nRPN, nRPNSTAT e nRPNDYN são novos índices, propostos nesta dissertação, que quantificam o grau de não-linearidade total, estática e dinâmica, respectivamente, de sistemas dinâmicos não- lineares. Estes novos índices permitem responder se é necessária a utilização de controladores não-lineares ou se simples controladores lineares apresentarão desempenho satisfatório. Além disso, se um controlador não- linear se fizer necessário, quais características este deve apresentar. Nesta dissertação é realizado um estudo acerca das metodologias para determinação do grau de não- linearidade de plant as industriais. Entre as encontradas, a que apresenta as melhores potencialidades é estudada em detalhes, tendo seus atributos e deficiências explorados. As deficiências foram sanadas e um novo conjunto de índices é proposto (nRPN, nRPNSTAT e nRPNDYN), o qual, além de apresentar resultados conclusivos em termos quantitativos, também traz novas informações valiosas para a escolha do controlador adequado, como a parcela estática e dinâmica da não- linearidade. A metodologia proposta é aplicada e testada em um conjunto bastante amplo e complementar de possíveis sistemas dinâmicos não-lineares (tais como: pH, reatores químicos e coluna de destilação de alta pureza) onde o comportamento nãolinear já foi explorado na literatura O desenvolvimento e o estudo do comportamento dinâmico de uma planta laboratorial de cinco tanques acoplados são apresentados. Este sistema possui dinâmica e ganhos variáveis, descontinuidades, inversão no sinal do ganho multivariável e diferentes graus de acoplamento, ilustrando de forma simples vários possíveis comportamentos dinâmicos encontrados em plantas industriais. Devido a esta grande versatilidade a planta foi construída e testada, confirmando os comportamentos previstos nos estudos teóricos.

Neste trabalho, desenvolveram-se modelos matemáticos simplificados para o cálculo de duas variáveis importantes no estudo da extrusão de polímeros: vazão mássica (M&) e pressão na saída da extrusora (Psaída), em função das propriedades dos materiais e das condições de operação do equipamento. Podem-se utilizar esses modelos como ferramentas simples para a definição de critérios de ajustes que se devem fazer em uma extrusora de parafuso único para obter-se o desempenho desejado quando se alimenta o equipamento com um novo material. Para desenvolverem-se os modelos simplificados, utilizaram-se dados experimentais da extrusão de poliestireno (PS) e de polipropileno (PP), bem como resultados preditos por um programa computacional de simulação de extrusão disponível comercialmente. Mediram-se os dados experimentais de vazão mássica e de pressão na saída da extrusora em um equipamento de parafuso único de 45 mm de diâmetro. Realizaram-se esses testes, variando-se a velocidade de rotação do parafuso de 70 a 100 rpm para ambos os polímeros. No primeiro conjunto de simulações, utilizou-se o simulador Flow 2000 (Compuplast Inc.) para ajustarem-se os valores preditos de M& e de Psaída aos dados obtidos experimentalmente através da estimação dos fatores de atrito barril-polímero tanto para o PP quanto para o PS. Posteriormente, realizou-se um planejamento de experimentos, do tipo fatorial fracionado , para obter-se um segundo conjunto de simulações, considerando-se as propriedades dos materiais (reológicas e térmicas) e as condições de operação da extrusora (velocidade de rotação do parafuso e perfil de temperatura nas zonas de aquecimento da extrusora) como fatores de investigação. Com as novas simulações no Flow 2000, ajustaram-se os parâmetros dos modelos simplificados aos valores de vazão mássica e de pressão na saída da extrusora preditos no simulador. Elaboraram-se os modelos simplificados levando-se em conta as interações entre os fatores cujos efeitos consideraram-se significativos nas análises de variância (ANOVA). Obteve-se um modelo linear com 37 termos para o cálculo da vazão mássica e um modelo linear com 41 termos para o cálculo da pressão na saída da extrusora. Posteriormente, aplicou-se uma técnica de regressão multivariável para selecionar apenas os termos importantes dessas 1402IV2− XVI equações, conduzindo a um modelo linear com 10 termos para o cálculo da vazão mássica e a um modelo com 6 termos para o cálculo da pressão na saída da extrusora. Conseguiu-se boa concordância entre os dados experimentais e os valores preditos quando se aplicaram os modelos simplificados.

