This work presents a technique for linear system identification in frequency subbands by using wavelet packets. The wavelet-packet decomposition tree is used to establish frequency bands where subband models are created. An algorithm is proposed to adjust the tree structure, in order to achieve a compromise between accuracy and parsimony of the model. In a simulated example involving the identification of an aircraft model, the results of the proposed technique are favorably compared with those of a standard time-domain method.An application of the technique in the context of fault detection is also proposed. Once the identification is carried out, the difference between the outputs of the plant and of the model in the established frequency bands can be used as a residual signal for the purpose of fault detection. Two analytical redundancy approaches are exploited: input-output and output-output consistency check. Simulation studies involving a servomechanism and a Boeing 747 are provided to illustrate the proposed technique. The results show that the wavelet-packet method compares favorably with a standard observer-based scheme in terms of after-fault residue amplification, detection delay and number of successful fault detections.

Este trabalho tem como objetivo a modelagem por grafo de ligação (Bond Graph) de uma máquina de extrusão de borracha para pneumáticos e a identificação experimental dos parâmetros do modelo BG. Esta modelagem possibilita modelos contínuos no espaço de estados que podem ser convertidos para modelos contínuos em função de transferência. A metodologia de identificação de sistemas fornece modelos discretos de função de transferência que podem ser convertidos, apropriadamente, em modelos contínuos em função de transferência, sendo esses comparados com os modelos contínuos em função de transferência da modelagem BG com o objetivo de validar e melhorar a realidade do modelo teórico. O processo decorre a quente, faz-se necessário um controle da velocidade do parafuso de extrusão com referência ao tapete de resfriamento para obter o perfil de material dentro das especificações de tamanho e peso determinadas pelo departamento de qualidade do produto. Para o processo de identificação foi desenvolvido um sistema de aquisição de dados via microcomputador PC com condicionamento de sinais AD/DA e um programa de computador, em linguagem LabVIEW, o qual controla o sistema de aquisição de dados e armazena as leituras para a identificação off-line. Para o processo de identificação e validação dos modelos foram utilizadas as ferramentas de identificação de sistemas do programa de computador MATLAB.

Este trabalho propõe a investigação da aplicação das metodologias de Identificação de Sistemas na mecânica do vôo, com ênfase no desenvolvimento de estruturas de modelos e métodos de estimação de parâmetros no domínio do tempo, através da análise de dados de simulação e dados obtidos em ensaios em vôo. Isso possibilita a completa modelagem aerodinâmica, ou seja, a determinação das derivadas de estabilidade e controle, as quais desempenham um papel preponderante no comportamento dinâmico de uma aeronave. A abordagem de sistemas Lineares com Parâmetros Variantes (LPV), cuja teoria tem sido motivada por problemas de controle que exigem a estratégia de escalonamento de ganhos (Gain- scheduling), é uma maneira sistemática de se representar uma família de modelos lineares e não-lineares. Além disso, nessa abordagem os projetos de controladores e observadores de estado são baseados em técnicas de Desigualdades Matriciais Lineares (LMI, do inglês Linear Matrices Inequalities), que são uma valiosa alternativa aos métodos analíticos, uma vez que os problemas podem ser resolvidos de maneira exata por eficientes algoritmos de otimização convexa.Desse modo, a utilização da representação LPV no contexto da identificação de sistemas possibilita a validação dessa classe de modelos e abre perspectivas para melhorias no próprio processo de estimação paramétrica.

