Este trabalho apresenta uma análise paramétrica da reposta dinâmica de colunas de perfuração de poços de petróleo com controle proporcional-integral de velocidade não colocalizado. A operação de perfuração de poços de petróleo e gás em águas profundas consiste na abertura de poços em solo rochoso através de uma broca cuja rotação é controlada por uma mesa rotativa na superfície. O torque imposto pela mesa é transmitido à broca por meio de uma coluna de perfuração. Particularmente no caso de perfuração em águas profundas, as colunas de perfuração podem ser muito extensas e, portanto, bastante flexíveis. As vibrações ocasionadas pela grande flexibilidade das colunas de perfuração são as principais responsáveis por falhas no processo de perfuração. Em particular, o fenômeno não-linear conhecido como stick-slip e relacionado às vibrações torcionais da coluna de perfuração, faz com que um sistema de controle projetado para manter a velocidade da mesa constante dê origem a grandes oscilações na velocidade da broca. Na prática, este fenômeno é amplificado pela inerente não-linearidade do contato entre broca e formação rochosa e pela forte não colocalização entre mesa rotativa e broca. Este trabalho tem por principal objetivo realizar uma análise paramétrica da dinâmica do processo de perfuração, usando um modelo de dois graus de liberdade para representar o conjunto mesa rotativa, coluna de perfuração e broca, para identificar condições nas quais uma lei de controle simples do tipo linear proporcional-integral pode fornecer um desempenho de perfuração estável e satisfatório. / This paper presents a parametric analysis of the dynamics of oilwell drillstrings with non-collocated proportional-integral velocity control. The drilling operation for oil and gas in deep waters consists of opening wells in rocky ground formation by a drill, whose angular speed is controlled by a rotary table at the surface. The torque applied by the table is transmitted to the drill-bit through the drillstring. Particularly in the deepwater drilling case, the drillstring can be very long and therefore very flexible. The vibrations caused by the great flexibility of drilling columns are mainly responsible for the failures in the drilling process. In particular, the nonlinear phenomenon known as stick-slip and related to the torsional vibration of the drillstring, makes that a control system designed to maintain a constant angular velocity at the table yield large variations at the drill-bit angular velocity. In practice, this phenomenon is amplified by the inherent nonlinearity of the contact between drill bit and rock formation and by the strong non-colocalization between rotary table and drill-bit. The main objective of this work is to perform a parametric analysis of the dynamics of the drilling process, using a two degrees of freedom model in order to represent the rotary table assembly, the drilling column and drill-bit, to identify conditions in which a simple control law, such as a linear proportional-integral velocity control, can provide a stable and satisfactory drilling performance.

Orientador: Jozué Vieira Filho / Banca: Carlos Antonio Alves / Banca: Tony Inácio da Silva / Resumo: A automação de esteiras rolantes é algo comum e importante em sistemas industriais, mas problemas práticos ainda representam desafios. Um dos desses desafios é manter a precisão em sistemas que exigem paradas sistemáticas, pois folgas mecânicas tendem a provocar variações nas posições de paradas ao longo do tempo. A aplicação de motores de indução têm se tornado comum e soluções eficientes e de baixo custo têm sido pesquisadas. Neste trabalho foi desenvolvido e implementado um sistema de controle de posição e velocidade aplicado em esteiras transportadoras utilizando inversor de frequência, microcontrolador, encoder óptico incremental e sensor indutivo. O movimento da esteira transportadora é efetuado por um motor de indução trifásico, que é acionado pelo conjunto microcontrolador - inversor de frequência. Este conjunto impõe uma frequência no estator do motor através de uma troca de mensagens entre microcontrolador e inversor de frequência (Sistema Mestre-Escravo). Para o envio e recebimento das mensagens, utilizou-se o protocolo de comunicação serial USS® (Universal Serial Interface Protocol) através do padrão RS-485. Os controles de posição e velocidade de rotação do eixo do motor fundamentam-se no sinal gerado pelo encoder óptico incremental, responsável por informar a posição do eixo do motor ao longo da trajetória, e no sensor indutivo que determina uma referência externa importante para a esteira transportadora. Para o funcionamento automático da esteira, elaborou-se um software em linguagem de programação C. Como resultado obteve-se um sistema de controle de posição e velocidade do eixo do motor de indução trifásico que apresenta bons resultados / Abstract: Automated conveyors system have been largely used in industrial applications. However, there are still practical issues to be overcome. One of them is due to the system mechanical limitation which can lead to low accuracy for applications based on "stop-and-go" movements. Induction motors have been largely used in such applications and low costs solutions have been searched. In this work it was developed and implemented a system of positioning and velocity control applied to conveyors which is based on frequency inverter, microcontroller, optical incremental encoder and inductive sensor. The conveyor's movement is made by means of a three-phase induction motor, which is driven by the couple microcontroller-frequency inverter. There are messages exchange between the microcontroller and the frequency inverter (Master - Slave configuration) which is based on the communication serial protocol USS through the RS-485 standard. The position and velocity of the motor spindle are controlled using an optical incremental encoder, which is responsible to provide the position of the trajectory, and an inductive sensor which determines the initial reference to the conveyor. The software used to control the system was developed in C language. The results show a low cost system with good results / Mestre