O uso racional de utilidades (energia elétrica, vapor e água) representa atualmente o grande desefaio para garantir a competitividade e sustentabilidade das indústrias. O custo da energia e os limites ambientais associados à atividade são estratégicos para perpetuar o negócio industrial, ainda mais se depender da vida do setor de refino de petróleo. O trabalho proposto apresenta a minimização do custo da geração de energia em uma empresa petroquímica, que possui produção de energia elétrica e vapor através de um sistema de cogeração. Neste caso, há um equilíbrio a ser buscado entre suprimento de energia de potência e térmica e isto não pode ser rapidamente definido a partir de procedimentos ou malhas de controle localizadas. A aplicação de um modelo de otimização é proposto, baseando-se nas demandas de energia e flexibilidades existentes e rapidamente expondo a configuração que minimiza o custo de produção de vapor e energia elétrica (custo da central termoelétrica). Esta meta foi obtida aplicando duas ferramentas: uma planilha para resgatar, reconciliar, tratar, organizar dados e em seguida exportar informações para a segunda ferramenta, o modelo de otimização no qual o problema da central termoelétrica é construído e solucionado através de algoritmos adequados. Após, o trabalho também envolveu o estudo de 14 casos. O resultado obtido consolida o potencial para otimização: é possível reduzir em cerca de 7% (pelo menos) o custom da unidade termoelétrica, com pequenas intervenções de manutenção e ajustes operacionais. Estes dados são associados com a possibilidade de redução da geração de vapor e demandas de energia elétrica e também com a redução do uso de válvulas redutoras de pressão, na maioria dos casos. / The rational use of utilities (electric energy, steam, and water) represents nowadays the great challenge to assure the competitiveness and sustainability of industries. The energy cost and the associated environmental limits are strategic to perpetuate the industrial business, even more if it depends upon the oil sector life. The proposed work presents the minimization of the cost of steam and power generation in a petrochemical company, which has production of electric energy and steam by cogeneration system. In this case, there is a balance to achieve between work and heat supply and this cannot be readily defined by heuristics or localized control loops. The application of an optimization model is proposed based on needs of energy demands and existing flexibilities, and readily exposing the scenario that minimizes the power and high pressure steam level production. This goal was obtained applying two tools: one flow sheet for rescue, reconciliate, treat, organize data and then export information for the second, the optimization model in which the thermoelectric problem is constructed and then solved by proper algorithms. After, this work also develop and study of 14 cases. The results obtained consolidate the potential for optimization: it is possible to reduce in about 7% (at least) the cost of the thermoelectric unity, with little maintenance and operational adjustments. These figures are associated with the possibility of reducing the steam generating and power needs and also reducing the use of letdown stations, in most cases.

Este trabalho apresenta novos resultados matemáticos sobre a positividade local de funções escalares multivariáveis. Estes resultados são usados para resolver de forma quantitativa o problema de controle +¥ não-linear. Por solução quantitativa, entende-se uma solução (uma lei de controle) associada a uma região de validade. A região de validade é a região do espaço de estados onde os requerimentos de estabilidade e desempenho são satisfeitos. Para resolver o problema de forma eficiente, foi desenvolvido um procedimento que visa maximizar a região de validade do controlador enquanto garante um desempenho mínimo. A solução deste problema de otimização é estudada e alternativas para sua simplificação são apresentadas. Uma aplicação experimental a um sistema de controle de pH é apresentada. A utilidade dos resultados teóricos desenvolvidos na teoria de estabilidade de Lyapunov também é estudada.

A literatura disponível na área de controle de processos químicos tem dado pouca atenção para o problema da seleção de estruturas de controle, entretanto a correta escolha das variáveis controladas e manipuladas, assim como os seus pareamentos, é tão ou mesmo mais importante que o projeto do controlador propriamente dito, pois esta etapa define o desempenho alcançável para o sistema em malha fechada. Esta dissertação explora vários aspectos genéricos do controle de processos com o objetivo de introduzir os principais pontos da metodologia RPN, um método sistemático que, através de índices baseados em sólidos fundamentos matemáticos, permite avaliar o projeto de controle como um todo. O índice RPN (Número de Desempenho Robusto) indica quão potencialmente difícil é, para um dado sistema, alcançar o desempenho desejado. O produto final desse trabalho é o RPN-Toolbox, a implementação das rotinas da metodologia RPN em ambiente MATLAB® com o intuito de torná-la acessível a qualquer profissional da área de controle de processos. O RPN-Toolbox permite que todas as rotinas necessárias para proceder a análise RPN de controlabilidade sejam executadas através de comandos de linha ou utilizando uma interface gráfica. Além do desenvolvimento das rotinas para o toolbox, foi realizado um estudo do problema de controle denominado processo Tennessee-Eastman. Foi desenvolvida uma estrutura de controle para a unidade e esta foi comparada, de modo sistemático, através da metodologia RPN e de simulações dinâmicas, com outras soluções apresentadas na literatura. A partir do índice concluiu-se que a estrutura proposta é tão boa quanto a melhor das estruturas da literatura e a partir de simulações dinâmicas do processo frente a diversos distúrbios, a estrutura proposta foi a que apresentou melhores resultados.

