Atualmente, existe uma grande variedade de metodologias de controle que poderiam ser utilizadas e aplicadas a processos industriais. Algumas destas metodologias têm um projeto complexo, exigindo um estudo extra de engenharia para projetar um controlador com um desempenho excelente. Outros controladores não apresentam um desempenho tão bom, embora apresentem um projeto extremamente simples. Entre a mais simples e a mais complexa metodologia, existem soluções de controle intermediárias, baseadas nas teorias de controle ótimo, que apresentam uma relativa simplicidade de projeto combinada com um desempenho superior. A presente tese apresenta a aplicação de duas técnicas de controle aplicadas a uma Rede de Trocadores de Calor (RTC) com bypasses: o controle LQR (Regulador Linear Quadrático) e o controle H-Infinito, apresentando os resultados obtidos em simulação no Matlab/Simulink e também resultados experimentais. Além disso, foi desenvolvido um procedimento para a validação experimental de um modelo matemático do trocador de calor casco e tubo 1-1 proposto por NOVAZZI (2006). A obtenção dos resultados experimentais foi realizada através de uma RTC em escala piloto, projetada e construída no Laboratório de Engenharia Química do Centro Universitário da FEI, com a instrumentação necessária e devidamente interconectada a um computador PC através de uma placa de aquisição de dados. A simulação e os ensaios experimentais realizados com os controladores LQR e H-Infinito aplicados na RTC apresentaram resultados adequados quando comparados à dinâmica da RTC em malha aberta (600s.), pois exigiram em torno de 200s. para impor uma mudança de setpoint ou rejeitar os distúrbios aplicados na vazão fria e na temperatura quente de entrada. Além disso, os controladores foram capazes de eliminar as interações entre as variáveis de processo. / Nowadays, there are a lot of different control methodologies that could be used on industrial processes. Some of these methodologies have a complex design and also demands an extra engineering effort to design the controller with a superior performance. Some other controllers may not lead to a desirable performance although they are too easy to design. Midway between the simplest and the most complex controller designs, there are an intermediate solutions based on optimal control theory, that present a relative simplicity in design combined with a superior performance. The contribution of this work is to apply the LQR control (Linear Quadratic Regulator) and the H-Infinity control on a Heat Exchanger Network (HEN) with bypasses, presenting the simulations and the experimental results. An experimental validation of the shell and tube heat exchanger mathematical model was successfully developed based on a procedure proposed. The experimental results were obtained with an HEN assembled on the Chemical Engineering Laboratory located at Centro Universitario da FEI. The instrumentation was adequately performed and the signals were interconnected on PC computer by using a data acquisition card. The simulation and the experimental results with the LQR and the H-Infinity control demanded 200s. to achieve a new steady state hen disturbances or set point variation were applied on the HEN. Compared with the HEN setting time (600s.), the controllers demonstrated reasonable results to perform a disturbance rejection and a set point variation.

More stringent requirements on nitrogen removal from wastewater are the motivation for this thesis. In order to improve treatment results and enhance cost-efficient operation of wastewater treatment plants, model based control strategies are presented. A Java based simulator for activated sludge processes (JASS) is presented. The graphical user interface, educational experiences and implemented control strategies are discussed. Controlling the addition of an external carbon source is the next topic discussed. A simple model based feedforward controller is derived and evaluated in a simulation study. The controller attenuates process disturbances quickly. Further, two feedforward controllers for adjusting the aeration volume in activated sludge processes are derived. The aim of the volume control strategies was to efficiently dampen the impact of process disturbances without using an excessively high dissolved oxygen concentration. The simulation results are promising and show that the aeration volume may be a feasible control variable. A linearisation method for static input non-linearities is presented. The method gives essentially the same result as the existing standard method, but possesses some implementational advantages. The method is used to linearise the non-linear oxygen transfer function of an activated sludge process in an application study. Multivariable interactions in a process model describing nitrate removal in an activated sludge process are studied using the well known RGA method as well as a relatively novel tool based on Hankel norms. The results of the analysis are compared to conclusions drawn from common process knowledge and are used to design a multivariable control strategy. It was found that process disturbances may be rejected faster using multivariable control. Finally, the operational costs of the denitrification process are investigated and visualised graphically. Cost optimal regions are found by a numerical grid search. Procedures for controlling the denitrification process in a cost-efficient way are described.

