Orientadores: Flávio Vasconcelos da Silva, Thiago Vaz da Costa

Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química

Resumo: Plantas industriais modernas estão suscetíveis a falhas em equipamentos de processo e em instrumentos e componentes da malha de controle. Tais eventos anormais podem acarretar danos a equipamentos, degradação do desempenho do processo e até cenários extremos como a parada da planta e...

Resumo: Plantas industriais modernas estão suscetíveis a falhas em equipamentos de processo e em instrumentos e componentes da malha de controle. Tais eventos anormais podem acarretar danos a equipamentos, degradação do desempenho do processo e até cenários extremos como a parada da planta e acidentes graves. Em vista disso, o emprego de sistemas de controle tolerante a falhas visa a elevar o grau de confiabilidade e segurança do processo por meio do tratamento e mitigação de eventos anormais, evitando que evoluam para situações críticas. Nesse sentido, este trabalho tem como objetivo desenvolver uma técnica de controle reconfigurável tolerante a falhas para processos sujeitos a falhas em atuadores. A presente proposta é baseada em abordagens por atuadores virtuais e ocultação da falha. Essas técnicas consistem no recálculo das ações de controle e na ocultação da falha do ponto de vista do controlador nominal, permitindo que o mesmo seja mantido após a reconfiguração da malha de controle. Na presente proposta, o atuador virtual é baseado na estrutura do controlador preditivo em duas camadas. Uma camada consiste no cálculo de referências para as variáveis de entrada e para o desvio previsto entre o comportamento da planta nominal e com falha. A outra camada, por sua vez, é responsável por conduzir as variáveis de processo para as referências calculadas na etapa anterior. Ambas as camadas são baseadas em problemas de programação quadrática e levam em consideração as restrições do processo, como limites de atuadores e desvios permissíveis em relação ao comportamento nominal da planta. Essa técnica possibilita a consideração de cenários de falhas nos quais não há graus de liberdade suficientes para a manutenção de variáveis controladas em valores desejados. Assim, a estimativa de perturbações permite que novas referências atingíveis sejam calculadas, ainda que haja erros de identificação do modelo pós-falha do processo. Por fim, a estrutura de controle proposta foi aplicada em simulações utilizando um processo de tanques quádruplos, bem como em experimentos conduzidos em uma planta de neutralização de pH

Abstract: Modern industrial plants are susceptible to faults in process equipment and in instruments and components of the control loop. Such abnormal events can lead to equipment damage, degradation of process performance and even extreme scenarios such as plant shutdown and serious accidents....

Abstract: Modern industrial plants are susceptible to faults in process equipment and in instruments and components of the control loop. Such abnormal events can lead to equipment damage, degradation of process performance and even extreme scenarios such as plant shutdown and serious accidents. Thus, the use of fault-tolerant control systems aims to increase process reliability and safety by treating and mitigating abnormal events, preventing them from evolving to critical situations. In this sense, this work aims to develop a reconfigurable fault tolerant control technique for processes subject to actuator faults. The present proposal is based on the virtual actuator and fault hiding approaches. These techniques consist of recomputing control actions and hiding the fault from the nominal controller perspective, allowing it to be maintained after the control loop reconfiguration. We propose a virtual actuator based on the two-layer model predictive control structure. One layer consists of calculating references for input variables and for the predicted deviation between the nominal and faulty plant behaviors. The other layer, in turn, is responsible for driving process variables to the references calculated in the previous step. Both layers are based on quadratic programming problems and take into account process constraints such as actuator limits and permissible deviations from the nominal plant behavior. This technique allows the consideration of fault scenarios in which there are not enough degrees of freedom for the maintenance of controlled variables in desired values. Thus, disturbance estimation allows the calculation of new achievable references, even though there are identification errors in the post-fault model. Finally, the proposed control structure has been applied to an experimental pH neutralization plant. Finally, the proposed control structure was applied in simulations to a quadruple-tank process as well as in experiments conducted in a pH neutralization plant

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