DETERMINAÇÃO DA DEGRADAÇÃO DE UMA VÁLVULA AERONÁUTICA ATRAVÉS DA CURVA
DE HISTERESE
ANANDA S. RIBEIRO1, TAKASHI YONEYAMA2, RODRIGO F. SOUTO1, WALLACE TURCIO1.
EMBRAER – Empresa Brasileira de Aeronáutica
São José dos Campos, SP, 12227901, Brasil
E-mails: [email protected], [email protected],
[email protected]
1.
2. Departamento de Sistemas e Controle, ITA – Instituto Tecnológico de Aeronáutica
São José dos Campos, SP, 12228900, Brasil
E-mail: [email protected]
Abstract This work presents a method to select parameters and use them in an index to identify the degradation level of an aeronautic valve of the type PRSOV (Pressure Regulator and Shutoff Valve), a valve of the bleed air system of aircrafts. This index function is to be used as an input to the valve controller reconfiguration as the valve presents degradation while ages. The monitoring of
degradation rates can provide information to modify the controller parameters in order to increase the valve useful life, to allow
maintenance services planning or even to prevent the system performance being meaningfully impacted by the valve aging. The sort
of degradation considered was the venting orifice obstruction. The study was made based on the valve mathematical model, in which
was possible to vary the degradation and verify how it influences the model response. The parameters were selected based on the
analysis of the hysteresis graphic morphology. The results allowed the identification of the most recommended parameters to monitor
and the evaluation of the valve degradation through them.
Keywords Degradation, Pneumatic Valve, Monitoring, Hysteresis.
Resumo Este estudo apresenta um método para selecionar grandezas e utilizá-las na composição de um índice para identificar o
nível de degradação da válvula aeronáutica do tipo PRSOV (Pressure Regulator and Shutoff Valve), utilizada em sistemas de extração de ar do motor. A função desse índice é de servir como entrada para a reconfiguração do controlador da válvula à medida que ela
apresenta degradação com o seu envelhecimento. O monitoramento de índices de degradação pode fornecer informações para a alteração de parâmetros do controlador para estender a vida útil da válvula, auxiliar o planejamento dos serviços de manutenção, ou
mesmo impedir que o desempenho do sistema seja afetado significativamente pelo envelhecimento da válvula. O tipo de degradação
considerado foi o entupimento do venting orifice (orifício de exaustão do bocal-palheta do motor de torque). O estudo foi feito com
base em um modelo matemático da válvula, onde foi possível variar a degradação e verificar seu impacto na resposta do modelo. As
grandezas foram selecionadas a partir da análise da morfologia da curva de histerese. Os resultados permitiram identificar os parâmetros mais recomendados para serem monitorados e avaliar entupimento do venting orifice por meio deles.
Palavras-chave Degradação, Válvula Pneumática, Monitoramento, Histerese.
1
Introdução
A motivação para o desenvolvimento deste artigo está em monitorar a degradação de um atuador
devido ao tempo de uso e condições de operação
(considerada como o envelhecimento) para que seja
possível mitigar suas consequências por meio da
reconfiguração do controlador do sistema. Tal degradação causa os seguintes impactos:
1. Redução do desempenho do sistema, já que
a degradação fará o atuador se afastar de sua condição nominal.
2. Redução da vida útil do atuador com consequente impacto na substituição do atuador e no planejamento logístico para a manutenção.
Essas duas consequências do envelhecimento foram consideradas. Para utilizar controladores reconfiguráveis, um enfoque é fazer um diagnóstico do
atuador para identificar mudanças no componente,
nesse caso a degradação, e com base no resultado
obtido, modificar a lei de controle. Isso pode ser
feito de modo que, enquanto o atuador ainda é utilizável, obtenha-se um desempenho adequado apesar
da degradação ou um aumento da vida útil. Essas
duas metas são, muitas vezes, conflitantes.