Foi realizado o estudo do efeito do tipo de nylon nas blendas PP/PP-MA/Ny. Estas blendas foram caracterizadas por calorimetria diferencial de varredura, microscopia eletrônica de varredura, propriedades mecânicas e reológicas. Na análise reológica foram realizados os testes para os nylons N6, N6,9 e N6,10. Para os nylons N6,6 e N6,12 não foi possível fazer as medidas de viscosidade. Os resultados demonstraram que para os teores de 0,34 e 0,46 g% de MA no PP, o nível de dispersão final segue o fator da reatividade dos grupos terminais amino do nylons. Assim, a ordem de aumento de dispersão para as blendas com os nylons foi de N6,9, N6 e N6,10. Este comportamento foi confirmado na análise morfológica. Para o teor de 0,81 g%, a dispersão foi afetada pelo quociente das viscosidades, obedecendo a ordem esperada para os nylons 6,10, 6,9 e 6 e suas blendas.

Nesta dissertação é realizado o estudo e caracterização do comportamento de uma Unidade de Extração de Butadieno. O objetivo deste estudo é a proposição de estratégias de controle para esta unidade que, respeitando as restrições e características do processo, permitam que sejam alcançadas as seguintes metas operacionais: elevação da carga processável, aumento do tempo de campanha, aumento da corrente de produto e diminuição das perdas de butadieno ao longo do processo. O estudo e proposição das estratégias de controle é feito de modo sistemático, seguindo uma metodologia na qual o aspecto fundamental é o entendimento do processo e a compreensão das relações causa e efeito entre as variáveis manipuladas, controladas (ou medidas) e distúrbios. A presença de reciclos mássicos e energéticos somados aos efeitos da destilação extrativa faz com que, muitas vezes, essa relação contrarie o que é esperado pelo senso comum. As informações utilizadas na proposição e classificação das estruturas são oriundas de estudos em modelos do processo construídos em simuladores comerciais (ASPEN Plus v10.1 e ASPEN Dynamics). Ao longo desses estudos, as características estacionárias e dinâmicas do processo foram elucidadas, permitindo com que fosse proposta uma estrutura com potencialidade de atingir os objetivos referidos acima. Como resultados importantes podem ser citados: a importância do conjunto de parâmetros binários na modelagem termodinâmica do processo, a detecção do efeito "SnowBall", relacionado com a forma como os níveis dos equipamentos e vazões das correntes são controladas em sistemas com reciclo, e a determinação do comportamento da composição de vinil acetileno no topo da 2º Coluna de Destilação Extrativa (componente chave de separação nesta coluna) em relação a quantidade de solvente. Conforme a maneira como a corrente de alimentação da coluna Recuperadora de Butadieno é operada (temperatura ou taxa de resfriamento constante), quando a vazão de solvente na 2º Coluna de Destilação Extrativa é modificada, pode ocorrer uma inversão de ganho na concentração deste componente.

