A presente proposta de estudo refere-se à identificação de modelo linear empírico para processo de transferência de oxigênio das bolhas de ar para o meio líquido, simulação para testes de controle e implementação de uma estratégia de controle em escala laboratorial em tempo real. Os ensaios de controle foram na unidade experimental (canal aberto) existente no laboratório de hidráulica ambiental o qual foi adaptado para aeração com sensores, atuadores, microcomputador, interface AD/DA. Foi testado o algoritmo de controle do tipo convencional PID (Proportional Integral Derivative control). Com os resultados obtidos da perturbação degrau na variável de entrada (alimentação do ar) foi possível identificar o sistema como um modelo de primeira ordem, suficiente para os propósitos de controle. Baseado na identificação, foi ajustado um controlador PID para implementação experimental. A principal contribuição desta pesquisa consistiu no emprego de uma estratégia de controle adequada na prática, ao processo de aeração. / The current study refers to the identification of an empirical linear model for the oxygen transfer process from air bubbles to liquid, control tests simulation and implementation of a control strategy at real time in laboratory scale. The control tests were carried out at the experimental unit (open channel) located at the environmental hydraulic laboratory which was adapted to aeration process with sensors, actuators, microcomputer, AD/DA interface. The classic PID (Proportional Integral Derivative control) algorithm was tested. With results from step response of input variable (air feeding) it was possible to identify the system as a first order model, enough for the control purposes. Based on the identification, a PID controller was adjusted for the experimental implementation. The main contribution of this work consisted of the employment of an appropriate control strategy to the aeration process in practice.

O presente trabalho pretende identificar o modelo ideal para um regulador eletrônico de velocidade por comutação de cargas de controle, com o intuito de baratear o investimento de implantação, e os custos de manutenção de uma microcentral hidroelétrica. Seguindo este mesmo objetivo de barateamento de custos, o trabalho mostra também que é possível se encontrar um tipo de turbina hidráulica e um tipo de máquina elétrica ideais para esta utilização. O trabalho faz a descrição dos vários tipos de turbinas utilizadas de acordo com as alturas de queda d\'agua e com as vazões que se enquadram dentro do conceito de microcentral. A seguir é abordado um estudo dos principais tipos de geradores elétricos, enfatizando-se aqueles que são mais viáveis para este tipo de aplicação. Depois é feita um descrição dos principais tipos de reguladores de velocidade, desde os clássicos eletromecânicos utilizados em centrais convencionais, até os chamados reguladores eletrônicos de velocidade que são utilizados tanto em centrais convencionais, como em microcentrais. Finalmente, faz-se um modelo matemático para uma microcentral a partir de simplificações de um modelo de uma central convencional para compará-lo com modelo identificado a partir dos ensaios realizados em campo. / This present work deals with micro hydropower electric systems and has its enphasis on the study of the turbine speed regulation by a electronic system. The proposed speed regulator is of local commutation type, where the constant speed is achieved by the constant demand of energy from the generator. The study presents a bibliographical revision seting up the state of art on micro-hydropower. Following this revision, the system modelling is studied. Theoretical and practical results are used the system modelling. Substancial cost reduction may be achieved using this technology in many ways: civil engineering works; elimination of the conventional turbine speed governor - not only because the governor is itself an expensive item, but because its removal permits simplification of the turbine, particularly where high efficiency is not a dominant concern. The simplified turbine design may lend itself to large-volume production at low unit cost, or it may permit manufacture in a Third World workshop using local labour and readily available materials. Finnaly this work implements a PID controller for regulation the system frequency.