Este trabalho apresenta uma análise paramétrica da reposta dinâmica de colunas de perfuração de poços de petróleo com controle proporcional-integral de velocidade não colocalizado. A operação de perfuração de poços de petróleo e gás em águas profundas consiste na abertura de poços em solo rochoso através de uma broca cuja rotação é controlada por uma mesa rotativa na superfície. O torque imposto pela mesa é transmitido à broca por meio de uma coluna de perfuração. Particularmente no caso de perfuração em águas profundas, as colunas de perfuração podem ser muito extensas e, portanto, bastante flexíveis. As vibrações ocasionadas pela grande flexibilidade das colunas de perfuração são as principais responsáveis por falhas no processo de perfuração. Em particular, o fenômeno não-linear conhecido como stick-slip e relacionado às vibrações torcionais da coluna de perfuração, faz com que um sistema de controle projetado para manter a velocidade da mesa constante dê origem a grandes oscilações na velocidade da broca. Na prática, este fenômeno é amplificado pela inerente não-linearidade do contato entre broca e formação rochosa e pela forte não colocalização entre mesa rotativa e broca. Este trabalho tem por principal objetivo realizar uma análise paramétrica da dinâmica do processo de perfuração, usando um modelo de dois graus de liberdade para representar o conjunto mesa rotativa, coluna de perfuração e broca, para identificar condições nas quais uma lei de controle simples do tipo linear proporcional-integral pode fornecer um desempenho de perfuração estável e satisfatório. / This paper presents a parametric analysis of the dynamics of oilwell drillstrings with non-collocated proportional-integral velocity control. The drilling operation for oil and gas in deep waters consists of opening wells in rocky ground formation by a drill, whose angular speed is controlled by a rotary table at the surface. The torque applied by the table is transmitted to the drill-bit through the drillstring. Particularly in the deepwater drilling case, the drillstring can be very long and therefore very flexible. The vibrations caused by the great flexibility of drilling columns are mainly responsible for the failures in the drilling process. In particular, the nonlinear phenomenon known as stick-slip and related to the torsional vibration of the drillstring, makes that a control system designed to maintain a constant angular velocity at the table yield large variations at the drill-bit angular velocity. In practice, this phenomenon is amplified by the inherent nonlinearity of the contact between drill bit and rock formation and by the strong non-colocalization between rotary table and drill-bit. The main objective of this work is to perform a parametric analysis of the dynamics of the drilling process, using a two degrees of freedom model in order to represent the rotary table assembly, the drilling column and drill-bit, to identify conditions in which a simple control law, such as a linear proportional-integral velocity control, can provide a stable and satisfactory drilling performance.

An assessment study of a novel approach is presented that combines discrete state-space Dynamic Programming and Pontryagin’s Maximum Principle for online optimal control of hybrid electric vehicles (HEV). In addition to electric energy storage and gear, kinetic energy and travel time are considered states in this paper. After presenting the corresponding model using a parallel HEV as an example, a benchmark method with Dynamic Programming is introduced which is used to show the solution quality of the novel approach. It is illustrated that the proposed method yields a close-to-optimal solution by solving the optimal control problem over one hundred thousand times faster than the benchmark method. Finally, a potential online usage is assessed by comparing solution quality and calculation time with regard to the quantization of the state space.

No / A multivariable model of an automotive gas turbine, obtained from the linearized system equations is investigated. To facilitate vehicle speed changes, whilst protecting the system against thermal damage, control of the power turbine inlet gas temperature and gas generator speed is proposed by feedback regulation. Fuel flow and the power turbine nozzle area variations are the selected, manipulatable inputs. Owing to the limited control energy available for regulation purposes a multivariable, optimum, minimum control effort strategy is employed in the inner loop controller design study. Simulated, open and closed loop system responses are presented for purposes of comparison. Significant improvements in the transient response interaction reaction times and low steady state output interaction achieved using passive compensation and output feedback alone. Simplification of the closed loop configuration is proposed in the final implementation without performance penalties.