Mesmo no caso de serem utilizados controladores robustos às variações de parâmetros do atuador, o
monitoramento do índice de degradação permitiria a
emissão de alertas antes de se atingirem níveis críticos de desgaste. Logo, uma das dificuldades é a definição de limites para a substituição do atuador.
Dentro deste contexto, este trabalho propõe uma
metodologia para mensurar o envelhecimento do
atuador, que para esse estudo foi escolhida a válvula
PRSOV (Pressure Regulator and Shutoff Valve),
reguladora de pressão, que faz parte do sistema
pneumático das aeronaves (Moir & Seabridge, 2008;
Turcio, 2014). Este sistema extrai ar do motor e fornece ar comprimido para os sistemas de ar condicio-
nado, pressurização, degelo e outros que possuam
demanda pneumática.
Esse tema está relacionado com o campo de estudo PHM (Prognostics and Health Management)
(Blanke et al., 2006; Alves et al., 2009). A saúde de
um equipamento ou sistema é a degradação ou desvio do seu estado normal esperado. Prognóstico é a
predição do estado futuro de saúde com base no estado atual e no seu histórico (Pecht, 2008). O gerenciamento de saúde de um sistema tem potencial para
prover muitos benefícios, como por exemplo, a redução de custos de manutenção e aumento da segurança (Gomes et al., 2010). A maior motivação no uso
das tecnologias de diagnóstico e prognóstico está em
permitir novos conceitos de logística e suporte, chamados de condition-based maintenance (CBM),
performance-based logistics (PBL) ou autonomic
logistics. Os objetivos são maximizar a vida útil do
componente e minimizar custos de manutenção e
operação (Vachtsevanos et al., 2006).
Alguns estudos já foram realizados sobre a aplicação de PHM em válvulas pneumáticas. Daigle e
Goebel (2011) aplica um algoritmo de filtro de partículas a uma válvula pneumática do sistema de reabastecimento criogênico do spaceshuttle. O algoritmo de classificação binária Support Vector Machine
(SVM) foi utilizado em um método de prognóstico
aplicado a uma válvula do sistema de extração de ar
do motor de uma aeronave por Moreira e
Nascimento Júnior (2012). Gomes et al. (2010) aplicou um sistema de monitoramento de saúde a uma
válvula pneumática utilizada em sistemas de regulação de pressão. O método utilizado é baseado em
análise estatística de desvios do sinal de pressão controlada de um comportamento de referência na presença de degradação da válvula.
1.1 Objeto de Estudo
Existem várias possíveis arquiteturas para as
válvulas PRSOV. Os resultados obtidos com o método apresentado neste trabalho poderão variar a depender da arquitetura da válvula. A válvula considerada neste trabalho é atuada pneumaticamente e
controlada eletronicamente através de um motor de
torque. Este regula a vazão de ar insuflada e exaurida da câmara de abertura da válvula de forma a controlar a sua pressão e fazer o pistão se mover e atuar
a borboleta para um ângulo cuja interferência no
escoamento cause uma perda de carga que garanta
que a pressão desejada seja atingida no volume a
jusante da borboleta da válvula. Esta válvula dispõe
de regulador de pressão servo, ou PRV (pressure
reducer valve) e de uma realimentação pneumática
(não existente na válvula da Figura 1) que conecta a
pressão a jusante da borboleta à sua câmara de fechamento.
A degradação da válvula pode estar relacionada
a problemas como vazamentos, entupimentos, atrito
e histerese magnética no motor de torque. Essa degradação afeta o desempenho do sistema e poderia
levar a consequências como desconforto associado à
taxas elevadas de variação da pressão de cabine,
impacto na vida das máquinas de ar condicionado,
alarmes espúrios mostrados aos pilotos e desarmes
do sistema de extração de ar do motor, com impacto
na despachabilidade (prontidão para operação) e
imagem do produto.
1.2 Modelo da Válvula
Para o desenvolvimento desse trabalho foi utilizado um modelo matemático da válvula PRSOV
elaborado pelo time de Simulação de Sistemas Ambientais da Embraer S.A. Trata-se de um modelo
caixa-preta, i.e., sem acesso à sua estrutura interna,
implementado no ambiente Simulink®. O modelo
fornecido é mostrado na Figura 2.
