Submitted by Johnny Rodrigues (johnnyrodrigues@ufcg.edu.br) on 2018-07-30T13:44:39Z No. of bitstreams: 1 RAFAEL BEZERRA CORREIA LIMA - DISSERTAÇÃO PPGEE 2012..pdf: 4664268 bytes, checksum: f5a0acf8cf73f941fd6fc59ff1dcfbb2 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-07-30T13:44:39Z (GMT). No. of bitstreams: 1 RAFAEL BEZERRA CORREIA LIMA - DISSERTAÇÃO PPGEE 2012..pdf: 4664268 bytes, checksum: f5a0acf8cf73f941fd6fc59ff1dcfbb2 (MD5) Previous issue date: 2012-08-10 / É proposta nessa dissertação a utilização de conceitos de subespaços na identificação de modelos multivariáveis de ordem reduzida com atrasos. A metodologia desenvolvida se baseia na estimativa da resposta ao degrau do sistema a partir de projeções dos seus sinais de entradas e saídas. O problema é dividido em duas etapas, primeiramente a estimação de modelos em malha aberta seguido do estudo de sistemas em malha fechada. Finalmente os conceitos estudados são postos em prática através de simulações numéricas e experimentações práticas em plantas reais. / It is proposed in this dissertation the use of concepts of subspaces in the identification of multivariable models of reduced order with time delays. The developed methodology is based on the estimation of the step response of the system from projections of its input signals and outputs. The problem is divided into two stages, first: estimating models in open loop, then followed by the study of closed loop systems. Finally, the concepts studied are implemented through numerical simulations and practical experiments in real plants.

Made available in DSpace on 2015-03-03T15:07:34Z (GMT). No. of bitstreams: 1 AndreFOAD_DISSERT.pdf: 2002320 bytes, checksum: 0ebf2e7fb75a8ce59284dc72a43ef7ba (MD5) Previous issue date: 2012-05-18 / The separation methods are reduced applications as a result of the operational costs, the low output and the long time to separate the uids. But, these treatment methods are important because of the need for extraction of unwanted contaminants in the oil production. The water and the concentration of oil in water should be minimal (around 40 to 20 ppm) in order to take it to the sea. Because of the need of primary treatment, the objective of this project is to study and implement algorithms for identification of polynomial NARX (Nonlinear Auto-Regressive with Exogenous Input) models in closed loop, implement a structural identification, and compare strategies using PI control and updated on-line NARX predictive models on a combination of three-phase separator in series with three hydro cyclones batteries. The main goal of this project is to: obtain an optimized process of phase separation that will regulate the system, even in the presence of oil gushes; Show that it is possible to get optimized tunings for controllers analyzing the mesh as a whole, and evaluate and compare the strategies of PI and predictive control applied to the process. To accomplish these goals a simulator was used to represent the three phase separator and hydro cyclones. Algorithms were developed for system identification (NARX) using RLS(Recursive Least Square), along with methods for structure models detection. Predictive Control Algorithms were also implemented with NARX model updated on-line, and optimization algorithms using PSO (Particle Swarm Optimization). This project ends with a comparison of results obtained from the use of PI and predictive controllers (both with optimal state through the algorithm of cloud particles) in the simulated system. Thus, concluding that the performed optimizations make the system less sensitive to external perturbations and when optimized, the two controllers show similar results with the assessment of predictive control somewhat less sensitive to disturbances / Os m?todos de separa??o de ?leo e ?gua possuem, em sua maioria, aplica??es reduzidas devido ao custo operacional, a baixa efici?ncia de separa??o e ao alto tempo de processamento da separa??o. Por?m, Esses m?todos de tratamento s?o importantes devido a necessidade de extra??o dos contaminantes mais indesejados no processo de produ??o do petr?leo, a ?gua, e ao mesmo tempo, a concentra??o de ?leo na ?gua deve ser m?nima (da ordem de 40 a 20ppm) para o descarte regular da fase aquosa ao mar. A partir dessa necessidade de tratamento prim?rio objetiva-se, neste trabalho, estudar e implementar algoritmos de identifica??o para modelos polinomiais NARX em malha fechada, detectando a estrutura dos modelos, e comparar estrat?gias de controle PI e preditivo utilizando os modelos NARX (Nonlinear Auto-Regressive with Exogenous Input) atualizados online em uma combina??o de separador trif?sico em s?rie com tr?s baterias de hidrociclones. Os objetivos principais deste trabalho s?o obter um processo otimizado de separa??o trif?sica que regule o sistema, mesmo na presen?a de golfadas; mostrar que e poss?vel obter sintonias otimizadas para os controladores analisando a malha como um todo; e, avaliar e comparar as