A identificação para controle é baseada especificamente na construção de modelos matemáticos a partir de dados experimentais, cuja finalidade é encontrar uma relação entre um conjunto de entradas e saídas de um processo dinâmico. Estes modelos são de fundamental importância para o projeto de controladores em processos industriais. No presente trabalho é realizada a identificação e o desenvolvimento do sistema de controle para uma planta piloto de neutralização de pH. O procedimento de identificação é baseado na coleta de dados reais do processo de neutralização de pH, operando em malha fechada. A estimativa dos modelos é realizada de duas formas: (1) estimar modelos que representem o comportamento de todo o sistema, incluindo os controladores PID do processo e (2) estimar modelos do processo com os dados coletados dos sinais de controle e as variáveis de saída do processo. Com os modelos do processo estimados projeta-se uma estratégia de controle MPC (Model Predictive Control), envolvendo dois esquemas de controle. O primeiro esquema calculará os set points ótimos que ingressarão nas malhas do processo. O segundo esquema calculará os sinais de controle ótimos que ingressarão diretamente no processo. O tipo de controlador MPC adotado é o QDMC (Quadratic Dynamic Matrix Control), permitindo restringir os sinais de entrada e saída do processo. A avaliação destes esquemas de controle é realizada mediante a mudança do set point das malhas do processo e a influência de perturbações. As perturbações são baseadas no aumento da vazão do ácido que ingressa no reator. / Identification for control system is based specifically on the mathematical models construction from experimental data, whose aim is to find a relationship between a set of inputs and outputs of a dynamic process. These models are fundamentally important for the industrial processes controllers design. In this work is performed the identification and development of the control system for a pH neutralization pilot plant. The identification procedure is based on the real data collected from pH neutralization process, operating in closed loop. The models estimation is performed in two forms: (1) estimating models that represent all system behavior, including process PID controllers and (2) estimating process models with collecting data of the control signals and process output variables. The process models parameters estimation is performed with the algorithms studied in Chapter 4. With the estimated process models is a MPC (Model Predictive Control) control strategy was designed, creating two control schemes. First scheme will compute the optimal set points that will enter to the process-loops. The second scheme will compute the optimal control signals that will enter to the process. The type of MPC controller adopted is a QDMC (Quadratic Dynamic Matrix Control), allowing restriction of the input and output signals. The control schemes evaluation is performed by changing the set point of the process-loops and the disturbance influence. This disturbance is based on acid flow increased that enters the reactor.

O atrito em válvulas e a sintonia inadequada de controladores são duas das maiores causas de degradação no desempenho das malhas de controle que incluem tais dispositivos. Assim como modelos de atrito são necessários para diagnosticar o mau funcionamento das válvulas ou para compensar os efeitos indesejáveis causados pelo atrito, modelos de processos são de fundamental importância para o projeto de controladores. Este trabalho estende métodos existentes para estimar parâmetros de modelos de atrito e processo, de modo que uma estrutura não-linear é adotada para representar o processo. O procedimento é baseado em dados de operação em malha fechada. Os algoritmos de estimação desenvolvidos são testados com dados simulados e gerados por uma plataforma híbrida (composta por uma válvula real e por uma planta simulada de neutralização de pH), a partir da qual avaliam-se as influências de perturbações, da magnitude do sinal de teste e da sintonia do controlador nos modelos estimados. Os resultados demonstram que o nível de atrito é corretamente quantificado, assim como bons modelos para o processo são estimados em diversas situações. Além disso, a extensão proposta apresenta vantagens significativas em relação a outros métodos, como: (1) maior exatidão na quantificação do nível de atrito, principalmente para processos em que as não-lineares sejam mais severas e (2) estimativas razoáveis do comportamento estático não-linear. / The friction in control valves and inadequate controller tuning are two of the major sources of performance degradation in control loops that include such devices. As friction models are needed to diagnose abnormal valve operation or to compensate such undesirable effects, process models play an essential role in controller design. This work extends existing methods that jointly identify the friction and process model parameters, so that a nonlinear structure is adopted to represent the process model. The procedure is based on data from closed-loop experiments. The developed estimation algorithms are tested with data from simulations and generated by a hybrid setup (composed of a real valve and a simulated pH neutralization process), in which the influences of the process disturbances, of the excitation signal magnitude and of the controller tuning on estimated models are investigated. The results demonstrate that the friction is accurately quantified, as well as good process models are estimated in several situations. In addition, the proposed extension presents significant advantages in relation to other methods, such as: (1) greater accuracy for friction quantification, especially for highly nonlinear processes and (2) reasonable estimates of the nonlinear steady state characteristics.

