Controle reconfigurável de processos sujeitos a falhas em atuadores : uma abordagem baseada no MPC em duas camadas

Orientadores: Flávio Vasconcelos da Silva, Thiago Vaz da CostaDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia QuímicaResumo: Plantas industriais modernas estão suscetíveis a falhas em equipamentos de processo e em instrumentos e componentes da malha de controle. Tais eventos anormais podem acarretar danos a equipamentos, degradação do desempenho do processo e até cenários extremos como a parada da planta e acidentes graves. Em vista disso, o emprego de sistemas de controle tolerante a falhas visa a elevar o grau de confiabilidade e segurança do processo por meio do tratamento e mitigação de eventos anormais, evitando que evoluam para situações críticas. Nesse sentido, este trabalho tem como objetivo desenvolver uma técnica de controle reconfigurável tolerante a falhas para processos sujeitos a falhas em atuadores. A presente proposta é baseada em abordagens por atuadores virtuais e ocultação da falha. Essas técnicas consistem no recálculo das ações de controle e na ocultação da falha do ponto de vista do controlador nominal, permitindo que o mesmo seja mantido após a reconfiguração da malha de controle. Na presente proposta, o atuador virtual é baseado na estrutura do controlador preditivo em duas camadas. Uma camada consiste no cálculo de referências para as variáveis de entrada e para o desvio previsto entre o comportamento da planta nominal e com falha. A outra camada, por sua vez, é responsável por conduzir as variáveis de processo para as referências calculadas na etapa anterior. Ambas as camadas são baseadas em problemas de programação quadrática e levam em consideração as restrições do processo, como limites de atuadores e desvios permissíveis em relação ao comportamento nominal da planta. Essa técnica possibilita a consideração de cenários de falhas nos quais não há graus de liberdade suficientes para a manutenção de variáveis controladas em valores desejados. Assim, a estimativa de perturbações permite que novas referências atingíveis sejam calculadas, ainda que haja erros de identificação do modelo pós-falha do processo. Por fim, a estrutura de controle proposta foi aplicada em simulações utilizando um processo de tanques quádruplos, bem como em experimentos conduzidos em uma planta de neutralização de pHAbstract: Modern industrial plants are susceptible to faults in process equipment and in instruments and components of the control loop. Such abnormal events can lead to equipment damage, degradation of process performance and even extreme scenarios such as plant shutdown and serious accidents. Thus, the use of fault-tolerant control systems aims to increase process reliability and safety by treating and mitigating abnormal events, preventing them from evolving to critical situations. In this sense, this work aims to develop a reconfigurable fault tolerant control technique for processes subject to actuator faults. The present proposal is based on the virtual actuator and fault hiding approaches. These techniques consist of recomputing control actions and hiding the fault from the nominal controller perspective, allowing it to be maintained after the control loop reconfiguration. We propose a virtual actuator based on the two-layer model predictive control structure. One layer consists of calculating references for input variables and for the predicted deviation between the nominal and faulty plant behaviors. The other layer, in turn, is responsible for driving process variables to the references calculated in the previous step. Both layers are based on quadratic programming problems and take into account process constraints such as actuator limits and permissible deviations from the nominal plant behavior. This technique allows the consideration of fault scenarios in which there are not enough degrees of freedom for the maintenance of controlled variables in desired values. Thus, disturbance estimation allows the calculation of new achievable references, even though there are identification errors in the post-fault model. Finally, the proposed control structure has been applied to an experimental pH neutralization plant. Finally, the proposed control structure was applied in simulations to a quadruple-tank process as well as in experiments conducted in a pH neutralization plantMestradoSistemas de Processos Quimicos e InformaticaMestre em Engenharia Química130952/2015-0CNP

INVESTIGATION OF ADVANCED CONTROL STRATEGY FOR A pH NEUTRALIZATION PROCESS PLANT

pH neutralization is one of the crucial processes to all industries with various functions range from food processing industry to wastewater treatment. Hence, the process must be maintained at optimum performance to fulfill its functionality. However, pH neutralization is a highly nonlinear process with high sensitivity at the neutralization point. The complexity of the process has challenged the conventional control strategy's performance. Currently, the control strategy used in the pilot plant (PI controller) is adequate with certain range of error. Thus, the objective of this project is to investigate, design and implement advanced control strategy which can improve the overall performance of the conventional control strategy. The calibration results show that the pilot plant's measuring meters have poor accuracy and repeatability. Due to this, no practical experiments have been performed throughout this research. Prior to simulation works, the pilot plant's model obtained from other researcher has been validated. The simulation results show that the model has faster dynamic response compare to the pilot plant. Nevertheless, the model is still being used for simulation. Through this research, the limitation of PI control strategy in controlling nonlinear process has been observed. Fuzzy logic controller (FLC) has been developed to improve the control performance of PI controller. According to the simulation results, FLC has produced excellent control performance with the ability of controlling process' nonlinear region. As a conclusion, advanced control strategy such as FLC is more superior to PI controller in nonlinear process control. For further research, perhaps the advanced control strategy developed can be implemented in the pilot plant to examine its real time performance

