Estudo comparativo do desempenho de controladores robustos aplicados a um sistema de tanques acoplados.

Currently the uncertain system has attracted much academic community from the standpoint of scientific research and also practical applications. A series of mathematical approaches emerge in order to troubleshoot the uncertainties of real physical systems. In this context, the work presented here focuses on the application of control theory in a nonlinear dynamical system with parametric variations in order and robustness. We used as the practical application of this work, a system of tanks Quanser associates, in a configuration, whose mathematical model is represented by a second order system with input and output (SISO). The control system is performed by PID controllers, designed by various techniques, aiming to achieve robust performance and stability when subjected to parameter variations. Other controllers are designed with the intention of comparing the performance and robust stability of such systems. The results are obtained and compared from simulations in Matlab-simulink.

Controle preditivo robusto baseado em desigualdades matriciais lineares aplicado a um sistema de tanques acoplados

This work deals with an on-line control strategy based on Robust Model Predictive Control (RMPC) technique applied in a real coupled tanks system. This process consists of two coupled tanks and a pump to feed the liquid to the system. The control objective (regulator problem) is to keep the tanks levels in the considered operation point even in the presence of disturbance. The RMPC is a technique that allows explicit incorporation of the plant uncertainty in the problem formulation. The goal is to design, at each time step, a state-feedback control law that minimizes a 'worst-case' infinite horizon objective function, subject to constraint in the control. The existence of a feedback control law satisfying the input constraints is reduced to a convex optimization over linear matrix inequalities (LMIs) problem. It is shown in this work that for the plant uncertainty described by the polytope, the feasible receding horizon state feedback control design is robustly stabilizing. The software implementation of the RMPC is made using Scilab, and its communication with Coupled Tanks Systems is done through the OLE for Process Control (OPC) industrial protocol

Controle adaptativo com desacoplamento aplicado a um sistema de tanques acoplados MIMO

O controle de sistemas MIMO (Multiple Input Multiple Output) é muitas vezes realizado por várias malhas de controladores clássicos que operam com restrições e apresentam baixo desempenho. Técnicas de controle adaptativo são uma alternativa interessante para aumentar o rendimento desses sistemas, como por exemplo os controladores MRAC (Model Reference Adaptive Control), que quando bem projetados, permitem que a dinâmica da planta seja escolhida de maneira a seguir um modelo de referência. O presente trabalho apresenta uma estratégia de desacoplamento para um sistema MIMO de três tanques acoplados e o projeto de um controlador MRAC para o mesmo.

Controle adaptativo com desacoplamento aplicado a um sistema de tanques acoplados MIMO

O controle de sistemas MIMO (Multiple Input Multiple Output) é muitas vezes realizado por várias malhas de controladores clássicos que operam com restrições e apresentam baixo desempenho. Técnicas de controle adaptativo são uma alternativa interessante para aumentar o rendimento desses sistemas, como por exemplo os controladores MRAC (Model Reference Adaptive Control), que quando bem projetados, permitem que a dinâmica da planta seja escolhida de maneira a seguir um modelo de referência. O presente trabalho apresenta uma estratégia de desacoplamento para um sistema MIMO de três tanques acoplados e o projeto de um controlador MRAC para o mesmo.

Estudo comparativo do desempenho de controladores robustos aplicados a um sistema de tanques acoplados.

Currently the uncertain system has attracted much academic community from the standpoint of scientific research and also practical applications. A series of mathematical approaches emerge in order to troubleshoot the uncertainties of real physical systems. In this context, the work presented here focuses on the application of control theory in a nonlinear dynamical system with parametric variations in order and robustness. We used as the practical application of this work, a system of tanks Quanser associates, in a configuration, whose mathematical model is represented by a second order system with input and output (SISO). The control system is performed by PID controllers, designed by various techniques, aiming to achieve robust performance and stability when subjected to parameter variations. Other controllers are designed with the intention of comparing the performance and robust stability of such systems. The results are obtained and compared from simulations in Matlab-simulink.

