Orientador: Manoel Henrique Salgado / Banca: José de Souza Rodrigues / Banca: João Pedro Albino / Resumo: O propósito desta dissertação é analisar a implantação da ferramenta Controle Estatístico de Processo (CEP) para a gestão de operações de uma empresa do setor alimentício. Para tanto, realizou-se uma fundamentação que compreende: o Controle de Qualidade, a Variabilidade do Processo e o CEP. Esta fundamentação teórica apoiou o presente estudo de caso, consequentemente, foi possível descrever e discutir todas as etapas de aplicação da ferramenta no contexto de iplementação de um novo sistema de Gestão. Em adição, sugerir a proposta de um roteiro para auxílio na implantação da ferramenta CEP em processos de manufatura. Os resultados permitem constatar que as ferramentas que compõe um pacote corporativo podem não ser eficazes, quando esta não é analisada quanto à sua dimensão teórica de aplicabilidade no local a ser utilizado. Outro ponto constatado nos resultados é a necessidade de formalizar uma norma padrão de aplicabilidade de ferramentas de gestão, evitando a ocorrência de erros comuns de erros comuns, como, a não existência de um estudo para identificar não apenas a característica da qualidade, mas quais equipamentos ou pontos de operação devem ser monitorados pela ferramenta contida no Sistema de Gestão / Abstract: The purpose of this dissertation is to analize the implentation of the SPC (Statistical Process Control) for the management of operations in a food company. Furthermore, it was performer a theoretical review that includes: Quality Control, Process Variability and SPC. This theoretical review supported this case study, and it has possible to describe and discuss all the steps of deployment the tool in the new System of Management. In addition, to suggest a proposal of a guide to aid the implementation of the SPC in manufacturing processes. The results reveal that comprise a corporative guide may not be effective, when this is not analyzed in a techinical dimension of applicability on the local to be used. Moreover, the point observed in the results, all the System of Management need to formalize a standard applicatibility of management tools, avoiding common mistakes; for instance, non-existence of a study to identify which equipment or point of operatio must be monitored / Mestre

Este trabalho dedica-se ao desenvolvimento de um modelo matemático de uma planta piloto de vazão tendo em conta as não linearidades mais significativas no sistema como perdas de carga nos instrumentos e o efeito de atrito nas válvulas de controle. Este efeito foi modelado com procedimentos que foram estudados previamente em outras pesquisas e que neste documento vão ser brevemente descritos. Para realizar a modelagem se usaram valores fornecidos pelos fabricantes dos instrumentos para o modelo ser o mais próximo da realidade. Foram realizados testes comparativos em estado transitório e estacionário para avaliar e validar o desempenho do modelo e propor futuras melhorias que podem ser realizadas no modelo e na planta. / This work will develop a mathematic model of a flow pilot plant taking into account the most significant non-linearities in the system as load loses in the instruments and the effect of friction in the control valves. This effect was modeled with procedures that were studied in other researches and they will be briefly described. The modeling work was done using the values supplied by the manufacturers for the model to be as close to reality. Comparative tests were performed, on transient and steady-state in order to evaluate and validate the performance of the model and propose future improvements that can be made in the model and the plant.

As válvulas de controle são os elementos finais da grande maioria das malhas de controle existentes na indústria. Além disso, sabe-se que o atrito pode causar variabilidade na malha em questão, o que geralmente é indesejável para o desempenho do processo. Ademais, cerca de 20 a 30% das oscilações nas malhas de controle são causadas por atrito ou histerese. Outro ponto relevante é que muitas vezes não é possível realizar a manutenção da válvula que esteja apresentando uma variabilidade considerável, já que muitas vezes não é desejado e nem possível parar o processo em questão para o reparo da válvula. Dessa forma, o estudo de métodos de compensação de atrito se faz necessário como uma maneira de melhorar o desempenho da malha de controle nesta situação até que seja feita a manutenção da planta industrial. Este trabalho apresenta controladores com compensação de atrito e analisa seu desempenho comparado com outros compensadores já conhecidos e amplamente utilizados, através de ensaios na Planta Piloto de Vazão da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. / The control valves are the final elements of most of the control loops in industry. Besides, the friction can cause variability in the process, which is an undesirable situation. Furthermore, about 20% to 30% of the oscillations in control loops are caused by friction or hysteresis. Another relevant fact is that much times it is not possible to make the maintenance of the valve that is under a considerable variability, because it is not desirable nor possible to stop the process to make the maintenance of the control valve. Thereby, studying friction compensation methods is necessary as a way to improve the control loop performance in this situation until the industrial plant maintenance is made. This dissertation presents controllers with friction compensation and analyzes its performances compared with other known and widely used compensators through experiments made at the Flow Pilot Plant of Polytechnic School of University of São Paulo.