estrat?gias de controle PI e preditivo aplicadas ao processo. Para cumprir estes objetivos foi utilizado um simulador para representar o separador trif?sico e os hidrociclones, al?m de desenvolvidos algoritmos de identifica??o de sistemas (NARX) utilizando MQR (M?nimos Quadrados Recursivo), aliados a m?todos de detec??o de estrutura de modelos. Tamb?m foram implementados algoritmos de controle preditivo com modelos NARX atualizados online, e algoritmos de otimiza??o que utilizam PSO (Particle Swarm Optimization). O trabalho finaliza com a compara??o de resultados obtidos a partir da utiliza??o dos controladores PI e preditivo no sistema simulado ambos com par?metros otimizados atrav?s do algoritmo de nuvem de part?culas, e concluindo que as otimiza??es realizadas tornam o regulat?rio menos sens?vel a perturba??es externas (golfadas) e quando otimizados os dois controladores apresentam resultados similares, sendo os resultados do preditivo um pouco menos sens?vel as perturba??es

Controle preditivo baseado em modelos (MPC) é uma técnica de controle amplamente utilizada na indústria de processos químicos. Por outro lado, o método de identificação em subespaços (SID) tem se mostrado uma alternativa eficiente para os métodos clássicos de identificação de sistemas. Pela combinação dos conceitos de MPC e SID, surgiu, no final da década de 90, uma nova técnica de controle, denominada controle preditivo com enfoque em subespaços (SPC). Essa técnica também é conhecida como controle preditivo orientado a dados. Ela substitui por um único passo as três etapas do projeto de um MPC: a identificação do modelo, o cálculo do observador de estados e a construção das matrizes de predição. Este trabalho tem como principal objetivo revisar estudos feitos na área de SPC, aplicar esse método em sistemas típicos da indústria química e propor novos algoritmos. São desenvolvidos três algoritmos de excitação interna para o método SPC, que permitem gerar dados persistentemente excitantes enquanto um controle mínimo do processo é garantido. Esses algoritmos possibilitam aplicar identificação em malha fechada, na qual o modelo do controlador SPC é reidentificado utilizando dados previamente excitados. Os controladores SPC e SPC com excitação interna são testados e comparados ao MPC por meio de simulações em dois processos distintos. O primeiro consiste em uma coluna debutanizadora de uma unidade de destilação, para a qual são disponibilizados dois modelos lineares referentes a pontos de operação diferentes. O segundo é um reator de polimerização de estireno com dinâmica não linear, cujo modelo fenomenológico é conhecido. Os resultados dos testes indicam que o SPC é mais suscetível a ruídos de medição. Entretanto, verifica-se que esse controlador corrige perturbações nos set-points das variáveis controladas mais rapidamente que o MPC. Simulações realizadas para o SPC com excitação interna mostram que os algoritmos propostos neste trabalho excitam o sistema satisfatoriamente, de modo que modelos mais precisos são obtidos na reidentificação com os dados excitados. / Model Predictive Control (MPC) technology is widely used in chemical process industries. Subspace identification (SID) on the other hand has proven to be an efficient alternative for classical system identification methods. Based on the results from MPC and SID, it was developed in the late 90s a new control approach, called Subspace Predictive Control (SPC). This approach is also known as data-driven predictive control. In this new method, one single operation replaces the three steps in a MPC controller design: system identification, the state observer design and the predictor matrices construction. The aim of this work is to review studies in the field of SPC, to apply this technology to typical systems of chemical industry and to propose new algorithms. It is developed three internal excitation algorithms for the SPC method, which allow the system to be persistently excited while a minimal control of the process is still guaranteed. These algorithms enable the application of closedloop identification, where the SPC controller model is re-identified using the previously excited data. The SPC controller and the SPC controller with internal excitation are tested through simulation for two different processes. The first one is a debutanizer column of a distillation unit for which two linear models corresponding to two different operating points are available. The second one is a non-linear system consisting of a styrene polymerization reactor. A phenomenological model is provided for this system. Tests results indicate that SPC is more susceptible to measurement noises. However, it is noticed that SPC controller corrects perturbations on set-points faster than MPC. Simulations for the SPC with internal excitation show that the proposed algorithms sufficiently excite the system, in the sense that more precise models are obtained from the re-identification with excited data.

