A crescente demanda pela melhoria operacional dos processos aliada ao desenvolvimento da tecnologia da informação tornam a utilização de controladores preditivos baseados em modelos (MPC) uma prática comum na indústria. Estes controladores estimam, a partir dos dados de planta e de um modelo do processo, uma sequência de ações de controle que levam as variáveis ao valor desejado de forma otimizada. Dessa forma, dentre os parâmetros de configuração de um MPC, a baixa qualidade do modelo é, indiscutivelmente, a mais importante fonte de degradação de seu desempenho. Este trabalho propõe uma série de metodologias para a avaliação da qualidade do modelo do controlador preditivo, as quais consideram sua velocidade em malha fechada. Tais metodologias são baseadas na filtragem dos erros de simulação a partir função nominal de sensibilidade, e possuem a capacidade de informar o impacto dos problemas de modelagem no desempenho do sistema, além de localizar as variáveis controladas que estão com tais problemas e se os mesmos são provenientes de uma discrepância no modelo ou de um distúrbio não medido. As técnicas ainda possuem a vantagem de serem independentes do setpoint, o que as torna flexível de também serem utilizadas em controladores nos quais as variáveis são controladas por faixas. A abordagem proposta foi testada em dois estudos de caso simulados, sendo eles: a Fracionadora de Óleo Pesado da Shell e a Planta de Quatro tanques Cilíndricos. As técnicas também foram avaliadas em dados de processo da Unidade de Coqueamento Retardado de uma refinaria. Os resultados indicam que as mesmas apresentam resultados coerentes, corroborando seu elevado potencial de aplicação industrial. / The growing demand for operational improvement and the development of information technology make the use of model predictive controllers (MPCs) a common practice in industry. This kind of controller uses past plant data and a process model to estimate a sequence of control actions to lead the variables to a desired value following an optimal policy. Thus, the model quality is the most important source of MPC performance degradation. This work proposes a series of methods to investigate the controller model quality taking into account its closed loop performance. The methods are based on filtering the simulation errors using the nominal sensitivity function. They are capable detect the impact of modeling problems in the controller performance, and also to locate the controlled variables that have such problems and if it is caused by a model-plant mismatch or unmeasured disturbance. The techniques have the advantage to be setpoint independent, making them flexible to be also used in MPCs with controlled variables working by range. The proposed approach was tested in two simulated case studies The Shell Heavy Oil Fractionator Process and The Quadruple-tanks Process. The methods are also evaluated in process data of the Delayed Coking Unit of a Brazilian refinery. Results indicate that the method is technically coherent and has high potential of industrial application.

Neste trabalho apresenta-se a modelagem de chamas difusivas na forma de jato, para baixo número de Mach e elevado número de Damköhler. O modelo é baseado na solução das equações na forma flamelet para a parte química e na fração de mistura para o fluxo. Este modelo descreve bem o comportamento de chamas difusivas, exceto na sua extremidade (ponta), onde geralmente surgem instabilidades. Resultados numéricos são apresentados para uma cinética química de uma e multietapas, utilizando a técnica LES (Large-Eddy Simulation) com o modelo de Smagorinsky para a viscosidade turbulenta. A discretização das equações governantes é feita em diferenças finitas, com a aplicação da técnica TVD (Total Variation Diminishing). Além disso, apresentamse mecanismos reduzidos multietapas para o metano, o metanol e o etanol, visando obter resultados realistas. A modelagem de chamas de metanol e etanol diferencia-se da modelagem de chamas de metano por ocorrer uma mudança de fase antes da combustão. Modela-se o efeito global das gotas usando uma descrição Lagrangeana que é incorporada à descrição Euleriana do escoamento, via termos fonte. Testes numéricos foram realizados para chamas difusivas de metano, metanol e etanol, e os resultados estão em concordância com os dados encontrados na literatura. / This work presents a model for a jet diffusion flame, for low Mach and high Damköhler numbers. The model is based on the solution of the flamelet equations for the chemistry and on the mixture fraction for the flow. This model describes well the behavior of diffusion flames, except at the flame tip, where instabilities can often occur. Numerical results are presented for an one-step and multi-step chemical kinetic models, using the LES (Large-Eddy Simulation) technique with the Smagorinsky model for the turbulent viscosity. The discretization of the governing equations follows the finite difference method, with the application of the TVD (Total Variation Diminishing) technique. Besides, multi-step reduced mechanisms for the methane, the methanol and the ethanol are employed, obtaining realistic results. The flame modeling of methanol and ethanol differs from the modeling of methane flames because of a phase change occurs before the combustion. The droplets global effect is modeled based on a Lagrangian description, which is incorporated into the Eulerian description of the flow through source terms. Numerical tests were carried out for methane, methanol and ethanol diffusion flames, and the results compare well with data in the literature.

