Considerando a segurança e extensão da vida de uma planta industrial, especificamente das válvulas de controle de processo, o estudo de confiabilidade de componentes é um ponto importante a ser investigado em usinas nucleares e em outras áreas, tais como refinaria ou plataforma de petróleo offshore. O desenvolvimento de monitorização não intrusiva e método de diagnóstico possibilita a identificação de defeitos em componentes da planta durante sua operação normal. O objetivo deste trabalho é apresentar uma análise e diagnóstico de válvulas de controle de uma planta de vapor que simula parte do circuito secundário de um reator de água pressurizada. Esta instalação faz parte do laboratório de testes de equipamentos de propulsão da Marinha do Brasil, em Iperó-SP. A metodologia utilizada no projeto é baseada na análise gráfica de dois parâmetros: a pressão de ar do atuador da válvula e o deslocamento de seu obturador. Estes dados são extraídos por um posicionador inteligente do Sistema de Automação Delta VTM. É implementada uma análise para detecção de anomalias por meio de uma abordagem que utiliza Sistemas Especialistas baseados na Lógica Fuzzy, considerando regras e conhecimento de inteligência artificial (IA). Uma vez que as medidas de base de válvulas de controle são tomadas, é possível detectar sintomas de falha, vazamento, atrito, fricção, danos, etc. O monitoramento e o sistema de diagnóstico foram projetados utilizando o programa MATLAB® versão 2009a com o FUZZY LOGIC TOOLBOX, que é um pacote integrante de subrotinas dedicado à lógica nebulosa. A monitoração e o diagnóstico das válvulas de controle são realizados por meio de uma técnica não-invasiva. Desta maneira, é possível conhecer o real status da válvula. O software ValveLink® (desenvolvido pela empresa EMERSON) recebe sinais do componente de hardware, posicionador inteligente, o qual é instalado ao lado da válvula de controle de processos. Estes sinais (corrente eléctrica) transformados em informação são utilizados como parâmetros de entrada: Pressão de ar do atuador e deslocamento do obturador da válvula. Com o uso da lógica fuzzy, esses parâmetros são interpretados. Eles sofrem inferências por regras escritas por especialistas em válvulas. Após essas inferências, as informações são tratadas e enviadas como sinais de saída. Esses sinais contém a informação de diagnóstico do estado da válvula. / The question of components reliability, specifically process control valves, has become an important issue to be investigated in nuclear power plants and other areas such as refinery or offshore oil rig, considering the safety and life extension of the plant. The development of non-intrusive monitoring and diagnostic method allows the identification of defects in components of the plant during normal operation. The objective of this dissertation is to present an analysis and diagnosis of control valves of a steam plant part that simulates the secondary circuit of a pressurized water reactor. This installation is part of propulsion equipment testing laboratory of the Brazilian Navy, at Iperó-SP. The methodology for design is based on graphical analysis of two parameters, the valve air pressure actuator and the displacement of the valve plug. These data are extracted by a smart positioner, part of Delta VTM Automation System. An analysis is implemented in detecting anomalies by an approach using Expert Systems by the technique of fuzzy logic. Once the basic measures of control valves are taken, it is possible to detect symptoms of failure, leakage, friction, damage, etc. The monitoring and diagnostic system has been designed in MATLAB® version 2009th by the complement \"FUZZY LOGIC TOOLBOX \". It is a noninvasive technique. Thus, it is possible to know what is happening with the chosen components, just analyzing the parameters of the valve. The software called ValveLink® (developed by Emerson) receives signals from hardware component (intelligent positioner) installed next to the control valve. These signals (electrical current) are transformed into information which are used input parameters: air pressure valve actuator and valve plug displacement. With the use of fuzzy logic, these parameters are interpreted. They suffer inferences by rules written by experts in valves. After these inferences, the information is processed and sent as output signals. These signals lead to diagnostic information of the state of the valve.

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.

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.