Número de desempenho robusto não-linear : uma nova medida do grau de não-linearidade

nRPN, nRPNSTAT e nRPNDYN são novos índices, propostos nesta dissertação, que quantificam o grau de não-linearidade total, estática e dinâmica, respectivamente, de sistemas dinâmicos não- lineares. Estes novos índices permitem responder se é necessária a utilização de controladores não-lineares ou se simples controladores lineares apresentarão desempenho satisfatório. Além disso, se um controlador não- linear se fizer necessário, quais características este deve apresentar. Nesta dissertação é realizado um estudo acerca das metodologias para determinação do grau de não- linearidade de plant as industriais. Entre as encontradas, a que apresenta as melhores potencialidades é estudada em detalhes, tendo seus atributos e deficiências explorados. As deficiências foram sanadas e um novo conjunto de índices é proposto (nRPN, nRPNSTAT e nRPNDYN), o qual, além de apresentar resultados conclusivos em termos quantitativos, também traz novas informações valiosas para a escolha do controlador adequado, como a parcela estática e dinâmica da não- linearidade. A metodologia proposta é aplicada e testada em um conjunto bastante amplo e complementar de possíveis sistemas dinâmicos não-lineares (tais como: pH, reatores químicos e coluna de destilação de alta pureza) onde o comportamento nãolinear já foi explorado na literatura O desenvolvimento e o estudo do comportamento dinâmico de uma planta laboratorial de cinco tanques acoplados são apresentados. Este sistema possui dinâmica e ganhos variáveis, descontinuidades, inversão no sinal do ganho multivariável e diferentes graus de acoplamento, ilustrando de forma simples vários possíveis comportamentos dinâmicos encontrados em plantas industriais. Devido a esta grande versatilidade a planta foi construída e testada, confirmando os comportamentos previstos nos estudos teóricos.

Sistema híbrido para detecção e diagnóstico de falhas em sistemas dinâmicos

The industries are getting more and more rigorous, when security is in question, no matter is to avoid financial damages due to accidents and low productivity, or when it s related to the environment protection. It was thinking about great world accidents around the world involving aircrafts and industrial process (nuclear, petrochemical and so on) that we decided to invest in systems that could detect fault and diagnosis (FDD) them. The FDD systems can avoid eventual fault helping man on the maintenance and exchange of defective equipments. Nowadays, the issues that involve detection, isolation, diagnose and the controlling of tolerance fault are gathering strength in the academic and industrial environment. It is based on this fact, in this work, we discuss the importance of techniques that can assist in the development of systems for Fault Detection and Diagnosis (FDD) and propose a hybrid method for FDD in dynamic systems. We present a brief history to contextualize the techniques used in working environments. The detection of fault in the proposed system is based on state observers in conjunction with other statistical techniques. The principal idea is to use the observer himself, in addition to serving as an analytical redundancy, in allowing the creation of a residue. This residue is used in FDD. A signature database assists in the identification of system faults, which based on the signatures derived from trend analysis of the residue signal and its difference, performs the classification of the faults based purely on a decision tree. This FDD system is tested and validated in two plants: a simulated plant with coupled tanks and didactic plant with industrial instrumentation. All collected results of those tests will be discussed

Utilização de redes neurais artificiais para detecção e diagnóstico de falhas

In a real process, all used resources, whether physical or developed in software, are subject to interruptions or operational commitments. However, in situations in which operate critical systems, any kind of problem may bring big consequences. Knowing this, this paper aims to develop a system capable to detect the presence and indicate the types of failures that may occur in a process. For implementing and testing the proposed methodology, a coupled tank system was used as a study model case. The system should be developed to generate a set of signals that notify the process operator and that may be post-processed, enabling changes in control strategy or control parameters. Due to the damage risks involved with sensors, actuators and amplifiers of the real plant, the data set of the faults will be computationally generated and the results collected from numerical simulations of the process model. The system will be composed by structures with Artificial Neural Networks, trained in offline mode using Matlab®

Estudo e implementação em plantas físicas de um controlador preditivo generalizado com restrições

This work shows a study about the Generalized Predictive Controllers with Restrictions and their implementation in physical plants. Three types of restrictions will be discussed: restrictions in the variation rate of the signal control, restrictions in the amplitude of the signal control and restrictions in the amplitude of the Out signal (plant response). At the predictive control, the control law is obtained by the minimization of an objective function. To consider the restrictions, this minimization of the objective function is done by the use of a method to solve optimizing problems with restrictions. The chosen method was the Rosen Algorithm (based on the Gradient-projection). The physical plants in this study are two didactical systems of water level control. The first order one (a simple tank) and another of second order, which is formed by two tanks connected in cascade. The codes are implemented in C++ language and the communication with the system to be done through using a data acquisition panel offered by the system producer

