O controle de robôs móveis não holonômicos apresenta como principal desafio o fato de estes sistemas não serem estabilizáveis em um ponto através de uma realimentação de estados suave e invariante no tempo, conforme o Teorema de Brockett. Para contornar este resultado, técnicas clássicas utilizam leis de controle variante no tempo ou não suaves (descontínuas). Entretanto, estas técnicas não prevêem durante o cálculo da lei de controle restrições nas variáveis do sistema e assim, muitas vezes, geram entradas de controle que são incompatíveis com uma implementação real. Neste trabalho são desenvolvidos algoritmos de controle preditivo baseado em modelo (MPC) para o controle de robôs móveis não holonômicos dotados de rodas. No MPC, restrições nas variáveis de estado e de controle podem ser consideradas durante o cálculo da lei de controle de uma forma bastante direta. Além disso, o MPC gera implicitamente uma lei de controle que respeita as condições de Brockett. Como o modelo do robô é não linear, é necessário um algoritmo de MPC não linear (NMPC). Dois objetivos são estudados: (1) estabilização em um ponto e (2) rastreamento de trajetória. Através de extensivos resultados de simulação, é mostrada a eficácia da técnica. Referente ao primeiro problema, é feita uma análise comparativa com algumas leis clássicas de controle de robôs móveis, mostrando que o MPC aplicado aqui apresenta uma melhor performance com relação às trajetórias de estado e de controle. No problema de rastreamento de trajetória, é desenvolvida uma técnica linear, alternativa ao NMPC, utilizando linearizações sucessivas ao longo da trajetória de referência, a fim de diminuir o esforço computacional necessário para o problema de otimização. Para os dois problemas, análises referentes ao esforço computacional são desenvolvidas com o intuito de mostrar a viabilidade das técnicas de MCP apresentadas aqui em uma implementação real.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Automação e Sistemas, Florianópolis, 2013. / Made available in DSpace on 2015-03-18T20:47:42Z (GMT). No. of bitstreams: 1 327322.pdf: 1083272 bytes, checksum: 791b2a45f478dd5b2d6e08cbb8a90014 (MD5) Previous issue date: 2013 / Nesse trabalho é proposta uma estratégia de Controle Preditivo capaz de controlar de forma robusta processos modelados de forma não linear com atraso de transporte. Essa abordagem é interessante quando considera-se a crescente importância dos controladores preditivos em controle de processos complexos, devido principalmente a sua grande inserção na indústria de petróleo e gás. O trabalho apresenta uma revisão do controle preditivo não linear e do controle preditivo robusto de processos com atraso de transporte. Como resultado dessa análise opta-se por focar os estudos no controlador PNMPC (\textit{Practical Nonlinear Predictive Control}) e nas estratégias de compensação de atraso baseadas no preditor de Smith filtrado, dado que essas oferecem as melhores propriedades para a proposta do trabalho. São realizados estudos da robustez do PNMPC observando o comportamento da incerteza equivalente quando esse controlador está configurado para controlar processos com atraso de transporte. É demonstrado que a incerteza equivalente traz consigo um acúmulo de variáveis da correção fornecida pelo modelo de perturbação, sendo esse um fenômeno indesejado, pois aumenta a norma da incerteza equivalente levando a uma menor robustez do controle em malha fechada. Esse estudo traz um caminho alternativo para aumentar a robustez do PNMPC, pois evidencia o acúmulo das variáveis de correção e traz a possibilidade da utilização de compensadores de atraso explícitos, elucidando um esquema de controle com o PNMPC atuando como um controlador primário que utiliza uma predição fornecida por um preditor para o cálculo do controle; levando assim a uma nova configuração, o PNMPC com um modelo de perturbação modificado. Propõe-se uma estratégia mais robusta para o controle preditivo não linear de processos com atraso de transporte, o PNMPC com compensação explícita do atraso via PSF (preditor de Smith filtrado). E é comprovado analiticamente tanto para o caso linear quanto para o caso não linear o aumento da