[pt] A velocidade da onda de pulso (VOP) tem sido identificada como o padrão-ouro para avaliação da rigidez arterial e, recentemente, vem sendo reconhecida como um importante indicador no diagnóstico e tratamento de doenças cardiovasculares. Atualmente, já existem dispositivos comerciais capazes de efetuar a medição da VOP, entretanto, ainda exigem um investimento financeiro significativo e alguns requerem um treinamento especializado para seu correto uso. Os, transdutores de pressão atuais são majoritariamente baseados em sensores piezoresistivos, piezoelétricos e capacitivos. Entretanto, pesquisas recentes demostraram que transdutores de pressão que utilizam sensores magnéticos baseados na magnetoimpedância gigante (GMI) apresentam elevada sensibilidade. Tendo em vista que a VOP é um importante indicador do risco de distúrbios cardiovasculares, e considerando os potenciais beneficios dos sensores GMI em relação às demais alternativas, esta tese de doutorado buscou utilizar-se destes elementos sensores a fim de desenvolver um sistema de medição portátil, não-invasivo, de baixo custo, acessível e simples de usar, capaz de efetuar a medição da VOP. Neste intuito, foram desenvolvidos transdutores de alta sensibilidade, baseados nas características de fase da impedância de sensores de Magnetoimpedância Gigante, destinados à medição da velocidade da onda de pulso arterial. A fim de se otimizar as características de desempenho dos transdutores, foram realizadas avaliações teórico-computacionais dos transdutores na configuração em malha aberta e fechada, bem como ensaios experimentais dos protótipos projetados. As caracterizações e ensaios experimentais realizados com o transdutor de pressão em malha aberta resultaram em uma sensibilidade de 59,6 mV/kPa, e resolução de 192,8 Pa para uma média de 30 amostras, na banda de passagem de 1000 Hz. Por outro lado, a configuração em malha fechada apresentou uma sensibilidade de 54,2 mV/kPa, e resolução de 206,0 Pa para uma média de 30 amostras, na banda de passagem de 32 Hz. Tendo em vista os valores de sensibilidade e resolução obtidos, propõe-se empregar o sistema de transdução de pressão que incorpora uma câmara incompressível para amplificação mecânica, na medição de ondas de pulso arterial. Neste protótipo, uma pequena membrana semirrígida localizada na superfície da câmara incompressível é posicionada sobre a superfície da pele, próxima à artéria de interesse. Deste modo, pequenas mudanças de pressão na superfície da pele, causadas pela onda de pulso arterial, provocam uma variação do campo magnético sobre o elemento sensor. Por outra parte, devido à alta sensibilidade apresentada pelo transdutor magnetico (magnetômetro GMI) na configuração de malha aberta (0,2 mV/nT) e de malha fechada (0,19 mV/nT), estes foram usados para medir diretamente a forma de onda do pulso arterial, sem utilizar uma câmara incompressível para transdução mecânica. Nesta medição, considerando a adequada resolução espacial para as demandas anatômicas, utiliza-se um pequeno marcador magnético, envolto por uma fita adesiva hipoalergênica e flexível, aderida á região da pele sobre a artéria de interesse, e aproxima-se o sensor magnético GMI da superfície da pele onde o marcador foi colocado. Finalmente, as configurações propostas foram analisadas e comparadas, a fim de se identificar aquela com melhor desempenho, a qual foi utilizada para medição da VOP. Como o estudo envolve o registro da onda de pulso em participantes da pesquisa, o projeto foi submetido à apreciação e aprovado pela Comissão da Câmara de Ética em Pesquisa da Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro (PUC-Rio) 045/2020 – Protocolo 83/2020. Espera-se que o dispositivo desenvolvido contribua para o avanço tecnológico do ferramental utilizado no setor da saúde. / [en] Pulse wave velocity (PWV) is considered the gold standard for assessing arterial stiffness and recently, it has been recognized as an important indicator in the diagnosis and treatment of cardiovascular disease. Currently, there are commercial devices capable of measuring PWV, however, significant investments are required and some devices requires specialized training for their correct use. Conventional pressure-sensing devices are mainly based on piezoresistive, piezoelectric and capacitive sensors. Recent investigations, however, show that pressure transducer using magnetic sensors based on the giant Magnetoimpedance (GMI) present high-sensitivity. Considering that, PWV is