Sba: Controle & Automação Sociedade Brasileira de Automatica, Volume: 19, Issue: 1, Published: 2008
  • Um método evolucionário para sintonia de controladores PI/PID em processos multivariáveis Sistemas Inteligentes

    Arruda, Lúcia Valéria R. de; Swiech, Maria Cristina Szpak; Neves-Jr, Flávio; Delgado, Myriam Regattieri

    Abstract in Portuguese:

    Em instalações industriais, é comum a existência de processos multivariáveis que possuem variáveis com fortes interações entre si, além de não linearidades e de objetivos de controle conflitantes Assim, a sintonia de diversos controladores em plantas industriais complexas constitui um desafio aos engenheiros de processo e operadores. Este artigo aborda o problema de sintonizar n controladores PI/PID (Proporcional, Integral e Derivativo) em processos multivariáveis como um problema de otimização multiobjetivo. Um algoritmo genético multiobjetivo, modificado por uma técnica de nicho e formação de castas, é proposto para resolver o problema. A otimização é realizada em dois níveis. No primeiro, uma função local que agrupa os critérios ITSE (Integral Time Squared Error) e variância mínima é calculada para avaliar separadamente o desempenho de cada malha. Em seguida, uma função de custo global, considerando todas as malhas é usada para calcular um conjunto de soluções (conjunto de parâmetros do controlador PI/PID) para o problema de otimização. A metodologia foi aplicada no controle PI de uma unidade de craqueamento catalítico e o seu desempenho foi comparado ao de um controlador preditivo por matriz dinâmica. Os resultados mostram a aplicabilidade e eficiência da metodologia proposta.

    Abstract in English:

    Nonlinear multiple-input multiple-output (MIMO) processes which are common in industrial plants are characterized by significant interactions and nonlinearities among their variables. Thus, the tuning of several controllers in complex industrial plants is a challenge for process engineers and operators. This paper addresses the problem of simultaneously tuning n proportional-integral-derivative (PI/PID) controllers in a coupled multivariable process as a multi-criteria optimization problem. A multi objective genetic algorithm modified by a niching technique with castes formation is proposed to solve this problem. The optimization is carried out in two levels. In the first level a local function that considers both the integral time squared error (ITSE) and the minimum variance criteria is computed to separately evaluate the performance of each closed loop. Thereafter, a global cost function that considers all the loops is used to compute a set of solutions (a set of PI/PID parameters) to the optimization problem. The proposed system was applied to the control of a fluid catalytic cracking (FCC) unit, and its performance was compared to dynamic matrix control (DMC). The results show the applicability and effectiveness of the proposed method.
  • Observação adaptativa neural com convergência assintótica na presença de parâmetros variantes no tempo e distúrbios Sistemas Inteligentes

    Vargas, José A. Ruiz; Hemerly, Elder M.

    Abstract in Portuguese:

    Neste artigo é proposto um esquema baseado em redes neurais para estimação adaptativa dos estados de uma classe de sistemas não-lineares contínuos, incertos, variantes no tempo e sujeita a distúrbios. Prova-se, via argumentos usuais de Lyapunov e uma técnica de limitação adaptativa (adaptive bounding technique), que o erro residual de observação converge para zero, inclusive na presença de erros de aproximação e distúrbios, enquanto os erros de estimação (pesos, parâmetros e função limitadora) permanecem limitados. Um exemplo de simulação é apresentado para ilustrar a aplicação e desempenho do esquema proposto.

    Abstract in English:

    In this paper a scheme based on neural networks for adaptive observation of a class of uncertain continuous nonlinear systems in the presence of time-varying parameters and non-vanishing disturbances is proposed. Using standard Lyapunov procedures and an adaptive bounding technique, the state error convergence to zero is proved, even when approximation error and disturbances are present, while guaranteeing uniform ultimate boundedness of all others estimation errors (weight, parameter and bounding function). A simulation example to illustrate the application and performance of the proposed algorithm is provided.
  • Modelagem e validação experimental de um atuador baseado em liga de memória de forma Automação Industrial

    Romano, Roberto; Tannuri, Eduardo Aoun

    Abstract in Portuguese:

    As ligas com memória de forma (Shape Memory Alloy - SMA) consistem em um grupo de materiais metálicos que possuem a habilidade de retornar a um formato ou tamanho previamente definido quando submetidas a um ciclo térmico adequado. Os efeitos de memória de forma ocorrem devido a mudanças na estrutura cristalina do material, dependentes da temperatura e da tensão ao qual está sujeito. A fase de Martensita, estado presente a baixas temperaturas, apresenta comportamento plástico, com maior facilidade para deformações permanentes. A fase de Austenita, que ocorre a altas temperaturas, apresenta comportamento elástico com alta rigidez. A mudança na estrutura cristalina do material não é um processo termodinamicamente reversível, apresentando, conseqüentemente, histerese. Portanto, a característica principal destes materiais é a habilidade de sofrer grandes deformações plásticas e, em seguida, recuperar sua forma original quando a carga é removida ou o material é aquecido. Assim, pode-se utilizar esse fenômeno para construir atuadores leves e silenciosos, como verdadeiros músculos metálicos. O desenvolvimento de atuadores com as SMAs apresenta grande atrativo para diversos campos da engenharia, principalmente na área de robótica, substituindo os atuadores convencionais de grande peso e ruidosos, como motores, válvula solenóides, etc. Entretanto, para o bom desempenho de atuadores SMA requer-se um complexo sistema de controle e resfriamento, reduzindo-se o tempo de resposta do atuador e minimizando-se os efeitos da histerese. Nesse trabalho, propõe-se um inovador sistema de resfriamento, baseado em pastilha termo-elétrica (efeito Seebeck-Peltier). Este método possui a vantagem de ser mais compacto e simples que outros métodos de resfriamento forçado. Um modelo matemático completo é também desenvolvido, e um protótipo experimental foi construído. Diversos experimentos foram utilizados para a validação do modelo e para a identificação de todos seus parâmetros. Em um próximo trabalho, um sistema de controle será desenvolvido e implementado no protótipo, baseado no modelo matemático ora proposto.

    Abstract in English:

    Shape Memory Alloys (SMA) consist of a group of metallic materials that demonstrate the ability to return to some previously defined shape when subjected to the appropriate thermal procedure. The shape memory effect occurs due to a temperature and stress dependent shift in the materials crystalline structure between two different phases. Martensite, the low temperature phase, is relatively soft whereas Austenite, the high temperature phase, is relatively hard. The change that occurs within SMAs crystalline structure is not a thermodynamically reversible process and results in temperature hysteresis. The key feature of these materials is the ability to undergo large plastic strains and subsequently recover these strains when a load is removed or the material is heated. Such property can be used to build silent and light actuators, similar to a mechanical muscular fiber. SMA actuators have several advantages in several engineering fields, mainly in robotics, replacing the conventional actuators like motors or solenoids. However, the good performance of the SMA actuator depends on a complex control and cooling systems, reducing the time constant and minimizing the effects of hysteresis. In the present paper, a novel cooling system is proposed, based on thermo-electric effect (Seebeck-Peltier effect). Such method has the advantage of reduced weight and requires a simpler control strategy compared to other forced cooling systems. A complete mathematical model of the actuator is also derived, and an experimental prototype was implemented. Several experiments were used to validate the model and to identify all parameters. In a next work, a control system will be developed and implemented in the prototype, based on the mathematical model here exposed.
  • Metodologia para rastreamento com modificação dos zeros e rejeição de distúrbio aplicada a sistemas incertos Sistemas De Controle

    Assunção, Edvaldo; Andrea, Cristiano Quevedo; Teixeira, Marcelo Carvalho Minhoto; Pinto, João Onofre Pereira

    Abstract in Portuguese:

    Propõe-se uma metodologia para rastreamento de sinais e rejeição a distúrbio aplicada a sistemas incertos, com incerteza do tipo politópica. Realiza-se o processo de atenuação do efeito do sinal de distúrbio na saída do sistema através da realimentação dinâmica da saída utilizando-se um controlador Kp(s) que minimiza a norma H2 de custo garantido de w(t) para z(t), sendo w(t) o sinal de distúrbio e z(t) a saída do sistema. Então, para o rastreamento de sinais utiliza-se a modificação ótima dos zeros a fim de minimizar a norma H<FONT FACE=Symbol>¥</FONT> de custo garantido da função de transferência entre o sinal de referência e o sinal de erro de rastreamento, sendo o erro de rastreamento a diferença entre o sinal de referência r(t) e o sinal de saída z(t). O projeto de rastreamento de sinais e rejeição do efeito do ruído presente na planta é descrito na forma de LMIs que, quando factíveis, pode-se obter a solução ótima para o problema. Exemplos ilustram a viabilidade da metodologia proposta.

