O conceito de controle híbrido é aplicado à operação de alívio entre um FPWSO e um navio aliviador. Ambos os navios mantêm suas posições e aproamentos pelo resultado da ação do seu Sistema de Posicionamento Dinâmico (SPD). O alívio dura cerca de 24 horas para ser concluído. Durante este período, o estado de mar pode se alterar e os calados estão sendo constantemente alterados. Um controlador híbrido é projetado para permitir modificacões dos parâmetros de controle/observação se alguma alteração significante do estado de mar e/ou calado das embarcações ocorrer. O principal objetivo dos controladores é manter o posicionamento relativo entre os navios com o intuito de evitar perigosa proximidade ou excesso de tensão no cabo. Com isto em mente, uma nova estratégia de controle que atue integradamente em ambos os navios é proposta baseda em geometria diferencial. Observadores não lineares baseados em passividade são aplicados para estimar a posição, a velocidade e as forças externas de mares calmos até extremos. O critério para troca do controle/observação é baseado na variação do calado e no estado de mar. O calado é assumido conhecido e o estado de mar é estimado pela frequência de pico do espectro do movimento de primeira ordem dos navios. Um modelo de perturbação é proposto para encontrar o número de controladores do sistema híbrido. A equivalência entre o controle geométrico e o controlador baseado em Multiplicadores de Lagrange é demonstrada. Assumindo algumas hipóteses, a equivalência entre os controladores geométrico e o PD é também apresentada. O desempenho da nova estratégia é avaliada por meio de simulações numéricas e comparada a um controlador PD. Os resultados apresentam muito bom desempenho em função do objetivo proposto. A comparação entre a abordagem geométrica e o controlador PD aponta um desempenho muito parecido entre eles. / The hybrid control concept is applied to the offoading operation by means of a Floating, Production, Working, Storage and Offoading (FPWSO) vessel and a Shuttle Tanker (ST). Both vessels are able to maintain their position and heading as a result of the Dynamic Positioning System (DPS). The vessels are in tandem configuration connected by a hawser. The offloading operation lasts approximately 24 hours. During this period, the sea condition may change and the drafts are being constantly altered. Hybrid controller is designed to permit modification of the controller/observer parameters should a significant sea state alteration and/or draft variation occur. The main goal of the controllers is to maintain relative positioning between vessels in order to avoid dangerous proximity or excessive hawser tension. With that in mind, a new control strategy is proposed based on dierential geometry that acts integrally in both vessels. Nonlinear observers based on passivity are used to estimate position, velocity and external force ranging from calm to extreme seas. The criterion for changing the controller/observer law is based on draft and sea state. The draft is assumed to be known and sea state is estimated by tracking the peak-frequency of the first-order vessel motion spectrum. A perturbation-based model is proposed to find the number of hybrid system controllers. The equivalence between the geometric control approach and the Lagrange Multiplier (LM) - based control is demonstrated. Taking some assumptions as given, the equivalence between geometric and PD-like controllers is regarded as having also been demonstrated. The performance of the new strategy is assessed by means of numerical simulations and compared to a Proportional-Derivative (PD)-like control. The results present a very good performance as regards the proposed main goal. Result comparison of the geometric approach and the PD-like control shows very similar behavior between geometric and PD-like controllers.

O conceito de controle híbrido é aplicado à operação de alívio entre um FPWSO e um navio aliviador. Ambos os navios mantêm suas posições e aproamentos pelo resultado da ação do seu Sistema de Posicionamento Dinâmico (SPD). O alívio dura cerca de 24 horas para ser concluído. Durante este período, o estado de mar pode se alterar e os calados estão sendo constantemente alterados. Um controlador híbrido é projetado para permitir modificacões dos parâmetros de controle/observação se alguma alteração significante do estado de mar e/ou calado das embarcações ocorrer. O principal objetivo dos controladores é manter o posicionamento relativo entre os navios com o intuito de evitar perigosa proximidade ou excesso de tensão no cabo. Com isto em mente, uma nova estratégia de controle que atue integradamente em ambos os navios é proposta baseda em geometria diferencial. Observadores não lineares baseados em passividade são aplicados para estimar a posição, a velocidade e as forças externas de mares calmos até extremos. O critério para troca do controle/observação é baseado na variação do calado e no estado de mar. O calado é assumido conhecido e o estado de mar