robustez no controle de processos com atraso de transporte das estratégias desenvolvidas nesse trabalho, o PNMPC, o PNMPC modificado e o PNMPC com compensação de atraso via preditor de Smith filtrado. Para a demonstração analítica da robustez utiliza-se a abordagem da observação do comportamento da incerteza equivalente, possível quando referencia-se o esquema de controle mais o preditor de forma equivalente e analisa-se a relação entre as incertezas. Ainda, durante todo o trabalho são apresentadas simulações de controle que evidenciam o ganho de robustez das estratégias desenvolvidas, simulações essas que comparam as respostas dinâmicas do controle em malha fechada das três estratégias, PNMPC, PNMPC Modificado e PNMPC com compensação de atraso via preditor de Smith filtrado tanto para o caso linear quanto para o caso não linear considerando incertezas na estimação dos atrasos.<br> / Abstract : It is proposed a predictive control strategy able do robustly control nonlinear processes with transport delay. This approach is interesting when it is considered the growing importance of predictive controllers for controlling complex processes, mainly due to its large insertion in the oil and gas industry. This work presents an overview of the nonlinear predictive control and robust predictive control of processes with transport delay. As a result of this analysis it is chosen to focus the studies on the controller PNMPC (Pratical Nonlinear Predictive Control) and on the transport delay compensantion strategies based on filtered Smith predictor as they offer the best properties for the proposed work. It is performed studies of the robustness of PNMPC observing the behavior of the equivalente uncertainty when the controller is configured to control processes with transport delay. It is shown that the equivalent uncertainty brings with itself an accumulation of the correction variable provided by the disturbance model, it is an unwanted phenomenon because it increases the norm of the equivalent uncertainty decreasing the robustness of closed loop control. This study provides an alternative way to increase the robustness of the PNMPC for demonstrating the accumulation of the correction variable and it brings the possibility of using explicit delay compensators. It can clarify a control scheme with PNMPC acting as a primary controller that uses a prediction provided by a predictor for the calculation of control. It is proposed a robust nonlinear predictive control of processes with transport delay, the PNMPC with explicit delay compensation via FSP (filtered Smith predictor. And it is analytically demonstrated for both linear and nonlinear cases the increase of the robustness in control process with transport delay. For the analytical demonstration of the robustness it is observed the behavior of the equivalent uncertainty, that is possible when it is referenced the control scheme more the predictor, in a equivalent way, for analyse the relationship between uncertainties. Also, control simulations show the robustness gain of the developed strategies, these simulations compare the dynamic responses, of the closed loop control, of the three strategies: PNMPC, modified PNMPC and the PNMPC with delay compensator via FSP, for both linear and nonlinear cases and considering uncertainties in the transport delay.

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Automação e Sistemas, Florianópolis, 2017. / Made available in DSpace on 2017-10-10T04:15:41Z (GMT). No. of bitstreams: 1 348506.pdf: 4495369 bytes, checksum: 7d44aa35dbad0fb687bf08cbfb7746c7 (MD5) Previous issue date: 2017 / A tese tem como objetivo estudar e desenvolver controladores preditivos do tipo GMV (Generalized Minimum Variance) e GPC (Generalized Predictive Controller), ampliando a família de projetos e a aplicabilidade destes controladores, para eliminar o offset (erro de regime permanente), rejeitar perturbações e assegurar rastreamento de referência e robustez. A proposta apresenta um novo formalismo matemático aos projetos dos controladores GMV e GPC, aplicado a sistemas monovariáveis e multivariáveis, empregando o modelo do processo e a função custo na forma posicional e inserindo