A oscilação em malhas de controle é um problema frequente na indústria, atingindo cerca de 30% das malhas, entre as causas, o agarramento em válvulas de controle possui maior incidência. O agarramento é a resistência ao movimento da haste da válvula devido à presença de atrito estático, a combinação desse fator com a utilização de controladores com ação integral causa o ciclo limite no processo, onde a oscilação é mantida até que alguma ação seja tomada. A literatura apresenta diversos métodos para a detecção do agarramento, apesar disso, não existe método aplicável a qualquer tipo de processo que apresente resultado preciso, um dos principais problemas para a aplicação das técnicas é a presença de referência variável no sinal a ser analisado. A referência variável é uma característica comum dentro de processos industriais, principalmente para processos controlados por malha cascata ou que apresentam distúrbios externos. Para a identificação nesses casos, duas alternativas podem ser seguidas: criação de nova metodologia para a identificação do agarramento para sinais com referência variável ou a adaptação das técnicas existentes de modo que essas sejam aplicáveis a esse tipo de sinal, neste trabalho, as duas alternativas foram consideradas. Primeiramente, duas novas técnicas baseadas na forma do sinal foram criadas, a primeira diferencia o sinal pela inclinação dos picos e a segunda pela distribuição dos dados. Posteriormente, foi considerada a adaptação de quatro métodos de detecção já consolidados pela literatura e por suas aplicações industriais. A adaptação dos métodos é basicamente feita através do pré-processamento dos sinais de modo que esses sejam corretamente tratados antes da aplicação das técnicas de detecção. As duas alternativas foram aplicadas a dados simulados e industriais, comprovando a eficiente para a detecção em sinais com referência variável. / Oscillation in control loops is a frequent problem in industrial processes, reaching about 30% of the control loops, among the causes, stiction in control valves have the higher incidence. Stiction is the resistance to movement in the valve stem due to the presence of static friction, the combination of this factor with the use of controller with integral action induces the limit cycle, where the oscillation is sustained until some control action is taken. The literature presents several methods for stiction detecting. However, there is no universal method applicable for all process that produces accurate results. The main problems for the application of the techniques are the presence of variable reference in the signal to be analyzed. The reference variable is a common feature in industrial processes, especially for processes controlled by cascade loop or submitted to external disturbances. For stiction identification in these cases, two choices can be followed: a creation of a new methodology for the identification of stiction for signals with variable reference or the modification of existing techniques so that they could be applied to this type of signal. In this work, the two alternatives were considered. First, two new techniques based on the signal form were created, the first differentiates the signal by the slope of the peaks and the second by data segmentation. Later the adaptation of four detection methods already established in the literature and by its industry applications was considered. The adaptation is done by preprocessing the signals so that they are properly treated before application. The two alternatives were applied to simulated and industrial data, proving to be effective for the stiction detection of signals with variable references.