Este trabalho dedica-se ao estudo de métodos para detecção e quantificação do atrito em válvulas de controle. Tais válvulas são, em geral, o elemento final em malhas de controle de processos industriais. A presença de atrito nessas válvulas pode elevar a variabilidade da malha de controle, causando perdas de qualidade do produto, aumento nas paradas para manutenção e impactos econômicos significativos. Muitos estudos foram realizados visando diagnosticar e medir o atrito. Neste trabalho, serão implementadas algumas técnicas propostas na literatura para detecção e quantificação de atrito em válvulas de controle. Para avaliar seu desempenho, serão apresentadas comparações dos resultados obtidos em simulação e ensaios em bancada com válvulas reais. / This work will study methods for detection and quantification of friction in control valves. These valves are the main final elements of control loops in industrial processes. The presence of friction can increase the variability of the control loop, causing loss of product quality, increase need of maintenance and significant economical impacts. Many studies have been presented in order to diagnose and measure the friction. In this work, some techniques proposed in the literature will be implemented. In order to evaluate its performance, it will be presented some comparisons of the results obtained from simulation and laboratory experiments.

Inserido no contexto do controle ambiental de cabine das aeronaves, este trabalho tem por objetivos a construção de um modelo matemático do sistema de controle de pressão da cabine e simulação do mesmo para algumas condições de interesse em projeto. O desenvolvimento do modelo ée baseado em um documento de recomendação da SAE (ARP 1270) com adoção de algumas modificações, tendo em vista a aplicação do modelo a uma aeronave de estudo com fins acadêmicos. Obtido o sistema de controle de pressão de cabine para esta aeronave, são simulados um caso de operação em vôo normal (subida, cruzeiro e descida) e alguns casos de falha do sistema. O primeiro evento de falha corresponde ao travamento da válvula de exaustão na posição totalmente aberta, ocasionando despresurização de cabine. O segundo caso refere-se ao travamento da mesma na posição fechada, com aumento progressivo da pressão de cabine, e o terceiro a perda total do sistema pneumático, outro caso de despressurização. Os casos analisados acima são de grande interesse na análise inicial do sistema, permitindo o projeto preliminar do perfil de descida de emergência da aeronave (caso de despressurização) e da válvula de segurança contra grandes diferenciais de pressão na cabine pressurizada (caso de falha fechada da válvula de exaustão).

O presente trabalho visa simular o funcionamento de uma válvula reguladora de empuxo e uma válvula reguladora da razão de mistura de um motor foguete a propelente líquido. Para tanto, são feitos primeiramente uma explanação do funcionamento das válvulas reguladoras em questão e, posteriormente, o dimensionamento dos elementos sensíveis, como molas, fole e membrana. Através da técnica de grafos de ligação (Bond Graphs), é montado o grafo de ligação das válvulas reguladoras e realizado a simulação computacional através do software 20-Sim, que é especializado em simular grafos de ligação. Assim, com esta ferramenta de análise de controle, poderemos verificar os requisitos funcionais e operacionais das válvulas reguladoras de controle do empuxo e da razão de mistura dos propelentes.