Proteção da comunidade aquática em efluente tratado por tanques de estabilização de resíduos no rio São Lourenço em São Lourenço da Serra, Vale do Ribeira, estado de São Paulo

O tratamento de esgotos de pequenas cidades por lagoas de estabilização é uma maneira simples, eficiente e de baixo custo. Os esgotos são uma fonte de contaminação das águas e solos e, conseqüentemente, contribuem para a transmissão de doenças, além de serem uma ameaça à preservação do meio ambiente. Surge a necessidade de investigar as condições dos efluentes lançados nos cursos d´água. O presente trabalho tem como objetivo realizar uma investigação da qualidade das águas residuárias tratadas por lagoas de estabilização de uma estação de tratamento de esgoto localizadas no município de São Lourenço da Serra no Vale da Ribeira no Estado de São Paulo e verificar os riscos sanitários e a comunidade aquática no Rio São Lourenço da Serra. Foram realizadas amostragens para avaliar o conjunto de lagoas anaeróbia e facultativa da estação de tratamento de esgoto do Município de São Lourenço da Serra. Os parâmetros utilizados foram pH, temperatura do ar e da água, condições climáticas, demanda bioquímica de oxigênio e nitrogênio amoniacal, bactérias termotolerantes, pigmentos fotossintéticos e comunidade zooplanctônica. Verificou-se que s sistemas de lagoa anaeróbia e facultativa foram eficientes na produção de efluente e apresentou alguns valores de acordo com a Resolução Conama nº 357, que estabelecem os valores limites para lançamento em corpos d´água. O rio São Lourenço está localizado em uma área de proteção ambiental. Os dados são comparados aos limites estabelecidos na Classe 1 e 2 e demonstram processo de eutrofização, colocando em risco à biodiversidade aquática e a saúde da população

Avaliação do impacto na infestação por Aedes aegypti em tanques de cimento do município de Canindé, Ceará, Brasil, após a utilização do peixe Betta splendens como alternativa de controle biológico

Canindé apresenta uma população de 71.235 habitantes. Em abril de 2001 iniciou a utilização de peixes larvófagos em tanques de cimento, localizados ao nível do solo, como forma de controle biológico para larvas de Aedes aegypti. Durante a visita do agente, ao invés de se tratar os tanques com larvicida, colocou-se um espécime do peixe Betta splendens por depósito. O presente trabalho teve como objetivo avaliar os resultados desta intervenção. Com os levantamentos do número de imóveis e depósitos existentes, estimou-se este número mês a mês determinando então o número de depósitos existentes por imóvel. Com esta estimativa e o número de imóveis visitados mensalmente analisou-se a infestação deste tipo de depósito. Em janeiro de 2001, 70,4% dos tanques examinados apresentavam larvas; e apenas 7,4% em janeiro de 2002. Em dezembro de 2002 este índice caiu para 0,2%. Demonstrou-se com clareza a capacidade do Betta splendens como agente de controle biológico, em tanques de cimento, reduzindo 320 vezes a infestação deste tipo de recipiente de grande volume.

Dinâmica de osciladores acoplados

Nesta dissertação pretende-se dar em primeiro lugar uma teoria geral sobre a chamada sincronização generalizada entre osciladores acoplados. Este conceito mais geral de sincronização revela uma estrutura mais complexa da interacção de osciladores acoplados, sendo por esta razão o passo natural a ser dado face ao conceito mais tradicional de sincronização idêntica. A sincronização generalizada tem uma forte componente geométrica através dos trabalhos de Wazewski e de Russel Smith. Esta teoria geral permite estudar de uma forma mais eficiente as condições de sincronização (generalizada) para sistemas com perturbações não-lineares. Neste trabalho vemos que os resultados referentes a sincronização idêntica saem como caso particular do conceito mais geral. Por outro lado, no caso estudado, as perturbações não-lineares ocorrem dentro de domínios bem determinados. Abordamos também a possibilidade de adaptar algoritmos computacionais a estes domínios, de forma a podermos transmitir de uma maneira mais intuitiva as condições mais gerais de sincronização. Por último, e como projecto futuro, apresentamos uma discussão de sincronização idêntica em sistemas de segunda ordem, que pretendem reproduzir a situação original de identificação de sincronização por Huygens.

