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.

Desde a sua invenção, o motor a combustão interna sofreu significantes evoluções, como redução do consumo de combustível, aumento da sua potência e durabilidade a um menor custo. Outros setores também evoluíram, como a busca por alternativas de combustível, tendo como exemplo o etanol hidratado combustível, que trouxe vantagens tais como maior desempenho e menor emissão de poluentes, porém com solicitações mecânicas, térmicas e termomecânicas mais severas. Sua menor lubricidade, quando comparada a da gasolina tipo C também intensificou o desgaste no par tribológico válvula e sede de válvula. Neste trabalho foram analisados diversos pares de válvulas e sedes de válvulas provenientes de quatro motores pós teste, sendo dois deles de mesma especificação técnica e submetidos às mesmas condições de ensaio, variando somente o combustível utilizado (etanol hidratado combustível e gasolina comum tipo C). A topografia da superfície de contato foi avaliada através de exames das superfícies com lupa estereoscópica, microscópio eletrônico de varredura e perfilômetro óptico a fim de identificar os danos encontrados. Ao término das análises foi realizada a comparação dos danos encontrados entre a superfície de contato das válvulas e sedes do motor que operou com etanol hidratado combustível e gasolina comum tipo C, de forma a evidenciar as diferenças proporcionadas pelos combustíveis. Este trabalho faz parte do \"Consórcio de P&D e Desafios Tribológicos em Motores Flex-Fuel\" patrocinado pela FAPESP (Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo) com participação da indústria automotiva, para identificar os modos de desgaste atuantes. / Since its invention the internal combustion engine presented significant improvements like lower fuel consumption, higher power and durability increase at reduced costs. Other industries sectors did also improve as the search for new alternative fuels such as hydrated ethanol fuel which brought advantages like higher performance with lower pollutant emissions, although with it came more severe mechanical, thermal and thermo-mechanic stresses. Ethanol lower lubricity when compared to type C gasolines did also increase the valve/ valve seat insert wear. This study presents the results of contact surface analysis of several pairs valve/ valve seat insert from four engines after test being two of them of same technical specification and submitted to the same test cycle with only difference their fuel (hydrated ethanol and regular type C gasoline). The contact surface topography was evaluated through surface exams using optical microscopy, scanning electron microscope and non-contact profiler, to evaluate damages. At the end of analysis, a comparison between valves and valve seats from the engines that operated with hydrated ethanol and regular type C gasoline in order to put in evidence the damage difference provided by the fuels. This study is part of \"Consórcio de P&D e Desafios Tribológicos em Motores Flex-Fuel\", sponsored by FAPESP (\"Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo\") with participation of automotive industries, to characterize the existent wear.

A variabilidade é um problema presente na maioria das malhas de controle de processos industriais, trazendo prejuízo ao causar perda de produtividade e utilização excessiva de matéria prima e energia. Muitas vezes ela é causada pela presença do atrito em válvulas de controle, os atuadores mais usados em processos industriais. Há uma série de métodos propostos para diagnosticar as perturbações causadas pelo atrito nas válvulas, classificados em intrusivos e não-intrusivos. Neste trabalho, foram estudados dois métodos intrusivos. Eles foram aplicados de maneira automática em simulações computacionais, que foram realizadas em um sistema híbrido de teste (HIL) de uma planta de vazão, com dois níveis de atrito da válvula, e também em um ambiente inteiramente simulado, visando analisar o desempenho dos dois métodos. Os resultados obtidos com ambos os métodos foram satisfatórios, muito embora um dos métodos tenha confundido os efeitos gerados pelo atrito com os produzidos por má sintonia do controlador da malha. / The variability is a problem present on the most of control loops in industrial processes. It causes losses in plant productivity and in material and energy usage. Many times it is caused by the presence of friction in control valves, the most used actuator in industrial processes. There are many methods proposed to diagnose the disturbances caused by control valve friction, which are classified in intrusive and non-intrusive. In this work, two intrusive methods are studied. They were applied automatically by computer simulations that were performed in a hybrid test system (HIL) of a flow plant, with two valve friction levels. Additionally they were applied in a completely simulated environment, aiming at analyzing the performance of both methods. The results with the two methods were satisfactory, although one of the methods has not separated the effects generated by the friction from the ones produced by a bad tuning of the loop controller.