[pt] Esta dissertação apresenta o estudo para o desenvolvimento de um powertrain elétrico com motorização independente na massa não suspensa do veículo, acoplado diretamente nas rodas In Wheel ou Hub-Motor . O desenvolvimento do sistema proposto visa à maximização da eficiência dos veículos elétricos pela minimização das perdas relacionadas a sistemas mecânicos, como na transmissão convencional utilizada em veículos com motorização única. Outro fator motivador para o desenvolvimento do powertrain com motorização independente é a aplicação de controles independentes para cada roda, possibilitando desenvolver e aplicar uma gama de controles no veículo, os quais com a motorização única não são possíveis ou possuem desempenho não satisfatório. O trabalho apresenta uma visão geral sobre os veículos elétricos, o estudo do comportamento dinâmico vertical com o aumento da massa não suspensa do veículo, desenvolvimento de um controle de velocidade para o powertrain proposto, desenvolvimento de um controle de frenagem ABS elétrico, simulação do sistema em ciclos de direção com o cálculo da eficiência energética do powertrain, e um experimento em um dinamômetro de bancada para validação da eficiência energética dos ciclos simulados. / [en] This paper presents a study for the development of an electric powertrain with independent engines in the vehicle mass not suspended, directly coupled to the wheels In Wheel or Hub-Motor . The development of the proposed system aims at maximizing the efficiency of electric vehicles by minimizing losses related to mechanical systems, as in conventional transmission used in vehicles with single engine. Another motivating factor for the development of powertrain with independent engines is the application of independent controls for each wheel, allowing for the development and application of a range of controls in the vehicle, which would not be possible or would have unsatisfactory performance if a single engine was used. This work presents an overview of electric vehicles, the study of the dynamic vertical behavior with increasing mass of the suspended vehicle, development of a speed control for the proposed powertrain, development of an electric ABS braking control, system simulation toward cycles to calculate the energy efficiency of the powertrain, and an experiment on a bench dynamometer to validate the energy efficiency of simulated cycles.

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:22:31Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2011-05-24Bitstream added on 2014-06-13T19:27:59Z : No. of bitstreams: 1 raniel_t_me_ilha.pdf: 1815527 bytes, checksum: 2b9558bcbd56601c8cbb627feda891cf (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / A automação de esteiras rolantes é algo comum e importante em sistemas industriais, mas problemas práticos ainda representam desafios. Um dos desses desafios é manter a precisão em sistemas que exigem paradas sistemáticas, pois folgas mecânicas tendem a provocar variações nas posições de paradas ao longo do tempo. A aplicação de motores de indução têm se tornado comum e soluções eficientes e de baixo custo têm sido pesquisadas. Neste trabalho foi desenvolvido e implementado um sistema de controle de posição e velocidade aplicado em esteiras transportadoras utilizando inversor de frequência, microcontrolador, encoder óptico incremental e sensor indutivo. O movimento da esteira transportadora é efetuado por um motor de indução trifásico, que é acionado pelo conjunto microcontrolador – inversor de frequência. Este conjunto impõe uma frequência no estator do motor através de uma troca de mensagens entre microcontrolador e inversor de frequência (Sistema Mestre-Escravo). Para o envio e recebimento das mensagens, utilizou-se o protocolo de comunicação serial USS® (Universal Serial Interface Protocol) através do padrão RS-485. Os controles de posição e velocidade de rotação do eixo do motor fundamentam-se no sinal gerado pelo encoder óptico incremental, responsável por informar a posição do eixo do motor ao longo da trajetória, e no sensor indutivo que determina uma referência externa importante para a esteira transportadora. Para o funcionamento automático da esteira, elaborou-se um software em linguagem de programação C. Como resultado obteve-se um sistema de controle de posição e velocidade do eixo do motor de indução trifásico que apresenta bons resultados / Automated conveyors system have been largely used in industrial applications. However, there are still practical issues to be overcome. One of them is due to the system mechanical limitation which can lead to low accuracy for applications based on “stop-and-go” movements. Induction motors have been largely used in such applications and low costs solutions have been searched. In this work it was developed and implemented a system of positioning and velocity control applied to conveyors which is based on frequency inverter, microcontroller, optical incremental encoder and inductive sensor. The conveyor’s movement is made by means of a three-phase induction motor, which is driven by the couple microcontroller–frequency inverter. There are messages exchange between the microcontroller and the frequency inverter (Master – Slave configuration) which is based on the communication serial protocol USS through the RS-485 standard. The position and velocity of the motor spindle are controlled using an optical incremental encoder, which is responsible to provide the position of the trajectory, and an inductive sensor which determines the initial reference to the conveyor. The software used to control the system was developed in C language. The results show a low cost system with good results

