Monitoring the limiting reactant concentration is a key question to maximize the productivity and to guarantee the safety of exothermic fed-batch processes. However in most applications, the concentration cannot be measured in real-time since suitable devices do not exist or are too expensive; the concentrations are then measured by off-line analyses. In this context monitoring the concentrations via software sensors, or state observer based estimators, is an attractive option. The presence of model uncertainties is a major limitation when applying state observers to real processes. More precisely, in fed-batch exothermic reactors the bad knowledge of both the reaction kinetics and the heat transfer may prevent the use of classical observers. In this study, we propose two different approaches to estimate the concentration of the limiting reactant in a class of single phase exothermic fed-batch reactors with uncertain kinetics and heat transfer. The first approach is based on a finite time converging observer that provides an estimate for the reaction rate via the reactor energy balance equation. The concentration is then computed from the reaction rate estimate via a material balance equation. The main contribution of this approach is the use of a finite time observer to limit the reconstruction error by guaranteeing a small convergence time interval for the reaction rate estimate. The second approach is based on an interval observer that provides two bounds for the concentration by considering uncertainties related to both the heat transfer and the reaction kinetics. The final estimate is then computed as the mean of the bounds. A systematic tuning procedure has been developed for each of both estimation techniques. Both estimators have then been tested and validated with real data coming from the production of different kinds of resins carried out in 10 tons reactors.

Orientador: Gilberto Pechoto de Melo / Banca: Vicente Lopes Júnior / Banca: Raquel Santini Leandro Rade / Resumo: Hoje em dia um dos fatores de interesse das indústrias no desenvolvimento de novas técnicas de detecção e localização de falhas é a preocupação com a segurança de seus sistemas, tendo-se a necessidade de supervisão e monitoramento de modo que as falhas sejam detectadas e corrigidas o mais rápido possível. Verifica-se na prática que determinados parâmetros dos sistemas podem variar durante o processo, devido a características específicas ou o desgaste natural de seus componentes. Sabe-se também que, mesmo nos sistemas bem projetados, a ocorrência de trincas em alguns componentes pode provocar perdas econômicas ou conduzir a situações perigosas. Os observadores de estado podem reconstruir os estados não medidos do sistema, desde que os mesmos sejam observáveis, tornando possível, desta forma, estimar as medidas nos pontos de difícil acesso. A técnica dos observadores de estado consiste em desenvolver um modelo para o sistema em análise e comparar a estimativa da saída com a saída medida, a diferença entre os dois sinais presentes resulta em um resíduo que é utilizado para análise. Neste trabalho foi montado um banco de observadores associado a um modelo de trinca de modo a acompanhar o progresso da mesma. Os resultados obtidos através de simulações computacionais em uma placa engastada discretizada pela técnica dos elementos finitos e as análises experimentais realizadas foram bastante satisfatórios, validando a metodologia desenvolvida. / Abstract: Nowadays a main factor of interest in industries in the development of new techniques for detection and localization of faults is the concern with the security of its systems. There is the need of supervising and monitoring the machines to detect and correct the fault as soon as possible. In practice it is verified that some determined parameters of the systems can vary during the process, due to the specific characteristics or the natural wearing of its components. It is known that even in well-designed systems the occurrence of cracks in some components can induce economic losses or lead to dangerous situations. The state observers methodology can reconstruct the unmeasured states of the system, since they are observable, becoming possible in this way to estimate the measures at points of difficult access. The technique of state observers consists of developing a model for the system under analysis and to compare the estimated with the measured exit, and the difference between these two signals results in a residue that is used for analysis. In this work was set up a bank of observers associated to a model of crack in order to follow its progress. The results obtained through computational simulations in a cantilever plate discretized by using the finite elements technique and the accomplished experimental analysis were sufficiently satisfactory, validating the developed methodology. / Mestre