O procedimento de controle on-line de processos por atributos, proposto por Taguchi et al. (1989), consiste em amostrar um item a cada m produzidos e decidir, a cada inspeção, se houve ou não aumento na fração de itens não-conformes produzidos. Caso o item inspecionado seja não-conforme, pára-se o processo para ajuste supondo-se que tenha ocorrido uma mudança para a condição fora de controle. Como i) o sistema de inspeção pode estar sujeito a erros de classificação e o item inspecionado ser submetido à classificações repetidas; ii) a fração de itens não-conformes no estado fora de controle pode variar em função do número de itens produzidos (x) segundo uma função y (x); iii) e a decisão de parar o processo pode ser tomada com base no resultado das últimas h inspeções, desenvolve-se um modelo que engloba estes pontos. Utilizando-se as propriedades de uma cadeia de Markov ergódica, obtém-se a expressão do custo médio do sistema de controle, que é minimizada por parâmetros que vão além do intervalo de inspeção m: o número de classificações repetidas r; o número mínimo de classificações conformes para declarar um item como conforme s, o comprimento do histórico de inspeções considerado h e o critério de parada para ajuste u. Os resultados obtidos mostram que: o uso de classificações repetidas pode ser uma alternativa econômica quando apenas um item é considerado na decisão sobre o ajuste do processo; uma cadeia da Markov finita pode ser utilizada para representar o sistema de controle na presença de uma função y (x) não-constante; tomar a decisão de ajuste com base na observação de uma seqüência de itens inspecionados é a alternativa de maior impacto sobre o custo de controle do processo. / The quality control procedure for attributes, proposed by Taguchi et al. (1989), consists in inspecting a single item at every m produced items and, based on the result of each inspection, deciding weather the non-conforming fraction has increased or not. If an inspected item is declared non-conforming, the process is stopped and adjusted, assuming that it has changed to out-of-control condition. Once: i) the inspection system is subject to misclassification and it is possible to carry out repetitive classifications in the inspected item; ii) the non-conforming fraction, when the process is out-of-control, can be described by y(x); iii) the decision about stopping the process can be based on last h inspections, a model which considers those points is developed. Using properties of ergodic Markov chains, the average cost expression is calculated and can be minimized by parameters beyond m: number of repetitive classifications (r); minimum number of classifications as conforming to declare an item as conforming (s); number of inspections taken into account (h) and stopping criteria (u). The results obtained show that: repetitive classifications of the inspected item can be a viable option if only one item is used to decide about the process condition; a finite Markov chain can be used to represent the control procedure in presence of a function y(x); deciding about the process condition based on last h inspections has a significant impact on the average cost.