a significant risk factor for future cardiovascular disease and in view of some of the advantages of GMI sensors in relation to another sensing technologies, this doctoral thesis aims to develop a portable measurement system, non-invasive, low-cost, accessible and simple to use, capable of measuring PWV. For this purpose, we have developed a high-sensitivity transducers based on the impedance phase characteristics of GMI sensors, for measuring the arterial pulse wave velocity. In order to improve the performance characteristics of the transducers, computational and theoretical analysis in open and closed loop configuration were performed. The characterizations and experimental tests performed with the open-loop pressure transducer resulted in a sensitivity of 59.6 mV/kPa, and resolution of 192.8 Pa for an average of 30 samples, in the 1000 Hz passband. On the other hand, the closed-loop configuration presented a sensitivity of 54.2 mV/kPa, and a resolution of 206.0 Pa for an average of 30 samples, in the 32 Hz passband. In view of the considerable sensitivity and resolution obtained, it is proposed to employ a pressure transduction system that incorporates an incompressible chamber for mechanical amplification, in the measurement of arterial pulse waves. In this prototype, a small semi-rigid membrane located on the surface of the incompressible chamber is positioned over the surface of the skin, close to the artery of interest. In this way, small pressure changes on the skin surface, caused by the arterial pulse wave, cause a variation of the magnetic field on the sensing element. On the other hand, due to the high sensitivity presented by the magnetic transducer (GMI magnetometer) in the open-loop (0.2 mV/nT) and closed-loop (0.19 mV/nT) configurations, they were used to measure the shape pulse waveform without using an incompressible chamber for mechanical transduction. In this test, considering the adequate spatial resolution for the anatomical demands, a small magnetic marker is used, the magnetic marker is attached to the skin region over the artery of interest, and the GMI magnetic sensor is approached near the marker placed of the skin surface. Finally, the proposed configurations were analyzed and compared in order to identify the one with the best performance, which was used to measure PWV. As the study involves recording the pulse wave in research participants, the project was submitted for consideration and approved by the Research Ethics Committee of the Pontifical Catholic University of Rio de Janeiro (PUC-Rio) 045/2020 – Protocol 83/2020. It is expected that the device developed will contribute to the technological advancement of the tools used in the health sector.

Um método para avaliação do uso de ganho adequado em ensaios de verificação de PIO (Pilot Induced Oscillations) é apresentado. As tarefas de manobra sintética (Synthetic Tracking Task) são utilizadas para demonstração. A teoria é baseada no conceito de entropia estatística proveniente da teoria da informação e no modelo estrutural do piloto humano. O método é apresentado para manobras executadas no eixo lateral e oferece uma medida do ganho humano utilizado durante a sua execução em malha-fechada. Para a modelagem da planta é utilizado modelo black-box com equacionamento de espaço de estados e identificação de parâmetros. Dados de ensaios em voo provenientes de uma aeronave de transporte certificada FAR-25 são utilizados para medir a razão entre o tempo gasto pelo piloto humano em uma malha fechada em posição versus o tempo em uma malha de derivada da posição (roll vs. roll rate). Esta medida é proposta como validadora da execução correta do ensaio. / A method is proposed to verify losed-loop adequate flight test piloting gain in PIO aircraft certification. The synthetic tracking task PIO flight test is used. The theory is based on the entropy concept from information theory and on the structural pilot model of the human pilot. The method is presented for single axis pilot tracking maneuvers and offers a measure of the human pilot gain employed during its execution. A black-box, state-space, parameter-identified model is used for the plant. Flight test data from a FAR-25 transport aircraft is used to verify the theory of how to determine a measure of the ratio between time spent by the human pilot in the error loop versus in the error rate loop to control the aircraft. This measure is proposed as a test point validation method for PIO flight testing.