O objetivo deste trabalho é reduzir o efeito do atrito estático em malhas de controle. A não-linearidade inserida por esse fenômeno pode diminuir a eficiência de um controlador PID e até tornar o sistema em malha fechada oscilatório. Para minimizar esse problema, são testados compensadores presentes na literatura e que não necessitam de modelos internos, os quais, em princípio, podem ser implementados em CLPs e SDCDs com facilidade. Apesar dos compensadores não utilizarem um modelo da válvula em seu algoritmo, é necessário conhecer a magnitude do atrito para parametrizá-los. Por este motivo, os primeiros tópicos desta dissertação são sobre modelos de atrito e técnicas para estimar seus parâmetros. Após estes tópicos, são introduzidos os compensadores de atrito. Alguns dos métodos avaliados foram modificados para tentar aprimorar os resultados. Apesar da teoria poder ser aplicada para uma grande diversidade de processos, os algoritmos foram aplicados a uma malha de controle de vazão de água utilizando válvulas de controle. O objetivo assumido é minimizar o ITAE (Integral Time Absolute Error) e o desgaste gerado nos equipamentos, devido à movimentação excessiva da haste da válvula. Também se verifica o tempo de subida do sistema em malha fechada. Além de testar os compensadores em uma malha de controle de vazão, também foram realizados testes com os compensadores em uma malha de controle de posição, que por sua vez recebe o set-point de uma malha de controle de vazão (controle em cascata). Os resultados mostram que, utilizando os compensadores, é possível que uma válvula com alto índice de atrito apresente um desempenho próximo ao de uma válvula com baixo índice de atrito sem compensação, ou seja, foi possível compensar o atrito na haste. / The aim of this work is to reduce the effect of the static friction in control loops. The non-linearity inserted by this phenomenon may decrease the efficiency of a PID controller and even make the closed loop system oscillatory. To minimize this problem some compensation methods present in the literature that do not require internal models were tested, which, theoretically, can be easily implemented in a PLC or DCS. Even thought the compensation methods do not require internal models, it is necessary to know the friction magnitude in order to set their parameters. With that in mind, the first topics of this dissertation friction models and how to identify their parameters. After these topics the friction compensation methods are introduced. Some of these methods where modified, with the purpose of improving the results. Although the theory may be applied to a great variety of process, these algorithms were applied to a water flow control loop using control valves. The assumed objective is to minimize the ITAE (Integral Time Absolut Error) and the wearing of the equipments due to excessive movement of the valve stem. The rising time of the closed loop system is also verified. Besides testing these compensation methods in a flow control loop, they were also tested in a position control loop, that receives its set-point from a flow control loop (cascade control).

O atrito em válvulas e a sintonia inadequada de controladores são duas das maiores causas de degradação no desempenho das malhas de controle que incluem tais dispositivos. Assim como modelos de atrito são necessários para diagnosticar o mau funcionamento das válvulas ou para compensar os efeitos indesejáveis causados pelo atrito, modelos de processos são de fundamental importância para o projeto de controladores. Este trabalho estende métodos existentes para estimar parâmetros de modelos de atrito e processo, de modo que uma estrutura não-linear é adotada para representar o processo. O procedimento é baseado em dados de operação em malha fechada. Os algoritmos de estimação desenvolvidos são testados com dados simulados e gerados por uma plataforma híbrida (composta por uma válvula real e por uma planta simulada de neutralização de pH), a partir da qual avaliam-se as influências de perturbações, da magnitude do sinal de teste e da sintonia do controlador nos modelos estimados. Os resultados demonstram que o nível de atrito é corretamente quantificado, assim como bons modelos para o processo são estimados em diversas situações. Além disso, a extensão proposta apresenta vantagens significativas em relação a outros métodos, como: (1) maior exatidão na quantificação do nível de atrito, principalmente para processos em que as não-lineares sejam mais severas e (2) estimativas razoáveis do comportamento estático não-linear. / The friction in control valves and inadequate controller tuning are two of the major sources of performance degradation in control loops that include such devices. As friction models are needed to diagnose abnormal valve operation or to compensate such undesirable effects, process models play an essential role in controller design. This work extends existing methods that jointly identify the friction and process model parameters, so that a nonlinear structure is adopted to represent the process model. The procedure is based on data from closed-loop experiments. The developed estimation algorithms are tested with data from simulations and generated by a hybrid setup (composed of a real valve and a simulated pH neutralization process), in which the influences of the process disturbances, of the excitation signal magnitude and of the controller tuning on estimated models are investigated. The results demonstrate that the friction is accurately quantified, as well as good process models are estimated in several situations. In addition, the proposed extension presents significant advantages in relation to other methods, such as: (1) greater accuracy for friction quantification, especially for highly nonlinear processes and (2) reasonable estimates of the nonlinear steady state characteristics.