Esta tese foca no problema de estimação de estado e de identificação de parâametros para modelos afins por partes. Modelos afins por partes são obtidos quando o domínio do estado ou da entrada do sistema e particionado em regiões e, para cada região, um submodelo linear ou afim e utilizado para descrever a dinâmica do sistema. Propomos um algoritmo para estimação recursiva de estados e um algoritmo de identificação de parâmetros para uma classe de modelos afins por partes. Propomos um estimador de estados Bayesiano que utiliza o filtro de Kalman em cada um dos submodelos. Neste estimador, a função distribuição cumulativa e utilizada para calcular a distribuição a posteriori do estado assim como a probabilidade de cada submodelo. Já o método de identificação proposto utiliza o algoritmo EM (Expectation Maximization algorithm) para identificar os parâmetros do modelo. A função distribuição cumulativa e utilizada para calcular a probabilidade de cada submodelo a partir da medida do sistema. Em seguida, utilizamos o filtro de Kalman suavizado para estimar o estado e calcular uma função substituta da função likelihood. Tal função e então utilizada para identificar os parâmetros do modelo. O estimador proposto foi utilizado para estimar o estado do modelo não linear para vibrações causadas por folgas. Foram realizadas simulações, onde comparamos o método proposto ao filtro de Kalman estendido e o filtro de partículas. O algoritmo de identificação foi utilizado para identificar os parâmetros do modelo do jato JAS 39 Gripen, assim como, o modelos não linear de vibrações causadas por folgas. / This thesis focuses on the state estimation and parameter identi cation problems of piecewise a ne models. Piecewise a ne models are obtained when the state domain or the input domain are partitioned into regions and, for each region, a linear or a ne submodel is used to describe the system dynamics. We propose a recursive state estimation algorithm and a parameter identi cation algorithm to a class of piecewise a ne models. We propose a Bayesian state estimate which uses the Kalman lter in each submodel. In the this estimator, the cumulative distribution is used to compute the posterior distribution of the state as well as the probability of each submodel. On the other hand, the proposed identi cation method uses the Expectation Maximization (EM) algorithm to identify the model parameters. We use the cumulative distribution to compute the probability of each submodel based on the system measurements. Subsequently, we use the Kalman smoother to estimate the state and compute a surrogate function for the likelihood function. This function is used to estimate the model parameters. The proposed estimator was used to estimate the state of the nonlinear model for vibrations caused by clearances. Numerical simulations were performed, where we have compared the proposed method to the extended Kalman lter and the particle lter. The identi cation algorithm was used to identify the model parameters of the JAS 39 Gripen aircraft as well as the nonlinear model for vibrations caused by clearances.