Esquemas de Rejeição de Cargas (RC) por subfrequência, utilizados para manter a frequência de operação de um Sistema Elétrico de Potência (SEP) próxima ao seu valor nominal, precisam ser criteriosamente projetados a fim de diminuir os riscos de colapso generalizado do sistema. Entretanto, pelos métodos convencionais, a quantidade de carga a ser rejeitada não leva em consideração a dinamicidade intrínseca do sistema, sendo baseada em conjecturas estáticas sobre porções do SEP. Como resultado, a redução da carga geralmente não é eficiente, gerando rejeição insuficiente ou excessiva. Neste cenário, este trabalho propõe um novo esquema para o controle da frequência em comparação aos processos de RC usualmente empregados. Com o propósito de superar as limitações e melhorar as principais funções desses processos é proposto um Sistema Multi Agentes (SMA) centralizado que irá coordenar as diversas etapas de monitoramento, processamento e tomada de decisão nos barramentos disponíveis para corte em situações de subfrequência. Busca-se dessa forma, desconectar o menor montante de cargas do sistema, por um curto espaço de tempo e com menor perturbação da frequência. Neste sentido, uma malha de controle fechada foi desenvolvida a partir da simulação de um sistema elétrico de potência completo via o Real Time Digital Simulator (RTDS). O SMA foi embarcado em um sistema integrado de hardware e software em tempo real para teste e validação da metodologia proposta. No contexto delineado, uma métrica de avaliação foi proposta para comparar o método proposto com outras duas filosofias convencionais de RC. Os resultados obtidos permitem evidenciar o bom desempenho do SMA frente às duas filosofias convencionais, principalmente no que se refere ao montante de carga a ser rejeitado, com boa aproximação do valor esperado. / Automatic Under Frequency Load Shedding (AUFLS) schemes, used to maintain the frequency of an electric power system close to the nominal value, need to be carefully designed in order to reduce the risk of a widespread system collapse. However, the conventional methods do not take into account the inherent dynamics of an electric system and they are based on static assumptions. As a result, the shedding is generally not efficient, causing insufficient or excessive load discontinuity. In this scenario, this work proposes a new scheme for controlling the frequency compared to the AUFLS processes usually employed. In order to overcome the limitations of the methods usually employed and to improve the main functions of the AUFLS schemes, this work proposes a centralized MultiAgent System (MAS) that will coordinate the various stages of the monitoring and decision making process. The MAS seeks to disconnect a minimum amount of loads, in a short period of time and with less disturbance of the system frequency. A Hardware in Loop (HIL) configuration was developed from the simulation of a full electric system using the Real Time Digital Simulator (RTDS). The MAS was embedded in a real time system, consisting of hardware and software to test and validate the proposed methodology. In addition, a scoring metric evaluation is defined in order to compare other two conventional AUFLS philosophies. The results show good performance of the proposed MAS. The shedding was carried out in a single step and the amount of load shed was very close to the expected value.

