Sistemas de Posicionamento Dinâmico (SPD) são sistemas de controle que visam assegurar que um veículo oceânico se mantenha em uma determinada posição ou acompanhe uma trajetória de referência, mediante o emprego exclusivo de seus propulsores. Um SPD pode ser desmembrado em vários módulos específicos, com funções bem determinadas. Os módulos mais importantes são os sistemas de medição de posição e aproamento, o estimador de estados, o controlador e o algoritmo de alocação de empuxos. Atualmente, o Filtro de Kalman Estendido (FKE) é o estimador padrão para todos os SPD comercialmente disponíveis. Entretanto, o emprego do FKE implica em uma série de desvantagens. A sintonização do sistema é demorada e difícil, em função do elevado número de parâmetros de sintonização. Estabilidade assintótica global não pode ser conferida ao sistema. Adicionalmente, é necessário aplicar a técnica de programação de ganhos, uma vez que as equações cinemáticas de movimento do modelo devem ser linearizadas para aproximadamente 36 ângulos de guinada. A fim de eliminar estes óbices, o presente estudo propõe o desenvolvimento de um SPD totalmente não-linear, composto por um observador passivo não-linear e um controlador não-linear backstepping. / Dynamic Positioning Systems (DPS) are control systems used to maintain the vessel on a desired position or pre-defined path exclusively by means of active thrusters. A DPS can be separated into a set of dedicated modules with designated tasks. The most significant modules are the position and heading measurement systems, the state estimator, the controller and the thrust allocation algorithm. Nowadays, the Extended Kalman Filter (EKF) is the standard state estimator for all commercial DPS. However, the EKF technique presents several drawbacks. There is a large number of tuning parameters which requires a time-consuming tuning procedure. Global asymptotic stability cannot be assured to the system. Furthermore, it requires the use of a gain-scheduling technique, since the model is linearized about approximately 36 yaw angles due to the kinematics equations of motions. To solve these problems, this study proposes the development of a fully nonlinear DPS comprising a passive nonlinear observer and a nonlinear backstepping controller.

Sistemas de Posicionamento Dinâmico (SPD) são sistemas de controle que visam assegurar que um veículo oceânico se mantenha em uma determinada posição ou acompanhe uma trajetória de referência, mediante o emprego exclusivo de seus propulsores. Um SPD pode ser desmembrado em vários módulos específicos, com funções bem determinadas. Os módulos mais importantes são os sistemas de medição de posição e aproamento, o estimador de estados, o controlador e o algoritmo de alocação de empuxos. Atualmente, o Filtro de Kalman Estendido (FKE) é o estimador padrão para todos os SPD comercialmente disponíveis. Entretanto, o emprego do FKE implica em uma série de desvantagens. A sintonização do sistema é demorada e difícil, em função do elevado número de parâmetros de sintonização. Estabilidade assintótica global não pode ser conferida ao sistema. Adicionalmente, é necessário aplicar a técnica de programação de ganhos, uma vez que as equações cinemáticas de movimento do modelo devem ser linearizadas para aproximadamente 36 ângulos de guinada. A fim de eliminar estes óbices, o presente estudo propõe o desenvolvimento de um SPD totalmente não-linear, composto por um observador passivo não-linear e um controlador não-linear backstepping. / Dynamic Positioning Systems (DPS) are control systems used to maintain the vessel on a desired position or pre-defined path exclusively by means of active thrusters. A DPS can be separated into a set of dedicated modules with designated tasks. The most significant modules are the position and heading measurement systems, the state estimator, the controller and the thrust allocation algorithm. Nowadays, the Extended Kalman Filter (EKF) is the standard state estimator for all commercial DPS. However, the EKF technique presents several drawbacks. There is a large number of tuning parameters which requires a time-consuming tuning procedure. Global asymptotic stability cannot be assured to the system. Furthermore, it requires the use of a gain-scheduling technique, since the model is linearized about approximately 36 yaw angles due to the kinematics equations of motions. To solve these problems, this study proposes the development of a fully nonlinear DPS comprising a passive nonlinear observer and a nonlinear backstepping controller.