um filtro de ponderação polinomial e integral na referência e saída do processo, alcançando projetos de controladores denominados Indirect Filtered Positional GMV (I-FPGMV) e Filtered Positional GPC (FPGPC). Para o projeto do controlador I-FPGMV, dois controladores adicionais são implementados, um utilizando-se a abordagem adaptativa (Direct FPGMV) e o outro hibridizado com a síntese do controlador PID. Para o FPGPC, é apresentada uma metodologia de projeto para processos multivariáveis e a hibridização do FPGPC com o controlador PID e com uma estrutura IMC filtrada (Filtered Internal Model Control - F-IMC). Adicionalmente, em ambos os controladores, I-FPGMV e FPGPC, uma estrutura de malha de controle é sugerida para mitigar problemas de saturação no sinal de controle. Ademais, os controladores I-FPGMV e FPGPC são combinados com a técnica de controle repetitivo para tratar referências e/ou perturbações periódicas, fornecendo dois projetos alternativos de controladores denominados Repetitive I-FPGMV (RI-FPGMV) e Adaptive Repetitive FPGPC (AR-FPGPC). Em seguida, é proposto um projeto de controle para lidar com perturbações conhecidas ou desconhecidas e mensuráveis ou não mensuráveis, combinando o FPGPC, hibridizado com a estrutura F-IMC e a ação de controle feedforward adaptativa, alcançando uma estrutura de malha de controle denominada Adaptive Feedback/Feedforward F-IMC (AFF-FIMC). Por fim, aspectos de robustez são incorporados nos polinômios de projetos dos controladores propostos, por meio de uma implementação que envolve as definições da função sensitividade e da integral do erro absoluto (Integrated Absolute Error - IAE), para a sintonia ?ótima? dos parâmetros do filtro, utilizando otimização multiobjetivo baseada em algoritmo genético. Simulações numéricas e ensaios práticos são aplicados para avaliar os projetos dos controladores propostos.<br> / Abstract : The thesis aims to study and develop predictive controllers of the kind GMV (Generalized Minimum Variance) and GPC (Generalized Predictive Controller), thereby extending the design family and the applicability of these controllers to eliminate offset (steady-state error), disturbance rejection and ensure reference tracking and robustness. The proposal presents a new mathematical formalism to the designs of the GMV and GPC controllers, applied to monovariable and multivariable systems, using both process model and cost function in the positional form and inserting an integral polynomial weighting filter for the setpoint and output of the process, thus achieving controller designs called Indirect Filtered Positional GMV (I-FPGMV) and Filtered Positional GPC (FPGPC). For the I-FPGMV controller design, two additional controllers are implemented, one using the adaptive approach (Direct FPGMV) and another hybridized with the PID controller synthesis. For the FPGPC, a design methodology to multivariable processes and for the hybridization of the FPGPC with the PID controller and with a Filtered Internal Model Control (F-IMC) structure is presented. Additionally, using both I-FPGMV and FPGPC controllers, a control loop structure is suggested to mitigate saturation problems in the control signal. In addition, the I-FPGMV and FPGPC controllers are combined with the repetitive control technique to handle periodic references and/or disturbances, providing two alternative controller designs called Repetitive I-FPGMV (RI-FPGMV) and Adaptive Repetitive FPGPC (AR-FPGPC). Afterwards, a control design is proposed to deal with known or unknown and measurable or non-measurable disturbances, combining the FPGPC, hybridized with the F-IMC structure, and the adaptive feedforward control action, achieving a control loop structure called Adaptive Feedback/Feedforward Filtered IMC (AFF-FIMC). Finally, robustness aspects are incorporated into the design polynomials of the proposed controllers, through an implementation involving the definitions of sensitivity function and integrated absolute error (IAE), for the optimal tuning of the filter parameters, using multiobjective optimization based on genetic algorithm. Numerical simulations and practical essays are applied to evaluate the proposed designs.