O atrito é uma não-linearidade que geralmente produz o mau desempenho de um sistema mecânico com partes móveis. Neste trabalho, o elemento mecânico estudado é a válvula de controle de processos, que é o elemento final de controle mais empregado nas indústrias de processo. A presença de atrito na válvula eleva a variabilidade da malha de controle, gerando impacto em toda a cadeia produtiva da planta, devido, principalmente, ao aumento do consumo de energia e à rejeição de produto final fora de especificação. Desta forma, os estudos visando a redução de variabilidade passaram a ter uma importância econômica muito grande, pois causam impacto direto na lucratividade do negócio. Muitos estudos foram realizados visando diagnosticar, medir e compensar o atrito. Neste trabalho, se implementam técnicas propostas na literatura para compensação de atrito em válvulas de controle. Para avaliar seu desempenho, são apresentadas as conclusões obtidas nos experimentos e são propostas possíveis implementações futuras, seguindo esta linha de pesquisa. / Friction is a nonlinearity that generally produces bad performance of a mechanical system with moving parts. In this work, the studied mechanical element is the process control valve, which is the most used final control element in process industries. The presence of friction in control valves increases control loop variability, generating impact in all plant productive chain, due to the increase of energy consumption and rejection of end product that is out of specification. In such a way, we can see that the studies aiming variability reduction had started to have a great economic importance, due to its direct impact in business profitability. Many studies have been done aiming friction diagnosis, measurement and compensation. In this work, techniques that have been proposed on the literature for friction compensation in control valves are implemented. The conclusions obtained in the experiments are presented to evaluate the performance of the compensators and possible future implementations are proposed, following this research line.

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.

O elemento final de controle mais usado nas malhas de processo na indústria é a válvula de controle. Portanto, é necessário assegurar que ela possua o melhor desempenho possível, a fim de assegurar um funcionamento satisfatório da malha de controle. Devido ao desgaste natural das partes móveis e o ressecamento das gaxetas, as válvulas apresentam atrito que insere oscilações na abertura da válvula e devido a seu comportamento não linear que diminui a eficiência do controle. 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. Por isto, no presente trabalho são estudados e implementados diferentes compensadores de atrito existentes na literatura, visando reduzir o efeito do atrito nas válvulas e, por sua vez as oscilações na variável do processo. Estes métodos são aplicados na Planta Piloto de Neutralização de pH do Laboratório de Controle de Processos Industriais (LCPI). O processo de neutralização de pH é não-linear e apresenta características variantes no tempo, as quais tornam mais complexo o controle do processo. Inicialmente foi feita a implementação dos compensadores em um software acadêmico (MATLAB®), devido à familiaridade que se tem com ele, o que facilitou um melhor entendimento dos métodos de compensação junto com o controlador PID no processo. Em uma segunda etapa, a fim de trazer os estudos a um ambiente mais prático, foram implementados os algoritmos de compensação de atrito em um sistema de controle industrial (ABB®). Nos dois casos se realizaram testes em modo servo e regulatório e se avaliaram os resultados obtidos usando o índice ITAE (Integral Time Absolute Error). Os resultados evidenciam que os compensadores conseguem diminuir a variabilidade na válvula de controle, sendo que o compensador CR2 apresentou o melhor desempenho para o modo servo e regulatório. / The most used final control element in process loops in the industry is the control valve. It must ensure that it has the best possible performance in order to guarantee a satisfactory operation of the control loop. Due of the natural wear of moving parts and drying gaskets, valves exhibit friction. This friction inserts oscillations in the valve opening and due to its non-linear behavior; this causes the efficiency to decrease. The presence of oscillations in the control loop increases the variability of the process variables, the component wear, energy consumption and cause a waste of materials. Therefore, in this work we studied and implemented different friction compensation methods that exist in literature, in order to reduce the effect of friction on the valves and in turn the oscillations in the process variable. These methods are applied in the Pilot Plant Neutralization pH of Industrial Process Control Laboratory (LCPI), the pH neutralization process is nonlinear and presents time-varying characteristics, these characteristics become the control process more complex. Initially, it was made the implementation of compensation methods in academic software (MATLAB®), due to the familiarity that already exist with it, which facilitated a better comprehension of the compensation methods with the PID controller in the process. In a second step, in order to bring the study to a more practical environment, the friction compensation algorithms were implemented in an industrial control system (ABB®). In both cases were performed tests inn servo and regulatory mode, and evaluated the results using the ITAE index (Integral Time Absolute Error). The results show that in general terms that the compensating methods showing a very satisfactory performance, with the compensator CR2 showed the best performance for the servo and regulatory mode.

