Dados do Trabalhos de Conclusão

INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA
ENGENHARIA DE DEFESA (31007015011P8)
Análise e Controle de Sistemas Dinâmicos de Ordem Elevada e Infinita: Aplicação Em Sistemas de Potência e de Propulsão de Navios de Guerra
FERNANDO TEIXEIRA PINTO
TESE
10/05/2013

Este trabalho tem como principais objetivos propor adaptações e melhorias em técnicas existentes de análise e controle de sistemas infinitos e de grande porte e conceber metodologias para o seu uso conjunto, com vistas a obter avanços nas áreas de redução da ordem de modelos, determinação e análise da dinâmica dominante e projeto de controladores para esses tipos de sistemas. O foco principal é a obtenção de algoritmos computacionais para aplicação em problemas realísticos. Dois problemas práticos de grande interesse para a engenharia de defesa e de controle são tratados: a análise e o controle da dinâmica de propulsão de navios de guerra, especificamente da Corveta Barroso desenvolvida pela Marinha do Brasil, que entrou em serviço em 2008 e é um sistema complexo e não linear similar a um sistema linear com infinitos polos; e a obtenção de modelos super-reduzidos, tratáveis do ponto de vista do projeto de controladores, do sistema elétrico interligado brasileiro de grande porte. Assim sendo, à medida que as propostas metodológicas são apresentadas, resultados comparativos das suas aplicações nos sistemas exemplos são discutidos. O primeiro método proposto conjuga um controlador clássico PID com um preditor de Smith e uma técnica de escalonamento de ganhos para o controle de velocidade da corveta. O objetivo é fazer com que esse sistema naval, contendo saturações, chaveamentos e atraso de transporte dependente do parâmetro e que opera atualmente em malha aberta, alcance uma desejada velocidade de cruzeiro para toda a sua faixa de operação em um tempo menor, com erro nulo em regime estacionário e imune a determinadas interferências, particularmente às condições de carregamento do navio e de sujeira e incrustações de casco. O algoritmo proposto é testado por meio de simulações do modelo não linear do sistema de propulsão. Apresenta-se também a aplicação de uma técnica para a sintonia ótima de controladores aplicados diretamente no controle da rotação da sua turbina. Neste caso, o controlador projetado foi testado na planta real. A segunda metodologia proposta visa à obtenção de modelos racionais e à construção iterativa dos ramos mais relevantes do lugar das raízes de sistemas dinâmicos com retardo, por meio de algoritmos recentes de ajustes de resposta em frequência e de cálculo de polos e zeros dominantes. Este foi adaptado de forma a obter melhor convergência. Essas técnicas se mostram promissoras quando aplicadas ao sistema de propulsão de navios, tanto para o cálculo do lugar das raízes preciso, como para o cálculo de um conjunto de modelos de funções de transferência racionais associadas a um conjunto correspondente de pontos e modos de operação. A última contribuição desta tese se refere à proposta de nova metodologia para a redução da ordem de modelos de sistemas de grande porte mono e multivariáveis. A metodologia consiste de duas etapas principais e conjuga técnicas de cálculo de polos dominantes com métodos de ajuste de curvas de resposta em frequência a fim de obter modelos super reduzidos que representem toda dinâmica de interesse com erro mínimo. Na primeira etapa, calcula-se um modelo reduzido prévio de baixa ordem que contém os polos e/ou zeros dominantes do modelo completo a serem preservados no modelo super reduzido final. Na segunda fase, a resposta em frequência daquele modelo reduzido é reajustada de forma ótima, de acordo com um critério em norma quadrática, pelo reposicionamento parcial ou total de zeros. Testes numéricos comparativos foram realizados com sucesso em um modelo do sistema elétrico de potência interligado brasileiro, que representa fenômenos eletromecânicos por intermédio de mais de treze mil equações algébricas e diferenciais. Os métodos aqui tratados são aplicáveis a outros tipos de sistemas de defesa que envolvam modelos de ordem elevada ou infinita em diferentes áreas disciplinares ou interdisciplinares.

Sistemas de propulsão de navios, Sistemas de potência, Sistemas com atraso, Preditor de Smith, Escalonamento de Ganhos, Redução da ordem de modelos
This thesis aims to propose improvements on existing analysis and control techniques of large and infinite systems and to develop methodologies for their joint use, in order to get advances in the fields of model order reduction, computation and analysis of dominant dynamics and controller design for these types of systems. The main focus is on computational algorithms applied to realistic problems. Two practical problems of great interest to the defense and control engineering are addressed: the analysis and control of warship dynamic propulsion systems, specifically of the Barroso Corvette, a warship developed by the Brazilian Navy and commissioned in 2008 which is a complex and nonlinear system similar to a linear system having infinity number of poles; and the computation of super-reduced models for the interconnected large Brazilian power system, that are tractable in terms of controller design. Thus, as the methodological approaches are presented, comparative results of their applications to the example systems are discussed. The first proposed method combines a classical PID controller with a Smith predictor and a gain scheduling technique for the corvette velocity control. The goal is to make this naval system, which includes saturations, switches and parameter-dependent delay and currently operates in open loop, reach a desired cruising speed for its entire operating range in a shorter time and null steady state error and be immune to certain disturbances, particularly to deteriorations of the hull (dirt and incrustation) and ship loading conditions. The proposed algorithm is tested by simulating the nonlinear model of the propulsion system. The application of a technique for tuning optimal controllers of the turbine rotational speed is also presented. In this case, the designed controller was tested in the actual plant. The second proposed method aims to obtain rational models and construct iteratively the most relevant root locus branches of time-delay dynamic systems, by combining recent algorithms of frequency response fitting and dominant poles and zeros computation. This latter was adapted in order to obtain better convergence. These techniques are shown to be promising when applied to ship propulsion systems for the computation of either precise root locus or a set of rational transfer function models associated with a corresponding set of operating conditions. The last contribution of this thesis is related to the introduction of a new methodology to reduce the order of large mono and multivariable system models. The method consists of two main steps and combines techniques for computing dominant poles with methods for fitting frequency responses to obtain super-reduced models that represent the whole dynamics of interest with minimum error. Firstly, a prior reduced model is computed, which contains the dominant poles and/or zeros of the complete model to be preserved in the final super-reduced model. Secondly, the frequency response of that reduced model is optimally retuned, according to a quadratic norm criterion, by partially or totally replacing its zeros. Comparative numerical tests were successfully performed on a model of the interconnected Brazilian electric power system, which describes electromechanical phenomena by means of more than thirteen thousand algebraic and differential equations. The methods discussed here are applicable to other types of defense systems involving high-order or infinite models in different disciplinary or interdisciplinary fields.
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PORTUGUES
INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA
O trabalho possui divulgação autorizada

Contexto

ENGENHARIA DE DEFESA
MECATRÔNICA E SISTEMAS DE ARMAS
Análise e controle de sistemas não estácionários: novas técnicas e aplicações em Engenharia de Defesa

Banca Examinadora

PAULO CESAR PELLANDA
DOCENTE - PERMANENTE
Sim
Nome Categoria
PEDRO CUNHA CAMPOS ROQUETTE Participante Externo
MARIO CESAR MELLO MASSA DE CAMPOS Participante Externo
PAULO FERNANDO FERREIRA ROSA Docente - PERMANENTE
MAURO SPERANZA NETO Participante Externo

Vínculo

Servidor Público
Empresa Pública ou Estatal
Outros
Não