O escopo desta dissertação é o desenvolvimento de um método para detectar os modelos da matriz dinâmica que estejam degradando o desempenho de controladores preditivos baseados em modelos. O método proposto se baseia na análise de correlação cruzada entre o erro nominal do controlador em malha fechada e a uma estimativa da contribuição de cada canal para o cálculo da saída, filtrada pela função de sensibilidade do controlador. Esse método pode ser empregado na auditoria de controladores com variáveis controladas em setpoints e/ou com variáveis que operem entre faixas, como é usual de se encontrar na indústria. Esta dissertação apresenta os resultados da aplicação bem sucedida do método no sistema de quatro tanques (JOHANSSON, 2000), para o qual três cenários foram avaliados. No primeiro cenário, o método localizou corretamente discrepâncias de ganho e de dinâmica de modelos de um controlador preditivo baseado em modelos (Model-based Predictive Controller, ou controlador MPC). No segundo, o método foi utilizado para avaliar a influência de uma variável externa para melhorar o desempenho de um controlador afetado por distúrbios não medidos. No terceiro cenário, o método localizou canais com modelos nulos que deveriam ser incluídos na matriz de controle de um controlador MPC de estrutura descentralizada. Os resultados deste estudo de caso foram comparados com aqueles obtidos pelo método proposto por BADWE, GUDI e PATWARDHAN (2009), constatando-se que o método proposto é mais robusto que o método usado na comparação, não demandando ajustes de parâmetros por parte do usuário para fornecer bons resultados. A dissertação inclui também um estudo de caso da aplicação industrial do método na auditoria de desempenho de um controlador preditivo linear de estrutura descentralizada, com doze variáveis controladas, oito manipuladas e quatro distúrbios não medidos, aplicado a um sistema de fracionamento de propeno e propano em uma indústria petroquímica. A auditoria permitiu reduzir o escopo de revisão do controlador a dezenove canais da matriz, sendo que quatorze destes correspondiam a canais com modelos nulos que deveriam ser incluídos na matriz. A eficácia do método foi comprovada repetindo-se a avaliação da qualidade de modelo para todas as variáveis controladas. / The scope of this dissertation is the development of a method to detect the models of the dynamic matrix that are affecting the performance of model-based predictive controllers. The proposed method is based on the cross correlation analysis between the nominal controller error and an estimate of the contribution of each channel to the controller output, filtered by the controller nominal sensitivity function. The method can be used in the performance assessment of controllers employing variables controlled at the setpoint and/or those controlled within ranges. This dissertation presents the results of the successful application of the method to the quadruple-tank process (JOHANSSON, 2000), for which three scenarios were evaluated. In the first scenario, the method correctly located gain and dynamic mismatches on a model-based predictive controller (MPC controller). In the second one, the method was used to evaluate the influence of an external variable to improve the performance of a controller affected by unmeasured disturbances. In the third scenario, the method located null models that should be included in the dynamic matrix of a decentralized MPC controller. The results of the three scenarios were compared with the ones obtained through the method proposed by BADWE, GUDI e PATWARDHAN (2009). The proposed method was considered more robust than the reference one for not requiring parameters estimation performed by the user to provide good results. This dissertation also includes a case study about the application of the method on the performance assessment of an industrial linear predictive controller of decentralized structure. The controller has twelve controlled variables, eight manipulated variables, and four unmeasured disturbances and is applied to a propylene-propane fractionation system of a petrochemical industry. The performance assessment allowed reducing the scope of the controller revision to nineteen channels of the models matrix, fourteen of which were null models that should be included in the controller. The efficacy of the proposed method was confirmed by repeating the model quality evaluation for all the controlled variables.

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.