é estimado pela frequência de pico do espectro do movimento de primeira ordem dos navios. Um modelo de perturbação é proposto para encontrar o número de controladores do sistema híbrido. A equivalência entre o controle geométrico e o controlador baseado em Multiplicadores de Lagrange é demonstrada. Assumindo algumas hipóteses, a equivalência entre os controladores geométrico e o PD é também apresentada. O desempenho da nova estratégia é avaliada por meio de simulações numéricas e comparada a um controlador PD. Os resultados apresentam muito bom desempenho em função do objetivo proposto. A comparação entre a abordagem geométrica e o controlador PD aponta um desempenho muito parecido entre eles. / The hybrid control concept is applied to the offoading operation by means of a Floating, Production, Working, Storage and Offoading (FPWSO) vessel and a Shuttle Tanker (ST). Both vessels are able to maintain their position and heading as a result of the Dynamic Positioning System (DPS). The vessels are in tandem configuration connected by a hawser. The offloading operation lasts approximately 24 hours. During this period, the sea condition may change and the drafts are being constantly altered. Hybrid controller is designed to permit modification of the controller/observer parameters should a significant sea state alteration and/or draft variation occur. The main goal of the controllers is to maintain relative positioning between vessels in order to avoid dangerous proximity or excessive hawser tension. With that in mind, a new control strategy is proposed based on dierential geometry that acts integrally in both vessels. Nonlinear observers based on passivity are used to estimate position, velocity and external force ranging from calm to extreme seas. The criterion for changing the controller/observer law is based on draft and sea state. The draft is assumed to be known and sea state is estimated by tracking the peak-frequency of the first-order vessel motion spectrum. A perturbation-based model is proposed to find the number of hybrid system controllers. The equivalence between the geometric control approach and the Lagrange Multiplier (LM) - based control is demonstrated. Taking some assumptions as given, the equivalence between geometric and PD-like controllers is regarded as having also been demonstrated. The performance of the new strategy is assessed by means of numerical simulations and compared to a Proportional-Derivative (PD)-like control. The results present a very good performance as regards the proposed main goal. Result comparison of the geometric approach and the PD-like control shows very similar behavior between geometric and PD-like controllers.

Neste trabalho aprimorou-se um método para aproximar soluções de uma classe de equações diferenciais algébricas (DAEs), conhecida como sistemas semi-implícitos quadrados. O método, chamado aqui de MII, fundamenta-se na teoria geométrica de desacoplamento para sistemas não lineares, aliada a técnicas eficientes de análise numérica. Ele usa uma estratégia mista com cálculos simbólicos e numéricos para construir um sistema explícito, cujas soluções convergem exponencialmente para as soluções do sistema implícito original. Duas versões do método são apresentadas. Com a primeira, chamada de MIIcond, procura-se obter matrizes numericamente estáveis, através de balanceamentos. E a segunda, MIIproj, aproveita uma interpretação geométrica para o campo vetorial obtido. As implementações foram desenvolvidas em Matlab/simulink com o pacote de computação simbólica. Através dos benchmarks, realizando inclusive comparações com outros métodos atualmente disponíveis, constatou-se que o MIIcond foi inviável em alguns casos, devido ao tempo de processamento muito extenso. Por outro lado, o MIIproj mostrou-se uma boa alternativa para esta classe de problemas, em especial para sistemas de alto índex. / This work improves a method to approximate solutions for a class of differential algebraic equations (DAEs), known as systems semi-implicit square. The method, called here MII, is based on geometric theory of decoupling for nonlinear systems combined with efficient techniques numerical analysis. It uses an algorithum that mixes symbolic and numerical calculations to build an explicit system, whose solutions converge exponentially to solutions of the original implicit system. Two versions of the method are given. The first one is called MIIcond, trying to obtain numerically stable matrices through balancing. The second one is the MIIproj, taking advantage of a geometricinterpretation of the vector field there obtained. The implementations were developed in Matlab/Simulink with the symbolic toolbox. Through benchmarks, including performing comparisons with other methods currently available, it was found that the MIIcond was not feasible in some cases, due to processing time too long. On the other hand, the MIIproj presented itself as good alternative to this class of problems, especially for systems of high index.