Neste trabalho são discutidos e avaliados métodos de construção de conjuntos de sinais de excitação para identificação de sistemas. Esse estudo é realizado tendo como objetivo aplicações na indústria de processos, particularmente no refino de petróleo. As restrições operacionais da indústria de refino de petróleo estão cada vez mais severas em virtude do aumento da demanda energética, qualidade de derivados, variações de preço de petróleo, concorrência no mercado de derivados e outros fatores econômicos, ambientais e de eficiência energética. Nesse cenário, é crescente o uso de técnicas de controle preditivo por modelos e, consequentemente, a demanda por identificação de plantas de processamento. As características particulares das plantas de processamento e de sua operação impõem restrições ao projeto e à aplicação de sinais de excitação. Vários métodos de construção de sinais encontrados na literatura e outros três propostos neste trabalho são avaliados e comparados com referência ao atendimento a essas restrições. Uma das principais restrições para a aplicação de sinais de excitação para identificação é relativa ao tempo disponível para excitação da planta. Assim, para o bom uso desse período, faz-se necessário garantir o sucesso de um experimento previamente à sua realização. Na literatura, encontram-se várias medidas de desempenho de sinais de excitação possíveis de serem obtidas previamente ao experimento de identificação. Neste trabalho, s~ao propostas duas novas medidas que complementam essas na avaliação dos conjuntos de sinais previamente ao experimento. A eficácia dos métodos de construção e das medidas de desempenho de sinais de excitação é avaliada por meio de simulação de identificação multivariável de duas plantas típicas de refinarias. As conclusões deste trabalho apresentam em síntese essas avaliações, como também sugestões de trabalhos futuros que visam à continuidade da pesquisa desenvolvida aqui. / In this work methods for generating sets of excitation signals for system identification are discussed and evaluated. This study is focused on applications in the process industries, particularly in oil refining. The operational constraints of the oil refining industry are becoming increasingly severe due to increased energy demand, quality of products, oil price variations,market competition and other economic, environmental and energy efficiency factors. In this scenario the use of model predictive control techniques is increasing, thus the demand for plant identification as well. The particular characteristics of the processing plants impose restrictions to the project and application of excitation signals. Various methods for generating signals accessible in the literature and three new others proposed in this work are compared with reference to these restrictions. One of the main constraints for applying excitation signals for identification is relative to the period available for excitation of the plant. Thus, for the proper use of this time interval, it is necessary to ensure the success of an experiment prior to its implementation. In the literature there are several performance measurements for evaluation of sets of excitation signals prior to the experiment. This work proposes two new measures to complement the evaluation. The effectiveness of the generating methods and performance measurements for excitation signals is evaluated by simulation of multivariable identification of two typical oil refining plants. The conclusions of this work briefly present these evaluations, as well as some suggestions of future work for the continuity of the current research.

Este trabalho inicia descrevendo as principais teorias de laminação que têm sido empregadas nos últimos anos na determinação das condições ideais para operação de laminadores a frio. Estas condições ideais estão ligadas a um conjunto de referências dos controladores do sistema, visando a máxima produtividade do laminador e a melhor qualidade da chapa laminada. As principais contribuições desta tese são: (i) proposta de um novo procedimento não iterativo para a determinação inicial de referências para redução em cada cadeira de um laminador de tiras a frio, originado do algoritmo iterativo do fator beta, introduzido por R. M. Guo; (ii) em seguida, é feito uso do modelo de Bland e Ford para cálculo de força e torque de laminação, utilizando o esquema de reduções sugerido pelo algoritmo de inicialização. A partir deste ponto, emprega-se o algoritmo de otimização de Nelder e Mead. A contribuição da tese para esta fase de otimização consiste na proposta da função objetivo a ser minimizada. Esta função objetivo leva em conta os principais atributos de qualidade e produtividade do laminador, ou seja, espessura, planicidade e utilização de toda a potência disponível, igualmente distribuída por todas as cadeiras; (iii) finalmente, visando garantir máxima precisão para as previsões do modelo, é proposto um algoritmo de otimização para ser utilizado em um esquema de adaptação, tendo em vista as dificuldades de se estimar duas importantes variáveis do processo de laminação: o coeficiente de atrito e o limite de escoamento. São também apresentados resultados obtidos à partir de um laminador tandem de 4 cadeiras, industrial, no qual foram implantados alguns dos métodos propostos. / This work begins describing the main rolling theories which have been employed during the recent years, in order to achieve the ideal conditions for the operation of tandem cold rolling mills. These optimum conditions are connected to a set of references used by the main systems regulators, aiming at getting the best quality of the strip and the maximum productivity of the mill. The main contributions of this thesis are: (i) proposal of a new non-iterative procedure to initial reduction calculation for each stand of a tandem cold mill, based on the iterative beta factor algorithm introduced by R.M. Guo; (ii) Use of Bland and Ford model for roll force and roll torque calculation, starting from the initial reduction schedule proposed by the non-iterative initialization algorithm and optimized by the Nelder and Mead method. The contribution of this thesis for this optimization phase consists in its proposal for an objective function to be minimized. This objective function takes into consideration the main product quality and process productivity attributes, i.e., thickness, flatness and the use of maximum available power, evenly distributed among all stands; (iii) finally, aiming at ensuring maximum precision for the model predictions, it is proposed an optimization algorithm to be used by an adaptation strategy, considering the difficulties to estimates two main rolling mill process variables: friction and yield stress coeficientes. Results extracted from an industrial four stand tandem cold mill, on which some of the proposal theories were implemented, are presented and discussed.