Nesta tese, com a ambição de desenvolver um pacote de controle que poderia ser implementado a baixo custo nas indústrias brasileiras, é estudado o controle preditivo (MPC) de sistemas estáveis e instáveis com modelos incertos, baseado em um modelo de realinhamento e o uso de técnicas de desigualdades matriciais lineares (LMI), para resolução de problemas de controle robusto. Na primeira parte da tese, a aplicabilidade de um controlador baseado em um modelo de realinhamento é considerada. Como o controlador preditivo baseado em um modelo de realinhamento não requer o uso de um observador de estados, espera-se que seja mais eficiente e mais robusto a distúrbios não medidos que um controlador que precise de um observador de estados. Essa hipótese é testada comparando-se o desempenho e a robustez a distúrbios não medidos deste controlador com um controlador que requer o uso de um observador de estados, através da simulação do controle de um separador polipropileno/propano (PP) industrial. Por outro lado, a desvantagem de um controlador baseado em um modelo de realinhamento é a sensibilidade da construção do modelo e das matrizes do controlador a erros numéricos que aumentam com o tamanho do sistema. As etapas do algoritmo de controle mais sensíveis a erros numéricos são então destacadas com o objetivo de discutir a aplicabilidade de um controlador baseado em um modelo de realinhamento a sistemas de grande porte. Além disso, sempre que possível, os métodos utilizados para reduzir a sensibilidade das etapas problemáticas a erros numéricos são apresentados. A segunda parte da tese trata da solução do problema de controle robusto preditivo baseado em um modelo de sistema incerto. Este problema é usualmente abordado através da inclusão de restrições não lineares sobre os custos associados aos modelos da planta no problema de controle, de tal modo que a ação de controle é obtida a cada instante de tempo através da resolução de um problema de otimização não linear, cujo custo computacional pode ser proibitivo para sistemas de grande porte. Nesta parte da tese, o problema de MPC robusto é então reformulado como um problema baseado em LMIs, que pode ser resolvido com uma fração do esforço computacional. A abordagem proposta é comparada com o MPC robusto convencional e testada através da simulação do controle de um reator e de um separador C3/C4 industriais. Finalmente, na terceira parte da tese, o MPC de sistemas estáveis e instáveis com incertezas no modelo que permite a saturação das entradas manipuladas é abordado. Um subconjunto das entradas manipuladas é alocado ao controle das saídas instáveis através de uma lei de realimentação de estados, enquanto as outras entradas são deixadas livres para controlar as saídas estáveis restantes. Assume-se que as saídas são controladas dentro de faixas e que os setpoints das saídas são tratados como entradas manipuladas adicionais. Os controladores desenvolvidos nesta parte da tese permitem a saturação das entradas associadas às saídas instáveis através da manipulação das entradas livres e dos setpoints das saídas instáveis. A viabilidade recursiva dos controladores desenvolvidos é garantida, permitindo-se que os setpoints das saídas instáveis deixem temporariamente suas faixas. O desempenho dos controladores desenvolvidos é testado através da simulação do controle de dois processos integradores da indústria química. / In this thesis, with the ambition of developing a homemade control package that could be implemented at a low cost in Brazilian industries, the model predictive control (MPC) of uncertain stable and unstable systems based on a realigned state space representation and on the use of the Linear Matrix Inequality (LMI) techniques is addressed. In the first part of this thesis, the practical implementability of a controller based on a realigned model is considered. Since a Model Predictive Controller based on a realigned model does not require the use of a state observer, it is expected to be more efficient and more robust to unmeasured disturbances than a controller requiring the use of a state observer. This assumption is tested by comparing the performance and the robustness to unmeasured disturbances of a controller based on a realigned model with a controller requiring the use of a state observer through the simulation of the control of a nonlinear industrial propylene/propane (PP) splitter. On the other hand, a disadvantage of a controller based on a realigned model is that the construction of the model and controller matrices is very sensitive to numerical errors. The steps of the control algorithm that are more sensitive to numerical errors are then highlighted in order to discuss the practical applicability of an MPC based on the realigned model to large-scale systems. Also, wherever possible, some ways of decreasing the sensitiveness of the problematic steps to numerical errors are presented. The second part of this thesis addresses the solution to the problem of robust MPC of systems with model uncertainty. The usual approach of dealing with this kind of problem is through the inclusion of nonlinear cost constraints in the control problem so that the control action is obtained at each sampling time as the solution to a nonlinear programming (NLP) problem that, for high order systems, can be computationally expensive. In this part of the thesis, the robust MPC problem is then recast as an LMI problem that can be solved in real time with a fraction of the computer effort. The proposed approach is compared with the conventional robust MPC and tested through the simulation of the control of a reactor system and a C3/C4 splitter of the process industry. Finally, in the third part of the thesis, the model predictive control of uncertain process systems with stable and unstable outputs that allows input saturation is addressed. A subset of the manipulated inputs is allocated to the control of the unstable outputs through a state feedback control law while the other inputs are left free to control the remaining stable outputs. It is assumed that the outputs are controlled inside zones and that the output setpoints are treated as additional free manipulated inputs. The proposed controllers allow the saturation of the inputs related to the unstable outputs by manipulating the free inputs and the setpoints of the unstable outputs. The recursive feasibility of the controllers is guaranteed by allowing the setpoints of the unstable outputs to temporarily leave their bounds. The performance of the proposed approach is tested through the simulation of the control of two integrating chemical process systems.