O presente trabalho tem por objetivo a implementação de algoritmos de controle do tipo PID com sintonia automática de seus parâmetros para controle de processos térmicos de primeira ordem mais tempo morto. Existe um grande número de métodos para a sintonia automática, os quais requerem informações variadas sobre o processo. A sintonia automática dos parâmetros do controlador escolhida para implementação é baseada no método da realimentação a relê que utiliza o ganho estático e o período e amplitude críticos do processo e pode ser facilmente adotada na indústria. Este método foi implementado em um controlador industrial microprocessado que utiliza um microcontrolador da família 8051. A correta identificação dos parâmetros críticos do processo presume a geração de oscilações simétricas durante a realimentação a relê. O algoritmo de sintonia automática desenvolvido inclui correção em tempo real da amplitude do relê para evitar identificação falsa de um ciclo da oscilação e da assimetria na saída do processo durante a realimentação a relê. A implementação do algoritmo é simples e direta em termos de programação no ambiente de microcontroladores mesmo em linguagem de baixo nível (assembly). São apresentados resultados de simulação e os resultados experimentais realizados em um aparelho industrial comercial. / The objective of this work is the implementation of a PID control algorithm with auto-tuning for a thermal first order process plus dead-time. There is a number of methods for the auto-tuning of PID controllers which require different information on the process. The auto-tuning algorithm is implemented in a industrial controller based on the 8051 microcontroller family. The auto-tuning method considered for implementation is based on the relay feedback procedure which require the process steady state gain and the ultimate point on the Nyquist plot and can be easily adopted by industry. The method is also suited for pre-tuning adaptive controllers. The auto-tuning method used assume symmetrical oscillations during the relay feedback experiment to render the correct ultimate point on the Nyquist plot The proposed auto-tuning algorithm includes on-line correction for asymmetry oscillation and relay amplitude to avoid false capture of the limit cycle. The symmetrical oscillations are ensured by a DC bias signal added to the relay output. The algorithm is simply and straight to be written in a microcontroller programming language. Experimental results accomplished in a industrial PID auto-tuner are presented.

Os controladores PID são largamente utilizados em processos industriais. Recentemente, novos resultados de projeto de controladores PID foram obtidos para sistemas lineares invariantes no tempo sem atraso. Entretanto, o comportamento de diversas plantas industriais pode ser descrito matematicamente por sistemas lineares invariantes no tempo com atraso. O problema de estabilidade de sistemas lineares invariantes no tempo com atraso envolve encontrar a locação de raízes de funções transcedentais. Neste trabalho, o teorema de Hermite-Biehler é usado para estabelecer resultados para o projeto de controladores PID para uma classe de sistemas lineares com atraso. Usando a propriedade de entrelaçamento em altas freqüências da classe estudada e programação linear obtém-se o conjunto de todos os controladores PID. Até onde se sabe resultados anteriores de síntese de controladores PID envolvem a solução de equações transcendentais. / The PID controller is widely used in industrial processes. Recently, new results on the design of PID controllers for invariant time linear systems without time delays have appeared. However, the dynamic behavior of many industrial plants may be mathematically described by linear time invariant systems with time delays. The problem of stability of linear time invariant systems with time delays involves finding the location of roots of transcendental functions. In this work, the Hermite-Biehler theorem is used to establish results on the design of proportional plus integral plus derivative (PID) controllers for a class of time delay systems. Using the property of interlacing at high frequencies of the class of systems considered and linear programming we obtain the set of all stabilizing PID controllers. As far as we know, previous results on the synthesis of PID controllers rely on the solution of transcendental equations.

abstract: Proportional-Integral-Derivative (PID) controllers are a versatile category of controllers that are commonly used in the industry as control systems due to the ease of their implementation and low cost. One problem that continues to intrigue control designers is the matter of finding a good combination of the three parameters - P, I and D of these controllers so that system stability and optimum performance is achieved. Also, a certain amount of robustness to the process is expected from the PID controllers. In the past, many different methods for tuning PID parameters have been developed. Some notable techniques are the Ziegler-Nichols, Cohen-Coon, Astrom methods etc. For all these techniques, a simple limitation remained with the fact that for a particular system, there can be only one set of tuned parameters; i.e. there are no degrees of freedom involved to readjust the parameters for a given system to achieve, for instance, higher bandwidth. Another limitation in most cases is where a controller is designed in continuous time then converted into discrete-time for computer implementation. The drawback of this method is that some robustness due to phase and gain margin is lost in the process. In this work a method of tuning PID controllers using a loop-shaping approach has been developed where the bandwidth of the system can be chosen within an acceptable range. The loop-shaping is done against a Glover-McFarlane type ℋ∞ controller which is widely accepted as a robust control design method. The numerical computations are carried out entirely in discrete-time so there is no loss of robustness due to conversion and approximations near Nyquist frequencies. Some extra degrees of freedom owing to choice of bandwidth and capability of choosing loop-shapes are also involved and are discussed in detail. Finally, comparisons of this method against existing techniques for tuning PID controllers both in continuous and in discrete-time are shown. The results tell us that our design performs well for loop-shapes that are achievable through a PID controller. / Dissertation/Thesis / M.S. Electrical Engineering 2011