A Exploração e Produção de petróleo e gás é de suma importância para economia brasileira e mundial sendo fundamental o entendimento dos comportamentos do sistema produtivo para o aumento na produção. Neste entendimento, a problemática relacionado ao fluxo intermitente chamado de golfada, tem um comportamento tipicamente cíclico que pode causar oscilações de pressão problemáticas à produção, à vida útil e à segurança de sistemas de produção offshore. Através do desenvolvimento de um modelo simplificado para reprodução das golfadas, o presente trabalho propõe a aplicação de um Controlador Preditivo Não Linear (NMPC) para a atenuação do regime de golfada em sistemas de elevação de petróleo por Gas-Lift. Resultado de uma revisão dos modelos simplificados e dos métodos de controle de golfadas, é apresentado neste trabalho um novo modelo caixa cinza de produção de petróleo de sistemas tipicamente profundos e ultra profundos para exploração dos potenciais do algoritmo NMPC chamado Linearização ao Longo da Trajetória (Duraiski et al., 2002). Para a aplicação do modelo, um método de estimação dos parâmetros do modelo cíclico, com penalização de regiões oscilatórias, é apresentada. Para aplicação do controle uma sistemática de ajuste dos parâmetros do controlador é proposta, baseada nas características do ciclo limite da golfada O modelo apresentado é validado para dados do modelo rigoroso OLGA e é extrapolado para diversas regiões de operação demonstrando o potencial de estudos não-intrusivos da dinâmica e ganhos de um poço, fazendo o uso do novo modelo. Na exploração do controle, o modelo é utilizado num estudo de desempenho servo para controle de pressão de fundo de poço (). Gradualmente, o NMPC é comparado ao controle linear PI, inicialmente numa estrutura monovariável. Enquanto o PI tem sua robustez limitada por regiões de baixo ganho, devido às restrições físicas das válvulas choke, o NMPC trata naturalmente a não-linearidade do sistema, atingindo ganhos de até 9 % na produção de óleo teórica. Num segundo momento, a taxa de injeção de gás de elevação é adicionada ao controlador, numa estrutura multivariável fazendo com que a manipulação da choke diminua 80 % com uma diminuição sensível de ganho teórico da produção em 1,7 %, em relação à estrutura monovariável. Numa análise de aplicabilidade de controle, conclui-se que a estrutura a ser utilizada é dependente do objetivo da aplicação de controle. Se o objetivo é o de eliminar a golfada, o controlador linear mostrou mais eficaz. Se o objetivo é aumentar a produção o NMPC na forma monovariável alcança resultados semelhante ao PI, mas de forma mais robusta em relação às não linearidades. Entretanto a taxa de utilização da choke aumenta. Ainda assim, se isto for um empecilho para uma aplicação real, a incorporação da multivariabilidade do controlador NMPC faz com que a taxa de utilização seja distribuída entre as variáveis manipuladas, amenizando o uso excessivo da choke , com uma sensível perda de ganho teórico. / The Exploration and Production of oil and gas is of paramount importance to the Brazilian and world economy, being fundamental the understanding of the behaviors of the productive system for the increase in production. In this understanding, the problem related to the intermittent flow called slugging has a typically cyclic behavior that can cause pressure oscillations problematic to the production, the useful life and the safety of offshore production systems. The present work proposes the application of a Non-linear Predictive Controller (NMPC) for the attenuation of the slug in Gas-lift systems. As a result of a review of the simplified models and the methods of control of slugging, a new gray box model of petroleum production from typically deep and ultra deep systems is presented for the exploration of the potentials of the NMPC algorithm called Local Linearization Trajetory (Duraiski et al., 2002). For the model application, a method of parameter estimation of the cyclic model with oscillatory regions penalty is presented. For control application a systematic adjustment of the controller parameters is proposed, based on the characteristics of the slug The model presented is validated for data from the rigorous OLGA model and is extrapolated to several regions of operation demonstrating the potential of non-intrusive studies of the dynamics and gains of a well using the new model. In the control exploration, the model is used in a servo performance study for well bottom pressure control (). Gradually, the NMPC is compared to the linear control PI, initially in a monovariable structure. While the PI has its robustness limited by low gain regions due to the physical constraints of choke valves, NMPC naturally addresses system nonlinearity, achieving gains of up to 9 % in theoretical oil production. In a second moment, the rate of injection of elevation gas is added to the controller in a multivariate structure causing the choke manipulation to decrease 80 % with a sensible decrease of the