Transformadores de potência representam um grande volume de investimento em sistemas de transmissão e distribuição. Falhas em transformadores têm um alto impacto econômico na exploração de uma rede. O parâmetro mais importante e que define a vida útil de isolação de um transformador é a temperatura do ponto mais quente de seus enrolamentos. O trabalho analisa dois modelos térmicos de transformadores de potência. Eles nos permitem calcular as temperaturas do óleo no topo e na parte inferior e a temperatura do ponto quente no enrolamento. Ambos os modelos são baseados em circuitos elétricos a parâmetros concentrados. O primeiro é uma proposta de Susa, que envolve a solução de dois circuitos elétricos acoplados. Já Tang sugere um segundo modelo, que consiste em um circuito elétrico de três nós. O principal objetivo deste trabalho é a obtenção dos parâmetros térmicos de ambos os modelos baseados em temperaturas medidas para uma determinada carga. Duas abordagens diferentes de otimização serão avaliadas: uma mono objetivo e outra multi objetivo. A segunda oferece-nos uma análise de sensibilidade de parâmetros do modelo. Ambos os métodos de otimização foram utilizadas para obter os parâmetros térmicos de um transformador de potência 250 MVA resfriamento ONAN (Óleo Natural, Ar Natural). Os parâmetros obtidos do modelo térmico são então utilizadas para outras curvas de carga e também são comparadas com a norma IEEE C57.91 1995 com boa precisão. / Power transformers represent a large amount of investment in transmission and distribution systems. Faults in transformers have a high economic impact in the operation of a network. One of the most important parameters that govern the life of transformers is its hotspot temperature, which defines the loss of life of the equipament. The work analyzes two thermal models for a power transformer. They allow us to calculate the top oil temperature, the bottom oil temperature and the hotspot temperature of power transformers. Both models are based on lumped parameters. The first one is proposed by Susa, and involves the solution of two coupled electrical circuits. Tang suggests the second one, which consists on an electric circuit of three nodes to be solved. The main objective of this work is to obtain the thermal lumped parameters of both models based on measured temperatures for a given load curve. Two different approaches will be adopted: a mono-objective optimization and a multiobjective optimization. The second one provides us a sensitivity analysis of the model parameters. Both optimization methods were used to obtain the thermal lumped parameters in a 250 MVA ONAN power transformer. The obtained parameters of the thermal model are then used for other load curves and compared with the guide IEEE C57.91 1995 with good accuracy.

As atividades sócio-econômicas vêm provocando alterações nocivas ao meio ambiente que atualmente assumem proporções mundiais. Graças à maciça utilização de combustíveis fósseis para a geração de energia e às crescentes práticas de desmatamento e queimadas das florestas, a concentração de dióxido de carbono (CO2) na atmosfera vem aumentando drasticamente. Como este gás é o principal responsável pelo efeito estufa, ele tem grande importância nos estudos e na mitigação do aquecimento global. Para justificar o seqüestro de carbono como um dos caminhos para ajudar na solução deste problema, muitos estudos vêm sendo realizados para avaliar os efeitos nas plantas de uma maior concentração desse gás. As câmaras de topo aberto (OTC, do inglês, open top chambers) são estruturas propícias para tais estudos, pois permitem o controle da concentração de CO2 interno sem que outros fatores climáticos como temperatura, umidade e luminosidade sejam demasiadamente alterados. Este trabalho teve como objetivo o desenvolvimento de um sistema para controlar o nível de CO2 no interior de uma OTC. Em termos de instrumentação eletrônica, foram instalados um sensor de CO2 e uma válvula proporcional, integrados a uma placa de aquisição de dados. Um modelo linear relacionando o CO2 na câmara ao sinal elétrico aplicado à válvula proporcional foi obtido aplicando-se técnicas de Identificação de Sistemas aos dados experimentais coletados com o processo operando em malha aberta. Este modelo foi utilizado no projeto de um controlador com compensação de tempo morto, baseado na estrutura de um preditor de Smith. O desempenho do sistema projetado foi analisado através de simulações, antes de implementá-lo na forma de um instrumento virtual. Os testes mostraram que o sistema manteve a concentração de CO2 na câmara próxima do valor de referência (720 ± 35 ppm) mesmo diante de distúrbios externos criados propositadamente durante os ensaios. / The harmful changes to the environment caused by socio-economic activities are now spread worldwide. Due to the massive use of fossil fuels for energy generation, to the increase in deforestation and forest burning, the carbon dioxide (CO2) concentration in the atmosphere has drastically increased. As this gas is the main responsible for the greenhouse effect, it has great importance for the studies and the mitigation of global warming. In order to justify carbon sequestration as an alternative to help solve this problem, many studies have been conducted to evaluate the effect of a greater concentration of this gas on plants. Open-top chambers (OTCs) are well suited for such studies, because they allow the control of the internal CO2 concentration without significantly modifying other environmental factors such as temperature, humidity and luminosity. This work aimed to develop a system to control the CO2 level inside an OTC. In terms of electronic instrumentation, a CO2 sensor and a proportional valve, integrated to a data acquisition board, were used. A linear model relating CO2 in the chamber to the electric signal applied to the proportional valve was obtained applying System Identification techniques to the experimental data collected from the process operating in open-loop mode. This model was used in the project of a controller with dead time compensation, based on the Smith Predictor structure. The performance of the projected system was analyzed through simulations, before implementing it in the form of a virtual instrument. The tests showed that the system kept the CO2 concentration of the chamber near the set-point (720 ± 35 ppm) even in the presence of external disturbances purposely created during the experiments.