Atualmente, existe uma grande variedade de metodologias de controle que poderiam ser utilizadas e aplicadas a processos industriais. Algumas destas metodologias têm um projeto complexo, exigindo um estudo extra de engenharia para projetar um controlador com um desempenho excelente. Outros controladores não apresentam um desempenho tão bom, embora apresentem um projeto extremamente simples. Entre a mais simples e a mais complexa metodologia, existem soluções de controle intermediárias, baseadas nas teorias de controle ótimo, que apresentam uma relativa simplicidade de projeto combinada com um desempenho superior. A presente tese apresenta a aplicação de duas técnicas de controle aplicadas a uma Rede de Trocadores de Calor (RTC) com bypasses: o controle LQR (Regulador Linear Quadrático) e o controle H-Infinito, apresentando os resultados obtidos em simulação no Matlab/Simulink e também resultados experimentais. Além disso, foi desenvolvido um procedimento para a validação experimental de um modelo matemático do trocador de calor casco e tubo 1-1 proposto por NOVAZZI (2006). A obtenção dos resultados experimentais foi realizada através de uma RTC em escala piloto, projetada e construída no Laboratório de Engenharia Química do Centro Universitário da FEI, com a instrumentação necessária e devidamente interconectada a um computador PC através de uma placa de aquisição de dados. A simulação e os ensaios experimentais realizados com os controladores LQR e H-Infinito aplicados na RTC apresentaram resultados adequados quando comparados à dinâmica da RTC em malha aberta (600s.), pois exigiram em torno de 200s. para impor uma mudança de setpoint ou rejeitar os distúrbios aplicados na vazão fria e na temperatura quente de entrada. Além disso, os controladores foram capazes de eliminar as interações entre as variáveis de processo. / Nowadays, there are a lot of different control methodologies that could be used on industrial processes. Some of these methodologies have a complex design and also demands an extra engineering effort to design the controller with a superior performance. Some other controllers may not lead to a desirable performance although they are too easy to design. Midway between the simplest and the most complex controller designs, there are an intermediate solutions based on optimal control theory, that present a relative simplicity in design combined with a superior performance. The contribution of this work is to apply the LQR control (Linear Quadratic Regulator) and the H-Infinity control on a Heat Exchanger Network (HEN) with bypasses, presenting the simulations and the experimental results. An experimental validation of the shell and tube heat exchanger mathematical model was successfully developed based on a procedure proposed. The experimental results were obtained with an HEN assembled on the Chemical Engineering Laboratory located at Centro Universitario da FEI. The instrumentation was adequately performed and the signals were interconnected on PC computer by using a data acquisition card. The simulation and the experimental results with the LQR and the H-Infinity control demanded 200s. to achieve a new steady state hen disturbances or set point variation were applied on the HEN. Compared with the HEN setting time (600s.), the controllers demonstrated reasonable results to perform a disturbance rejection and a set point variation.

Esta dissertação tem como objetivo o projeto de um mancal magnético para rodas de reação com aplicação na malha de controle de atitude de satélites. Mancais magnéticos são alternativas aos mancais tradicionais tais como os de esferas ou de lubrificação seco pois trabalham sem contato mecânico entre o rotor e o estator, minimizando assim a fricção entre ambas as partes. Além da minimização do atrito, o ganho em confiabilidade e vida útil da roda de reação é considerável por não apresentar desgastes mecânicos. Devido às consequências de qualquer fricção no movimento relativo entre a inércia (parte rotativa da roda de reação) e o satélite, o mancal torna-se um componente crítico da roda de reação. A fricção se traduz não apenas num maior consumo de potência elétrica, como também na introdução de uma zona morta de atuação em torque, bem como na limitação da vida útil da roda de reação devido ao gradual desgaste do mancal. O mancal proposto possui dois graus de liberdade axiais ativamente controlados e faz uso de ímãs para a estabilização passiva dos demais graus de liberdade. Ao longo do desenvolvimento são apresentados modelos não lineares dos campos magnéticos e das forças atuantes no mancal são encontrados. Com esses modelos, uma otimização é realizada a fim de encontrar melhores características. Um modelo não linear da dinâmica do rotor é desenvolvido e um controle PID capaz de estabilizar o rotor em seu ponto de equilíbrio é apresentado com o objetivo de demonstrar a viabilidade da topologia proposta. / The main objective of this work is to project a magnetic bearing for reaction wheels with application in satellite attitude control. Magnetic bearings are alternatives to traditional bearings such as ball or dry lubrication because they work without mechanical contact between the rotor and the stator thereby minimizing friction between both parts. In addition to minimizing friction, the gain in reliability and lifetime of the reaction wheel is considerable as a consequence of the absence of wear. Because of the consequences of any friction in the relative movement between the inertia (of the reaction wheel) and the satellite ( which is rigidly connected to the satellite body), the bearing becomes a critical component of the reaction wheel. The friction gives rise not only to a greater consumption of electric power, as well as the introduction of a torque dead zone operation, in a reduced lifetime of the reaction wheel due to gradual wear of the bearing. The proposed bearing has two axial degrees of freedom actively controlled and makes use of magnets for the passive stabilization of other degrees of freedom. Nonlinear models of magnetic fields and forces acting on the bearing are presented. With these models, an optimization is performed to find the best bearing characteristics. A nonlinear model rotor dynamics is developed and a PID control capable of stabilizing the active degrees of freedom presented.