A Figura 1 demonstra um diagrama esquemático de uma válvula PRSOV típica.
Figura 1. Diagrama esquemático de uma válvula reguladora de
pressão PRSOV (Adaptado de Turcio, 2014).
Figura 2. Modelo Simulink® da Válvula PRSOV.
O bloco principal do modelo da Figura 2 representa a válvula e possui entradas para simular o
comportamento degradado da válvula. Essas entradas recebem ganhos proporcionais ao nível de degradação que podem ser manipulados na simulação
para que seja avaliada a influência da degradação no
modelo da válvula.
As entradas disponíveis representam a degradação por fricção (atrito), o entupimento do charging
orifice (orifício de alimentação do bocal-palheta do
motor de torque) e o entupimento do venting orifice.
O tipo de degradação avaliado nesse estudo é o entupimento do venting orifice, que está sendo representados no modelo por meio do ganho VOG (Venting Orifice Gain). O valor nominal do ganho é unitário e o entupimento aumenta ao diminuir o ganho
VOG (a diminuição do ganho caracteriza uma redução da área equivalente desse orifício).
Figura 3. Corrente de controle (%) para teste de histerese
2 Metodologia Utilizada
O software para identificar o envelhecimento
deverá ser embarcado na aeronave. Um típico ambiente embarcado apresenta muitas dificuldades para a
implementação, como por exemplo: a banda disponível para transito de mensagens, a capacidade de
armazenamento de informações e a disponibilidade
de processamento são limitadas (Black et al., 2004).
Por esse motivo o monitoramento e a lógica para
identificar a degradação devem ser simples e a quantidade de dados necessários a mínima possível.
Foi realizada a análise da morfologia da curva
de histerese com o objetivo de selecionar um ou mais
parâmetros que fossem simples de serem caracterizados, medidos e calculados com base no nível de
degradação. Além disso, também havia o objetivo de
encontrar o limite máximo de degradação que pode
ser tolerado antes da substituição da válvula. O parâmetro escolhido e o limite foram utilizados para
propor um índice de degradação.
A pressão e temperatura ambiente no local da
válvula (entradas do modelo) foram mantidas constante em 14,7 psiA e 25°C, respectivamente. O ganho de degradação VOG foi variado a partir da condição da válvula nova, aumentando o entupimento
para avaliar o impacto no modelo.
A curva de histerese foi obtida aplicando-se um
perfil de corrente ao motor de torque. A pressão de
entrada foi mantida constante em 45 psig e a corrente de controle variada de 0 mA até seu valor máximo, conforme a Figura 3. Nos gráficos não foi utilizado o valor real da corrente, mas em porcentagem,
para fins de proteção da informação.
Foi gerada uma curva de variação da pressão de
saída com a corrente. Os parâmetros avaliados estão
exemplificados na Figura 4.
Figura 4. Parâmetros da curva de histerese. O eixo X da curva é o
valor da corrente de controle e o eixo Y a pressão de saída.
O valor máximo da pressão de saída é o valor
máximo após a curva ascendente da histerese, no
instante que a corrente atinge o valor 100%.
A largura da curva de histerese é a diferença no
valor da corrente das curvas ascendente e descendente para determinado valor de pressão
O ponto de interseção superior da curva é o valor de corrente onde as curvas de subida e descida se
encontram para pressão máxima. A distância superior é a variação entre a corrente no ponto superior
de interseção e a corrente máxima.
O ponto de interseção inferior é o valor de corrente onde as curvas de subida e descida se encontram para pressão zero. A distância inferior é a variação entre a corrente zero e a corrente no ponto inferior de interseção.
Para todos os parâmetros, exceto a pressão máxima, foi calculado o valor em porcentagem da máxima corrente.