Por décadas, a qualidade de produtos é determinada por testes em ambientes de laboratório, como testes de acelerados de vibração, ciclagem térmica, choque mecânicos ou térmicos, entre outros. Porém, mais recentemente um novo tipo de técnica tem adquirido a confiança de pesquisadores e projetistas. As técnicas conhecidas como HALT (Highly Accelerated Life Testing) e HASS (Highly Accelerated Stress Screening), ou seja, testes acelerados e amplificados que submetem produtos a condições severas, têm mostrado sua importância e eficiência no âmbito da detecção de falha em produtos ainda na fase de produção. Este trabalho tem por objetivo desenvolver e implementar um algoritmo de controle baseado em métodos heurísticos para ser usado em ensaios acelerados usando um Shaker eletrodinâmico. Este controlador deve ser robusto o suficiente para se adequar a possíveis efeitos de ressonância do shaker que podem vir a alterar a dinâmica do sistema, inviabilizando controles tradicionais com parâmetros fixos. Os resultados obtidos através de vários ensaios mostraram que ambos os sistemas de controle são eficientes, pois o erro entre o sinal desejado (tensão mecânica ou aceleração) e os medidos experimentalmente, tendem rapidamente a zero não apresentando sobressinais consideráveis ou erro em regime permanente, tanto para frequência fixa quanto para varredura de frequência. A comparação entre o controlador tradicional PID e o controle heurístico baseado em Lógica Fuzzy, que foram aplicados no shaker eletrodinâmico, comprova que, para mudanças na amplitude do sistema, o controle Fuzzy apresentou menor sobressinal, o que é mais favorável do ponto de vista mecânico. Logo, a metodologia proposta pode ser aplicada para ensaios HALT/HASS com o intuito de obter grandes vibrações e, por conseguinte tensões, para identificar possíveis falhas de projeto e então, poder corrigi-las. / For decades, product quality is determined by environmental tests, such as accelerated vibration tests, thermal cycling, mechanical or thermal shock, and others. However, more recently a new type of test has gained the trust of researchers and designers. Known techniques such as HALT (Highly Accelerated Life Testing) and HASS (Highly Accelerated Stress Screening), or accelerated and amplified testing that submit products to severe conditions have shown their importance in the efficiency and fault detection in products still in production phase. This study aims to develop and implement a control algorithm based on heuristic methods in order to be used in a system of accelerated tests in an electrodynamic shaker. This controller must be robust enough to fit the resonance effects of the shaker that it can change the system dynamic, invalidating traditional controls with fixed parameters. The results obtained through tests showed both control systems are efficient, because the error between desired signal (mechanical stress and acceleration) and the experimentally measured tend rapidly to zero, there aren’t overshoots or steady state errors, both for constant frequency and for sweep frequency. Comparing the PID traditional control and the Logic Fuzzy control, applied in electrodynamic shaker, we proved that to change system amplitude, the fuzzy control presented lower overshoot, that is favorable from the standpoint of mechanical. Therefore, the methodology proposed can be applied to HALT/HASS tests in order to obtain large vibrations and, consequently stress, to identify possible flaws in the design and correct them.

Made available in DSpace on 2014-12-17T14:08:47Z (GMT). No. of bitstreams: 1 JeanCSG_DISSERT.pdf: 2590836 bytes, checksum: a8999e4e7cb4dfe6cb037286ddf5336d (MD5) Previous issue date: 2011-05-27 / Currently the uncertain system has attracted much academic community from the standpoint of scientific research and also practical applications. A series of mathematical approaches emerge in order to troubleshoot the uncertainties of real physical systems. In this context, the work presented here focuses on the application of control theory in a nonlinear dynamical system with parametric variations in order and robustness. We used as the practical application of this work, a system of tanks Quanser associates, in a configuration, whose mathematical model is represented by a second order system with input and output (SISO). The control system is performed by PID controllers, designed by various techniques, aiming to achieve robust performance and stability when subjected to parameter variations. Other controllers are designed with the intention of comparing the performance and robust stability of such systems. The results are obtained and compared from simulations in Matlab-simulink. / Atualmente os sistemas que qpresentam incertezas t?m atra?do muito a comunidade acad?mica do ponto de vista da investiga??o cient?fica e tamb?m das aplica??es pr?ticas. Uma s?rie de abordagens matem?ticas surgem com o objetivo de resolver problemas relacionados ?s incertezas de sistemas f?sicos reais. Nesse contexto, o trabalho aqui apresentado tem como foco a aplica??o da teoria de controle em um sistema din?mico n?o linear e com varia??es param?tricas visando a robustez. Utilizamos, como aplica??o pr?tica deste trabalho, um sistema de tanques associados da Quanser, em uma configura??o cujo modelo matem?tico ? representado por um sistema de segunda ordem com uma entrada e uma sa?da (SISO). O controle do sistema ? realizado por controladores PIDs, projetados por diversas t?cnicas, objetivando alcan?ar o desempenho e estabilidade robusta, quando submetido a varia??es de par?metros. Outros controladores s?o projetados com esse mesmo intuito e os resultados obtidos s?o comparados a partir de simula??es realizadas no Matlabsimulink.