Transformadores de potência representam um grande volume de investimento em sistemas de transmissão e distribuição. Falhas em transformadores têm um alto impacto econômico na exploração de uma rede. O parâmetro mais importante e que define a vida útil de isolação de um transformador é a temperatura do ponto mais quente de seus enrolamentos. O trabalho analisa dois modelos térmicos de transformadores de potência. Eles nos permitem calcular as temperaturas do óleo no topo e na parte inferior e a temperatura do ponto quente no enrolamento. Ambos os modelos são baseados em circuitos elétricos a parâmetros concentrados. O primeiro é uma proposta de Susa, que envolve a solução de dois circuitos elétricos acoplados. Já Tang sugere um segundo modelo, que consiste em um circuito elétrico de três nós. O principal objetivo deste trabalho é a obtenção dos parâmetros térmicos de ambos os modelos baseados em temperaturas medidas para uma determinada carga. Duas abordagens diferentes de otimização serão avaliadas: uma mono objetivo e outra multi objetivo. A segunda oferece-nos uma análise de sensibilidade de parâmetros do modelo. Ambos os métodos de otimização foram utilizadas para obter os parâmetros térmicos de um transformador de potência 250 MVA resfriamento ONAN (Óleo Natural, Ar Natural). Os parâmetros obtidos do modelo térmico são então utilizadas para outras curvas de carga e também são comparadas com a norma IEEE C57.91 1995 com boa precisão. / Power transformers represent a large amount of investment in transmission and distribution systems. Faults in transformers have a high economic impact in the operation of a network. One of the most important parameters that govern the life of transformers is its hotspot temperature, which defines the loss of life of the equipament. The work analyzes two thermal models for a power transformer. They allow us to calculate the top oil temperature, the bottom oil temperature and the hotspot temperature of power transformers. Both models are based on lumped parameters. The first one is proposed by Susa, and involves the solution of two coupled electrical circuits. Tang suggests the second one, which consists on an electric circuit of three nodes to be solved. The main objective of this work is to obtain the thermal lumped parameters of both models based on measured temperatures for a given load curve. Two different approaches will be adopted: a mono-objective optimization and a multiobjective optimization. The second one provides us a sensitivity analysis of the model parameters. Both optimization methods were used to obtain the thermal lumped parameters in a 250 MVA ONAN power transformer. The obtained parameters of the thermal model are then used for other load curves and compared with the guide IEEE C57.91 1995 with good accuracy.

Este trabalho apresenta um novo algoritmo para a estimação de frequências e amortecimentos de vibrações, baseado em aproximantes de Padé, a partir da análise de sinais temporais oriundos de estruturas de grande porte. O algoritmo se baseia nas propriedades de convergência dos aproximantes de Padé, que garantem a existência de pólos que representam corretamente as componentes senoidais do sinal, e numa peculiar distribuição de pólos e zeros espúrios que decorrem da sobre-determinação do aproximante. O comportamento estatístico do algoritmo é estudado através de experimentos numéricos e sua aplicação em um caso real é feita. / This work introduces a novel estimation technique for vibration frequency and damping estimation, based on Padé approximants, and using time series taken from large structures. The algorithm is based on convergence properties of Padé approximants that assures the existence of real poles representing the sinusoidal components of the signal, and a remarkable distribution of stray poles and zeros, resulting from the approximant overdetermination. Its statistical behavior is analyzed through numerical experiments and an application for a real structure is provided as example.