Orientador: Gilberto Pechoto de Melo / Banca: Luiz de Paula do Nascimento / Banca: Silmara Cassola / Resumo: O presente trabalho apresenta a metodologia dos observadores de estado para a detecção e localização de falhas em sistemas contendo elementos finitos de placas de Kirchoff. Tal metodologia consiste na montagem de um banco de observadores de estado, o qual é capaz de detectar falhas presentes no sistema, além de localizar o componente danificado e a porcentagem de falha. As matrizes de ganho dos observadores de estado foram determinadas por dois métodos distintos: o método Regulador Quadrático Linear e das Desigualdades Matriciais Lineares. Nesse trabalho, foi utilizada uma placa plana fina montada sobre um sistema de suspensão similar ao de uma plataforma veicular, representando um veiculo simplificadamente. A modelagem da plataforma utilizada foi realizada mediante a utilização do método dos elementos finitos, considerando-se diferentes números de elemento no modelo. O tipo do elemento finito utilizado foi o elemento de placa de Kirchoff. Adicionalmente foi analisada a influência de elementos de controle junto à suspensão da plataforma no movimento da mesma. O modelo considerado, juntamente com os programas computacionais desenvolvidos, foram utilizados para a simulação do movimento da plataforma. Na literatura, normalmente são apresentadas simulações para o movimento de apenas ¼ do veículo, neste trabalho, no entanto, os programas desenvolvidos podem simular o movimento do veiculo inteiro. Foram realizadas simulações computacionais para o movimento da plataforma com a finalidade de se detectar e localizar falhas introduzidas nos elementos da suspensão e também foram realizados testes experimentais, com os mesmos fins. Mediante tais testes (teóricos e experimentais) verificou-se a eficácia da metodologia desenvolvida e a sua principal limitação: o número de elementos finitos considerado no modelo relacionado com o número de medidas efetuadas e a observabilidade do sistema. / Abstract: This work presents the state observers methodology for the detection and location of faults in systems containing finite elements of plate of Kirchoff. This methodology consists in the assembly of a bank of state observers, which is capable of detecting faults in the system, and also to locate the damaged component and the percentage of failure. The gain matrices of the state observers were determined by two different methods, these are the method Linear Quadratic Regulator and the Linear Matrix Inequalities. In this work was considered a thin plate mounted on a suspension system that is similar to a vehicle platform, representing a vehicle in a simplified way. The modeling of the platform used was performed by using the finite element method, considering different numbers of element in the model. The finite element used was the Kirchoff's plate element. It was also studied the influence of elements of control, together with the suspension of the platform, into its movement. The model considered, together with the developed computational programs, were used to simulate the movement of the platform. In the literature, usually are presented simulations for the movement of only ¼ of the vehicle, in this work, the developed programs can simulate the movement of the entire vehicle. It was realized computational simulations for the movement of the platform in order to detect and locate faults introduced in the elements of the suspension and experimental tests were also conducted with the same purpose. Through such tests (theoretical and experimental) it was verified the effectiveness of the developed methodology and its major limitation: the number of finite elements considered in the model related with the number of outputs and the observability of the system. / Mestre