As válvulas de controle são os elementos finais da grande maioria das malhas de controle existentes na indústria. Além disso, sabe-se que o atrito pode causar variabilidade na malha em questão, o que geralmente é indesejável para o desempenho do processo. Ademais, cerca de 20 a 30% das oscilações nas malhas de controle são causadas por atrito ou histerese. Outro ponto relevante é que muitas vezes não é possível realizar a manutenção da válvula que esteja apresentando uma variabilidade considerável, já que muitas vezes não é desejado e nem possível parar o processo em questão para o reparo da válvula. Dessa forma, o estudo de métodos de compensação de atrito se faz necessário como uma maneira de melhorar o desempenho da malha de controle nesta situação até que seja feita a manutenção da planta industrial. Este trabalho apresenta controladores com compensação de atrito e analisa seu desempenho comparado com outros compensadores já conhecidos e amplamente utilizados, através de ensaios na Planta Piloto de Vazão da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. / The control valves are the final elements of most of the control loops in industry. Besides, the friction can cause variability in the process, which is an undesirable situation. Furthermore, about 20% to 30% of the oscillations in control loops are caused by friction or hysteresis. Another relevant fact is that much times it is not possible to make the maintenance of the valve that is under a considerable variability, because it is not desirable nor possible to stop the process to make the maintenance of the control valve. Thereby, studying friction compensation methods is necessary as a way to improve the control loop performance in this situation until the industrial plant maintenance is made. This dissertation presents controllers with friction compensation and analyzes its performances compared with other known and widely used compensators through experiments made at the Flow Pilot Plant of Polytechnic School of University of São Paulo.

O Controlador Lógico Programável foi criado na década de 70 para automatizar o acionamento seqüencial de relés em linhas de manufatura, controle e automação de processos do tipo liga/desliga. Eram então equipamentos isolados e dedicados a uma tarefa específica. Os CLP’s evoluíram e hoje incorporam recursos de controle analógico em processos contínuos, estão integrados aos outros equipamentos da fábrica na hierarquia de controle e podem ser facilmente re-configurados através de programação remota em redes industriais proprietárias. O surgimento da Internet e de redes corporativas semelhantes (Intranet) tornou possível o acesso remoto aos equipamentos de controle dos processos usando uma arquitetura aberta. Neste contexto, a Web, com sua interface gráfica intuitiva e universal, é muito indicada para a supervisão remota de processos de chão-de-fábrica. Como equipamentos importantes em automação industrial, os CLP’s seguem essa tendência adquirindo acessibilidade pela Web. Esse trabalho tem por objetivo o desenvolvimento de uma IHM (Interface Homem-Máquina) de supervisão de um CLP implementado em software (SoftPLC) em controle de um processo simulado através de uma interface WWW. A proposta servirá também como incentivo a projetos futuros para implementação de uma interface de configuração com CLP real. / The Programmable Logical Controller was introduced in the 70's to replace the relay logic in manufacturing lines and in on/off control. They were devices isolated and dedicated to one specific task. The PLC's evolution introduced analog control capabilities for continuous processes and integrated them with other devices in the factory's control hierarchy, which can be remotely reconfigured through proprietary industrial networks. The appearance of the Internet and similar corporate networks (Intranets) made it possible to remotely access control devices through an open architecture. The browser and its intuitive graphical interface is a natural appeal to the remote supervision of processes in the plant. As important industrial automation equipment, the PLC follow this trend and acquire web accessibility. The objective of this work is the development of a supervising MMI (Man-Machine Interface) using the Web for a SoftPLC in control of a simulated process . It will also be an incentive to the future development of a dedicated configuration module for a real PLC.