Nesta tese, com a ambição de desenvolver um pacote de controle que poderia ser implementado a baixo custo nas indústrias brasileiras, é estudado o controle preditivo (MPC) de sistemas estáveis e instáveis com modelos incertos, baseado em um modelo de realinhamento e o uso de técnicas de desigualdades matriciais lineares (LMI), para resolução de problemas de controle robusto. Na primeira parte da tese, a aplicabilidade de um controlador baseado em um modelo de realinhamento é considerada. Como o controlador preditivo baseado em um modelo de realinhamento não requer o uso de um observador de estados, espera-se que seja mais eficiente e mais robusto a distúrbios não medidos que um controlador que precise de um observador de estados. Essa hipótese é testada comparando-se o desempenho e a robustez a distúrbios não medidos deste controlador com um controlador que requer o uso de um observador de estados, através da simulação do controle de um separador polipropileno/propano (PP) industrial. Por outro lado, a desvantagem de um controlador baseado em um modelo de realinhamento é a sensibilidade da construção do modelo e das matrizes do controlador a erros numéricos que aumentam com o tamanho do sistema. As etapas do algoritmo de controle mais sensíveis a erros numéricos são então destacadas com o objetivo de discutir a aplicabilidade de um controlador baseado em um modelo de realinhamento a sistemas de grande porte. Além disso, sempre que possível, os métodos utilizados para reduzir a sensibilidade das etapas problemáticas a erros numéricos são apresentados. A segunda parte da tese trata da solução do problema de controle robusto preditivo baseado em um modelo de sistema incerto. Este problema é usualmente abordado através da inclusão de restrições não lineares sobre os custos associados aos modelos da planta no problema de controle, de tal modo que a ação de controle é obtida a cada instante de tempo através da resolução de um problema de otimização não linear, cujo custo computacional pode ser proibitivo para sistemas de grande porte. Nesta parte da tese, o problema de MPC robusto é então reformulado como um problema baseado em LMIs, que pode ser resolvido com uma fração do esforço computacional. A abordagem proposta é comparada com o MPC robusto convencional e testada através da simulação do controle de um reator e de um separador C3/C4 industriais. Finalmente, na terceira parte da tese, o MPC de sistemas estáveis e instáveis com incertezas no modelo que permite a saturação das entradas manipuladas é abordado. Um subconjunto das entradas manipuladas é alocado ao controle das saídas instáveis através de uma lei de realimentação de estados, enquanto as outras entradas são deixadas livres para controlar as saídas estáveis restantes. Assume-se que as saídas são controladas dentro de faixas e que os setpoints das saídas são tratados como entradas manipuladas adicionais. Os controladores desenvolvidos nesta parte da tese permitem a saturação das entradas associadas às saídas instáveis através da manipulação das entradas livres e dos setpoints das saídas instáveis. A viabilidade recursiva dos controladores desenvolvidos é garantida, permitindo-se que os setpoints das saídas instáveis deixem temporariamente suas faixas. O desempenho dos controladores desenvolvidos é testado através da simulação do controle de dois processos integradores da indústria química. / In this thesis, with the ambition of developing a homemade control package that could be implemented at a low cost in Brazilian industries, the model predictive control (MPC) of uncertain stable and unstable systems based on a realigned state space representation and on the use of the Linear Matrix Inequality (LMI) techniques is addressed. In the first part of this thesis, the practical implementability of a controller based on a realigned model is considered. Since a Model Predictive Controller based on a realigned model does not require the use of a state observer, it is expected to be more efficient and more robust to unmeasured disturbances than a controller requiring the use of a state observer. This assumption is tested by comparing the performance and the robustness to unmeasured disturbances of a controller based on a realigned model with a controller requiring the use of a state observer through the simulation of the control of a nonlinear industrial propylene/propane (PP) splitter. On the other hand, a disadvantage of a controller based on a realigned model is that the construction of the model and controller matrices is very sensitive to numerical errors. The steps of the control algorithm that are more sensitive to numerical errors are then highlighted