Orientador: Gilberto Pechoto de Melo / Banca: Vicente Lopes Junior / Banca: José Antonio Ferreira Borges / Resumo: Neste trabalho desenvolveu-se uma metodologia de detecção e localização de falhas via observadores de estado projetados via LQR (Regulador Linear Quadrático) e LMIs (Desigualdades Matriciais Lineares) em sistema rotativo considerando-se suas fundações e excitações desconhecidas. A necessidade de desenvolver novas técnicas de prevenção de falhas vem da preocupação das indústrias com o bom funcionamento de seus equipamentos a fim de evitar paradas repentinas no processo produtivo. A metodologia dos observadores de estado consiste em utilizar sua capacidade de estimar estados não medidos. Assim, projeta-se um banco de observadores de estado, sendo que cada um é robusto a um determinado parâmetro sujeito a falha. Quanto à identificação de forças de excitação, durante os últimos anos, vários métodos têm sido propostos, embora nenhum deles possa ser considerado como sendo universalmente adequado a todas as situações. Neste trabalho foram utilizadas metodologias utilizando funções ortogonais de Fourier, Legendre e Chebyshev para a identificação das excitações desconhecidas. Para verificar a validade da metodologia desenvolvida tanto para a identificação de forças como detecção e localização de falhas foram simulados dois sistemas mecânicos: sistema massa-mola-amortecedor de 4 gdl (graus de liberdade) e sistema rotativo considerando-se suas fundações. Por fim, foi realizada a comprovação experimental, utilizando para isto um sistema rotativo pertencente ao laboratório de vibrações mecânicas do Departamento de Engenharia Mecânica da Faculdade de Engenharia, Campus de Ilha Solteira / Abstract: In this work a methodology for faults detection and location in rotative system considering its foundation and unknown inputs was developed using state observers designed by LQR (Linear Quadratic Regulator) and LMIs (Linear Matrix Inequalities). The necessity of design new techniques of faults prevention proceeds from concerns of industries with the good worked of its equipments in order to avoid suddenly stopped in the productive process. The methodology of state observers consists to use its capacity to esteem the states not measured. So, it projects a bank of state observes, being that everyone is robust a parameter subject a fault. As at excitation forces identification, during last years, many methods have been proposed, however no one of them can be considered as universally adequate for every situation, being that in this work the methodologies using orthogonal functions of Fourier, Legendre and Chebyshev were used for unknown inputs identification. To validate the methodology two mechanicals systems were simulated: system mass-spring-damper of 4 dof (degree of freedom) and rotative system considering its foundations. At the end, the experimental proof was realized, using for this a rotative system in the mechanical vibrations laboratory at Ilha Solteira's Mechanical Engineering Department / Mestre

Cette thèse a pour but le développement d'une source photovoltaïque autonome ayant des capacités d'auto-diagnostic. Un structure d'hybridation spécifique est proposée consistant en une hybridation DC de sources photovoltaïques, d'une batterie au lithium et de supercondensateurs. Des modèles dynamiques des convertisseurs boost conventionnels et de leur variante avec isolation galvanique sont proposés. Un observateur d'état est ensuite présenté pour estimer en ligne les différents paramètres représentant les pertes des convertisseurs. On montre qu'il est possible d'utiliser ces paramètres estimés pour la gestion de l'énergie dans le système, avec en particulier l'optimisation du rendement de structures parallèles. L'optimisation des sources photovoltaïques est aussi étudiée avec une attention particulière accordée aux phénomènes d'ombrage partiel et le design d'un algorithme de maximisation de la puissance produite (MPPT) dans le cas d'une architecture distribuée série. De part une architecture de puissance spécifique, on propose aussi une méthode d'estimation de l'état de santé (SOH) de la batterie qui est validée sur des cellules de batterie Li - ion et LiFePO4. On montre que le convertisseur Cuk isolé avec inductances couplées est parfaitement adapté pour faire du diagnostic en ligne sur les batteries par injection de courant. Enfin, un schéma de gestion de l'énergie global est proposé, et on vérifie le bon fonctionnement de l'ensemble de la source hybride proposée / This thesis interested on developing a stand-alone photovoltaic system with self-diagnosis possibility. A specific structure has been proposed consisting in a DC hybridization of photovoltaic sources, a Lithium-based battery and