A variabilidade é um problema presente na maioria das malhas de controle de processos industriais, trazendo prejuízo ao causar perda de produtividade e utilização excessiva de matéria prima e energia. Muitas vezes ela é causada pela presença do atrito em válvulas de controle, os atuadores mais usados em processos industriais. Há uma série de métodos propostos para diagnosticar as perturbações causadas pelo atrito nas válvulas, classificados em intrusivos e não-intrusivos. Neste trabalho, foram estudados dois métodos intrusivos. Eles foram aplicados de maneira automática em simulações computacionais, que foram realizadas em um sistema híbrido de teste (HIL) de uma planta de vazão, com dois níveis de atrito da válvula, e também em um ambiente inteiramente simulado, visando analisar o desempenho dos dois métodos. Os resultados obtidos com ambos os métodos foram satisfatórios, muito embora um dos métodos tenha confundido os efeitos gerados pelo atrito com os produzidos por má sintonia do controlador da malha. / The variability is a problem present on the most of control loops in industrial processes. It causes losses in plant productivity and in material and energy usage. Many times it is caused by the presence of friction in control valves, the most used actuator in industrial processes. There are many methods proposed to diagnose the disturbances caused by control valve friction, which are classified in intrusive and non-intrusive. In this work, two intrusive methods are studied. They were applied automatically by computer simulations that were performed in a hybrid test system (HIL) of a flow plant, with two valve friction levels. Additionally they were applied in a completely simulated environment, aiming at analyzing the performance of both methods. The results with the two methods were satisfactory, although one of the methods has not separated the effects generated by the friction from the ones produced by a bad tuning of the loop controller.

O atrito é uma não-linearidade que geralmente produz o mau desempenho de um sistema mecânico com partes móveis. Neste trabalho, o elemento mecânico estudado é a válvula de controle de processos, que é o elemento final de controle mais empregado nas indústrias de processo. A presença de atrito na válvula eleva a variabilidade da malha de controle, gerando impacto em toda a cadeia produtiva da planta, devido, principalmente, ao aumento do consumo de energia e à rejeição de produto final fora de especificação. Desta forma, os estudos visando a redução de variabilidade passaram a ter uma importância econômica muito grande, pois causam impacto direto na lucratividade do negócio. Muitos estudos foram realizados visando diagnosticar, medir e compensar o atrito. Neste trabalho, se implementam técnicas propostas na literatura para compensação de atrito em válvulas de controle. Para avaliar seu desempenho, são apresentadas as conclusões obtidas nos experimentos e são propostas possíveis implementações futuras, seguindo esta linha de pesquisa. / Friction is a nonlinearity that generally produces bad performance of a mechanical system with moving parts. In this work, the studied mechanical element is the process control valve, which is the most used final control element in process industries. The presence of friction in control valves increases control loop variability, generating impact in all plant productive chain, due to the increase of energy consumption and rejection of end product that is out of specification. In such a way, we can see that the studies aiming variability reduction had started to have a great economic importance, due to its direct impact in business profitability. Many studies have been done aiming friction diagnosis, measurement and compensation. In this work, techniques that have been proposed on the literature for friction compensation in control valves are implemented. The conclusions obtained in the experiments are presented to evaluate the performance of the compensators and possible future implementations are proposed, following this research line.

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.