    Abstract in English:

    The methodology for tracking system and disturbance rejection considering polytopic uncertainties in the plant is proposed in this work. The process of disturbance rejection is make though of the dynamic feedback of the system using a controller Kp(s) that minimize the H2-norm guaranteed cost from w(t) para z(t), where w(t) is the disturbance signal and z(t) is the output of the system. And so, one use the optimal zeros modification with purpose of to design the tracking system. In this way, the modification of the zeros is used to minimize the H<FONT FACE=Symbol>¥</FONT>-norm guaranteed cost from the reference input signal to the tracking error signal, where the tracking error signal was diference between the reference input signal and output signal of the system. The design is formulated in Linear Matrix Inequality (LMI) framework, when it presents a solution, the optimal solution of the stated control problem is obtained. Two practical examples illustrate the effectiveness of the proposed method.
  • Inclusão de restrições dinâmicas no problema de planejamento de potência reativa Sistemas De Potência

    Oliveira, Edimar J. de; Fontoura, Rafael M.; Martins, Nelson; Oliveira, Leonardo Willer de; Pereira, José L. R.

    Abstract in Portuguese:

    Este artigo apresenta uma nova metodologia para o planejamento da operação dos Sistemas Elétricos de Potência (SEP), na qual restrições dinâmicas de impactos em geradores são incorporadas ao problema de Fluxo de Potência Ótimo (FPO). Neste novo modelo, o transitório no instante da contingência é incorporado ao FPO como uma restrição operacional a fim de manter os impactos nos eixos dos geradores nos níveis recomendados pelo Operador Nacional do Sistema (ONS). Desta forma o tradicional problema de planejamento de potencia reativa incorpora os impactos nos eixos dos geradores do SEP quando ocorre uma contingência. O problema é formulado usando a metodologia primal-dual de pontos interiores associada à técnica de decomposição matemática de Benders. Estudos de casos com os sistemas IEEE-14 e IEEE-118 são realizados para mostrar o desempenho da metodologia proposta.

    Abstract in English:

    This paper presents a new methodology for power systems operation planning in which dynamic constraints related to the rotor shaft impacts are incorporated into the optimal power flow problem. In this new model the transients at the instant of the contingency is incorporated to the OPF problem, as an additional constraint, in order to keep the rotor shaft torques within limits, which are recommended by the National System Operator (ONS). Then the traditional problem of reactive power planning in electrical power systems includes the generator rotor shaft impact effects when a contingency is present. The problem is formulated using the primal-dual interior point technique associated to the mathematical Benders decomposition. Case studies using the IEEE-14 and IEEE-118 bus test systems are presented to show the effectiveness of the proposed methodology.
  • Sistemas multi-agentes aplicados a proteção adaptativa de linhas de transmissão com três terminais Sistemas De Potência

    Coury, Denis V.; Giovanini, Renan; Thorp, James S.

    Abstract in Portuguese:

    Este artigo discute o uso de agentes para a adaptação de ajustes de relés de distância para linhas com três terminais. Agentes são processos baseados em softwares capazes de buscar informações em redes de comunicação, interagindo com equipamentos e realizando tarefas em seu favor (neste caso os próprios relés). Resultados ilustrando o desempenho do método adaptativo proposto, e os comparando com métodos convencionais, são apresentados. É mostrado que os relés digitais em conjunto com sistemas agentes, agindo dentro de um sistema de comunicação, podem alterar os ajustes adaptativos e assim assegurar o correto funcionamento do sistema de proteção sobre uma larga variedade de condições de operação. O esquema proposto para proteção adaptativa também pode ser utilizado para a transferência de abertura de disjuntor através da rede dedicada para proteção de primeira zona ao longo da extensão total da linha.