Made available in DSpace on 2014-12-17T14:55:59Z (GMT). No. of bitstreams: 1 AnnaGCDR_DISSERT.pdf: 3532011 bytes, checksum: b6ce5f651948f14b8ec7b9bf36848c0d (MD5) Previous issue date: 2011-06-27 / Coordena??o de Aperfei?oamento de Pessoal de N?vel Superior / Hypertension is a dangerous disease that can cause serious harm to a patient health. In some situations the necessity to control this pressure is even greater, as in surgical procedures and post-surgical patients. To decrease the chances of a complication, it is necessary to reduce blood pressure as soon as possible. Continuous infusion of vasodilators drugs, such as sodium nitroprusside (SNP), rapidly decreased blood pressure in most patients, avoiding major problems. Maintaining the desired blood pressure requires constant monitoring of arterial blood pressure and frequently adjusting the drug infusion rate. Manual control of arterial blood pressure by clinical personnel is very demanding, time consuming and, as a result, sometimes of poor quality. Thus, the aim of this work is the design and implementation of a database of tuned controllers based on patients models, in order to find a suitable PID to be embedded in a Programmable Integrated Circuit (PIC), which has a smaller cost, smaller size and lower power consumption. For best results in controlling the blood pressure and choosing the adequate controller, tuning algorithms, system identification techniques and Smith predictor are used. This work also introduces a monitoring system to assist in detecting anomalies and optimize the process of patient care. / A hipertens?o arterial ? uma doen?a perigosa que pode causar danos graves a sa?de do paciente. Em algumas situa??es a necessidade de controlar essa press?o ? ainda maior, como em procedimentos cir?rgicos e em pacientes p?s-cirurgicos em que para diminuir as chances de uma complica??o, ? necess?rio reduzir a press?o arterial o mais r?pido poss?vel. A infus?o cont?nua de drogas vasodilatadoras, como o nitroprussiato de s?dio (NPS), reduz rapidamente a press?o arterial na maioria dos pacientes, evitando problemas maiores. Manter a press?o arterial pretendida exige um monitoramento constante e um ajuste frequente na taxa de infus?o da droga. O controle manual desse procedimento feito por um profissional ? muito desgastante, demorado e, como resultado, muitas vezes de m? qualidade. Desta forma, o objetivo desse trabalho ? o projeto e implementa??o de um banco de controladores sintonizados e baseados em modelos de pacientes, visando encontrar o PID adequado para ser embarcado em uma placa de circuito integrado program?vel (PIC), uma vez que um PIC possui um custo reduzido, tamanho menor e consumo menor de energia. Para obter melhores resultados no controle da press?o arterial e escolha do controlador mais adequado s?o utilizados algoritmos de sintonia, t?cnicas de identifica??o de sistemas e preditor de Smith. O presente trabalho tamb?m apresenta um sistema de monitoramento que auxilia na detec??o de anomalias e agiliza o processo de atendimento ao paciente.