Este trabalho tem como objetivo estudar as características de uma coluna depropanizadora e propor uma estrutura de controle para esta planta. Essa coluna está localizada na unidade de craqueamento catalítico da Refinaria Presidente Bernardes, em Cubatão. O objetivo de controle é a especificação de um valor máximo de butano e componentes mais pesados (C4+) na corrente de topo e um valor máximo de propano e componentes mais leves (C3-) na corrente de fundo. Uma simulação da planta foi construída por meio do simulador de processos AspenOne® e os modelos referentes a vários pontos de operação e duas composições de carga distintas foram obtidos através da simulação integrada entre o Aspen® e o Simulink®. O software Matlab(TM) foi utilizado para executar o algoritmo de controle. O controlador aqui proposto é um IHMPC (Infinite Horizon Model Predictive Control) adaptado para sistemas com tempo morto e com faixas nas variáveis controladas. As incertezas na modelagem foram representadas por um conjunto de modelos lineares. Adicionalmente o controlador contém, na mesma camada, um componente de otimização econômica linear com o objetivo de minimizar o gasto energético do sistema ou até mesmo maximizar a pureza do destilado. As simulações permitiram que as estratégias de controle pudessem ser testadas e seus resultados discutidos. A análise dos testes mostra que o IHMPC aqui proposto é capaz de controlar a planta nos possíveis pontos de operação com um bom desempenho. / The objective of this work is to study the characteristics of a depropanizer column and to propose a predictive control structure for this plant. This column is located at the fluid catalytic cracking unit of the Presidente Bernardes Refinery, in Cubatão. The control objective of these columns is the specification of a maximum value of butane and heavier components (C4+) in the top stream and the maximum value of propane and lighter components (C3-) in the bottom stream. The plant was represented through the process simulator AspenOne® and the models for several operating points and two different feed compositions were obtained through the integrated simulation of Aspen® and Simulink®. The software Matlab(TM) was used to run the control algorithm. The controller proposed here is based on the IHMPC (Infinite Horizon Model Predictive Control) that was extended to time delayed systems and zone control. The model uncertainties are approximated by a set of linear models. In addition, the controller contains, in the same layer, an economic objective, which aims to minimize the energy contents of the operation and to maximize the purity of the distillate. The simulation allowed that the control strategies could be tested and the results discussed. The analysis of the tests showed that the proposed IHMPC is able to control the plant with acceptable performance.

Resumo: O pH é uma das variáveis de maior importância para a fabricação de papel, devido à sua enorme influência na química da parte úmida e na formação da folha. O controle desta variável resulta em produção de papel com baixa variabilidade e em consequência mais facilidade para atender a qualidade requerida. Devido às dificuldades intrínsecas do processo, como não linearidade e à sua natureza estocástica, o desenvolvimento de modelos fundamentais para controle de processo torna-se uma tarefa complexa. Assim, usando os resultados da resposta a uma excitação em degrau do controlador PI em laço fechado foi possível obter o modelo do comportamento dinâmico do processo. Diversas abordagens foram usadas para a obtenção do modelo matemático, mas a que mais se destacou foi a abordagem em que foi considerada o equacionamento na variável tempo, utilizando o critério ISE (Integral do Quadrado do Erro) como critério de avaliação. É importante mencionar que foram consideradas duas alternativas para representar a mudança de setpoint, um degrau ideal e o caso real, uma sequência de degraus (staircase). A partir do modelo identificado para o processo, foram realizados estudos de simulação visando avaliar a sintonia do controlador e o impactoeconômico por ajuste dos parâmetros proporcional e integral. Desta forma, mostrouse que a escolha adequada dos parâmetros do controlador, afeta de maneira decisiva a variabilidade da resposta da malha de controle, bem como sua estabilidade e o tempo necessário para atingir o setpoint. Finalmente, é de suma importância ressaltar que os resultados indicam uma melhora no desempenho da malha de controle avaliado através critério ISE e que o ganho econômico pode chegar a 88%.

O presente trabalho tem por objetivo analisar, sob o ponto-de-vista administrativo, a situação de um Núcleo de Informações Tecnológicas (NiET), identificando suas características atuais e seu potencial, e propor um sistema de informações que privilegie a operação de suas principais funções internas. Como método de pesquisa, utilizou-se a Pesquisa-Ação. O sistema de informações proposto é composto por módulos orientados para organização dos dados internos e para controle dos processos e informações dos projetos de pesquisa executados na Fundatec. O estudo apresenta como resultados a definição da estrutura e das rotinas de trabalho do NiET, bem como a avaliação de perspectivas para seu desenvolvimento. / The objective of this research is to analyse, from the administrative point of view, the situation o the NiET. lt identifies its actual characteristics and its potencial, and proposes an information system in which the main functions of the Nucleus are considered. Action-Research was used as the research method. The proposed informatyion system is composed by three modules oriented to the organization of the internai data and to the contrai of processes and informations utilized by the research projects developed in Fundatec. The results presented by the study are the definition of the structure and the work procedures of NiET, as well as an assessment of the perspectives for its improvement.