Dentre os fatores que afetam a uniformidade de aplicação de água, cita-se a variação de pressão no sistema, causada principalmente pela topografia do terreno e pela inexistência ou operação inadequada de reguladores de pressão. Nesse sentido, têm-se empregado válvulas reguladoras de pressão nos projetos de irrigação com variações topográficas. Contudo, a pressão de saída na válvula nem sempre será correspondente a apresentada no catálogo do fabricante. Com o avanço da eletrônica e a modernização da agricultura irrigada, justifica-se a busca para o aperfeiçoamento das técnicas de controle de pressão em sistemas de irrigação, visando à redução das perdas e o atendimento dos preceitos da irrigação sustentável. Portanto, a automação de reguladores de pressão deve torná-lo capaz de manter constante a pressão de saída, independente da pressão de entrada, além de possibilitar estabelecer a pressão de saída de acordo com as necessidades específicas de cada sistema de irrigação. De acordo com o que foi exposto, este trabalho teve como objetivo o desenvolvimento de um regulador de pressão microprocessado. O sistema de regulação desenvolvido foi composto por uma válvula hidráulica, um transdutor de pressão, duas válvulas solenóides, um aspersor e um circuito microprocessado. Baseado na leitura do transdutor de pressão de saída, o controlador eletrônico acionava as válvulas solenóides para pressurizar ou para aliviar o diafragma da válvula hidráulica. O tempo de abertura da válvula solenóide era função da pressão instantânea na tubulação. Avaliou-se o equipamento atuando até uma diferença entre pressão de entrada e de saída de 250 kPa. As pressões de entrada foram alteradas em intervalos de 49,03 kPa a cada 60 segundos, sendo estas avaliadas em um primeiro momento de forma crescente, e posteriormente de forma decrescente. As pressões de ajuste avaliadas foram de 98,06 kPa, 196,13 kPa, 294,19 kPa e 392,26 kPa. A faixa de vazão avaliada foi de 0,75 m3 h-1 a 3,74 m3 h-1, tendo o respectivo intervalo de velocidade de 0,42 m s-1 a 2,12 m s-1. Os resultados mostraram um tempo de ajuste entre 10 s e 20 s nos ensaios com pressão de entrada crescente e de 15 s e 30 s nos ensaios com pressão de entrada decrescente. Ao se avaliar a atuação do regulador eletrônico operando em toda a faixa de vazão estudada, verifica-se que este foi capaz de manter a pressão ajustada dentro dos limites aceitáveis ao valor estabelecido no dispositivo eletrônico, enquadrando-se, em um contexto geral, como controlador com nível de exatidão A (± 10% de desvio). Dessa forma, pode-se concluir que o controlador, operando nas condições definidas acima, apresentou um bom desempenho ao regular à pressão de saída. / The pressure variation is an important factor that affects the uniformity of water application in irrigation systems. This variation is caused by topography, the lack or improper operation of pressure regulators. Pressure regulating valves have been used in irrigation projects where there are problems of uneven topography. However, the output pressure on the valve will not be always corresponding to the manufacturer\'s catalog. Researches on techniques improvement for pressure controlling in irrigation systems are necessary to reduce losses in accordance with sustainable irrigation. The automation of pressure regulators must assure a constant outlet pressure independent of input pressure, and flexibility to set output pressures according to different conditions. Based on the previous content, the aim of this study was to develop a microprocessed pressure regulator. The developed system has a hydraulic valve, a pressure transducer, two solenoid valves, a sprinkler, and a microprocessed circuit. Based on data gathered from pressure transducer, the electronic controller triggered solenoid valves for pressurizing or relieving the hydraulic valve diaphragm. The opening time of the solenoid valve was a function of the instantaneous pressure in the pipe. We evaluated the operating equipment in a difference up to 250 kPa between input and output pressure. The inlet pressures were tested at intervals of 49.03 kPa every 60 seconds. We performed tests increasing and decreasing inlet pressure. The desired and evaluated output pressures were 98.06, 196.13, 294.19, and 392.26 kPa. The flow rate evaluated range was from 0.75 m3 h-1 to 3.74 m3 h-1, which the respective speed range was from 0.42 m s-1 to 2.12 m s-1. The results presented a required adjustment time between 10 to 20 seconds in tests with increasing inlet pressure, and from 15 to 30 seconds in tests with inlet pressure decreasing. The pressure regulator was able to maintain the preset output pressure within desired limits, when evaluating the performance of the electronic regulator operating in the flow range specified. Considering the results, the electronic developed device can be considered a controller that belongs in accuracy level A (± 10% deviation). Thus, we conclude that the controller was successful on controlling the output pressure, when operating under the conditions defined above.