A escolha dos parâmetros dependeu da sensibilidade de cada um ao aumento da degradação e da
característica da curva. O limite máximo para VOG
foi definido com base na necessidade de substituição
da válvula. Ele está relacionado com a dificuldade
de controlar e regular a válvula e a capacidade de
abrir e fechar a válvula totalmente. Os critérios utilizados foram os seguintes limites:
 A distância inferior deve possuir no mínimo 25% do valor da corrente máxima.
 A largura deve corresponder a no máximo
25% da corrente máxima.
 O limite para o valor da pressão máxima da
curva de histerese irá depender do sistema
em que a válvula for instalada. Foi utilizado
o valor mínimo de 40 psig, que foi considerado razoável para esse critério.
3 Análise dos Resultados
A Figura 5 representa as curvas de histerese para diferentes valores do ganho VOG. À medida que
o entupimento aumenta, a curva de histerese se desloca para a esquerda no gráfico.
Figura 8. Variação da distância inferior em relação ao valor máximo
da corrente.
Figura 5. Influência do entupimento do venting orifice na curva de
histerese da pressão de saída.
Os parâmetros pressão máxima, largura da curva, distância superior e distância inferior para cada
valor do ganho VOG estão representados nas figuras
abaixo.
Figura 6. Variação no valor máximo da pressão.
Figura 7. Variação na largura da curva em relação ao valor máximo
da corrente.
Figura 9. Variação da distância superior em relação ao valor máximo da corrente.
A pressão máxima (Figura 6) não é modificada
com a degradação, se mantém constante. A Figura 7
mostra que ao variar o ganho de venting orifice de 1
a 0,41 a largura em porcentagem da máxima corrente está sempre abaixo do limite máximo de 20%. Os
gráficos se deslocam para a esquerda, por esse motivo a distância inferior em porcentagem da máxima
corrente atinge valores abaixo do limite mínimo de
25%. O limite é atingido com o valor do ganho
VOG de 0,66, como pode ser visto na Figura 8. Este
deve ser o limite mínimo para a substituição da válvula.
Devido a esse efeito também é possível visualizar na Figura 9 um aumento na distância superior.
Com a válvula nova, essa distância representa apenas 7,5% da corrente máxima, mas à medida que o
entupimento do venting orifice aumenta, a distância
superior também aumenta e representa até 30% do
valor da corrente máxima.
Entre os parâmetros da curva analisados, a variação do ponto inferior com o ganho de degradação
(Figura 8) foi o que apresentou uma característica
mais próxima de uma reta, portanto mais simples de
calcular, e maior sensibilidade. Para identificar o
envelhecimento devido ao venting orifice foi selecionado esse parâmetro.
4 Proposta para Monitoramento do Envelhecimento
A partir do resultado da análise foi proposta
uma solução para determinar o envelhecimento da
PRSOV.
4.1 Determinação de VOG
A partir dos dados obtidos com a análise de histerese no modelo Simulink® para o parâmetro selecionado, a posição do ponto de interseção inferior,
foi determinada uma equação que representa o ganho de degradação em função desse parâmetro. Para
isso foi realizado um ajuste de curva para o conjunto
de pontos obtido. O método escolhido que melhor se
adequou a esse conjunto de dados foi a regressão
polinomial de segundo grau. A Tabela 1 contém os
dados de corrente em mA obtidos com a simulação e
a Figura 10 representa a curva ajustada.
Tabela 1. Variação na posição do ponto inferior de interseção da
curva de histerese com o entupimento do venting orifice.
Posição do ponto infe-
Ganho de Venting Orifice
rior de interseção
(VOG)
(mA)
VOG  1,58 10 5  PI 2  0,00277  PI  0,226 (1)
A reta ajustada possui erro padrão 0,003. Podese observar que o polinômio ajustado poderia ser
aproximado por uma reta, porém o erro padrão das
curvas iria aumentar com essa aproximação. Por
esse motivo, optou-se por deixar o resultado como
um polinômio de segundo grau.