Made available in DSpace on 2016-06-02T19:06:15Z (GMT). No. of bitstreams: 1 6235.pdf: 6898238 bytes, checksum: 058a3b75f03de2058255b7fa7db30dac (MD5) Previous issue date: 2014-05-22 / Financiadora de Estudos e Projetos / Visual servoing is a technique that uses computer vision to acquire visual information (by camera) and a control system with closed loop circuit to control robots. One typical application of visual servoing is tracking objects on conveyors in industrial environments. Visual servoing has the advantage of obtaining a large amount of information from the environment and greater flexibility in operations than other types of sensors. A disadvantage are the delays, known as dead-times or time-delays that can occur during the treatment of visual information in computer vision tasks or other tasks of the control system that need large processing capacity. The dead-times in visual servoing applied in industrial operations such as in the tracking of objects on conveyors are critical and can negatively affect production capacity in manufacturing environments. Some methodogies can be found in the literature for this problem and some of these methodologies are often based on the Kalman filter. In this work a technique was selected based on the formulation of the Kalman filter that already had a study on the prediction of future pose of objects with linear motion. This methodology has been studied in detail, tested and analyzed through simulations for other motions and some applications. Three types of experiments were generated: one for different types of motions and two others applied in different types of signals in the velocity control systems. The results from the motion of the object shown that the technique is able to estimate the future pose of objects with linear motion and smooth curves, but it is inefficient for drastic changes in motion. With respect to the signal to be filtered in the velocity control, the methodogy has been shown applicable (with motions conditions) only in the estimation of pose of the object after the occurrence of dead-times caused by computer vision and this information is subsequently used to calculate the future error of the object related to the robotic manipulator used to calculate the velocity of the robot. The trying to apply the methodogy directly on the error used to calculate the velocity to be applied to the robot did not produce good results. With the results the methodogy can be applied for object tracking with linear motion and smooth curves as in the case of objects transported by conveyors in industrial environments. / Servovisao e uma tecnica que utiliza visao computacional para obter informacoes visuais (atraves de camera) e um sistema de controle com circuito em malha fechada para controlar robos. Uma das aplicacoes tipicas de servovisao e no rastreamento de objetos sobre esteiras transportadoras em ambientes industriais. Servovisao possui a vantagem em relacao a outros tipos de sensores de permitir a obtencao de um grande numero de informacoes a partir do ambiente e maior flexibilidade nas operacoes. Uma desvantagem sao os atrasos conhecidos como dead-times ou time-delays que podem ocorrer durante o tratamento de informacoes visuais nas tarefas de visao computacional ou em outras tarefas do sistema de controle que necessitam de grande capacidade de processamento. Os dead-times em servovisao aplicada em operacoes industriais como no rastreamento de objetos em esteiras transportadoras sao criticos e podem afetar negativamente na capacidade de producao em ambientes de manufatura. Algumas metodologias podem ser encontradas na literatura para esse tipo de problema sendo muitas vezes baseadas no filtro de Kalman. Nesse trabalho foi selecionada uma metodologia baseada na formulacao do filtro de Kalman que ja possui um estudo na previsao futura de pose de objetos com movimentacao linear. Essa metodologia foi estudada detalhadamente, testada atraves de simulacoes e analisada sobre outros tipos de movimentos e algumas aplicacoes. No total foram gerados tres tipos de experimentos: um para diferentes tipos de movimentacao e outros dois aplicados em diferentes tipos de sinais no controlador de velocidades. Os resultados a partir da movimentacao do objeto demonstraram que o metodo e capaz de estimar a pose futura de objetos com movimento linear e com curvas suaves, porem e ineficiente para alteracoes drasticas no movimento. Com relacao ao sinal a ser filtrado no controlador de velocidades a metodologia se demonstrou aplicavel (com as condicoes de movimento) somente na estimativa da pose do objeto apos a ocorrencia de dead-times causados por visao computacional e posteriormente essa informacao e utilizada para calcular o erro futuro do objeto em relacao ao manipulador robotico utilizado no calculo da velocidade do robo. A tentativa de aplicacao da tecnica diretamente no erro utilizado no calculo da velocidade a ser aplicada ao robo nao apresentou bons resultados. Com os resultados obtidos a metodologia se demonstrou eficiente para o rastreamento de objetos de forma linear e curvas suaves como no caso de objetos transportados por esteiras em ambientes industriais.