Esquemas de Rejeição de Cargas (RC) por subfrequência, utilizados para manter a frequência de operação de um Sistema Elétrico de Potência (SEP) próxima ao seu valor nominal, precisam ser criteriosamente projetados a fim de diminuir os riscos de colapso generalizado do sistema. Entretanto, pelos métodos convencionais, a quantidade de carga a ser rejeitada não leva em consideração a dinamicidade intrínseca do sistema, sendo baseada em conjecturas estáticas sobre porções do SEP. Como resultado, a redução da carga geralmente não é eficiente, gerando rejeição insuficiente ou excessiva. Neste cenário, este trabalho propõe um novo esquema para o controle da frequência em comparação aos processos de RC usualmente empregados. Com o propósito de superar as limitações e melhorar as principais funções desses processos é proposto um Sistema Multi Agentes (SMA) centralizado que irá coordenar as diversas etapas de monitoramento, processamento e tomada de decisão nos barramentos disponíveis para corte em situações de subfrequência. Busca-se dessa forma, desconectar o menor montante de cargas do sistema, por um curto espaço de tempo e com menor perturbação da frequência. Neste sentido, uma malha de controle fechada foi desenvolvida a partir da simulação de um sistema elétrico de potência completo via o Real Time Digital Simulator (RTDS). O SMA foi embarcado em um sistema integrado de hardware e software em tempo real para teste e validação da metodologia proposta. No contexto delineado, uma métrica de avaliação foi proposta para comparar o método proposto com outras duas filosofias convencionais de RC. Os resultados obtidos permitem evidenciar o bom desempenho do SMA frente às duas filosofias convencionais, principalmente no que se refere ao montante de carga a ser rejeitado, com boa aproximação do valor esperado. / Automatic Under Frequency Load Shedding (AUFLS) schemes, used to maintain the frequency of an electric power system close to the nominal value, need to be carefully designed in order to reduce the risk of a widespread system collapse. However, the conventional methods do not take into account the inherent dynamics of an electric system and they are based on static assumptions. As a result, the shedding is generally not efficient, causing insufficient or excessive load discontinuity. In this scenario, this work proposes a new scheme for controlling the frequency compared to the AUFLS processes usually employed. In order to overcome the limitations of the methods usually employed and to improve the main functions of the AUFLS schemes, this work proposes a centralized MultiAgent System (MAS) that will coordinate the various stages of the monitoring and decision making process. The MAS seeks to disconnect a minimum amount of loads, in a short period of time and with less disturbance of the system frequency. A Hardware in Loop (HIL) configuration was developed from the simulation of a full electric system using the Real Time Digital Simulator (RTDS). The MAS was embedded in a real time system, consisting of hardware and software to test and validate the proposed methodology. In addition, a scoring metric evaluation is defined in order to compare other two conventional AUFLS philosophies. The results show good performance of the proposed MAS. The shedding was carried out in a single step and the amount of load shed was very close to the expected value.

Um método para avaliação do uso de ganho adequado em ensaios de verificação de PIO (Pilot Induced Oscillations) é apresentado. As tarefas de manobra sintética (Synthetic Tracking Task) são utilizadas para demonstração. A teoria é baseada no conceito de entropia estatística proveniente da teoria da informação e no modelo estrutural do piloto humano. O método é apresentado para manobras executadas no eixo lateral e oferece uma medida do ganho humano utilizado durante a sua execução em malha-fechada. Para a modelagem da planta é utilizado modelo black-box com equacionamento de espaço de estados e identificação de parâmetros. Dados de ensaios em voo provenientes de uma aeronave de transporte certificada FAR-25 são utilizados para medir a razão entre o tempo gasto pelo piloto humano em uma malha fechada em posição versus o tempo em uma malha de derivada da posição (roll vs. roll rate). Esta medida é proposta como validadora da execução correta do ensaio. / A method is proposed to verify losed-loop adequate flight test piloting gain in PIO aircraft certification. The synthetic tracking task PIO flight test is used. The theory is based on the entropy concept from information theory and on the structural pilot model of the human pilot. The method is presented for single axis pilot tracking maneuvers and offers a measure of the human pilot gain employed during its execution. A black-box, state-space, parameter-identified model is used for the plant. Flight test data from a FAR-25 transport aircraft is used to verify the theory of how to determine a measure of the ratio between time spent by the human pilot in the error loop versus in the error rate loop to control the aircraft. This measure is proposed as a test point validation method for PIO flight testing.