Efeito do manejo alimentar no desempenho do matrinxã Brycon amazonicus em tanques de cultivo

O objetivo deste estudo foi avaliar o efeito do horário, taxa e freqüência de alimentação no desempenho do matrinxã (Brycon amazonicus) em tanques de cultivo. O trabalho foi realizado no Centro de Aqüicultura da UNESP, Jaboticabal, SP, no período de outubro de 1997 a janeiro de 1998 sendo realizados três ensaios, em tanques de 200m² subdivididos em 4 de 50 m². No ensaio I foram medidos em 3 períodos (manhã-m; meio do dia-md e tarde-t) o consumo de ração, índice de ingestão, tempo de saciação e velocidade de ingestão em peixes com peso médio de 232,13 g, alimentados com ração extrusada (32% de PB). Não foi observada diferença significativa nos parâmetros analisados. No ensaio II, em peixes com peso médio de 233,98 g, foi medido o consumo médio de ração, em intervalos de duas horas, das 07 às 19 horas. O maior consumo ocorreu quando o matrinxã foi alimentado às 17 horas. No ensaio III, durante 57 dias, os peixes foram alimentados uma vez ao dia (m); uma vez ao dia (t); duas vezes ao dia(m/t) e três vezes ao dia (m,md,t). Peixes com peso médio inicial de 322,25 g receberam ração com 32% de PB, na quantidade de 2% do PV. Não foram observadas diferenças significativas no ganho de peso diário (3,17; 2,80; 3,04 e 2,81 g) e na conversão alimentar aparente (2,11; 2,48; 2,16 e 2,31:1). Concluiu-se que a freqüência de alimentação de uma vez ao dia, em qualquer horário, mostrou ser suficiente.

Crescimento de tambaqui em resposta a densidade de estocagem em tanques-rede

O tambaqui Colossoma macropomum é criado em diferentes sistemas e ambientes com boa produção em tanques-rede. O objetivo deste trabalho foi avaliar o crescimento do tambaqui em diferentes densidades de estocagem em tanques-rede em lago abastecido com água de chuva e seus efeitos sobre a qualidade ambiental. O experimento foi conduzido em fases consecutivas: recria nas densidades de 50, 100, 200 e 300 alevinos m-3 e terminação nas densidades de 20, 40, e 60 juvenis m-3. A temperatura da água, oxigênio dissolvido, pH e condutividade da água foram medidas diariamente. Amostras de sedimento e água foram coletadas para análise de nitrogênio e fósforo mensalmente. Na recria, a produção de 14,03 kg m-3 foi significativamente maior na densidade de 300 alevinos m-3. O maior peso final foi obtido na densidade de 50 alevinos m-3. A sobrevivência na recria foi superior a 97%. Na terminação, o ganho de peso e o crescimento específico foram inversamente proporcionais as densidades. A conversão alimentar e o fator de condição não foram influenciados pelas densidades testadas. A densidade de 20 juvenis m-3 é a mais adequada para a terminação de tambaquis em tanques-rede. A criação de tambaqui em tanques-rede não alterou os níveis de nitrogênio e fósforo da água do lago. Aumento dos teores de matéria orgânica, nitrogênio e fósforo foram verificados no sedimento abaixo dos tanques-rede, sem causar eventos de eutrofização. O presente estudo demonstrou que a criação de tambaquis em tanques-rede é viável em lagos abastecidos com água de chuva e pode integrar-se aos preceitos dos usos múltiplos da água.

Mejoramiento del comportamiento térmico de sistemas de calentamiento de agua solares termosifónicos hechos con materiales no convencionales y con tanques de almacenamiento verticales y horizontales Performance improvement of solar thermosyphonic systems for water heating made of non conventional materials and using horizontal and vertical storage tanks