in order to discuss the practical applicability of an MPC based on the realigned model to large-scale systems. Also, wherever possible, some ways of decreasing the sensitiveness of the problematic steps to numerical errors are presented. The second part of this thesis addresses the solution to the problem of robust MPC of systems with model uncertainty. The usual approach of dealing with this kind of problem is through the inclusion of nonlinear cost constraints in the control problem so that the control action is obtained at each sampling time as the solution to a nonlinear programming (NLP) problem that, for high order systems, can be computationally expensive. In this part of the thesis, the robust MPC problem is then recast as an LMI problem that can be solved in real time with a fraction of the computer effort. The proposed approach is compared with the conventional robust MPC and tested through the simulation of the control of a reactor system and a C3/C4 splitter of the process industry. Finally, in the third part of the thesis, the model predictive control of uncertain process systems with stable and unstable outputs that allows input saturation is addressed. A subset of the manipulated inputs is allocated to the control of the unstable outputs through a state feedback control law while the other inputs are left free to control the remaining stable outputs. It is assumed that the outputs are controlled inside zones and that the output setpoints are treated as additional free manipulated inputs. The proposed controllers allow the saturation of the inputs related to the unstable outputs by manipulating the free inputs and the setpoints of the unstable outputs. The recursive feasibility of the controllers is guaranteed by allowing the setpoints of the unstable outputs to temporarily leave their bounds. The performance of the proposed approach is tested through the simulation of the control of two integrating chemical process systems.

O sucesso de estratégias de controle preditivo baseado em modelo (MPC, na sigla em inglês) tanto em ambiente industrial quanto acadêmico tem sido marcante. No entanto, ainda há diversas questões em aberto na área, especialmente quando a hipótese simplificadora de modelo perfeito é abandonada. A consideração explícita de incertezas levou a importantes progressos na área de controle robusto, mas esta ainda apresenta alguns problemas: a alta demanda computacional e o excesso de conservadorismo são questões que podem ter prejudicado a aplicação de estratégias de controle robusto na prática. A abordagem de controle preditivo estocástico (SMPC, na sigla em inglês) busca a redução do conservadorismo através da incorporação de informação estatística dos ruídos. Como processos na indústria química sempre estão sujeito a distúrbios, seja devido a diferenças entre planta e modelo ou a distúrbios não medidos, está técnica surge como uma interessante alternativa para o futuro. O principal objetivo desta tese é o desenvolvimento de algoritmos de SMPC que levem em conta algumas das especificidades de tais processos, as quais não foram adequadamente tratadas na literatura até o presente. A contribuição mais importante é a inclusão de ação integral no controlador através de uma descrição do modelo em termos de velocidade. Além disso, restrições obrigatórias (hard) nas entradas associadas a limites físicos ou de segurança e restrições probabilísticas nos estados normalmente advindas de especificações de produtos também são consideradas na formulação. Duas abordagens foram seguidas neste trabalho, a primeira é mais direta enquanto a segunda fornece garantias de estabilidade em malha fechada, contudo aumenta o conservadorismo. Outro ponto interessante desenvolvido nesta tese é o controle por zonas de sistemas sujeitos a distúrbios. Essa forma de controle é comum na indústria devido à falta de graus de liberdade, sendo a abordagem proposta a primeira contribuição da literatura a unir controle por zonas e SMPC. Diversas simulações de todos os controladores propostos e comparações com modelos da literatura são exibidas para demonstrar o potencial de aplicação das técnicas desenvolvidas. / The success of Model Predictive Control (MPC) strategies in industrial and academic environments in the last decades has been remarkable. However, there are many open questions in the area, especially when the simplifying hypothesis of perfect model is dropped. The explicit consideration of uncertainties lead to important progresses in the area of robust control, but it still exhibits a few drawbacks: high computational load and over conservative behavior are issues that may have hindered the application