This thesis deals with the design of a three-wheeled omni-directional robot control. The model of control is designed for robot´s omni-directional platform driven by maxon motor with the intelligent positioning controller EPOS. The design of control contains: - installation of the coordinated systems and transformation from one of them into another - design of system´s kinematical model - creation of classes for control and communication with EPOS - creation of the simulative program - planning of the mobile robot´s path - verification that the system is working The solution was based on continuous accelerated motion and the maximal acceleration of wheels was concerned, so that the slip would be suppressed. The function of the model was partly verified.

Wave energy is a promising renewable resource with a higher energy density than both wind and solar. Waves can travel thousands of kilometers with minimal energy loss, making them more reliable than the previously mentioned alternatives. A device that utilizes wave energy to generate electricity is calleda Wave Energy Converter. The converter studied in this thesis is a non-resonant point absorber, a floating device that absorbs energy through its displacement in the water. An incident wave approaching the converter combined with a latching strategy transforms the wave into a water jet, which emerges as a pulse wave and varies from zero to maximum velocity. The kinetic energy of the water jet gets converted to electricity through a Pelton turbine and a permanent magnet synchronous motor that acts as a generator. The thesis investigates three generator velocity control strategies and two deadtime strategies and aims to answer which strategy yields the best efficiency for the selected wave fields. The strategies strive to maximize the efficiency of the Pelton turbine while minimizing the frictional and electrical losses. The first velocity control approach relies on historical data and computes the average based on the previous wavefield. The second approach maintains a predetermined turbine velocity based on the average jet velocity of each incident wave. Lastly, the third strategy continuously adapts the speed during each jet pulse to maximize the Pelton turbine efficiency. The dead-time strategies refer to the approaches employed between waves. The first approach maintainsa constant generator velocity, reducing the necessary acceleration to match the next incident wave. The second approach freewheels the generator, allowing it to decelerate due to friction losses. During the deceleration, the generator draws no current, but as the next wave arrives it must instead accelerate. Consequently, drawing more current but during a shorter period. The results reveal that there is no significant difference between the two deadtime strategies, but there is a significant difference between the velocity control strategies. Furthermore, the results illustrate the effectiveness of the local averaging method and the adaptive control method, which result in the highest system efficiency. / Vågenergi är en lovande energiresurs som har högre energidensitet än både vind- och solkraft. Vågor kan färdas tusentals kilometer med minimal energiförlust,vilket gör dem mer tillförlitliga än de tidigare nämnda alternativen. En anordning som kan nyttja vågors energi för att generera elektricitet kallas för vågenergiomvandlare. Omvandlaren som studerats i detta arbete är en icke-resonant punktabsorbent,vilket är en flytande anordning som absorberar energi genom dess förflyttning i vattnet. När en kommande våg närmar sig omvandlaren transformeras vågen till en vattenstråle, som framträder som en pulsvåg och varierar mellan noll och maxhastighet, via en styrstrategi vid namn ”latching”. Den kinetiska energin från vattenstrålen omvandlas till elektrisk energi via en Peltonturbin och en synkronmotor som agerar som generator. Det här arbetet undersöker tre hastighetsstyrstrategier samt två mellantidsstrategier för generatorn, och ämnar besvara vilken som är den mest effektiva strategin för en uppsättning vågor. Målet med dessa strategier är att maximera effektiviteten hos Peltonturbinen medan friktions- samt elektriska förluster minimeras. Den första hastighetsstyrstrategin håller en konstant hastighetbaserad på ett medelvärde från ett tidigare vågfält. Den andra strategin hålleren konstant hastighet, vilken anpassas till varje inkommande våg. Den tredje strategin anpassar hastigheten kontinuerligt under pulsvågen för att maximera turbineffektiviteten. Med mellantidsstrategierna menas de styrstrategier som nyttjas mellan vattenpulserna. I den första mellantidsstrategin körs generatorn som motor och håller konstant hastighet, vilket minskar de nödvändiga accelerationerna för att möta kommande vågs referenshastighet. Den andra strategin låter generatorn frihjula, vilket gör att hastigheten faller på grund av friktionsförluster. Under hastighetsminskningen drar generatorn ingen ström, men den måste då istället accelerera när kommande våg anländer. Detta innebär att generatorn kommer att dra mer ström, men under en kortare period. Resultaten avslöjade att det inte var någon signifikant skillnad mellan de två mellantidsstrategierna och att det var en signifikant skillnad mellan hastighetsstyrstrategierna. Resultatet visade att de två metoderna med variabel hastighet gav högre systemeffektivitet än metoden med konstant hastighet.