state estimation approach for interconnected transmission and distribution (T&D) systems. The proposed approach is based on an innovative application of per-unit complex normalization, which, in addition to enabling the use of decoupled methods in distribution systems, allows the processing of interconnected T&D networks without resorting to fictitious compensation techniques at the boundary buses, which brings robustness to the iterative process. The results of the power flow and state estimator proposed simulations and the attest to the relevance of a unified T&D analysis to adequately determine the interrelation of active distribution feeders and the operation of the transmission system. In this context, the performance of the proposed approach clearly indicates its effectiveness in dealing with different topological and operational power networks Orientadora: Profa. Dra. Elizete Maria Lourenço; Coorientador: Prof. Dr. Odilon Luís Tortelli; Banca: Elizete Maria Lourenço (Presidente da Banca), Joao Bosco Augusto London Junior, Thelma Solange Piazza Fernandes, Andrea Lucia Costa e Odilon Luis Tortelli; Tese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica. Defesa : Curitiba, 07/11/2024; Inclui referências