Made available in DSpace on 2014-12-17T15:01:20Z (GMT). No. of bitstreams: 1 BriggidaDM.pdf: 1596693 bytes, checksum: 9715f450449b483eb851c1d730270c57 (MD5) Previous issue date: 2009-08-28 / The rotary dryer is one of the most used equipments in processing industries. Its automatic control mode of operation is important specially to keep the moisture content of the final product in the desired value. The classical control strategies, like PID (proportional integral derivative) control, are largely used in the industrial sector because of its robustness and because they are easy to be implemented. In this work, a data acquisition system was implemented for monitoring the most relevant process variables, like: both inlet and outlet drying air temperature, dryer rotation, outlet air speed and humidity, and mass of the final product. Openloop tests were realized to identify a mathematical model able to represent the drying process for the rotary system. From this model, a PID controller was tuned using a direct synthesis method, assuming a first order trajectory. The PID controller was implemented in the system in order to control the inlet drying air temperature. By the end, closedloop tests (operating in automatic mode) were realized to observe the controller performance, and, after setting the best tune, experiments were realized using passion fruit seeds as raw material. The experiments realized in closedloop showed a satisfactory performance by the implemented control strategy for the drying air temperature of the rotary system / O secador rotat?rio ? um dos equipamentos amplamente utilizados nas ind?strias de processamento. Sua opera??o em modo de controle autom?tico ? importante para manter, principalmente, a umidade do produto final na especifica??o de interesse. As estrat?gias de controle cl?ssicas, tais como o controle PID (proporcional integral derivativo), s?o largamente utilizadas no setor industrial devido ? sua robustez e facilidade de implementa??o. Neste trabalho foi implementado um sistema de aquisi??o de dados para o monitoramento das vari?veis mais relevantes do processo de secagem, tais como: temperatura do g?s na entrada e na sa?da do secador, rota??o do tambor, velocidade e umidade do ar na sa?da do secador, e massa do produto final. Testes em malha aberta foram realizados para identificar um modelo matem?tico capaz de representar o processo de secagem no sistema rotat?rio. A partir deste modelo, o controlador PID foi sintonizado utilizando o m?todo de s?ntese direta e admitindo uma trajet?ria de primeira ordem. O controlador PID foi implementado no sistema com o objetivo de controlar a temperatura do ar de secagem na alimenta??o do secador. Por fim, testes em malha fechada (operando em modo autom?tico) foram realizados para observar o desempenho do controlador e, com a melhor sintonia definida, experimentos com a mat?riaprima, rejeito de maracuj?, se procederam. Os ensaios realizados em malha fechada permitiram verificar um desempenho satisfat?rio da estrat?gia de controle implementada para a temperatura do ar de secagem do sistema rotat?rio

Por décadas, a qualidade de produtos é determinada por testes em ambientes de laboratório, como testes de acelerados de vibração, ciclagem térmica, choque mecânicos ou térmicos, entre outros. Porém, mais recentemente um novo tipo de técnica tem adquirido a confiança de pesquisadores e projetistas. As técnicas conhecidas como HALT (Highly Accelerated Life Testing) e HASS (Highly Accelerated Stress Screening), ou seja, testes acelerados e amplificados que submetem produtos a condições severas, têm mostrado sua importância e eficiência no âmbito da detecção de falha em produtos ainda na fase de produção. Este trabalho tem por objetivo desenvolver e implementar um algoritmo de controle baseado em métodos heurísticos para ser usado em ensaios acelerados usando um Shaker eletrodinâmico. Este controlador deve ser robusto o suficiente para se adequar a possíveis efeitos de ressonância do shaker que podem vir a alterar a dinâmica do sistema, inviabilizando controles tradicionais com parâmetros fixos. Os resultados obtidos através de vários ensaios mostraram que ambos os sistemas de controle são eficientes, pois o erro entre o sinal desejado (tensão mecânica ou aceleração) e os medidos experimentalmente, tendem rapidamente a zero não apresentando sobressinais consideráveis ou erro em regime permanente, tanto para frequência fixa quanto para varredura de frequência. A comparação entre o controlador tradicional PID e o controle heurístico baseado em Lógica Fuzzy, que foram aplicados no shaker eletrodinâmico, comprova que, para mudanças na amplitude do sistema, o controle Fuzzy apresentou menor sobressinal, o que é mais favorável do ponto de vista mecânico. Logo, a metodologia proposta pode ser aplicada para ensaios HALT/HASS com o intuito de obter grandes vibrações e, por conseguinte tensões, para identificar possíveis falhas de projeto e então, poder corrigi-las. / For decades, product quality is determined by environmental tests, such as accelerated vibration tests, thermal cycling, mechanical or thermal shock, and others. However, more recently a new type of test has gained the trust of researchers and designers. Known techniques such as HALT (Highly Accelerated Life Testing) and HASS (Highly Accelerated Stress Screening), or accelerated and amplified testing that submit products to severe conditions have shown their importance in the efficiency and fault detection in products still in production phase. This study aims to develop and implement a control algorithm based on heuristic methods in order to be used in a system of accelerated tests in an electrodynamic shaker. This controller must be robust enough to fit the resonance effects of the shaker that it can change the system dynamic, invalidating traditional controls with fixed parameters. The results obtained through tests showed both control systems are efficient, because the error between desired signal (mechanical stress and acceleration) and the experimentally measured tend rapidly to zero, there aren’t overshoots or steady state errors, both for constant frequency and for sweep frequency. Comparing the PID traditional control and the Logic Fuzzy control, applied in electrodynamic shaker, we proved that to change system amplitude, the fuzzy control presented lower overshoot, that is favorable from the standpoint of mechanical. Therefore, the methodology proposed can be applied to HALT/HASS tests in order to obtain large vibrations and, consequently stress, to identify possible flaws in the design and correct them.