Antibody attributes that predict the neutralization and effector function of polyclonal responses to SARS-CoV-2

BACKGROUND: While antibodies can provide significant protection from SARS-CoV-2 infection and disease sequelae, the specific attributes of the humoral response that contribute to immunity are incompletely defined. METHODS: We employ machine learning to relate characteristics of the polyclonal antibody response raised by natural infection to diverse antibody effector functions and neutralization potency with the goal of generating both accurate predictions of each activity based on antibody response profiles as well as insights into antibody mechanisms of action. RESULTS: To this end, antibody-mediated phagocytosis, cytotoxicity, complement deposition, and neutralization were accurately predicted from biophysical antibody profiles in both discovery and validation cohorts. These models identified SARS-CoV-2-specific IgM as a key predictor of neutralization activity whose mechanistic relevance was supported experimentally by depletion. CONCLUSIONS: Validated models of how different aspects of the humoral response relate to antiviral antibody activities suggest desirable attributes to recapitulate by vaccination or other antibody-based interventions

Identification and control of generalized hammerstein processes

Master'sMASTER OF ENGINEERIN

Neural Networks for Modeling and Control of Particle Accelerators

We describe some of the challenges of particle accelerator control, highlight recent advances in neural network techniques, discuss some promising avenues for incorporating neural networks into particle accelerator control systems, and describe a neural network-based control system that is being developed for resonance control of an RF electron gun at the Fermilab Accelerator Science and Technology (FAST) facility, including initial experimental results from a benchmark controller.Comment: 21 p

A Feasibility Study for the Automated Monitoring and Control of Mine Water Discharges

The chemical treatment of mine-influenced waters is a longstanding environmental challenge for many coal operators, particularly in Central Appalachia. Mining conditions in this region present several unique obstacles to meeting NPDES effluent limits. Outlets that discharge effluent are often located in remote areas with challenging terrain where conditions do not facilitate the implementation of large-scale commercial treatment systems. Furthermore, maintenance of these systems is often laborious, expensive, and time consuming. Many large mining complexes discharge water from numerous outlets, while using environmental technicians to assess the water quality and treatment process multiple times per day. Unfortunately, this treatment method when combined with the lower limits associated with increased regulatory scrutiny can lead to the discharge of non-compliant water off of the mine permit. As an alternative solution, this thesis describes the ongoing research and development of automated protocols for the treatment and monitoring of mine water discharges. In particular, the current work highlights machine learning algorithms as a potential solution for pH control.;In this research, a bench-scale treatment system was constructed. This system simulates a series of ponds such as those found in use by Central Appalachian coal companies to treat acid mine drainage. The bench-scale system was first characterized to determine the volumetric flow rates and resident time distributions at varying flow rates and reactor configurations. Next, data collection was conducted using the bench scale system to generate training data by introducing multilevel random perturbations to the alkaline and acidic water flow rates. A fuzzy controller was then implemented in this system to administer alkaline material with the goal of automating the chemical treatment process. Finally, the performance of machine learning algorithms in predicting future water quality was evaluated to identify the critical input variables required to build these algorithms. Results indicate the machine learning controllers are viable alternatives to the manual control used by many Appalachian coal producers

Continuous-time block-oriented nonlinear modeling with complex input noise structure

The continuous-time closed-form algorithms to sinusoidal input changes are proposed and presented for single-input, single-output (SISO) Hammerstein and Wiener systems with the first-order, second-order, and second-order plus lead dynamics. By simulation on theoretical Hammerstein and Wiener systems, the predicted responses agree exactly with the true process values. They depend on only the most recent input change. The algorithms to SISO Hammerstein and Wiener systems can be conveniently extended to the multiple-input, multiple-output (MIMO) systems as shown by the two-input, two-output examples and demonstrated by the simulated seven-input, five-output continuous stirred tank reactor (CSTR). The predictions and the simulated theoretical responses agree exactly and the predicted multiple CSTR outputs are close to the true process outputs. The proposed algorithms can predict the responses closer to the true values when comparing with the piece-wise step input approximation of the sinusoidal input changes on a simulated MIMO CSTR. In addition, as the noisy process input could be decomposed as summation of sinusoidal signals imposed on a step input change; the proposed algorithms can be employed to predict outputs for the noisy process inputs once the decomposition is done and the predicted noisy process outputs are shown to be close to the true ones, and are much better than the predictions based on the perfect filtering of the input signals.;The estimating equations based on the moment method are proposed for the Wiener dynamic process with stochastically correlated process input disturbances or noises and they work well for the parameter estimation. No one has ever proposed such method before. This approach has led to stable and robust estimators that have reasonable estimation errors and there is no need to measure the input disturbances or noises, or to calculate the time derivative of the observed output variable. Only the original process output observations over time are needed. The original model can be shifted to an approximate model under some conditions. This approximation is acceptable based on some analysis and derivation. The estimating equation methodology was shown to work well for the approximate model, while other existing methods do not work at all