supercapacitors. Dynamics models of the boost converter and the current-fed dual-bridge DC-DC converter are proposed and an efficient state observer is proposed to estimate the models equivalent losses' parameters online. It is shown that the estimated parameters can be used in the energy management scheme, with in particular optimisation of the efficiency of paralleled structures. The photovoltaic source optimization is also studied with special attention on shading phenomenon and design of MPPT technique especially on the case of distributed series architecture. Through a specific hybridization structure, State-Of-Health estimation is tested on Li-ion and LiFePO4 batteries. It is shown that the isolated coupled-inductors Cuk converter is very efficient for battery estimation through current injection. Finally, a global energy management scheme is proposed, and the developed stand-alone photovoltaic system is validated to operate as supposed

Orientador: Gilberto Pechoto de Melo / Resumo: As metodologias de monitoramento da integridade estrutural baseadas em observadores de estado, em sua grande maioria, utilizam o resíduo obtido a partir da diferença entre a medida e a estimativa de dada resposta dinâmica do sistema para o processo de detecção de danos. Contudo, em determinadas situações, tem-se interesse em realizar o monitoramento através de certa resposta dinâmica que não pode ser medida diretamente. Desta forma, a principal contribuição deste trabalho é propor uma metodologia de detecção de danos para sistemas mecânicos, cujo resíduo é obtido a partir da diferença entre as estimativas do comportamento dinâmico de determinada região do sistema. Estas estimativas são geradas por dois observadores de estado de ordem plena em paralelo, ambos projetados a partir do modelo físico-matemático do sistema em monitoramento sem danos, cujos os ganhos ótimos são determinados pelo método LQR, do inglês Linear Quadratic Regulator. A diferença entre os observadores consiste em serem baseados em conjuntos de medidas distintos. Simulações computacionais são apresentadas para demonstrar a aplicação desta metodologia, de maneira que são discutidas as vantagens e desvantagens em monitorar o sistema utilizando diferentes tipos de força de excitação. Os resultados obtidos são satisfatórios para a detecção dos tipos de dano considerados neste trabalho. / Abstract: Structural health monitoring methodologies based on state observers, for the most part, use the residual obtained from the di erence between the measurement and the estimate of the given dynamic response of the system to the damage detection process. However, in certain situations, it is interesting to carry out the monitoring through a certain dynamic response that can not be measured directly. In this way, the main contribution of this work is to propose a methodology of damage detection for mechanical systems, whose residue is obtained from the di erence between the estimates of the dynamic behavior of a certain region of the system. These estimates are generated by two parallel full-order state observers, both designed from the physical-mathematical model of the monitoring system without damages, whose optimal gains are determined by the LQR (Linear Quadratic Regulator) method. The di erence between observers is that they are based on di erent sets of measures. Computational simulations are presented to demonstrate the application of this methodology, so that the advantages and disadvantages of monitoring the system using di erent types of excitation force are discussed. The results obtained are satisfactory for the detection of the types of damage considered in this work. / Mestre

Ce travail de thèse s’inscrit dans le cadre d’une Convention Industrielle de Formation par la REcherche (CIFRE) ayant pour objectif la mise en place de solutions innovantes pour le diagnostic de défaillances. Il s’agit de répondre au besoin de la société Zodiac Actuation Systems afin de diagnostiquer les défaillances pouvant survenir sur leurs systèmes d’actionnement de sièges d’avion. Premièrement, le cadre ainsi que les motivations de l’étude sont exposés. Ensuite un état de l’art sur les méthodes de diagnostic de défaillances est donné. Puis la problématique de l’hybridation de ces méthodes est abordée. Ceci a permis d’adopter la méthode de classification supervisée pour le diagnostic. Ensuite, les campagnes de mesures, le processus de construction des bases de données ainsi que les différents algorithmes