Projeto e controle preditivo de uma planta protótipo de bombeio mecânico

Abstract

O presente trabalho trata o projeto e desenvolvimento de um protótipo de um sistema de bombeio mecânico para a elevação artificial de petróleo, incluindo a modelagem e controle do mesmo. Esse protótipo foi construído com o objetivo de mostrar de forma didática os fenômenos físicos que acontecem em um sistema de bombeio mecânico real, se caracterizando como uma interessante plataforma de testes para variadas técnicas de controle. A presença de incertezas no modelo dinâmico desse protótipo, as quais estão usualmente relacionadas à sua montagem elétrica e/ou mecânica, podem prejudicar o controle e o bom desempenho desse sistema. Desse modo, a proposta dessa dissertação teve, além do desenvolvimento de um protótipo funcional de bombeio mecânico, mais dois objetivos principais. O primeiro foi levantar um modelo dinâmico desse protótipo via técnicas de identificação de sistemas. E o segundo foi o estudo e implementação de um controlador avançado baseado em modelo, nesse caso, o Controle Preditivo Generalizado com Restrições. Os resultados obtidos indicam que o modelo desenvolvido é representativo do sistema visto que reproduz a dinâmica do sistema na região de operação para o qual foi projetado. Quanto ao controlador, os resultados obtidos de testes experimentais indicam que este é capaz de lidar com as possíveis incertezas resultantes do modelo e não linearidades inerentes ao sistema. O controlador desenvolvido se mostrou capaz de controlar o sistema em zonas de operação diferentes daquele que o modelo foi derivado. Com isso, este estudo conclui pela viabilidade e a implementação do controladores preditivos em sistemas de bombeio mecânico reais.

This work presents the design of a mechanical pump system prototype, which is used for oil artificial lift, including its modeling and control. This prototype was built with the purpose of didactically showing the physical phenomena that occur in a real mechanical pumping system, and it shows to be a very interesting platform to be explored by different control techniques. The presence of uncertainty in the dynamic model of this prototype, which are usually related to their electrical and/or mechanical assembly, may affect the control performance of this system. Thus, the purpose of this dissertation was the development of a functional mechanical pump prototype, and two other main objectives. The first was to apply system identification techniques in order to identify a dynamic model of this prototype. The second was the study and implementation of an advanced model-based controller, in this case, the Generalized Predictive Control with Constraints is used. The results indicate that the developed model is representative of the system because it explains the dynamics of the system in the operating region for which it was designed. As for the controller, the results of experimental tests indicate its ability to cope with the possible uncertainties arising from the model. The controller was also able to control the system in different operating points for which the model was derived. Thus, it concludes that it is feasible to implement the generalized predictive controller in real mechanical pumping systems.