of robust strategies in practice. The approach of Stochastic Model Predictive Control (SMPC) aims at the reduction of conservativeness due to the incorporation of statistical information about noise. Since processes in chemical industry are always subject to disturbances, resulting from model-plant mismatch or from unmeasured disturbances, this technique is an interesting alternative for future control algorithms. The main objective of this thesis is the development of SMPC algorithms that take into account some of the specificities of such processes, which have not been adequately handled in the literature so far. The most important contribution is the inclusion of integral action in the controller through a velocity description of the model. Besides, hard input constraints associated with safety or physical limits and probabilistic state constraints usually derived from product specification - are also included in the formulation. Two approaches were followed in this work, the first is more direct and the second provides closed-loop stability guarantee at the price of increased conservativeness. Another interesting feature that is developed in this thesis is the zone control of systems subject to disturbances. This form of control is often present in industrial arrays due to the lack of degrees of freedom, and the proposed approach is the first to merge zone control and SMPC. Different simulations of all proposed controllers and comparison to literature benchmarks are provided to show the application potential of the developed techniques.

In this dissertation a computer-aided automation design methodology for biotechnology applications is proposed that leads to several design guidelines. Because of the biological nature of the samples that propagate in the automation line, a very specific set of environmental and maximum allowed shelf time conditions have to be followed to obtain good yield. In addition all biotechnology protocols require precise sequence of steps, the samples are scarce and the reagents are costly, so no waste can be afforded. / Includes bibliography. / Dissertation (Ph.D.)--Florida Atlantic University, 2014. / FAU Electronic Theses and Dissertations Collection

Algoritmos MPC implementam estratégias avançadas de controle adequada-mente aplicáveis a processos químicos complexos e multivariáveis. Recentemente, desenvolveram-se algoritmos MPC que possuem controle das saídas por faixas e estabilidade nominal baseados em horizonte infinito de predição. O objetivo principal deste trabalho é estender este tipo de algoritmo desenvolvendo um MPC de horizon-te infinito com referências para as entradas manipuladas e controle das saídas por funnel. Funnel é um dispositivo, particular aos algoritmos Honeywell RMPCT® (de horizonte finito), que suaviza as ações do controlador estabelecendo, a cada instan-te de amostragem, limites mais brandos para as saídas controladas que fogem às suas faixas. O algoritmo MPC de horizonte infinito aqui desenvolvido é analisado por simulação de um subsistema importante de uma planta de produção de alumina. Pe-las simulações, verificou-se de fato a suavidade das ações do controlador que dis-põe do funnel. Neste trabalho também se propõe, e se analisa por simulação, uma nova estrutura para o controlador RMPCT® que hoje atua sobre a planta. Uma vez que se mostrou interessante, essa nova estrutura, que inclui uma nova entrada ma-nipulada, poderá ser implementada na prática. / MPC algorithms are particularly suitable to implement advanced control strate-gies at complex and multivariable chemical processes. Recently, it has been devel-oped MPC algorithms with zone control and nominal stability, based on infinity pre-diction horizon. The main objective of this dissertation is to extend this type of algo-rithm by developing an infinity horizon MPC with targets to the manipulated inputs and funnel control. Funnel is a numerical device, particular to Honeywell RMPCT® algorithms (with finite horizon), that softens the controller actions by establishing, at each sampling instant, softer limits for the controlled outputs that escapes from its zones. The infinity horizon MPC algorithm developed here is analyzed by simulation of an important subsystem of an alumina production facility. According to the simula-tions, it was confirmed in fact the smoothness of the control actions produced by the funnel controller. In this work it is also proposed, and analyzed by simulation, a new structure for the RMPCT® controller that controls the plant nowadays. Since this new structure, which includes a new manipulated input, showed itself interesting, it can be implemented in practice.