nécessaires pour la classification sont présentés. Une expérimentation sur la partie du dossier d’un siège d’avion est exposée et les résultats sont donnés. Afin d’améliorer les résultats obtenus, une approche de classification renforcée par des observateurs d’état est proposée et appliquée sur le dossier du siège. Ce renforcement est réalisé à l’aide des données estimées par les observateurs tout en construisant des bases de données augmentées. Trois types d’observateurs, linéaire, Takagi-Sugeno (TS) et TS à entrées inconnues (TSEI) sont employés. L’observateur TSEI apparait comme le mieux adapté à notre application. Finalement, une extension de l'approche proposée sur l’ensemble du siège d’avion est proposée. Celle-ci consiste en la mise en œuvre d’observateurs décentralisés TSEI pour chaque sous-ensemble du siège en tenant compte de leurs interconnexions. Ces derniers ont permis d’améliorer les résultats de détection de défaillances sur l’ensemble du siège d’avion. / This study was supported by Zodiac Actuation Systems within the framework of a ``CIFRE'' project which aims to design a Fault Detection and Diagnosis (FDD) approach for actuation systems of passengers seats in commercial aircrafts. First of all, the industrial context as well as the motivations of our project have been explained. Then, a state of the art on FDD methods is presented. Among them, hybridization of FDD methods can be found and seems interesting to our application. In a first step, the supervised classification method for the FDD has been considered. To do this, the process measurements and the concept of databases construction are presented. Then, different types of classification algorithms are explained. From experimental measurements, the classification results for FDD purpose on the recline of the seat are given. In a second step, an enhanced classification approach is proposed. It consists in estimating non-measurable variables by the state observers. These variables are then added, as estimated attributes, to the measured database. The aim is to enrich the knowledge used by the classifier and thus to improve the rate of FDD. Three types of state observers are considered: linear, then Takagi-Sugeno (TS) and Unknown Input Takagi-Sugeno (UITS) observers. It appears that the UITS observer-based results are more accurate for our application. Finally, the proposed FDD approach is extended to the hole of the seat by considering a decentralized approach. In this context, decentralized UITS are proposed for each segment of the seat by taking into account their interconnexions. It is shown that these decentralized observers improve the FDD results of the considered aircraft seat.

Ce travail se compose de deux parties, dans la première, deux types de méthodologies sont proposées pour garantir l'observabilité sur des systèmes non uniformément observables. Premièrement sont présentées les méthodes basées sur le grammien d'observabilité et, à continuation, les méthodes basées directement sur l'équation de l'observateur. Dans la deuxième partie, diverses techniques sont détaillées pour la détection de défauts (fuites et obstructions) dans les canalisations sous pressions. Pour cela on construit plusieurs modèles en discrétisant les équations du coup de bélier par différences finies, implicites et explicites dans le temps. Sur ces modèles des techniques sont développés en utilisant des observateurs et des algorithmes d'optimisation. Les modèles discrets ainsi que certains observateurs ont été validés par une série d'expériences effectuées dans des canalisations d'essai. Des résultats de convergence, expérimentaux et en simulation sont exposés dans ce mémoire. / This work consists of two parts, in the first one, two types of methods are proposed to ensure the observability of non-uniformly observable systems. Firstly methods based on the observability gramian are presented, and then some methods based directly on the equation of the observer. In the second part, various techniques are detailed for the detection of defaults (leaks and obstructions) in a pipeline under pressure. For that, we built several models by discretizing the water hammer equations using finite differences explicit and implicit in time. Then some techniques are developed using observers and optimization algorithms. Discrete models and some observers were validated by a series of experiments in pipelines. Convergence, experimental and simulation results are presented in this manuscript.