O controlador PID é o algoritmo de controle mais difundido nas unidades industriais em todo o mundo. Além de estar disponível em praticamente todas as plataformas de controle comerciais, ele é um algoritmo robusto, de fácil entendimento, e capaz de prover performance satisfatória para uma grande variedade de processos industriais. No entanto, seu desempenho para a grande maioria dos casos está muito aquém do esperado. Estimativas mostram que apenas 20% das malhas de controle industriais estejam funcionando de forma adequada, diminuindo a variabilidade do processo. Assim, devido a necessidade de melhorar o desempenho das malhas de controle industriais, foi desenvolvida uma metodologia complexa, porém intuitiva, através da qual é possível sintetizar controladores do tipo PID de qualquer parametrização, baseada em um problema de otimização no domínio da freqüência, que minimiza a diferença entre a resposta do sistema em malha fechada frente à uma variação do tipo degrau unitário, e uma resposta específica desejada, representada pela função desempenho alcançável (FDA). Diversas alternativas foram propostas para automatizar todo o procedimento e facilitar a sua utilização, porém foi deixado um grau de liberdade para o usuário alterar o nível de desempenho desejado, através da variação de um único parâmetro que indica a velocidade da resposta da FDA. Adicionalmente, foi feita uma série de recomendações sobre como variar o nível de desempenho desejado, respeitando as restrições inerentes do processo e os limites de estabilidade para diferentes tipos de casos. Para processos mais complexos, onde o comportamento dinâmico não é representado de forma satisfatória por um único modelo nominal, foi desenvolvida uma metodologia alternativa, adequada para um sistema multi-modelos, caracterizado por um conjunto de modelos lineares representativos de diferentes pontos de operação. Esta metodologia é uma extensão da original, porém, com a resolução de um problema de otimização multiobjetivo com formulação do tipo minmax, onde minimiza-se o máximo desvio entre a resposta em malha fechada de cada modelo considerado e uma única FDA. Neste tipo de abordagem, é estabelecido um compromisso entre o desempenho atingido em todos os pontos de operação, quando controlado por um único controlador PID. / The PID controller is the most widespread used control algorithm in the industrial plants of the whole world. Besides it is available in practically all commercial control system, it is a robust algorithm, easily understood, able to provide satisfactory performance for a number of industrial processes. Nevertheless, its performance for most of the cases is below than the desired. Estimates show that just 20% of the industrial control loops are found to work well, decreasing the processes variability. Thus, due to the need of improving the performance of the industrial control loops, a complex, but intuitive methodology was developed, by which it is possible to synthesize PID controllers of any parameterization, based on a frequency domain optimization problem, that minimizes the difference between the unit step response of the closed loop system and a desired specific response, represented by the attainable performance function (APF). A lot of alternatives were purposed to turn the whole procedure automatic and simple, however, there is a degree of freedom, by which the practitioner can vary the desired performance level, changing only one parameter, which indicates the APF response speed. In addition, a number of recommendations about how to vary the desired performance level were done, respecting the inherent process constraints and the stability boundaries for different kind of cases. For more complex processes, where the dynamic behavior is not well represented by only one nominal model, an alternative methodology was developed, suitable for a multi-model system, that is specified by a set of linear models, each one representing a different operating point. This methodology is the sequence of the original one, but formulated as a min-max multiobjective optimization problem, where it is minimized the maximum deviation between the closed loop response of each considered model and only one APF. In this kind of approach, it is possible to have a trade-off among the performance reached in all operating points, when controlled by only one PID controller.

Metodologias para processamento de sinais têm sido amplamente pesquisadas com o objetivo de se extrair informação útil a partir de dados de processo. Nesta categoria incluem-se os filtros digitais, os quais atenuam os ruídos ou erros aleatórios, componentes de alta freqüência do sinal. Técnicas de atenuação de ruído como aproximações polinomiais, filtros de Fourier e Ondaletas recebem destaque dentre as técnicas de filtragem. Os filtros das Ondaletas, por exemplo, baseiam-se nos componentes de freqüência de um sinal, realizando a transformada deste sinal de modo a eliminar as freqüências acima de um limite especificado. Este sinal suavizado (tendência), de ruído atenuado, também pode ser processado de modo a obter a sua derivada. A diferenciação numérica de sinais digitais tem muitas aplicações em processamento de sinais analíticos, devido às suas propriedades, e em várias técnicas de engenharia. Um sinal suavizado desempenha papel importante na identificação de estados estacionários por exemplo, que encontra grande aplicação em análise de processos, otimização, identificação de modelos e reconciliação de dados. Como estas aplicações requerem dados sob condição estacionária, ou muito próxima dela, um método eficiente de detecção de estacionários se faz necessário. A derivada de um sinal ruidoso fica mascarada pelo próprio ruído e não apresenta de forma clara os pontos de inflexão desejados para a análise do sinal. Faz-se necessário, portanto, tratar o sinal com um filtro de modo a reduzir ou eliminar o ruído antes de processá-lo ou, então, obter a tendência que este sinal apresenta. Neste trabalho busca-se comparar algumas metodologias comumente utilizadas para filtragem de sinais de processos e obtenção de tendências, e analisa-se a aplicação de uma destas metodologias para análise e identificação de estados estacionários. Uma metodologia multi-variável simples e eficiente baseada em PCA é proposta, tomando como referência o método proposto por JIANG et al. (2003), que determina um índice de estado estacionário pontual. Para validação do método, estudaram-se alguns sistemas industriais e os resultados obtidos são apresentados, mostrando-se satisfatórios. / Methodologies for signal processing are being widely used to extract useful information from process data. In this category are included the digital filters, which atenuate noise or randomic errors (i.e., high frequency components of the signal). Techniques to atenuate noise as polinomial approximation, Fourier filters and Wavelets are commonly used. The Wavelet filters, for example, are based on the high frequency components of the signal, performing the wavelet transform on it to eliminate de frequencies above a specified level. This smooth signal, with less noise (trend), can be also processed to obtain its derivative. Numerical diferentiation of digital signals has many applications in analytic signal processing, due to its properties, and in several engineering techniques. A smooth signal plays an important role in steady-state identification, for example, in applications for process analysis, process optimization, model identification and data reconciliation. As these applications require data under steady-state condition, or very close to it, an efficient method for steady-state detection is necessary. The derivative of a noisy signal is hidden by the noise itself and does not show clearly the inflexion points desired for the signal analysis. Thus it is necessary to filter the signal to reduce or even eliminate the noise before processing it. In this work, some commonly used filter techniques are used and compared, and the application of one of them to steady-state detection is analised. An easy and efficient multivariable metodology based on PCA is proposed, according to the method presented by JIANG et al. (2003), which determines a pointwise steady-state index. To validate the method, some industrial systems were studied and the obtained results are presented, showing that they are satisfatory.