A aplicação de técnicas de controle multivariáveis com o auxílio de ferramentas computacionais vem sendo bastante empregada em projetos de sistemas de controle complexos, que tem como base o conceito de variáveis de estado. Neste trabalho, visamos desenvolver um sistema de controle seguidor com realimentação de estados para um protótipo de um sistema de hélices paralelas onde a dinâmica é não linear e possui três graus de liberdade sendo dois graus de liberdade controlados. Serão utilizados dois modelos matemáticos: um modelo linear e um modelo não linear. A representação linear será utilizada para gerar as matrizes de ganho do sistema de controle. O modelo não linear é obtido através de prototipagem virtual no ambiente de desenvolvimento ADAMS®, que utiliza técnicas de modelagem de sistemas multicorpos para a obtenção das equações dinâmicas do movimento. Em seguida o modelo não linear é exportado para o ambiente de simulações em MATLAB®. A simulação é utilizada para verificar se a técnica de controle linear utilizada tem a capacidade de controlar o sistema não linear e analisar o comportamento do conjunto controlador mais a planta não linear já que está sendo feita atribuição de auto-estrutura completa. Os resultados obtidos ilustram o desempenho e a eficiência da metodologia proposta. / The application of multivariable control techniques with the aid of computing tools has been largely used in projects of complex control systems that are based on the concept of state-variables. The objective of this paper is to show the development of a tracking-system with state-feedback for a prototype of a parallel propeller system presenting nonlinear dynamics with three degrees-of-freedom but having only two controlled. Two mathematical models are used: a linear model and a nonlinear model. The linear representation is used to design the gain matrices of the linear control system. The nonlinear model is obtained through the virtual prototyping environment system ADAMS®, using modeling techniques of multi-body systems to obtain the dynamic motion equations. Then, the nonlinear model is exported to SIMULINK® (MATLAB®). The simulation is used to verify if the applied linear control techniques are able to control the nonlinear model and to analyze the system behavior (control system plus nonlinear plant). The design of the control system is done using the entire eigenstructure assignment technique. The results show the performance and the efficiency of the proposed methodology.

Includes bibliography. / Successful multivariable control system design demands knowledge, skill and creativity of the designer. The goal of the research described in this dissertation was to investigate, implement, and evaluate methods by which artificial intelligence techniques, in a broad sense, may be used in a design system to assist the user. An intelligent, interactive, control system design tool has been developed to fulfil this aim. The design tool comprises two main components; an expert system on the upper level, and a powerful CACSD package on the lower level. The expert system has been constructed to assist and guide the designer in using the facilities provided by the underlying CACSD package. Unlike other expert systems, the user is also aided in formulating and refining a comprehensive and achievable design specification, and in dealing with conflicts which may arise within this specification. The assistance is aimed at both novice and experienced designers. The CACSD package includes a synthesis program which attempts to find a controller that satisfies the design specification. The synthesis program is based upon a recent factorization theory approach, where the linear multivariable control system design problem is translated into, and techniques efficiency solved as, a quadratic programming problem, which significantly improve the time and space of this method have been developed, making it practical to solve substantial multivariable design problems using only a microcomputer. The design system has been used by students at the University of Cape Town. Designs produced using the expert system tool are compared against those produced using classical design methods.