Neste trabalho são discutidos e avaliados métodos de construção de conjuntos de sinais de excitação para identificação de sistemas. Esse estudo é realizado tendo como objetivo aplicações na indústria de processos, particularmente no refino de petróleo. As restrições operacionais da indústria de refino de petróleo estão cada vez mais severas em virtude do aumento da demanda energética, qualidade de derivados, variações de preço de petróleo, concorrência no mercado de derivados e outros fatores econômicos, ambientais e de eficiência energética. Nesse cenário, é crescente o uso de técnicas de controle preditivo por modelos e, consequentemente, a demanda por identificação de plantas de processamento. As características particulares das plantas de processamento e de sua operação impõem restrições ao projeto e à aplicação de sinais de excitação. Vários métodos de construção de sinais encontrados na literatura e outros três propostos neste trabalho são avaliados e comparados com referência ao atendimento a essas restrições. Uma das principais restrições para a aplicação de sinais de excitação para identificação é relativa ao tempo disponível para excitação da planta. Assim, para o bom uso desse período, faz-se necessário garantir o sucesso de um experimento previamente à sua realização. Na literatura, encontram-se várias medidas de desempenho de sinais de excitação possíveis de serem obtidas previamente ao experimento de identificação. Neste trabalho, s~ao propostas duas novas medidas que complementam essas na avaliação dos conjuntos de sinais previamente ao experimento. A eficácia dos métodos de construção e das medidas de desempenho de sinais de excitação é avaliada por meio de simulação de identificação multivariável de duas plantas típicas de refinarias. As conclusões deste trabalho apresentam em síntese essas avaliações, como também sugestões de trabalhos futuros que visam à continuidade da pesquisa desenvolvida aqui. / In this work methods for generating sets of excitation signals for system identification are discussed and evaluated. This study is focused on applications in the process industries, particularly in oil refining. The operational constraints of the oil refining industry are becoming increasingly severe due to increased energy demand, quality of products, oil price variations,market competition and other economic, environmental and energy efficiency factors. In this scenario the use of model predictive control techniques is increasing, thus the demand for plant identification as well. The particular characteristics of the processing plants impose restrictions to the project and application of excitation signals. Various methods for generating signals accessible in the literature and three new others proposed in this work are compared with reference to these restrictions. One of the main constraints for applying excitation signals for identification is relative to the period available for excitation of the plant. Thus, for the proper use of this time interval, it is necessary to ensure the success of an experiment prior to its implementation. In the literature there are several performance measurements for evaluation of sets of excitation signals prior to the experiment. This work proposes two new measures to complement the evaluation. The effectiveness of the generating methods and performance measurements for excitation signals is evaluated by simulation of multivariable identification of two typical oil refining plants. The conclusions of this work briefly present these evaluations, as well as some suggestions of future work for the continuity of the current research.