Probing entry inhibitors' activity on HIV and development of new fusion inhibitors : integrating evolutionary biology with virology

Tese de doutoramento, Farmácia (Microbiologia), Universidade de Lisboa, Faculdade de Farmácia, 2011The general aims of this thesis were: 1) to examine the C2, V3 and C3 envelope regions ofHIV-1 and HIV-2 at the molecular, evolutionary and structural levels; 2) to compare HIV-1and HIV-2 susceptibility to entry inhibitors and assess their potential value in HIV-2therapy; 3) to produce a new fusion inhibitor peptide using evolutionary biology basedstrategies.In the first study (Chapter 2), HIV-1 and HIV-2 were compared at the molecular,evolutionary and structural levels in the C2, V3 and C3 envelope regions. We identifiedsignificant structural and functional constrains to the diversification and evolution of C2,V3 and C3 in the HIV-2 envelope but not in HIV-1. In particular, we found that V3 in HIV-2is less exposed and more conserved than in HIV-1, suggesting fundamental differences inthe biology and infection of these viruses as well as in their susceptibility to entryinhibitors.In the second study (Chapter 3) we measured the baseline susceptibility of HIV-1 and HIV-2primary isolates to different fusion inhibitors and coreceptor antagonists, includingenfuvirtide (T-20) and maraviroc (MVC). MVC inhibited HIV-2 R5 variants at significantlyhigher IC90 concentrations than HIV-1 variants. Moreover, as previously found in HIV-1,susceptibility of HIV-2 R5 variants to MVC was inversely related with CD4+ T cell counts attime of virus isolation. These results suggest that the structure of the envelope complex ofR5 variants changes along the course of infection. More importantly, the results call fornew clinical studies to evaluate the efficacy of MVC in HIV-2 infection and to determine itsbest therapeutic dosage in early and late stage disease. We also provide definitiveevidence demonstrating that T-20 is not useful for HIV-2 therapy.In the final study (Chapter 4), we designed a new HIV fusion inhibitor peptide (P3) basedon the ancestral sequences of the HIV-2 and SIV envelope genes. P3 has an a-helixstructure as demonstrated by circular dichroism. It has broad antiviral activity at thenanomolar range against HIV-1 and HIV-2 primary isolates, including HIV-1 variantsresistant to T-20. Binding ELISA assays and selection of resistant mutants suggest that P3prevents viral fusion by binding to the transmembrane protein in the HR1 region. Thesestudies provide proof of concept that viable antiviral peptides can be constructed usingevolutionary biology strategies. Such strategies should be explored to enhance theproduction of peptide drugs and vaccines.O Vírus da Imunodeficiência Humana do tipo 1 e do tipo 2 (VIH-1 e VIH-2) são os agentes etiológicos do Síndrome de Imunodeficiência Adquirida (SIDA). Embora sejam semelhantes na sua organização estrutural e genómica, estes lentivírus humanos apresentam características antigénicas distintas e partilham uma semelhança genética de apenas 50%. Enquanto o VIH-1 é responsável pela pandemia mundial, a infecção pelo VIH-2 localiza-se sobretudo na África Ocidental, em alguns países europeus como Portugal e França, e na Índia. A infecção pelo VIH-2 tem melhor prognóstico, a progressão para a doença é mais lenta e há melhor controlo imunológico do que na infecção pelo VIH-1. Ao contrário do VIH-1, o arsenal terapêutico actualmente disponível para tratar a infecção por VIH-2 é reduzido. Os fármacos antiretrovirais em uso foram especificamente desenvolvidos para o VIH-1 e, consequentemente, a sua actividade pode ser reduzida ou nula no VIH-2. Este é o caso concreto dos inibidores não nucleosídicos da transcriptase reversa e de alguns inibidores da protease. Neste contexto, os inibidores de entrada poderão ser úteis para tratar a infecção por VIH-2. Contudo, a susceptibilidade dos isolados primários de VIH-2 aos inibidores de entrada é actualmente desconhecida. A susceptibilidade do VIH aos inibidores de entrada é determinada pela qualidade da interacção do vírus com os receptores celulares. O VIH-1 e VIH-2 são substancialmente diferentes a este nível. Por exemplo, o VIH-2 pode ligar-se ao co-receptor CCR5 independentemente do receptor CD4 e da região V3 do invólucro. Por outro lado, as regiões C2, V3 e C3 do VIH-2 são substancialmente diferentes do VIH-1 a nível antigénico. Colectivamente, estes dados indicam que a