Orientador: Gilberto Pechoto de Melo / Banca: Aparecido Carlos Gonçalves / Banca: Cleudmar Amaral de Araújo / Resumo: Neste trabalho foi desenvolvida uma metodologia de detecção e localização de falhas, para sistemas mecânicos que utilizam absorvedores dinâmicos de vibrações tipo lâmina vibrante (ADVLV). Através de modificações em alguns de seus parâmetros estruturais, o ADVLV desenvolvido absorve toda ou parte da vibração do sistema mecânico onde se encontra acoplado. Durante o trabalho foi utilizada a teoria de algoritmos genéticos baseada na evolução das espécies como ferramenta de otimização e em seguida, aplicou-se a metodologia de diagnóstico de falhas via observadores de estado para detecção e identificação de possíveis irregularidades no sistema. Na seqüência, a fim de validar a metodologia desenvolvida foram apresentados resultados obtidos através de simulações computacionais e experimentais, realizados com a construção de um ADVLV em uma estrutura primária pertencente ao laboratório de vibrações mecânicas do Departamento de Engenharia Mecânica da UNESP, Campus de Ilha Solteira. / Abstract: In this work it was developed a technique of fault detection and location, to mechanical systems using dynamic vibration absorbers type blade vibrant (DVABV). Through changes in some of its structural parameters, the DVABV developed absorbs all or part of the mechanical vibration of the system which it is attached. During the work, it was used the theory of genetic algorithms based on the evolution of species as a tool for optimization, then applied to the methodology for the diagnosis of faults by state observers in the detection and identification of possible flaws in the system. Following, in order to validate the methodology developed present themselves results through computer simulations and experimental made with the construction of a DVABV and their use in a structure primary, in the Mechanical Vibrations Laboratory, at Mechanical Engineering Department of UNESP, Ilha Solteira. / Mestre

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:27:14Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2009-02-26Bitstream added on 2014-06-13T18:55:43Z : No. of bitstreams: 1 koroishi_eh_me_ilha.pdf: 5293945 bytes, checksum: 3c008483c34efd2ba7e9df9a28dc4000 (MD5) / Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) / Neste trabalho desenvolveu-se uma metodologia de detecção e localização de falhas via observadores de estado projetados via LQR (Regulador Linear Quadrático) e LMIs (Desigualdades Matriciais Lineares) em sistema rotativo considerando-se suas fundações e excitações desconhecidas. A necessidade de desenvolver novas técnicas de prevenção de falhas vem da preocupação das indústrias com o bom funcionamento de seus equipamentos a fim de evitar paradas repentinas no processo produtivo. A metodologia dos observadores de estado consiste em utilizar sua capacidade de estimar estados não medidos. Assim, projeta-se um banco de observadores de estado, sendo que cada um é robusto a um determinado parâmetro sujeito a falha. Quanto à identificação de forças de excitação, durante os últimos anos, vários métodos têm sido propostos, embora nenhum deles possa ser considerado como sendo universalmente adequado a todas as situações. Neste trabalho foram utilizadas metodologias utilizando funções ortogonais de Fourier, Legendre e Chebyshev para a identificação das excitações desconhecidas. Para verificar a validade da metodologia desenvolvida tanto para a identificação de forças como detecção e localização de falhas foram simulados dois sistemas mecânicos: sistema massa-mola-amortecedor de 4 gdl (graus de liberdade) e sistema rotativo considerando-se suas fundações. Por fim, foi realizada a comprovação experimental, utilizando para isto um sistema rotativo pertencente ao laboratório de vibrações mecânicas do Departamento de Engenharia Mecânica da Faculdade de Engenharia, Campus de Ilha Solteira / In this work a methodology for faults detection and location in rotative system considering its foundation and unknown inputs was developed using state observers designed by LQR (Linear Quadratic Regulator) and LMIs (Linear Matrix Inequalities). The necessity of design new techniques of faults prevention proceeds from concerns of industries with the good worked of its equipments in order to avoid suddenly stopped in the productive process. The methodology of state observers consists to use its capacity to esteem the states not measured. So, it projects a bank of state observes, being that everyone is robust a parameter subject a fault. As at excitation forces identification, during last years, many methods have been proposed, however no one of them can be considered as universally adequate for every situation, being that in this work the methodologies using orthogonal functions of Fourier, Legendre and Chebyshev were used for unknown inputs identification. To validate the methodology two mechanicals systems were simulated: system mass-spring-damper of 4 dof (degree of freedom) and rotative system considering its foundations. At the end, the experimental proof was realized, using for this a rotative system in the mechanical vibrations laboratory at Ilha Solteira’s Mechanical Engineering Department