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Título: Otimização de controladores PID e Fuzzy-PID em sistemas de regulação térmica com aprendizagem de máquina
Título(s) alternativo(s): Optimization of PID and Fuzzy-PID controllers in thermal regulation systems with machine learning
Autor(es): Sinzato Junior, Celso Hayashi
Moers, Pedro Menarim
Orientador(es): Martins, Marcella Scoczynski Ribeiro
Palavras-chave: Análise de regressão
Controladores PID
Sistemas difusos
Aprendizado do computador
Análise térmica
Regression analysis
PID controllers
Fuzzy Systems
Machine learning
Thermal analysis
Data do documento: 25-Nov-2025
Editor: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Câmpus: Ponta Grossa
Citação: SINZATO JUNIOR, Celso Hayashi; MOERS, Pedro Menarim. Otimização de controladores PID e Fuzzy-PID em sistemas de regulação térmica com aprendizagem de máquina. 2025. Trabalho de Conclusão de Curso (Bacharelado em Engenharia Elétrica) Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Ponta Grossa, 2025.
Resumo: Esta pesquisa insere-se no contexto da Indústria 4.0, em que a precisão e a eficiência de sistemas de controle térmico tornam-se cada vez mais essenciais. O trabalho tem como objetivo aplicar e avaliar diferentes modelos de Aprendizagem de Máquina para a otimização da ação de controle em sistemas baseados em controladores Proporcional- Integral-Derivativo (PID) e Fuzzy-PID. A metodologia seguiu um fluxo de Aprendizagem Supervisionada voltado à regressão, utilizando uma base de dados pública proveniente de um sistema de manufatura inteligente. Após a etapa de preparação dos dados - incluindo limpeza, padronização e seleção das variáveis - foram treinados e avaliados nove modelos de regressão, entre eles Random Forest, Multi-Layer Perceptron e diferentes variantes de Regressão Linear (Linear, Ridge e Lasso), SVR, Gradient Boosting, XGBoost e LightGBM. O alvo previsto pelos modelos corresponde à ação de controle fornecida pelo controlador Fuzzy-PID. Os resultados demonstram que a Aprendizagem de Máquina pode capturar de forma eficaz o comportamento do controlador adaptativo, mesmo em sistemas térmicos não lineares e sujeitos a histerese e variações ambientais. Entre os modelos testados, a Regressão Lasso apresentou o melhor desempenho global, alcançando '2 = 0,9407 e os menores erros médios, indicando que a relação entre variáveis de processo e ação de controle segue uma estrutura suficientemente regular para ser aprendida por um modelo linear regularizado. Esses achados reforçam o potencial da Aprendizagem de Máquina como ferramenta de apoio à sintonia de controladores, oferecendo maior previsibilidade, eficiência computacional e redução do esforço de calibração. O estudo evidencia que técnicas modernas de regressão podem complementar - e, em alguns cenários, superar - abordagens tradicionais, contribuindo diretamente para o avanço de soluções inteligentes em ambientes industriais alinhados aos princípios da Indústria 4.0.
Abstract: This research is situated within the scope of Industry 4.0, where accuracy and efficiency in thermal control systems have become increasingly essential. The main objective of this work is to apply and evaluate different Machine Learning models to optimize the control action in systems based on Proportional-Integral-Derivative (PID) and Fuzzy-PID controllers. The methodology followed a supervised learning workflow focused on regression, using a public dataset extracted from an intelligent manufacturing system. After data preparation - including cleaning, standardization, and feature selection - nine regression models were trained and evaluated, such as Random Forest, Multi-Layer Perceptron, and different variants of Linear Regression (Linear, Ridge, and Lasso), SVR, Gradient Boosting, XGBoost and LightGBM. The prediction target corresponded to the control action generated by the Fuzzy-PID controller. The results show that Machine Learning can effectively capture the behavior of the adaptive controller, even in nonlinear thermal systems subject to hysteresis and environmental variations. Among the models ested, Lasso Regression achieved the best overall performance, reaching '2 = 0.9407 and the lowest error metrics, indicating that the relationship between process variables and control action follows a sufficiently regular structure to be learned by a regularized linear model. These findings reinforce the potential of Machine Learning as a support tool for controller tuning, offering greater predictability, computational efficiency, and reduced calibration effort. The study highlights that modern regression techniquescan complement - and in some scenarios, outperform - traditional approaches, directly contributing to the advancement of intelligent solutions in industrial environments aligned with Industry 4.0 principles.
URI: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/39779
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