This master’s thesis examines how a small MIMO lighting system can be identified and controlled. Two approaches are examined and compared; the first approach is a dynamic model using state space representation, where the system identification technique is Recursive Least Square, RLS, and the controller is an LQG controller; the second approach is a static model derived from the physical properties of light and a feedback feed-forward controller consisting of a PI controller coupled with a Control Allocation, CA, technique. For the studied system, the CA-PI approach significantly outperforms the LQG-RLS approach, which leads to the conclusion that the system’s static properties are predominant compared to the dynamic properties.

Este trabalho apresenta o controle de posição e orientação de um modelo não linear de Plataforma de Stewart com seis graus de liberdade construído no ambiente de sistemas multicorpos ADAMS® desenvolvido pela Mechanical Dynamics, Inc. O modelo não linear é exportado para o ambiente SIMULINK® desenvolvido pela MathWorks, Inc., onde o controle de posição e orientação é realizado a partir da linearização do modelo e a aplicação de um sistema seguidor com realimentação de estados. Utililiza-se, também o SIMULINK® para implementar a dinâmica de um sistema servoválvula e cilindro hidráulico com um servocontrole de pressão e assim simular o comportamento dinâmico de um simulador de vôo com acionamento hidráulico. A utilização destes pacotes comerciais visa obter uma economia de tempo e esforço na modelagem de sistemas mecânicos complexos e na programação para obtenção da resposta do sistema no tempo, além de facilitar a análise de várias configurações de Plataformas de Stewart / This work shows the position and orientation control of a non-linear model of a Stewart platform with six degree of freedom developed in the multibody systems environment ADAMS® (Mechanical Dynamics, Inc.). The non-linear model is exported to SIMULINK® (MathWorks, Inc.), where the position and orientation control is accomplished using the linear model and applied as a tracking-system with state-feedback. The SIMULINK® is also used to implement the dinamics of the servovalve and hydraulic cylinder with pressure-control servo and so simulate the dynamic behavior of the flight simulator with hydraulic drive. These commercial packages are used seeking to save time and effort in the modeling of complex mechanical systems and in the programming to get the time response of the system, facilitating the analysis of several Stewart Platforms configurations.