Este trabalho visa o desenvolvimento de uma metodologia para a re-identificação do modelo usado em controladores preditivos (MPC) desenvolvidos em uma estrutura em duas camadas: uma camada estática que calcula os targets para as variáveis manipuladas e uma dinâmica que implementa os targets para as entradas. Espera-se que esse procedimento de reidenticação seja acionado sempre que for observada uma significativa degradação do modelo de controle do processo. Neste trabalho assume-se que a re-identicação do modelo deve ser realizada em malha fechada. No método aqui proposto, admite-se que o código fonte do programa do controlador preditivo não está disponível, e conseqüentemente, o método proposto não deve requerer qualquer modificação no código fonte. No método aqui proposto, o sinal de excitação é introduzido através dos coeficientes da função objetivo da camada estática que calcula os targets para as entradas. O método proposto é testado por simulação em dois processos diferentes. O primeiro processo é uma coluna de destilação para a qual estão disponíveis vários modelos lineares obtidos em diferentes condições operacionais. O segundo processo aqui estudado é um reator químico não linear que deve ser representado localmente por um modelo linear. / This work aims at the development of a methodology to the re-identification of the model to be used in a MPC, which is developed in a two layers structure: a target calculation layer and a dynamic layer where the targets to the inputs are implemented. It is expected that the reidentification procedure should be started whenever it is observed a significant degradation of the process model. Here, it is assumed that the model re-identification is to be performed in closed-loop. In the method proposed here, it is assumed that the source code of the MPC controller is not available, and consequently, the proposed method should not require any modification the source code. In the method proposed here, the excitation signal is introduced through the coefficients of the objective function of the target calculation layer. The proposed method is tested by simulation in two different processes. The first one is a distillation column where several linear models obtained at different operating conditions are available. The second process studied here is a nonlinear chemical reactor that is locally represented by a linear model.

Algoritmos MPC implementam estratégias avançadas de controle adequada-mente aplicáveis a processos químicos complexos e multivariáveis. Recentemente, desenvolveram-se algoritmos MPC que possuem controle das saídas por faixas e estabilidade nominal baseados em horizonte infinito de predição. O objetivo principal deste trabalho é estender este tipo de algoritmo desenvolvendo um MPC de horizon-te infinito com referências para as entradas manipuladas e controle das saídas por funnel. Funnel é um dispositivo, particular aos algoritmos Honeywell RMPCT® (de horizonte finito), que suaviza as ações do controlador estabelecendo, a cada instan-te de amostragem, limites mais brandos para as saídas controladas que fogem às suas faixas. O algoritmo MPC de horizonte infinito aqui desenvolvido é analisado por simulação de um subsistema importante de uma planta de produção de alumina. Pe-las simulações, verificou-se de fato a suavidade das ações do controlador que dis-põe do funnel. Neste trabalho também se propõe, e se analisa por simulação, uma nova estrutura para o controlador RMPCT® que hoje atua sobre a planta. Uma vez que se mostrou interessante, essa nova estrutura, que inclui uma nova entrada ma-nipulada, poderá ser implementada na prática. / MPC algorithms are particularly suitable to implement advanced control strate-gies at complex and multivariable chemical processes. Recently, it has been devel-oped MPC algorithms with zone control and nominal stability, based on infinity pre-diction horizon. The main objective of this dissertation is to extend this type of algo-rithm by developing an infinity horizon MPC with targets to the manipulated inputs and funnel control. Funnel is a numerical device, particular to Honeywell RMPCT® algorithms (with finite horizon), that softens the controller actions by establishing, at each sampling instant, softer limits for the controlled outputs that escapes from its zones. The infinity horizon MPC algorithm developed here is analyzed by simulation of an important subsystem of an alumina production facility. According to the simula-tions, it was confirmed in fact the smoothness of the control actions produced by the funnel controller. In this work it is also proposed, and analyzed by simulation, a new structure for the RMPCT® controller that controls the plant nowadays. Since this new structure, which includes a new manipulated input, showed itself interesting, it can be implemented in practice.