theoretical oil production gain by 1.7 % in relation to the monovariable structure . In an control applicability analysis, it is concluded that the structure to be used is dependent on the purpose of the control application. If the goal is to eliminate the slugging, the linear controller proved more effective. If the objective is to increase production the NMPC in the monovariable form achieves results similar to the PI, but in a more robust way in relation to the nonlinearities. However, the rate of choke use increases. If this is an obstacle to a real application, the incorporation of the multivariate NMPC controller causes the utilization rate to be distributed among the manipulated variables, reducing the excessive use of the choke, with a sensible loss of theoretical gain.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica. / Made available in DSpace on 2013-07-15T23:47:09Z (GMT). No. of bitstreams: 1 223564.pdf: 2412026 bytes, checksum: b038da49a58b919fd0e355539ddc5f2f (MD5) / Neste trabalho, é realizado o estudo e a implementação de estratégias de controle preditivo baseado em modelo para resolver o problema de seguimento de trajetórias de veículos autônomos. Para gerar as trajetórias, utilizaram-se estratégias de aproximação, que conduzem o veículo ao caminho a ser seguido de forma suave e estável. A arquitetura de controle do veículo autônomo considera o controle da cinemática e da dinâmica deste em uma estrutura cascata, dado que interessa controlar o veículo em condições onde somente o uso da sua cinemática não permite um bom desempenho. Para o controle da cinemática é realizado um estudo comparativo entre duas estratégias de controle preditivo linear, uma baseada no conceito de linearizações sucessivas e a outra no de coordenadas locais com trajetória de aproximação, visando determinar a que apresenta o melhor compromisso entre simplicidade-baixo custo computacional e comportamento. Baseado nos resultados de simulação, a segunda estratégia apresentou melhor desempenho e, portanto, foi escolhida para a implementação. Para o controle da dinâmica do veículo utilizou-se um algoritmo de controle preditivo descentralizado baseado no modelo linearizado. Os experimentos foram conduzidos em um veículo autônomo Mini-Baja utilizando uma plataforma embarcada para a execução dos algoritmos de controle.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica. / Made available in DSpace on 2013-07-16T01:09:04Z (GMT). No. of bitstreams: 1 224159.pdf: 3070709 bytes, checksum: 003cf3306437dbd7f2c8960140c6f00e (MD5) / O presente trabalho aborda o desenvolvimento de um simulador protótipo e a aplicação de controle preditivo baseado em modelo para o processo de destilação de uma planta piloto. Esta planta piloto foi projetada e implementada pelo Departamento de Engenharia Química desta universidade, numa parceria com o Departamento de Automação e Sistemas. O simulador desenvolvido, implementado no software comercial HYSYS, permite ao usuário implementar diversas estratégias e configurações de controle considerando controladores PID e controladores preditivos multivariáveis. Para a validação da metodologia se implementaram e compararam distintas estratégias de controle de coluna de destilação de uso industrial, baseadas em controladores PID. Também se implementou um controle multivariável com controlador preditivo de matriz dinâmica (DMC) e controlador preditivo generalizado (GPC). As simulações mostram concordância entre seus resultados e os resultados encontrados na revisão bibliográfica sobre as estratégias utilizadas para o controle de colunas de destilação. Além do mais, a partir da revisão bibliográfica e simulações realizadas, mostra-se que o uso dos controladores preditivos em plantas de destilação resolve vários dos problemas que este tipo de processo apresenta na prática. This work presents the development of a prototype simulator and the application of model based predictive control for a distillation process of a pilot plant. This plant has been projected and implemented by the Department of Chemical Engineering in partnership with the Department of Automation and Systems, both of this university. The simulator, based on the industrial software HYSYS, allows the users to implement several control strategies and configurations considering PID and multivariable predictive controllers. For the validation of the methodology, different control strategies for an industrial distillation column, based on PID controllers, are implemented and compared. There are also implemented multivariable predictive controllers based on: dynamic matrix control (DMC) and generalized predictive controller (GPC). The simulations show similar results as those found in the literature about the strategies used for the control in distillation columns. Besides, from the bibliographic review and simulations developed, it is shown that the use of predictive controllers in distillation plants solves several of the problems presents in practice for this sort of process.