    Abstract in English:

    This paper discusses the adaptation of the settings of distance relays for three-terminal lines employing agents. Agents are software processes capable of searching for information in networks, interacting with pieces of equipment and performing tasks on behalf of their owners (relays). Results illustrating the performance of the adaptive method proposed, compared to conventional fixed settings, are presented. It is shown that the digital relays and agents acting within a communication structure can alter adaptive settings to ensure correct performance over a wide variety of operation conditions. The proposed relaying scheme can also be utilized for transferring the trip of the first zone, clearing over the entire line.
  • Metodologia heurística construtiva para alocação de bancos de capacitores em sistemas de distribuição de energia elétrica Sistemas De Potência

    Silva Junior, Ivo Chaves da; Carneiro Junior, Sandoval; Oliveira, Edimar José de; Pereira, José Luiz Rezende; Garcia, Paulo Augusto Nepomuceno

    Abstract in Portuguese:

    Este artigo apresenta um algoritmo heurístico construtivo para a resolução do problema referente à alocação ótima de bancos fixos de capacitores em sistemas de distribuição. Inicialmente a natureza discreta do problema de alocação de capacitores é mitigada através do uso de uma função sigmoidal no intervalo [0,1] que é incorporada ao problema de fluxo de potência ótimo (FPO) através de modificações nas equações de fluxo de potência. O algoritmo proposto utiliza a técnica primal-dual de pontos interiores como ferramenta de solução do FPO. Baseado na sensibilidade fornecida pela função sigmoidal ponderada pelo carregamento da potência reativa do sistema de distribuição, a metodologia heurística proposta determina passo a passo a localização, a capacidade e o número de capacitores a serem instalados no sistema. A técnica proposta é aplicada a dois sistemas de distribuição de energia. Os resultados são comparados com os resultados obitidos através de um algoritmo genético.

    Abstract in English:

    This paper presents a heuristic constructive algorithm to solve the discrete capacitor size and allocation problem in distribution systems. Initially the discrete nature of the capacitor allocation problem is mitigated by using a sigmoid function in the [0,1] interval which is incorporated into the optimum power flow (OPF) through modifications in the power flow equations. The proposed algorithm uses the primal-dual interior point technique to solve the OPF problem. Finally, the sensitivity obtained by sigmoid function which is weighted by the reactive loading of the distribution system, determines step by step the location, size and number of capacitors to be installed in the distribution system. The proposed technique is applied in two distribution systems. The results obtained are compared with the ones obtained using the genetic algorithm.
  • Fluxo de potência ótimo reativo via método da função lagrangiana barreira modificada Sistemas De Potência

    Sousa, Vanusa Alves de; Baptista, Edméa Cássia; Costa, Geraldo R. M da

    Abstract in Portuguese:

    Este artigo apresenta uma nova abordagem para a resolução do problema de Fluxo de Potência Ótimo Reativo. Nesta abordagem, as restrições de desigualdade são tratadas pela associação dos métodos de Barreira Modificada e Primal-Dual Barreira Logarítmica (PDBL). As restrições de desigualdade são transformadas em igualdades introduzindo variáveis de folga positivas e são relaxadas através do parâmetro de barreira. Uma função Lagrangiana é associada ao problema modificado. As condições necessárias de primeira ordem são aplicadas à função Lagrangiana, gerando um sistema de equações não-lineares, o qual é linearizado pelo método de Newton. A relaxação das variáveis de folga resulta na expansão da região factível do problema original, permitindo que os limites das restrições de desigualdade sejam atingidos. Testes numéricos utilizando os sistemas CESP-440kV e SUL-SUDESTE BRASILEIRO e um teste comparativo com o método PDBL indicam que a nova abordagem é eficiente na resolução do problema Fluxo de Potência Ótimo Reativo.

    Abstract in English:

    This work presents a new approach for the resolution of Optimal Reactive Power Flow problem. In this approach, the inequality constraints are treated by the Modified Barrier and Primal-Dual Logarithmic Barrier (PDLB) methods. The inequality constraints are transformed into equalities by introducing positive slack variables and are perturbed by the barrier parameter. A Lagrangian function is associated to the modified problem. The first-order necessary conditions are applied to the Lagrangian function generating a nonlinear system, which is solved by Newton's method. The perturbation of the slack variables results in an expansion of the feasible set of the original problem, allowing the limits of the inequality constraints to be reached. Numeric tests using the CESP and the SOUTH-SOUTHEAST BRAZILIAN systems and a comparative test with PDLB method indicate that the new approach is efficient in the resolution of Optimal Reactive Power Flow problem.
  • Redes neurais aplicadas a relés diferenciais para transformadores de potência Sistemas De Potência

    Segatto, Ênio Carlos; Coury, Denis Vinicius

    Abstract in Portuguese:

    Este trabalho apresenta um sistema completo de proteção diferencial para transformadores de potência, através da teoria de Redes Neurais Artificiais (RNAs). O método proposto trata a classificação do sistema de proteção como um problema de reconhecimento de padrões e constitui um método alternativo aos algoritmos convencionais. Muitos fatores, tais como a energização do transformador e a saturação dos TCs, podem causar uma operação inadequada do relé de proteção. Um sistema de proteção completo foi desenvolvido, incluindo um módulo baseado em RNA em substituição aos filtros harmônicos, usados no algoritmo convencional. Este módulo se constituiu de uma RNA tipo MLP Backpropagation para a classificação de sinais. Abordagens baseadas na reconstrução dos sinais distorcidos causados pela saturação dos TCs são também propostas. Essa análise foi realizada através do emprego de RNAs Recorrentes de Elman, utilizadas para reconstruir os sinais distorcidos pela saturação dos TCs. Essas rotinas foram adicionadas ao algoritmo final de proteção. O desempenho dos algoritmos propostos foi comparado ao do algoritmo convencional de proteção de transformadores, em termos de velocidade e precisão de resposta. Com a utilização de uma ferramenta de inteligência artificial em um algoritmo completo de proteção de transformadores, uma solução precisa, rápida e eficiente foi obtida, se comparada aos métodos convencionais.

    Abstract in English:

    This paper presents a complete differential protection system for power transformers, applying the Artificial Neural Network (ANN) theory. The proposed approach treat the classification of the protection system as a problem of pattern recognition and as an alternative method to the conventional algorithms. Several factors such as, for example, transformer energization and CT saturation can cause an inadequate operation of the protection relay. A complete protection system was developed, including an ANN-based device in substitution to harmonic filters in use in the conventional algorithm. This stage was carried out by a MLP Backpropagtion ANN to the signals classification. Some approaches concerning the reconstruction of the distorted signals caused by the CTs saturation are also proposed. This analysis was made by Elman recurrent ANNs used to reconstruct the distorted signals caused by CT saturation. These routines are added to the final protection algorithm. With the use of artificial intelligence tools in a complete power transformer protection algorithm, a very precise, fast and efficient solution was obtained, if compared to the conventional methods.
  • A comparative analysis of cascaded-multilevel hybrid filters applied in power transmission systems

    Merçon, Alexandre G.; Encarnação, Lucas F.; Monteiro, Luís F. C.; van Emmerik, Emanuel L.; Aredes, Maurício

    Abstract in Portuguese:

    Filtros passivos, comumente utilizados em sistemas de transmissão de corrente contínua em alta tensão (HVDC) para atenuar harmônicos não-característicos, estão sob constante risco de desconexão do sistema devido a problemas de sobrecorrentes. A utilização de filtros ativos puros seria uma das possíveis soluções para resolver o problema dos altos índices harmônicos. No entanto, essa alternativa pode ser impraticável considerando-se a alta potência dos sistemas de transmissão. Este trabalho propõe duas topologias distintas de filtros híbridos para o amortecimento harmônico em sistemas de transmissão de energia. O primeiro combina um filtro ativo de baixa potência em série com filtros passivos, limitando sobrecorrentes, quando existentes, ou melhorando o seu próprio fator de qualidade. O segundo consiste em um filtro ativo em paralelo com filtros passivos, compensando as eventuais sobrecorrentes no sistema onde está conectado. As duas topologias utilizam as mais novas tecnologias em dispositivos semicondutores para alta potência e conversores multiníveis. Resultados de simulações apresentam uma análise comparativa, destacando a eficiência e as diferenças entre os dois filtros híbridos propostos.

    Abstract in English:

    Passive filters, commonly used to attenuate non-characteristic harmonics in High Voltage Direct Current (HVDC) systems, stay at risk of disconnection from the system due to overcurrent problems. A possible solution to solve the problems involving high harmonic levels would be the use of pure active filters. However, this alternative is unpractical due to the high power of the transmission systems. This paper proposes two different topologies of hybrid filters to damp harmonic resonance in power transmission systems. The first one combines a small-rated active filter in series with passive filters, limiting overcurrents, when existent, or improving its own quality factor. The second one consists of an active filter in parallel with passive filters, which compensates all eventual overcurrent in the system bus. Both topologies utilizes the state of the art in very high power semiconductors and multilevel power converters. Simulation results present a comparative analysis, highlighting the efficiency of, and the differences between, the two proposed hybrid filters.
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