O propósito desta Tese é realizar o estudo da implementação do controle avançado do tipo controle preditivo baseado em modelo (MPC) e otimização em tempo real (RTO) em uma unidade de processo industrial usando como ferramentas softwares comerciais de simulação e otimização de processos. As soluções propostas podem ser consideradas como estratégias de integração entre RTO e MPC de uma e duas camadas. Na estratégia de duas camadas, a camada superior que considera um modelo rigoroso não linear do processo computa e envia targets otimizantes à camada dinâmica do MPC, que computa as ações de controle necessárias para alcançar esses targets e estabilizar o processo. Na estratégia de uma camada, mais conhecida como MPC econômico, temos a inclusão do gradiente da função econômica na função custo do controlador preditivo. Ambas as estratégias foram estudadas e suas implementações na coluna de destilação de propeno/propano com integração energética da unidade de produção de propeno da refinaria de Capuava da Petrobras foram simuladas. Este estudo foi realizado em varias etapas. Primeiro, uma simulação dinâmica do processo foi realizada usando o simulador dinâmico SimSci Dynsim® para ser usada como uma planta virtual que também foi usada para a identificação dos modelos usados nos controladores preditivos. Segundo, os algoritmos de controle avançado foram desenvolvidos em Matlab® baseados no controlador preditivo de horizonte infinito (IHMPC), no controlador preditivo robusto (RIHMPC) e no MPC econômico. Terceiro, o algoritmo de RTO foi desenvolvido no pacote de otimização em tempo real Simsci ROMeo®, onde o modelo rigoroso não linear do processo foi implantado incluindo as etapas de simulação, reconciliação de dados e otimização. Quarto, modificações e adaptações dos algoritmos e rotinas desenvolvidas foram feitas para permitir a comunicação de dados em tempo real usando o protocolo de transferência de dados OPC entre Matlab®, Simsci Dynsim® e Simsci ROMeo ®. Finalmente, foram desenvolvidos o sequenciamento e automação dos algoritmos tanto para leitura e escritura de dados, assim como, para a rotina do RTO. Para todas as estratégias propostas nesta Tese, foram incluídos exemplos de simulação representativos onde se pode evidenciar a estabilidade e convergência das estratégias propostas, chegando-se à conclusão que as estruturas propostas de RTO/MPC podem ser implementadas no sistema real. / The aim of this Thesis is to study the implementation of advanced control, specifically, Model Predictive Control (MPC) and real time optimization (RTO) in an industrial process system using tools such as commercial software for process simulation and optimization. The proposed solutions can be considered as integration strategies of RTO and MPC with one and two layers. In the two layer approach, the upper layer that considers a rigorous non-linear steady-state model of the process computes optimizing targets that are sent to the dynamic layer that are based on the MPC, which computes the necessary control actions to reach those targets and stabilize the process system. In the one layer strategy, also called as Economic MPC, the gradient of the economic function is included in the cost function of the predictive controller. Both strategies were studied and their implementation in the energy-recovery propylene/propane splitter system of the propylene production unit at the Capuava Refinery of Petrobras was simulated. In order to accomplish this objective, the work was developed in several steps. Firstly, a dynamic simulation of the process was built in the dynamic simulator Simsci Dynsim® so that it could be used as a virtual plant in which the model identification could also be performed. Secondly, the advanced control algorithms were developed in Matlab® based on the Infinite Horizon Model Predictive Control (IHMPC), the robust predictive controller (RIHMPC) and the Economic MPC. Thirdly, the RTO algorithm was developed in the real-time optimization package Simsci ROMeo®, where the non-linear rigorous model of the process was built including the stages of simulation, data reconciliation and optimization. Fourthly, modifications and adaptation of the developed algorithms and routines were included to allow the real-time data communication considering the OPC data transfer protocol between Matlab®, Dynsim® and ROMeo ®. Finally, a sequence of algorithms was developed and automated for data reading and writing, as well as, for the RTO sequence. For all the strategies developed in this Thesis, representative simulation examples were presented in order to show the closed-loop stability and convergence of the proposed approaches, leading to the conclusion that the proposed RTO/MPC structures can be implemented in the real system.