O controle de robôs móveis não holonômicos apresenta como principal desafio o fato de estes sistemas não serem estabilizáveis em um ponto através de uma realimentação de estados suave e invariante no tempo, conforme o Teorema de Brockett. Para contornar este resultado, técnicas clássicas utilizam leis de controle variante no tempo ou não suaves (descontínuas). Entretanto, estas técnicas não prevêem durante o cálculo da lei de controle restrições nas variáveis do sistema e assim, muitas vezes, geram entradas de controle que são incompatíveis com uma implementação real. Neste trabalho são desenvolvidos algoritmos de controle preditivo baseado em modelo (MPC) para o controle de robôs móveis não holonômicos dotados de rodas. No MPC, restrições nas variáveis de estado e de controle podem ser consideradas durante o cálculo da lei de controle de uma forma bastante direta. Além disso, o MPC gera implicitamente uma lei de controle que respeita as condições de Brockett. Como o modelo do robô é não linear, é necessário um algoritmo de MPC não linear (NMPC). Dois objetivos são estudados: (1) estabilização em um ponto e (2) rastreamento de trajetória. Através de extensivos resultados de simulação, é mostrada a eficácia da técnica. Referente ao primeiro problema, é feita uma análise comparativa com algumas leis clássicas de controle de robôs móveis, mostrando que o MPC aplicado aqui apresenta uma melhor performance com relação às trajetórias de estado e de controle. No problema de rastreamento de trajetória, é desenvolvida uma técnica linear, alternativa ao NMPC, utilizando linearizações sucessivas ao longo da trajetória de referência, a fim de diminuir o esforço computacional necessário para o problema de otimização. Para os dois problemas, análises referentes ao esforço computacional são desenvolvidas com o intuito de mostrar a viabilidade das técnicas de MCP apresentadas aqui em uma implementação real.

A Exploração e Produção de petróleo e gás é de suma importância para economia brasileira e mundial sendo fundamental o entendimento dos comportamentos do sistema produtivo para o aumento na produção. Neste entendimento, a problemática relacionado ao fluxo intermitente chamado de golfada, tem um comportamento tipicamente cíclico que pode causar oscilações de pressão problemáticas à produção, à vida útil e à segurança de sistemas de produção offshore. Através do desenvolvimento de um modelo simplificado para reprodução das golfadas, o presente trabalho propõe a aplicação de um Controlador Preditivo Não Linear (NMPC) para a atenuação do regime de golfada em sistemas de elevação de petróleo por Gas-Lift. Resultado de uma revisão dos modelos simplificados e dos métodos de controle de golfadas, é apresentado neste trabalho um novo modelo caixa cinza de produção de petróleo de sistemas tipicamente profundos e ultra profundos para exploração dos potenciais do algoritmo NMPC chamado Linearização ao Longo da Trajetória (Duraiski et al., 2002). Para a aplicação do modelo, um método de estimação dos parâmetros do modelo cíclico, com penalização de regiões oscilatórias, é apresentada. Para aplicação do controle uma sistemática de ajuste dos parâmetros do controlador é proposta, baseada nas características do ciclo limite da golfada O modelo apresentado é validado para dados do modelo rigoroso OLGA e é extrapolado para diversas regiões de operação demonstrando o potencial de estudos não-intrusivos da dinâmica e ganhos de um poço, fazendo o uso do novo modelo. Na exploração do controle, o modelo é utilizado num estudo de desempenho servo para controle de pressão de fundo de poço (). Gradualmente, o NMPC é comparado ao controle linear PI, inicialmente numa estrutura monovariável. Enquanto o PI tem sua robustez limitada por regiões de baixo ganho, devido às restrições físicas das válvulas choke, o NMPC trata naturalmente a não-linearidade do sistema, atingindo ganhos de até 9 % na produção de óleo teórica. Num segundo momento, a taxa de injeção de gás de elevação é adicionada ao controlador, numa estrutura multivariável fazendo com que a manipulação da choke diminua 80 % com uma diminuição sensível de ganho teórico da produção em 1,7 %, em relação à estrutura monovariável. Numa análise de aplicabilidade de controle, conclui-se que a estrutura a ser utilizada é dependente do objetivo da aplicação de controle. Se o objetivo é o de eliminar a golfada, o controlador linear mostrou mais eficaz. Se o objetivo é aumentar a produção o NMPC na forma monovariável alcança resultados semelhante ao PI, mas de forma mais robusta em relação às não linearidades. Entretanto a taxa de utilização da choke aumenta. Ainda assim, se isto for um empecilho para uma aplicação real, a incorporação da multivariabilidade do controlador NMPC faz com que a taxa de utilização seja distribuída entre as variáveis