Desenvolvimento de controlador preditivo não linear para aplicação em válvulas redutoras de pressão e implementação em HIL

Abstract

Os recursos hídricos vêm se tornando escassos em decorrência de sazonalidades climáticas, aumento do consumo de água da população, atividades de agricultura, entre outros. Dados recentes apontam para perdas de bilhões de reais relacionadas a perdas reais ocasionadas, principalmente, por vazamentos, e aparentes, oriundas muitas vezes de erros de medição. Dessa forma, as perdas físicas contribuem para a escassez da água. Neste contexto, as Válvulas Redutoras de Pressão – VRP podem ser utilizadas em redes de distribuição de água para controlar a pressão à jusante da válvula, reduzir grandes impactos da oscilação de pressão, o que contribui para a redução de rupturas da tubulação e de vazamentos. A modelagem do processo de controle de pressão utilizada nas VRP contém não linearidades e restrições, o que o conduz a um modelo de complexidade elevada. A partir disso, é proposto o controle preditivo não linear (Nonlinear Model Predictive Control- NMPC) aplicado ao processo da VRP, representado por um modelo fenomenológico simplificado, combinado ao modelo de uma rede hidráulica. O processo foi implementado sob duas formas de atuação: a indireta e a direta. A primeira apresenta problemas de estabilidade e sensibilidade e, em decorrência disso, foi proposta uma contribuição que contempla o controle de atuação direta para modelagem fenomenológica simplificada, que não apresenta tais problemas supracitados. O NMPC é uma técnica que utiliza explicitamente o modelo do processo e considera não linearidades e restrições para predizer o comportamento futuro do processo em um horizonte de predição e encontrar uma sequencia ótima de controle a cada instante de amostragem. Uma técnica de parametrização exponencial foi aplicada a fim de reduzir o número de grau de liberdades no problema de otimização on-line, o que corroborou para um melhor desempenho do controlador. Nas simulações baseadas em modelagem indireta, utilizou-se um cenário de consumo residencial e o controlador foi avaliado sob condição ideal (todas as variáveis, inclusive o comportamento futuro do consumidor são conhecidos) e real (apenas variáveis medidas são conhecidas). Para a utilização de modelagem direta são considerados perfis de consumo industrial e residencial, e todos os casos apresentaram condições realísticas de operação da rede hidráulica. A técnica de validação Hardware in the Loop - HIL foi utilizada e representa um importante passo na implementação em tempo real. O controlador embarcado funcionou satisfatoriamente para todos os casos de simulação. Uma abrangente comparação de resultados aponta que o controle NMPC apresenta vantagens para serem utilizadas em VRP.