Para abordagem do controle não-linear geométrico, a síntese do controle e elaborada diretamente a partir da descrição do processo com a dinâmica não-linear em espaço de estados. O presente trabalho trata da aplicação dos principais conceitos e formalismos do controle não-linear geométrico para os processos multivariaveis típicos da engenharia química: o controle não-linear continuo da coluna de destilação e o controle não-linear discreto da unidade de craqueamento catalítico em leito fluidizado. A síntese e o projeto do controlador não-linear são enfocados separadamente. O projeto do controlador tem importância pratica para as aplicações industriais. O presente trabalho apresenta metodologias para a abordagem dos seguintes aspectos da aplicação multivariavel do controle geométrico não-linear: (a) como relaxar a sintonia do controlador interno de desacoplamento não-linear; (b) como definir o controlador externo como controle linear de alocação de pólos com coeficientes de hurwitz; (c) neste controlador externo, como incluir a ação integral com prevenção da saturação; e (d) como definir a dinâmica dossetpoints externos. / For the geometric nonlinear control approach, the controller synthesis is elaborated directly from the nonlinear dynamics state space description of the process. This work concerns the application of the main concepts and formalisms of the geometric nonlinear control theory to typical multivariable (MIMO) chemical engineering process as illustrative case studies: the continuous nonlinear control of the distillation column and the discrete nonlinear control of the fluid catalytic cracking unit. The synthesis and the project issues of the nonlinear controller are focused separately. The controller project has the practical importance for the industrial controller applications. This work applies the methodologies to approach the following issues for the MIMO applications of the geometric nonlinear control: (a) to detune the internal nonlinear decoupling controller; (b) to define the external controller as linear pole-placement controllers with Hurwitz coefficients; (c) to include the integral action with anti-reset windup on this external controllers and (d) to define the dynamics of the external setpoints.

Submitted by Kelren Mota (kelrenlima@ufpa.br) on 2018-05-16T20:21:15Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Dissertacao_ViabilidadeTecnicoEconomica.pdf: 5992856 bytes, checksum: 3f6c1bd1b45f30d53956ede5f7560585 (MD5) / Approved for entry into archive by Kelren Mota (kelrenlima@ufpa.br) on 2018-05-16T20:22:02Z (GMT) No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Dissertacao_ViabilidadeTecnicoEconomica.pdf: 5992856 bytes, checksum: 3f6c1bd1b45f30d53956ede5f7560585 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-05-16T20:22:03Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Dissertacao_ViabilidadeTecnicoEconomica.pdf: 5992856 bytes, checksum: 3f6c1bd1b45f30d53956ede5f7560585 (MD5) Previous issue date: 2017-09-18 / A análise do deslocamento da vertical de construções é fundamental para garantir o desempenho funcional das estruturas, minimizar a possibilidade de retrabalho e controlar custos das obras de engenharia. A tendência global é a normatização dos processos de controle de qualidade, o que torna necessário o desenvolvimento e a aplicação de metodologias apuradas para que o desempenho dos elementos construtivos possa ser assegurado. Considerando-se que o controle destes deslocamentos envolve diferentes técnicas e métodos de medição, seja na avaliação do comportamento em serviço, seja inserido no contexto da manutenção preventiva, este trabalho tem como objetivo averiguar a viabilidade técnico-econômica do controle geométrico e volumétrico da estrutura de edifícios. Com ênfase para o revestimento de fachadas, essa dissertação apresenta estudo caso de dois edifícios residenciais localizados em Belém, estado do Pará, observados durante o processo construtivo de cada obra. Nesse âmbito, foram utilizadas metodologias topográficas mais rigorosas, com o emprego de instrumentos modernos (estações totais), uma vez que essa prática é pouco recorrente em obras de edifícios verticais. Durante a coleta de dados, foram realizadas medições para identificar os deslocamentos e avaliar o volume das fachadas quando da aplicação do revestimento das paredes. Isso posto, comparou-se a relação custo-benefício do volume do material com as medidas topográficas geradas. Após essa etapa, efetuou-se detalhada análise estatística das medidas obtidas, onde foram elaborados gráficos sobre a evolução do controle da verticalidade e da volumetria da fachada dos dois edifícios. A análise gráfica ilustra os procedimentos e mecanismos desenvolvidos nos dois empreendimentos. Os resultados indicam que os custos de controle ou de monitoramento com uma equipe de topografia permanente no canteiro de obras são entre 2,93 e 4,95 vezes menores do que os custos acrescidos pela falta de verticalidade. A complexidade do projeto arquitetônico na geometria do edifico também influencia no deslocamento da verticalidade e que os diferentes índices de referência de preços podem alterar esta relação de custos acrescidos, demonstrando de forma inconteste a viabilidade de se adotar técnicas topográficas mais modernas e eficientes. / The vertical displacement analysis is fundamental to guarantee the functional performance of the structures, to minimize the possibility of rework and to control costs of engineering projects. The global tendency is the standardization of quality control processes, which is mandatory to develop and to apply accurate methodologies so that the building elements performance can be assured. Taking into consideration the control of these displacements that involves different measurement techniques and methods, whether for the structure behavior evaluation or for preventive maintenance purposes, this work aims to investigate the technical-economic feasibility of using geometric and volumetric control of building structures. With emphasis on facade coating, this dissertation presents a case study of two residential buildings located in Belém, state of Pará, where each work was observed during the building process. In this context, more rigorous topographic methodologies were taking into account, were used, with the use of modern instruments (total stations), since this practice is not very frequent in vertical building works. During the data collection, measurements were taken to identify the displacements in order to evaluate the facades volume after the wall coating was applied. Thus, we compared the cost-benefit ratio of the material volume with the topographic measurements generated. After this step, a detailed statistical analysis from the measurements was carried out, in which we demonstrated graphs about the verticality control and the facade volumetry of the buildings. The graphical analysis illustrates the procedures and mechanisms developed in both projects. The results indicate that the control or monitoring costs with a permanent topography team at the construction site are between 2.93 and 4.95 times lower than the costs added by the lack of verticality. The complexity of the architectural design in the geometry of the building also influences the displacement of the verticality and that the different indexes of prices of prices can alter this relation of costs plus, which undoubtedly reveal the importance of adopting more modern and efficient topographical techniques.