manipuladas, amenizando o uso excessivo da choke , com uma sensível perda de ganho teórico. / The Exploration and Production of oil and gas is of paramount importance to the Brazilian and world economy, being fundamental the understanding of the behaviors of the productive system for the increase in production. In this understanding, the problem related to the intermittent flow called slugging has a typically cyclic behavior that can cause pressure oscillations problematic to the production, the useful life and the safety of offshore production systems. The present work proposes the application of a Non-linear Predictive Controller (NMPC) for the attenuation of the slug in Gas-lift systems. As a result of a review of the simplified models and the methods of control of slugging, a new gray box model of petroleum production from typically deep and ultra deep systems is presented for the exploration of the potentials of the NMPC algorithm called Local Linearization Trajetory (Duraiski et al., 2002). For the model application, a method of parameter estimation of the cyclic model with oscillatory regions penalty is presented. For control application a systematic adjustment of the controller parameters is proposed, based on the characteristics of the slug The model presented is validated for data from the rigorous OLGA model and is extrapolated to several regions of operation demonstrating the potential of non-intrusive studies of the dynamics and gains of a well using the new model. In the control exploration, the model is used in a servo performance study for well bottom pressure control (). Gradually, the NMPC is compared to the linear control PI, initially in a monovariable structure. While the PI has its robustness limited by low gain regions due to the physical constraints of choke valves, NMPC naturally addresses system nonlinearity, achieving gains of up to 9 % in theoretical oil production. In a second moment, the rate of injection of elevation gas is added to the controller in a multivariate structure causing the choke manipulation to decrease 80 % with a sensible decrease of the theoretical oil production gain by 1.7 % in relation to the monovariable structure . In an control applicability analysis, it is concluded that the structure to be used is dependent on the purpose of the control application. If the goal is to eliminate the slugging, the linear controller proved more effective. If the objective is to increase production the NMPC in the monovariable form achieves results similar to the PI, but in a more robust way in relation to the nonlinearities. However, the rate of choke use increases. If this is an obstacle to a real application, the incorporation of the multivariate NMPC controller causes the utilization rate to be distributed among the manipulated variables, reducing the excessive use of the choke, with a sensible loss of theoretical gain.

O controle de robôs móveis não holonômicos apresenta como principal desafio o fato de estes sistemas não serem estabilizáveis em um ponto através de uma realimentação de estados suave e invariante no tempo, conforme o Teorema de Brockett. Para contornar este resultado, técnicas clássicas utilizam leis de controle variante no tempo ou não suaves (descontínuas). Entretanto, estas técnicas não prevêem durante o cálculo da lei de controle restrições nas variáveis do sistema e assim, muitas vezes, geram entradas de controle que são incompatíveis com uma implementação real. Neste trabalho são desenvolvidos algoritmos de controle preditivo baseado em modelo (MPC) para o controle de robôs móveis não holonômicos dotados de rodas. No MPC, restrições nas variáveis de estado e de controle podem ser consideradas durante o cálculo da lei de controle de uma forma bastante direta. Além disso, o MPC gera implicitamente uma lei de controle que respeita as condições de Brockett. Como o modelo do robô é não linear, é necessário um algoritmo de MPC não linear (NMPC). Dois objetivos são estudados: (1) estabilização em um ponto e (2) rastreamento de trajetória. Através de extensivos resultados de simulação, é mostrada a eficácia da técnica. Referente ao primeiro problema, é feita uma análise comparativa com algumas leis clássicas de controle de robôs móveis, mostrando que o MPC aplicado aqui apresenta uma melhor performance com relação às trajetórias de estado e de controle. No problema de rastreamento de trajetória, é desenvolvida uma técnica linear, alternativa ao NMPC, utilizando linearizações sucessivas ao longo da trajetória de referência, a fim de diminuir o esforço computacional necessário para o problema de otimização. Para os dois problemas, análises referentes ao esforço computacional são desenvolvidas com o intuito de mostrar a viabilidade das técnicas de MCP apresentadas aqui em uma implementação real.