Escoamentos multifásicos estão presentes em diversas aplicações industriais, principalmente na indústria do petróleo. Um dos casos de aplicação, objeto de estudo desse trabalho, é a determinação da produção de poços de petróleo através de válvulas choke. É apresentada uma revisão dos efeitos físicos e do equacionamento adotado pelos principais modelos multifásicos existentes para tais válvulas. Um estudo de sensibilidade de tais efeitos físicos é realizado, analisando as possíveis alternativas para a diferença de velocidade entre as fases, o mecanismo adotado para a troca de calor entre as fases, a influência da energia cinética a montante da válvula, a influência da área efetiva da garganta e a metodologia de cálculo da recuperação de pressão a jusante da válvula. Conclui-se que dos diversos fatores que influenciam no cálculo da vazão mássica e da condição crítica, a área efetiva da garganta é um parâmetro importante e que é necessário uma maior investigação de como determinar tal parâmetro. / Multiphase flow are present in many industrial applications, mainly at the petroleum industry. One of these application cases, aim of this work study, is to determine a petroleum well production by the choke valves. It is presented a revision of the physical effects and for the adopted equation by the main existing multiphase models for such valves. A sensibility study of such physical effects is performed, analyzing the possible alternatives for the phases velocities difference, the adopted mechanism for the heat transfer between the phases, the upstream kinetic energy influence, the throat effective area influencie and the calculation methodology adopted for the valve downstream pressure recover. It is concluded that from many factors that influence in the mass flow and critical condition calculation, the throat effective area is a important parameter and it is necessary a deeper investigation in how to determine such parameter.

As mudanças feitas nos materiais utilizados em anéis de assento de válvula para trabalhar em motores que operam com qualquer mistura de gasolina e etanol (Flex) tornou o rebaixamento desses componentes um ponto crítico na produção destes motores. Para resistir aos maiores desgastes e à corrosão decorrentes do uso do etanol, foram criados novos materiais sinterizados. Isso gerou uma diminuição drástica da vida das ferramentas de PCBN utilizadas no rebaixamento desses componentes. Em alguns casos, são observados ainda lascamentos destas ferramentas, impedindo sua reafiação. Este aumento nos custos com ferramentas tornou-se ainda mais crítico nos últimos anos, quando os modelos Flex já representavam 87% da produção nacional de veículos leves. Uma vez que as fraturas observadas nas ferramentas de PCBN ocorrem por excesso de esforço mecânico sobre a ferramenta, objetivou-se a redução dos esforços de corte por meio do estudo e modificação dos parâmetros de corte e preparação do gume das ferramentas sem que a produtividade fosse comprometida. Antes, porém, foram estudadas a composição e microestrutura dos materiais utilizados nestes componentes para motores a gasolina e Flex, para entender o motivo da diferença das forças de corte na usinagem destes materiais. O estudo mostra que os esforços de corte são da ordem de 30% maiores para a usinagem dos anéis para motores Flex, e que o uso de um raio no gume da ferramenta gera menores forças de usinagem frente ao uso tradicional de chanfros. Confirma, ainda, que a velocidade de corte exerce baixa influência sobre os esforços de corte, enquanto os mesmos aumentam exponencialmente com o avanço. A alteração simultânea dos parâmetros de corte e da preparação do gume gera uma redução de até 36% na força resultante de corte sem alterar a produtividade do processo.

Este trabalho documenta o estudo de uma servoválvula eletro-hidráulica de aplicação em sistemas de comando de vôo de aeronaves, para a construção do conhecimento necessário na síntese de sistemas detecção e isolamento de falhas baseados em modelo. O estudo compreende a análise do funcionamento e o levantamento do envelope normal de operação da servoválvula eletro-hidráulica em malha aberta e fechada, através de sua modelagem matemática e simulação. Compreende também o estudo das principais falhas às quais o componente está sujeito e a análise da influência destas na resposta dinâmica da servoválvula. Por fim, as falhas estudadas são modeladas linearmente possibilitando a aplicação da teoria de controle linear na síntese de monitores para detecção e isolamento de falhas.