A modelagem termodinâmica apresenta um papel fundamental no desenvolvimento e simulação de processos químicos. Esta modelagem utiliza como ferramenta modelos matemáticos conhecidos como equações de estado. Com o desenvolvimento da mecânica estatística aplicada, novos tipos de equações de estado foram propostas para uso prático em engenharia. Uma delas, PC-SAFT (Perturbed Chain-Statistical Associating Fluid Theory), tem mostrado um grande potencial de aplicação, sendo capaz de vencer a grande maioria das limitações apresentadas por outros modelos e podendo ser aplicada para vários tipos de sistemas contendo fluidos puros e misturas, incluindo casos nos quais estão presentes polímeros. O presente trabalho teve por objetivo o desenvolvimento de ferramentas para utilização da equação de estado PC-SAFT para o cálculo de propriedades termodinâmicas e de equilíbrio de fases. Tais ferramentas deverão ser utilizadas para realização deste tipo de cálculo para polímeros e suas soluções em um simulador de processos que está sendo desenvolvido com colaboração do nosso grupo de pesquisa. As propriedades termodinâmicas para as quais foram implementadas rotinas de cálculo foram a pressão, energia livre de Helmholtz residual, pressão de vapor, ponto crítico de substâncias puras, coeficiente de fugacidade e potencial químico residual. Em relação ao equilíbrio de fases, foram implementadas rotinas para o equilíbrio líquidovapor de misturas binárias e multicomponentes, sendo que para misturas binárias ainda foi implementada uma rotina para misturas contendo polímeros. No caso dos polímeros, foram também implementadas rotinas para o cálculo do equilíbrio líquido-líquido de soluções contendo polímeros polidispersos. Foram propostas metodologias para que uma inicialização adequada de todos os processos considerados que requerem o uso de métodos iterativos e, também, uma mudança de variável para melhorar o desempenho da estimação de parâmetros do modelo. Todas as rotinas foram desenvolvidas no software MatLab e a validação das rotinas desenvolvidas foi feita através da comparação de suas predições com dados experimentais e numéricos da literatura. A grande quantidade de informação gerada nos testes também permitiu identificar os principais problemas numéricos associados a algumas das etapas de cálculo. / The thermodynamic modeling plays a fundamental role in the development and simulation of chemical processes. This modeling is based on the use of mathematical models known as equations of state. With the development of applied statistical mechanics, new types of equations of state were proposed for use in practical engineering. PC-SAFT (Perturbed Chain-Associating Statistical Fluid Theory) is among these models and has shown great potential of application, being able to overcome most of the limitations presented by other models and applicable to various types of systems containing pure fluids and mixtures, including polymeric systems. The main goal of this work was the development of tools for the application of the PC-SAFT equation of state for the calculation of thermodynamic properties and phase equilibrium. These tools are meant to be used for performing this kind of calculation for polymers and their solutions in a process simulator which is being developed with collaboration of our research group. The thermodynamic properties for which calculating routines were implemented were pressure, residual Helmholtz free energy, vapor pressure, critical point of pure substances, fugacity coefficient, and residual chemical potential. Regarding the phase equilibria, the following routines were implemented: vapor-liquid equilibrium of binary and multi-component mixtures of non-polymeric materials, vapor-liquid equilibrium of binary mixtures containing polymers, and liquid-liquid equilibrium for solutions of polydisperse polymers. Routines have also been implemented for the determination the parameters of the PC-SAFT equation of state for pure substances. Methodologies for the definition of appropriate initialization values for the calculation routines requiring the use iterative processes were also developed and a change of variable was proposed to improve the performance of the parameter estimation problem. All routines were implemented in the MatLab 5.0 and their validation was accomplished by comparing our predictions with experimental and numerical data from the literature. The vast amount of information generated in the tests performed also allowed identifying the main numerical problems related to some of the calculation processes.