Orientadores: João Alexandre F. R. Pereira, Ana Maria Frattini Fileti / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica / Made available in DSpace on 2018-07-28T20:19:25Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Palu_Fernando_D.pdf: 3469903 bytes, checksum: b4ab860b445d41c65b6cfa7b84cbb236 (MD5) Previous issue date: 2001 / Resumo: Na literatura encontramos vários trabalhos sobre simulação de colunas de absorção, mas apesar da importância industrial deste equipamento, temos poucos estudos sobre a implementação de estratégias de controle. Neste trabalho foi realizado um estudo do desempenho do Controle por Matriz Dinâmica (DMC), quando aplicado a uma coluna de absorção, tanto para o caso monovariável (SISO), como para o caso multivariável (MISO). Além de realizar o controle do sistema quando submetido a uma única perturbação no instante de tempo inicial, também se avaliou o desempenho do controlador para perturbações múltiplas. Estes perturbações, de magnitudes aleatórias, foram inseri das de forma periódica, visando aproximar o funcionamento da coluna de uma situação real. Além desta análise, também se propôs uma metodologia para otimizar o funcionamento da coluna, tendo como parâmetros de otimização o consumo de solvente e a integral do quadrado do erro (ISE). O sistema escolhido para ser estudado é um processo onde C02 é gerado durante a produção de álcool etílico por fermentação. O álcool deve ser removido pela absorção em água numa coluna com 9 estágios. Na primeira etapa, foi apresentado o modelo dinâmico da coluna de absorção, com todas as equações diferenciais e relações de equilíbrio utilizadas para a simulação. Para simular o comportamento da coluna foi elaborado um programa em linguagem FORTRAN. Com este programa se testou a resposta do sistema para perturbações na vazão de solvente e na composição do gás de entrada. A seguir foi implementado um controlador PI, para que se pudesse comparar o desempenho do controlador DMC com um controlador convencional de retro-alimentação. O desenvolvimento do algoritmo DMC foi mostrado de forma bem detalhada, tanto para o caso com única entrada e única saída (SISO) como para o caso com múltiplas entradas e única saída (MISO). Com este algoritmo obtemos a lei de controle do DMC, que foi inicialmente implementada para o caso SISO. Depois de feito o ajuste dos parâmetros do controlador, o desempenho deste foi então avaliado, inicialmente com uma única perturbação e depois com perturbações múltiplas. O controle foi efetuado de forma satisfatória nos dois casos, apresentando um resultado muito melhor do que o observado para o controlador PI. Todos os testes realizados com a versão SISO do controlador DMC foram repetidos para o caso MISO, e os resultados foram análogos. Finalizando o trabalho, se propôs otimizar o funcionamento da coluna através da escolha adequada does) estágio(s) usado(s) para medir a composição do gás. Para quantificar o desempenho do sistema de controle foram propostos dois parâmetros: a quantidade de solvente gasta e a integral do quadrado do erro (ISE). Com o uso destes dois critérios foi possível estabelecer em quais estágios devemos medir a composição do gás para obter o melhor desempenho do controlador / Abstract: Several studies on absorption are usually presented in literature review. Despite the importance of this subject, only a few works are presented about control systems applied to. In this work, Dynamic Matrix Control (DMC) has been applied to absoption column and the performance of the method was evaluated. The two cases studied were Single-input / single-output (SISO) and Multiple-input / single-output (MISO). The performance of the controller was analysed with respect to a step change in the input and multiple step changes. Aleatory values were used to the step changes with a constant time interval betwen two step changes in order to simulate a real case. In addiction, a methodology to optimise the absoption operation was developed based on the minimum solvent consuption and integral squared error (ISE). In the system studied, Carbon dioxide evolved during production of alcohol by fermentation is separeted from the alcohol by absoption of the alcohol into water in a nine stage column. A computer program has been written to simulate the column and test the response of the system in study to step changes in the solvent flow rate and input gas composition. Furthermore, the performance of the DMC was compared to a Proportional-Integral controIler (PI). The DMC algotithm was presented to the cases in study SISO and MISO. Based on this algotithm the control law was obtained and first applied to the SISO case. After tuning the design parameters, the performance of the controller was evaluated to a step change in the input and multiple step changes. The results obtained show that the performance of the DMC was satisfatory and better than PI. Results for the MISO case were analogous. Finally, it was proposed to optimise the performance of the column through the right choice of the stage in which the composition of the gas was measured. To choose the best stages the total consuption of the solvent and ISE were used. These two criteria seem to be quite satisfactory for the cases tested. / Doutorado / Sistemas de Processos Quimicos e Informatica / Doutor em Engenharia Química