Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro de Ciências Físicas e Matemáticas. Programa de Pós-Graduação em Física / Made available in DSpace on 2012-10-24T00:32:18Z (GMT). No. of bitstreams: 1 250764.pdf: 745754 bytes, checksum: 67c57b048959ed3251143be8cf44cd63 (MD5) / Neste trabalho, utilizamos alguns conceitos da física, em especial, da mecânica estatística, que são aplicados no estudo de dados financeiros. Concentramos nosso estudo nos processos estocásticos e propriedades estatísticas que descrevem os retornos de preços de ações e no estudo das correlações entre elas. Utilizamos a Teoria da Matriz Aleatória para testar incertezas estatísticas presentes na matriz de correlação, obtida usando-se séries temporais dos retornos diários de preços de um conjunto de ações muito negociadas na Bolsa de Valores de São Paulo (Bovespa) no período de 2001 a 2007. Obtemos a densidade de autovalores da matriz de correlação e comparamos a estatística desses autovalores com a dos autovalores de uma matriz de correlação aleatória, construída a partir de séries temporais mutuamente descorrelacionadas. Analisamos a distribuição das componentes dos autovetores e observamos que os autovetores correspondentes aos menores autovalores, que não são explicados pela Teoria da Matriz Aleatória, carregam consigo informação econômica real, enquanto o maior autovalor corresponde a uma influência comum do mercado sobre todas as ações. Utilizamos o conceito de Espaço Ultramétrico e Teoria de Grafos para construir árvores de extensão mínima a fim de obtermos informações sobre o agrupamento das ações e extrair informações comuns partilhadas entre elas. Consideramos diferentes intervalos de tempo ao obtermos a árvore na tentativa de se entender as flutuações dos preços ao longo do tempo.

Processos químicos integrados apresentam uma maior dificuldade para garantir o controle global da planta em função das fortes interações que se estabelecem entre as variáveis de processo. A área de estudo conhecida como Plant Wide Control preocupa-se em propor soluções a este problema de controle. Soluções típicas consistem no projeto de estruturas de controle, a partir de técnicas quantitativas de análise da controlabilidade operacional. Entretanto a dificuldade em obter-se modelos confiáveis na fase de projeto de processos, bem como as incertezas derivadas das não-linearidades de sistemas reais, são alguns exemplos das dificuldades que limitam a aplicabilidade de tais métodos e incentivam o desenvolvimento de heurísticas capazes de auxiliar a seleção de estruturas de controle adequadas. Nesta dissertação são utilizadas análises estruturais e técnicas quantitativas no estudo de sistemas simplificados e hipotéticos, permitindo a formulação de heurísticas comprometidas com o controle global do balanço material. O resultado destas análises mostra ser possível implementar uma estrutura de base, de configuração feedforward, fundamentada na garantia de baixa variabilidade do tempo de residência do sistema reacional, através de controle direto ou flutuação do inventário, e na proporcionalidade entre as correntes de processo, via introdução de razões fixas entre as vazões da planta. A utilização destas duas heurísticas garante a estabilidade do balanço material frente a variações da taxa de produção, mesmo sem a implementação de controladores de composição. Em um nível supervisório, são introduzidas malhas de controle feedback, em cascata com a estrutura de base, a fim de corrigir off-sets e controlar composições sob um horizonte de tempo longo de resposta. As estruturas de controle projetadas a partir desta base heurística apresentam um desempenho satisfatório para a rejeição de distúrbios sobre a taxa de produção, de acordo com os resultados de validação do estudo de caso Tennessee Eastman.

O tema deste trabalho versa sobre a produção de anéis de centragem de alto-falantes de uma empresa de alto-falantes do Rio Grande do Sul. O objetivo geral é melhorar o processo de fabricação de anéis de centragem de alto-falantes.Como objetivo específico, quer-se conhecer melhor, através de estudos de Desdobramento da Função Qualidade (QFD), Projeto deExperimentos e Análise de Regressão, os parâmetros de processo que afetam a qualidade dos mesmos,e apontar soluções para amelhoria do processo, reduzindo refugos e retrabalhos. Em função dos resultados, foi elaborado um plano de ação demelhorias do processo, partindodas conclusões do experimento e visando-se melhorar a situaçãoatual do processo na empresa.Na apresntação dos resultados, testa-se o trabalho no intuito de melhorar o processo na empresa em questão.

A maioria dos métodos de síntese e sintonia de controladores, bem como métodos de otimização e análise de processos necessitam de um modelo do processo em estudo. A identificação de processos é portanto uma área de grande importância para a engenharia em geral pois permite a obtenção de modelos empíricos dos processos com que nos deparamos de uma forma simples e rápida. Mesmo não utilizando leis da natureza, os modelos empíricos são úteis pois descrevem o comportamento específico de determinado processo. Com o rápido desenvolvimento dos computadores digitais e sua larga aplicação nos sistemas de controle em geral, a identificação de modelos discretos foi amplamente desenvolvida e empregada, entretanto, modelos discretos não são de fácil interpretação como os modelos contínuos pois a maioria dos sistema com que lidamos são de representação contínua. A identificação de modelos contínuos é portanto útil na medida que gera modelos de compreensão mais simples. A presente dissertação estuda a identificação de modelos lineares contínuos a partir de dados amostrados discretamente. O método estudado é o chamado método dos momentos de Poisson. Este método se baseia em uma transformação linear que quando aplicada a uma equação diferencial ordinária linear a transforma em uma equação algébrica evitando com isso a necessidade do cálculo das derivadas do sinais de entrada e saída Além da análise detalhada desse método, onde demonstramos o efeito de cada parâmetro do método de Poisson sobre o desempenho desse, foi realizado também um estudo dos problemas decorrentes da discretização de sinais contínuos, como por exemplo o efeito aliasing decorrente da utilização de tempos de amostragem muito grandes e de problemas numéricos da identificação de modelos discretos utilizando dados com tempos de amostragem muito pequenos de forma a destacar as vantagens da identificação contínua sobre a identificação discreta Também foi estudado um método para compensar a presença de offsets nos sinais de entrada e saída, método esse inédito quando se trata do método dos momentos de Poisson. Esse trabalho também comprova a equivalência entre o método dos momentos de Poisson e uma metodologia apresentada por Rolf Johansson em um artigo de 1994. Na parte final desse trabalho são apresentados métodos para a compensação de erros de modelagem devido à presença de ruído e distúrbios não medidos nos dados utilizados na identificação. Esses métodos permitem que o método dos momentos de Poisson concorra com os métodos de identificação discretos normalmente empregados como por exemplo ARMAX e Box-Jenkins.

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.

Resumo não disponível

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.