O presente trabalho apresenta a descrição de um modelo matemático completo em seis graus de liberdade para um Veículo Submersível Autônomo (VSA) sub-atuado. Desenvolveram-se métodos de identificação de sistemas para identificar o modelo não linear do veículo. A fim de evitar problemas de divergência na estimação de parâmetros hidrodinâmicos do modelo, usou-se o método de transformação paramétrica. Usou-se o filtro estendido de Kalman como estratégia para o processo de estimação de parâmetros quando ruídos de natureza gaussiana estavam presentes no modelo e nas medidas. Com o objetivo de estimar um maior número de parâmetros de uma só vez, empregou-se o método de máxima verossimilhança. Os experimentos mostraram que o filtro de Kalman responde bem à estimação de parâmetros específicos, porém, divergiu facilmente à estimação de múltiplos parâmetros. Uma alternativa que apresentou melhor desempenho foi o método de máxima verossimilhança. Testaram-se manobras circulares e de zig-zags para a obtenção de dados do veículo. Para os ensaios experimentais, utilizou-se o VSA sub-atuado do Laboratório de Veículos Não Tripulados (LVNT) do Departamento de Engenharia Mecatrônica da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. Validou-se o modelo identificado mediante o simulador do veículo. Numa segunda etapa, desenvolveram-se controladores H¥ capazes de controlar a dinâmica do VSA em seus seis graus de liberdade. Projetaram-se controladores SISO (uma entrada e uma saída) e MIMO (múltiplas entradas e múltiplas saídas) com o fim de avaliar o acoplamento dinâmico do sistema. Projetaram-se controladores centralizados robustos para garantir as condições de operação num ambiente marinho e em condições de laboratório próximas às de uma aplicação real. As leis de controle são baseadas na técnica de sensibilidade mista H¥ que garantem condições de robustez do sistema de controle, tanto no desempenho quanto na estabilidade. Uma estrutura de controle de dois graus de liberdade (2GL) produziu melhores propriedades de desempenho comparada com a estrutura do controlador de um grau de liberdade. Compararam-se as respostas dos controladores descentralizados SISO e os controladores centralizados. O controlador 2GL garantiu as especificações do projeto, inclusive aquelas definidas no domínio do tempo. Um controlador central pode controlar o veículo na realização de manobras complexas em três dimensões que emulem a inspeção ou monitoramento de sistemas offshores ou outras tarefas comuns na exploração submarinha. O trabalho apresenta também a integração dos algoritmos de controle com o sistema de tempo real embarcado, os sensores inerciais de navegação, os motores elétricos para os atuadores lemes e o propulsor, o banco de baterias e o processador central ARM7 de 32 bits de ponto fixo. Traduziram-se os algoritmos de controle de ordem elevada para a aritmética de ponto fixo produzindo a execução rápida e, no possível, evitando a ocorrência de transbordamento de dados. / This work presents a full six degrees-of-freedom mathematical model description of a subactuated Autonomous Underwater Vehicle (AUV). The work developed methods of System Identification for identifying the nonlinear model of the vehicle. In order to avoid divergence problems in the process of hydrodynamic, it used the parametric transformation technique. It used the extended Kalman filter to estimate the model parameters subject to Gaussian noise, in the process and in the measurements. In order to tackle the problem of multiple parameter estimation at once, the work used the maximum likelihood approach. The experimental results showed that the Kalman filter approach is better when the aim is to estimate a specific parameter, however, it diverges easily when the aim is to estimate multiple parameters. The maximum likelihood technique showed better response to estimate multiple parameters of the model. Zig-zag and circular standard maneuvers were tested with the identification algorithms. For experimental tests, an AUV, namely Pirajuba and constructed by the Unmanned Vehicle Laboratory (LVNT), were used. Results were also assessed using an AUV six degrees of freedom simulator. In a second stage, the work developed H¥ controllers to manoeuvre the vehicle in six-degrees-of-freedom. Decoupled SISO (single input and single output variables) and MIMO (multiple input and multiple output variables) controllers were synthesized in order to validate the coupling dynamics of the AUV. Moreover, centralized robust controllers were developed to control the vehicle in the sea and in test tanks with extreme conditions close to the ocean environmental. The control techniques were based in the H¥ mixed sensitivity approach which guarantees robust performance and stability of the sub-actuated system. A structure of two-degrees-of-freedom (2GL) controller presented better performance compared with the classic single H¥ controller of one degree of freedom structure. A comparison between responses was used to validate the decoupling and centralized controllers. The 2GL controller has good performance specifications despite these defined in the time domain. A central controller can control the AUV in complex maritime task that require complex and three-dimensional manoeuvres. The work deals also with the implementation issues coding these advanced control algorithms into the real time embedded system including inertial sensors, electric motors for the propeller and actuator surfaces, battery banks, and the unit central process ARM7 of 32 bits of fixed point. The control algorithms were translated from floating point to fixed point arithmetic avoiding data overflow, seeking simplicity and fast task execution.

<p>More stringent requirements on nitrogen removal from wastewater are the motivation for this thesis. In order to improve treatment results and enhance cost-efficient operation of wastewater treatment plants, model based control strategies are presented.</p><p>A Java based simulator for activated sludge processes (JASS) is presented. The graphical user interface, educational experiences and implemented control strategies are discussed.</p><p>Controlling the addition of an external carbon source is the next topic discussed. A simple model based feedforward controller is derived and evaluated in a simulation study. The controller attenuates process disturbances quickly. Further, two feedforward controllers for adjusting the aeration volume in activated sludge processes are derived. The aim of the volume control strategies was to efficiently dampen the impact of process disturbances without using an excessively high dissolved oxygen concentration. The simulation results are promising and show that the aeration volume may be a feasible control variable.</p><p>A linearisation method for static input non-linearities is presented. The method gives essentially the same result as the existing standard method, but possesses some implementational advantages. The method is used to linearise the non-linear oxygen transfer function of an activated sludge process in an application study.</p><p>Multivariable interactions in a process model describing nitrate removal in an activated sludge process are studied using the well known RGA method as well as a relatively novel tool based on Hankel norms. The results of the analysis are compared to conclusions drawn from common process knowledge and are used to design a multivariable control strategy. It was found that process disturbances may be rejected faster using multivariable control.</p><p>Finally, the operational costs of the denitrification process are investigated and visualised graphically. Cost optimal regions are found by a numerical grid search. Procedures for controlling the denitrification process in a cost-efficient way are described.</p>