Na colheita mecanizada de cana-de-açúcar, existem algumas peculiaridades relacionadas às interações solo-máquina-planta, que tem causado preocupações, devido às perdas de matériaprima deixada no campo e à redução da longevidade do canavial, ocasionados pela deficiência do controle de altura de corte. A melhoria da qualidade do corte e da matéria-prima é proposta na bibliografia por meio de intervenções na colheita e em outras práticas culturais existentes, e de mudanças nos projetos das colhedoras. Os fabricantes desses equipamentos têm desenvolvido dispositivos para auxiliar o operador no controle da altura de corte. Tendo em vista a importância do corte de base na qualidade e perda de matéria-prima e na longevidade da soqueira, o objetivo desse trabalho foi avaliar a influência de um dispositivo semi-automático de controle de altura do corte de base, DAC, na qualidade do corte de base e seu desempenho ao longo de uma jornada de trabalho. Para tanto, os ensaios foram realizados em duas usinas de açúcar e álcool, com colhedoras equipadas com o DAC. Para a avaliação da qualidade do corte de base, foram utilizadas duas metodologias distintas, denominadas de etapa 1 e etapa 2. A primeira procurou identificar a influência da utilização do DAC na qualidade operacional. A segunda foi voltada para a avaliação da qualidade operacional com o uso DAC em situação normal de trabalho. Nas duas etapas, utilizaram-se técnicas do controle estatístico do processo. Os resultados mostraram que, em termos gerais e nas condições do trabalho, os parâmetros qualitativos analisados do corte de base realizado por colhedoras de cana-de-açúcar não atendem aos padrões especificados pelas usinas, independente do uso do DAC. / In sugar cane mechanized harvesting, there are some peculiarities related to soil-machineplant interaction which has been causing some concern due to raw material left on the field losses and the reduction in sugar cane crop longevity caused by deficiency in cut height control. Improvement in cut quality and raw material are proposed in bibliography by means of intervention at harvest and other crop practices available and changes in harvester design. Harvester producers have developed devices to aid the operator in controlling cut height. Whit the importance of base cutting in raw material quality and losses and crop longevity in mind, this study aimed at evaluating the influence of a semi-automatic base cutting control device, DAC, on base cutting quality and its performance on a normal working day. Thus, the trials were carried out in two sugar and alcohol mills with harvesters equipped with DAC. Two different methodologies, denominated stage one and stage two, were used in order to evaluate base cutting quality. The first one tried to identify the influence of DAC utilization on operational quality. The second one evaluated the operational quality with DAC use on a normal working condition. On both stages, techniques of statistical process control were used. The results showed that, in general and under the harvester operation conditions, the analyzed qualitative parameters of base cutting done sugar cane harvesters do not meet the standard specified by sugar mills regardless the DAC use.

O Controlador Lógico Programável foi criado na década de 70 para automatizar o acionamento seqüencial de relés em linhas de manufatura, controle e automação de processos do tipo liga/desliga. Eram então equipamentos isolados e dedicados a uma tarefa específica. Os CLP’s evoluíram e hoje incorporam recursos de controle analógico em processos contínuos, estão integrados aos outros equipamentos da fábrica na hierarquia de controle e podem ser facilmente re-configurados através de programação remota em redes industriais proprietárias. O surgimento da Internet e de redes corporativas semelhantes (Intranet) tornou possível o acesso remoto aos equipamentos de controle dos processos usando uma arquitetura aberta. Neste contexto, a Web, com sua interface gráfica intuitiva e universal, é muito indicada para a supervisão remota de processos de chão-de-fábrica. Como equipamentos importantes em automação industrial, os CLP’s seguem essa tendência adquirindo acessibilidade pela Web. Esse trabalho tem por objetivo o desenvolvimento de uma IHM (Interface Homem-Máquina) de supervisão de um CLP implementado em software (SoftPLC) em controle de um processo simulado através de uma interface WWW. A proposta servirá também como incentivo a projetos futuros para implementação de uma interface de configuração com CLP real. / The Programmable Logical Controller was introduced in the 70's to replace the relay logic in manufacturing lines and in on/off control. They were devices isolated and dedicated to one specific task. The PLC's evolution introduced analog control capabilities for continuous processes and integrated them with other devices in the factory's control hierarchy, which can be remotely reconfigured through proprietary industrial networks. The appearance of the Internet and similar corporate networks (Intranets) made it possible to remotely access control devices through an open architecture. The browser and its intuitive graphical interface is a natural appeal to the remote supervision of processes in the plant. As important industrial automation equipment, the PLC follow this trend and acquire web accessibility. The objective of this work is the development of a supervising MMI (Man-Machine Interface) using the Web for a SoftPLC in control of a simulated process . It will also be an incentive to the future development of a dedicated configuration module for a real PLC.