A neutralizacao de pH e utilizada nas industrias, para garantir o descarte seguro de euentes. As plantas de neutralizacao de pH sao um problema complexo de controle, visto que a planta segue um modelo nao-linear e apresenta caractersticas variantes no tempo, o que demanda sua correta modelagem para o projeto de sistemas de controle ecientes. No entanto, a teoria referente a modelagem de pH nao e facilmente aplicada na pratica, resultando frequentemente em modelos que nao predizem corretamente o comportamento dinamico da planta. O primeiro objetivo deste trabalho foi modelar matematicamente a Planta Piloto de Neutralizacao de pH do Laboratorio de Controle de Processos Industriais (LCPI), utilizando uma metodologia que possa ser aplicada para obter o modelo matematico de outras plantas de neutralizacao de pH. Inicialmente a Planta Piloto de Neutralizacao de pH do LCPI foi modelada de acordo com a abordagem fenomenologica, utilizando-se os princpios de conservacao de massa, da eletroneutralidade e os conceitos de equilbrio qumico. Em seguida, o modelo foi ajustado aos dados experimentais do processo (abordagem emprica), utilizando-se curvas de titulacao dos inuentes e distribuicoes de tempos de residencia do reator. Atraves de experimentos, vericou-se que o modelo representou, de forma satisfatoria, a dinamica real da Planta Piloto de Neutralizacao de pH do LCPI. Ademais, este modelo foi utilizado para alcancar o segundo objetivo deste trabalho: projetar um sistema de controle de pH, o qual foi composto por um observador nao-linear e um controlador baseado em modelo. Esta estrutura de controle foi testada experimentalmente, onde certicou-se que os requisitos de controle foram satisfeitos. / The pH neutralization is used in industry to discard properly the wastewater, ensuring the environment preservation. The pH neutralization is a complex control problem, as the model of the plant presents a strong nonlinearity and time varying characteristics, which demands a proper modeling in order to design ecient control systems. However, the application of the theory related to pH modeling is not a trivial task and may result in models that can not predict the plant dynamics. The rst objective of this research was to model the pH Neutralization Pilot Plant, of the Laboratory of Industrial Processes Control (LCPI), using a methodology that could be replicated to model other pH neutralization plants. Initially, the pH Neutralization Pilot Plant was modeled with the phenomenological approach, utilizing rst principles, such as the mass conservation, electroneutrality and chemical equilibrium. Moreover, the model was adjusted to represent the process observed data (empirical approach), as its titration curves of the inuent streams and its reactor residence time distribution. Through experiments, it was veried that the model could represent adequately the real process dynamics. Furthermore, this model was used to achieve the second objective of this research: to design a pH control system, which was composed of a nonlinear observer and a modelbased control. This control structure was tested experimentally, ensuring that the control requirements were satised.

A neutralizacao de pH e utilizada nas industrias, para garantir o descarte seguro de euentes. As plantas de neutralizacao de pH sao um problema complexo de controle, visto que a planta segue um modelo nao-linear e apresenta caractersticas variantes no tempo, o que demanda sua correta modelagem para o projeto de sistemas de controle ecientes. No entanto, a teoria referente a modelagem de pH nao e facilmente aplicada na pratica, resultando frequentemente em modelos que nao predizem corretamente o comportamento dinamico da planta. O primeiro objetivo deste trabalho foi modelar matematicamente a Planta Piloto de Neutralizacao de pH do Laboratorio de Controle de Processos Industriais (LCPI), utilizando uma metodologia que possa ser aplicada para obter o modelo matematico de outras plantas de neutralizacao de pH. Inicialmente a Planta Piloto de Neutralizacao de pH do LCPI foi modelada de acordo com a abordagem fenomenologica, utilizando-se os princpios de conservacao de massa, da eletroneutralidade e os conceitos de equilbrio qumico. Em seguida, o modelo foi ajustado aos dados experimentais do processo (abordagem emprica), utilizando-se curvas de titulacao dos inuentes e distribuicoes de tempos de residencia do reator. Atraves de experimentos, vericou-se que o modelo representou, de forma satisfatoria, a dinamica real da Planta Piloto de Neutralizacao de pH do LCPI. Ademais, este modelo foi utilizado para alcancar o segundo objetivo deste trabalho: projetar um sistema de controle de pH, o qual foi composto por um observador nao-linear e um controlador baseado em modelo. Esta estrutura de controle foi testada experimentalmente, onde certicou-se que os requisitos de controle foram satisfeitos. / The pH neutralization is used in industry to discard properly the wastewater, ensuring the environment preservation. The pH neutralization is a complex control problem, as the model of the plant presents a strong nonlinearity and time varying characteristics, which demands a proper modeling in order to design ecient control systems. However, the application of the theory related to pH modeling is not a trivial task and may result in models that can not predict the plant dynamics. The rst objective of this research was to model the pH Neutralization Pilot Plant, of the Laboratory of Industrial Processes Control (LCPI), using a methodology that could be replicated to model other pH neutralization plants. Initially, the pH Neutralization Pilot Plant was modeled with the phenomenological approach, utilizing rst principles, such as the mass conservation, electroneutrality and chemical equilibrium. Moreover, the model was adjusted to represent the process observed data (empirical approach), as its titration curves of the inuent streams and its reactor residence time distribution. Through experiments, it was veried that the model could represent adequately the real process dynamics. Furthermore, this model was used to achieve the second objective of this research: to design a pH control system, which was composed of a nonlinear observer and a modelbased control. This control structure was tested experimentally, ensuring that the control requirements were satised.