4.2 Indicador da Degradação devido ao Envelhecimento da Válvula PRSOV
Com o valor calculado do ganho VOG através
da curva ajustada e do valor limite para a substituição da válvula, definido na análise da curva de histerese, pode-se determinar o estágio da degradação da
válvula (DV) em porcentagem como descrito na Equação 2.
DV 
1  VOG
 100
1  0,66
(2)
DV igual a 0% corresponde à válvula nova e
DV igual a 100% corresponde à válvula no limite da
vida útil, necessitando ser substituída.
Não foi determinada a vida útil restante em
termos de tempo, já que não havia dados históricos
da taxa de degradação da válvula em operação. Todos os cálculos tiveram como referência o valor do
ganho VOG.
149,92
1,00
136,52
0,90
123,49
0,81
106,20
0,70
4.3 Exemplo de Utilização do Indicador
88,99
0,6
72,11
0,51
51,31
0,41
Para exemplificar a utilização da equação criada
a partir do método apresentado, dois casos de cálculo
da degradação da válvula serão expostos. O primeiro
foi feito utilizando uma válvula nova, ou seja, ganho
VOG com valor unitário. E no segundo caso foi considerada a válvula envelhecida. Os resultados estão
apresentados na Tabela 2.
Tabela 2. Exemplos de cálculos do índice de degradação.
VOG (inserido
como entrada
no modelo)
PI (mA)
VOG calculado com a
equação 1
1
0,75
149,92
114,26
1,00
0,75
DV calculado com
a equação
2
0,00%
73,53%
Figura 10. Determinação do ganho de venting orifice a partir da
posição do ponto inferior de interseção da curva de histerese.
5 Conclusão
Para calcular a degradação da válvula (ganho
VOG) a partir do valor da posição do ponto de interseção inferior (PI) da curva de histerese, utiliza-se a
expressão para a curva ajustada descrita na Equação
1, calculada conforme o método da regressão polinominal (Chapra e Canale, 2008).
Esse trabalho propôs uma possível solução para
o problema de avaliação do grau de envelhecimento
de uma válvula PRSOV, com base em um índice
para determinar o entupimento do venting orifice da
válvula. O mesmo método pode ser aplicado a outros
tipos de degradação e pode ser adaptado para outros
tipos de atuadores.
A utilização de parâmetros obtidos a partir da
curva de histerese para monitorar a degradação possui a desvantagem de necessitar um teste específico,
com pressão de entrada e correntes definidas, não
sendo possível realizar esse monitoramento durante
o voo. Seria necessário consumir tempo de pista da
aeronave.
Uma limitação da solução apresentada é não terem sido considerados os efeitos combinados dos
vários tipos de degradação da válvula, mas apenas o
tipo em estudo. E também terem sido desconsiderados possíveis distúrbios e perturbações, além da variação na pressão de entrada. Para a aplicação dessa
metodologia será necessário colher dados reais para
comparação e validação e será preciso fazer um ajuste fino das curvas e índices para a válvula real.
Esse trabalho contribuiu para a seleção de grandezas que podem ser utilizadas para a concepção de
índices de degradação e foi proposto um método
para identificação do envelhecimento. Tal monitoramento poderá ter implicações na logística de manutenção ou no desenvolvimento de controladores
mitigadores de desgastes e envelhecimento de componentes vitais e custosos.
Algumas sugestões de trabalhos que podem ser
desenvolvidos a partir deste estão listadas a seguir:
 Levantamento de incertezas do modelo e do
sensor e cálculo do erro no índice de envelhecimento.
 Avaliação dos efeitos no envelhecimento da
válvula quando há mais de um tipo de degradação atuante.
 Criação de um algoritmo para reconfiguração do controlador com base no índice de
envelhecimento.
 Analise do envelhecimento dessa válvula
através de dados históricos e comparação
com a solução proposta, feita com base no
modelo.
Agradecimentos
Agradecimentos à Fundação Casimiro Montenegro Filho pelo apoio a essa pesquisa.
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Systems, John Wiley & Sons, Inc.