Para abordagem do controle não-linear geométrico, a síntese do controle e elaborada diretamente a partir da descrição do processo com a dinâmica não-linear em espaço de estados. O presente trabalho trata da aplicação dos principais conceitos e formalismos do controle não-linear geométrico para os processos multivariaveis típicos da engenharia química: o controle não-linear continuo da coluna de destilação e o controle não-linear discreto da unidade de craqueamento catalítico em leito fluidizado. A síntese e o projeto do controlador não-linear são enfocados separadamente. O projeto do controlador tem importância pratica para as aplicações industriais. O presente trabalho apresenta metodologias para a abordagem dos seguintes aspectos da aplicação multivariavel do controle geométrico não-linear: (a) como relaxar a sintonia do controlador interno de desacoplamento não-linear; (b) como definir o controlador externo como controle linear de alocação de pólos com coeficientes de hurwitz; (c) neste controlador externo, como incluir a ação integral com prevenção da saturação; e (d) como definir a dinâmica dossetpoints externos. / For the geometric nonlinear control approach, the controller synthesis is elaborated directly from the nonlinear dynamics state space description of the process. This work concerns the application of the main concepts and formalisms of the geometric nonlinear control theory to typical multivariable (MIMO) chemical engineering process as illustrative case studies: the continuous nonlinear control of the distillation column and the discrete nonlinear control of the fluid catalytic cracking unit. The synthesis and the project issues of the nonlinear controller are focused separately. The controller project has the practical importance for the industrial controller applications. This work applies the methodologies to approach the following issues for the MIMO applications of the geometric nonlinear control: (a) to detune the internal nonlinear decoupling controller; (b) to define the external controller as linear pole-placement controllers with Hurwitz coefficients; (c) to include the integral action with anti-reset windup on this external controllers and (d) to define the dynamics of the external setpoints.

Neste trabalho aprimorou-se um método para aproximar soluções de uma classe de equações diferenciais algébricas (DAEs), conhecida como sistemas semi-implícitos quadrados. O método, chamado aqui de MII, fundamenta-se na teoria geométrica de desacoplamento para sistemas não lineares, aliada a técnicas eficientes de análise numérica. Ele usa uma estratégia mista com cálculos simbólicos e numéricos para construir um sistema explícito, cujas soluções convergem exponencialmente para as soluções do sistema implícito original. Duas versões do método são apresentadas. Com a primeira, chamada de MIIcond, procura-se obter matrizes numericamente estáveis, através de balanceamentos. E a segunda, MIIproj, aproveita uma interpretação geométrica para o campo vetorial obtido. As implementações foram desenvolvidas em Matlab/simulink com o pacote de computação simbólica. Através dos benchmarks, realizando inclusive comparações com outros métodos atualmente disponíveis, constatou-se que o MIIcond foi inviável em alguns casos, devido ao tempo de processamento muito extenso. Por outro lado, o MIIproj mostrou-se uma boa alternativa para esta classe de problemas, em especial para sistemas de alto índex. / This work improves a method to approximate solutions for a class of differential algebraic equations (DAEs), known as systems semi-implicit square. The method, called here MII, is based on geometric theory of decoupling for nonlinear systems combined with efficient techniques numerical analysis. It uses an algorithum that mixes symbolic and numerical calculations to build an explicit system, whose solutions converge exponentially to solutions of the original implicit system. Two versions of the method are given. The first one is called MIIcond, trying to obtain numerically stable matrices through balancing. The second one is the MIIproj, taking advantage of a geometricinterpretation of the vector field there obtained. The implementations were developed in Matlab/Simulink with the symbolic toolbox. Through benchmarks, including performing comparisons with other methods currently available, it was found that the MIIcond was not feasible in some cases, due to processing time too long. On the other hand, the MIIproj presented itself as good alternative to this class of problems, especially for systems of high index.