As válvulas de controle são elementos finais muito importantes na indústria de processos, pois são as responsáveis por controlar a pressão em dutos ou vazão dos fluidos de processo, impactando diretamente na qualidade do produto final. Por serem elementos mecânicos móveis estão sujeitas ao atrito, uma não linearidade que quando excessiva, pode causar oscilações e erros na abertura da válvula. A presença de oscilações nas malhas de controle aumenta a variabilidade das variáveis de processo, o desgaste dos componentes e o consumo de energia, além de provocar o desperdício de materiais. O desenvolvimento de novas técnicas de compensação de atrito é fundamental para melhorar o desempenho das malhas de controle, sendo, portanto, de grande interesse para a indústria de processos industriais. Este trabalho apresenta o estudo de cinco compensadores não lineares: controlador rastreador de trajetória, controlador por modos deslizantes, controlador por modos deslizantes integrador, controlador por modelo interno não linear e controlador PI não linear, os quais são desenvolvidos desde a teoria à implementação prática em uma válvula de controle real. Os resultados obtidos, mostram que os controladores projetados apresentaram desempenho bastante satisfatórios, sendo que o controlador por modos deslizantes e por modos deslizante integrador apresentaram os melhores desempenho. / Control valves are very important final elements in process industry, due they are the responsible to control the pressure in pipelines and the flow of the process fluids, directly impacting in the quality of the final product. Due to the mechanical mobile elements, they are subjected to friction, a nonlinearity that can generate oscillations and errors in the valve aperture. Oscillations in the control loops increase the process variability, wear in the actuators and the power consumption, besides generating raw material waste. The development of new friction compensation techniques is very important to increase the control loops performance, therefore, it is of great interest for the process industry. This work presents the study of five nonlinear compensators: Trajectory tracking controller, sliding mode controller, sliding mode controller integrator, nonlinear internal model controller and nonlinear PI controller, which ones are developed from theory to practical implementation in a real control valve. The results show that the controllers presented satisfactory performance, where the sliding mode controller and sliding mode control integrator presented the best performance.

As válvulas de controle são elementos finais muito importantes na indústria de processos, pois são as responsáveis por controlar a pressão em dutos ou vazão dos fluidos de processo, impactando diretamente na qualidade do produto final. Por serem elementos mecânicos móveis estão sujeitas ao atrito, uma não linearidade que quando excessiva, pode causar oscilações e erros na abertura da válvula. A presença de oscilações nas malhas de controle aumenta a variabilidade das variáveis de processo, o desgaste dos componentes e o consumo de energia, além de provocar o desperdício de materiais. O desenvolvimento de novas técnicas de compensação de atrito é fundamental para melhorar o desempenho das malhas de controle, sendo, portanto, de grande interesse para a indústria de processos industriais. Este trabalho apresenta o estudo de cinco compensadores não lineares: controlador rastreador de trajetória, controlador por modos deslizantes, controlador por modos deslizantes integrador, controlador por modelo interno não linear e controlador PI não linear, os quais são desenvolvidos desde a teoria à implementação prática em uma válvula de controle real. Os resultados obtidos, mostram que os controladores projetados apresentaram desempenho bastante satisfatórios, sendo que o controlador por modos deslizantes e por modos deslizante integrador apresentaram os melhores desempenho. / Control valves are very important final elements in process industry, due they are the responsible to control the pressure in pipelines and the flow of the process fluids, directly impacting in the quality of the final product. Due to the mechanical mobile elements, they are subjected to friction, a nonlinearity that can generate oscillations and errors in the valve aperture. Oscillations in the control loops increase the process variability, wear in the actuators and the power consumption, besides generating raw material waste. The development of new friction compensation techniques is very important to increase the control loops performance, therefore, it is of great interest for the process industry. This work presents the study of five nonlinear compensators: Trajectory tracking controller, sliding mode controller, sliding mode controller integrator, nonlinear internal model controller and nonlinear PI controller, which ones are developed from theory to practical implementation in a real control valve. The results show that the controllers presented satisfactory performance, where the sliding mode controller and sliding mode control integrator presented the best performance.