El objeto de estudio de este proyecto son los sistemas de calentamiento de agua mediante energía solar que funcionan termosifónicamente. En particular se tratará con dos diseños particulares generados por fabricantes de la Provincia de Córdoba y que han solicitado el asesoramiento del Grupo de Energía Solar (GES) para el mejoramiento de la performance térmica de dichos equipos. Se trata de dos sistemas que tienen materiales no tradicionales y se diferencian además por tener una distinta disposición del tanque de almacenamiento: uno es en forma vertical y el otro en forma horizontal. Basados en los resultados de un ensayo bajo norma internacional, donde se detectaron algunas puntos factibles de mejora, se propone en este proyecto el análisis en detalle de los equipos, para lo cual se les debe desarmar completos, para realizar un estudio analítico y experimental de los mismos con el objeto de hacer un planteo teórico-analítico del comportamiento de los mismos, con la implementación de propuestas de mejora y chequeo de los resultados. Se propone entonces como objetivo lograr un mejoramiento de la performance térmica de los citados equipos a partir de un estudio experimental y analítico. Asumiendo esta posibilidad de mejora, se plantea la hipótesis de que es posible representar el funcionamiento de estos equipos mediante modelos físico-matemáticos desarrollados a partir de ecuaciones y correlaciones conocidas y procesos a interpretar mediante resoluciones numéricas y softwares específicos de simulación. De esta manera, se plantea el despieze completo de los equipos para estudiar en detalle su estructura y conexiones internas y a partir de la geometría, dimensiones y propiedades termofísicas de materiales constructivos y fluidos de trabajo, realizar modelos físico-matemáticos que permitan realizar variaciones de propiedades y geometría y así buscar las mejores combinaciones que produzcan equipos más eficientes térmicamente. Los modelos físico-matemáticos serán codificados en lenguajes de alto nivel para poder luego de una validación de los modelos, correr simulaciones en un software de reconocimiento internacional que permite sumar dichos modelos mediante un protocolo de comunicación, haciendo que las poderosas prestaciones del software se puedan aplicar a nuestros modelos. Se complementará el estudio con un análisis exergético para identificar los puntos críticos en que se producen las pérdidas de oportunidad de aprovechar la energía disponible, para así analizar cómo solucionar los problemas en dichos puntos. Los materiales a utilizar serán los propios equipos provistos por los fabricantes, que serán modificados convenientemente para operarlos como prototipos Se espera obtener un conocimiento acabado de los procesos y principios de funcionamiento de los equipos, que permita plantear las mejoras, las cuales se implementarán en los prototipos, realizándose una medición mediante norma igual a la inicial para ver en que magnitud se logran las mejoras esperadas. Se pretende además que las mejoras a implementar, en la etapa de transferencia a las empresas involucradas, redunden no sólo en un beneficio técnico, sino que también los sea desde el punto de vista económico. Para ello se trabajará también sobre los procesos y métodos de fabricación para que los equipos mejorados no sean mas caros que los originales y de ser posible sean aún más económicos, todo esto apuntando a la difusión de la energía solar térmica y poner al alcance de todos estos equipos tan convenientes para la propagación de las energías limpias. El proyecto redundará también en un importante beneficio para el conocimiento de la comunidad científica en general, con el aporte de nuevos resultados en diseños novedosos y con nuevos materiales. Además, la institución se beneficiará con la formación que obtendrán los integrantes del proyecto, muchos de ellos en etapa de realización de sus estudios de posgrado y en una etapa importante de su vida como investigadores. The main goal of this project is the improvement of two thermosyphonic solar water heating systems, made of non conventional materials and with different arrangement of their storage tanks: one is vertical and the other one horizontal. The thermosyphonic systems are provided by manufacturers of the Córdoba Province, who came to the Solar Energy Group (GES) of the National University of Río Cuarto looking for help for the design of their products. In an agreement with these manufacturers, it was proposed this project in order to work analytically and experimentally in order to obtain physical-mathematical models of these two systems, which allow for changes to look by means of simulations the best changes to implement on the equipments for the improvement of their thermal performance. Then, the materials to be used are the proper systems provided by the manufacturers, which will be disarmed to be studied in detail. After the analytical study the proposals of improvement will be implemented in a high level language of programming to perform simulations in the environment of a well-known software for energy simulations (TRNSYS). After the simulations, the best modifications will be physically implemented in the prototypes to perform finally the same normalized test of the beginning and check the magnitude of the implemented improvements. The importance of this project is based on the offer of better systems the companies would make, which would benefit the deployment of the thermal solar energy. Another relevant point is to make the new equipments at the same cost of the previous ones or cheaper, in order to achieve a good deployment of the solar water heating systems; then, the manufacture processes and methods must be studied to obtain not only good technical solutions, but also economical equipments. In addition, this project will contribute to the increasing of the knowledge in the area of thermosyphonic solar systems and the training of postgraduate students.