estrutura e conformação das glicoproteínas de superfície do VIH-1 e VIH-2 são substancialmente diferentes e sugerem que a susceptibilidade e resistência dos dois tipos de vírus aos inibidores de entrada podem também ser diferentes. Os principais objectivos desta tese foram: 1) analisar as características moleculares, estruturais e evolutivas das regiões C2, V3 e C3 no VIH-1 e VIH-2; 2) comparar a susceptibilidade do VIH-1 e VIH-2 aos inibidores de entrada e avaliar o seu potencial terapêutico na infecção por VIH-2; 3) produzir um novo inibidor de fusão para o VIH-2. Para melhor compreender as potenciais diferenças destes dois vírus na resposta aos inibidores de entrada começámos por analisar as características moleculares, estruturais e evolutivas da região V3 e as regiões circundantes C2 e C3, num número significativo de vírus VIH-1 e VIH-2 isolados em Portugal e noutras regiões do globo, com recurso a diferentes metodologias de biologia evolutiva e computacional (Capitulo 2). Apesar da menor variabilidade das 3 regiões no VIH-2, verificámos que a região C3 está sob forte selecção positiva e encontra-se exposta à superfície sugerindo que, tal como no VIH-1, esta região poderá constituir um domínio neutralizante. No entanto, ao contrário do VIH-1, a maioria das mutações adaptativas no VIH-2 são prejudiciais e levam à extinção das linhagens virais pelo que o efeito final é um forte constrangimento à variabilidade das regiões analisadas. Ao contrário do VIH-1, verificámos que a ansa V3 do VIH-2 se encontra oclusa no complexo glicoproteico do invólucro, numa conformação que parece ser estabilizada por interacções que mantém com alguns resíduos da regiões C2 e C3. Estes resultados são consistentes com o facto de a V3 não ser imunodominante no VIH-2, ficando assim mais protegida da resposta imunitária e das eventuais mutações que dela resultam. A forte conservação da V3, da C2 e da C3 também é consistente com a sua potencialmente importante actividade imunosupressora. Em conclusão, este primeiro estudo permitiu caracterizar algumas das características estruturais e funcionais que distinguem as glicoproteínas do invólucro do VIH-1 e do VIH-2 e que estão associadas às diferentes características biológicas e fenotípicas destes dois vírus. Estes dados podem ter impacto na resposta dos dois vírus aos inibidores de entrada (analisado no Capítulo 3) e no desenvolvimento de novas vacinas. No segundo estudo (Capítulo 3) comparámos a actividade antiviral dos antagonistas dos coreceptores (AMD3100, TAK-779 e maraviroc) e dos inibidores de fusão (T-20 e T-1249) entre um grupo de 20 isolados de VIH-2 (19 isolados primários + um isolado laboratorial) e nove isolados de VIH-1 (sete isolados primários + dois isolados laboratoriais). Verificámos que a sensibilidade ao AMD3100 e ao TAK-779 é semelhante no VIH-1 e o VIH-2. No entanto, o perfil da curva dose-resposta do maraviroc (MVC) obtido para os isolados R5 foi diferente nos dois tipos de vírus. No VIH-2 os valores de IC90 foram significativamente mais elevados do que no VIH-1; por outro lado, os declives da curva dose-resposta foram mais baixos no VIH-2 do que no VIH-1. Colectivamente, estes resultados sugerem que poderão ser necessárias concentrações mais elevadas de MVC para tratar os doentes infectados pelo VIH-2. Adicionalmente, encontrámos uma correlação forte e de sentido inverso entre as susceptibilidade do VIH-2 ao MVC e o número de células T CD4+ dos doentes quando os vírus foram isolados. Vírus isolados em doentes em fase de SIDA foram menos susceptíveis ao MVC do que os vírus isolados em doentes com uma contagem de células T CD4+ superior a 200 células/ul. Ao contrário do VIH-1 não encontrámos qualquer correlação entre a carga da V3 e a susceptibilidade dos isolados R5 de VIH-2 ao MVC. De um modo geral, os nossos resultados sugerem que são necessários ensaios clínicos para avaliar a efectividade do MVC na infecção pelo VIH-2, determinar a dose terapêutica mais adequada e esclarecer se é necessário fazer um ajuste de dose de acordo com a fase da doença. Adicionalmente, e uma vez que isolados VIH-2 X4 e populações duplas/mistas são totalmente ou parcialmente resistentes ao MVC, é de extrema importância o desenvolvimento de um ensaio de tropismo (genotípico e/ou fenotípico) para o VIH-2 de modo a determinar o tropismo antes do início da terapia com MVC. Sem o conhecimento prévio do tropismo viral, o tratamento com MVC poderá seleccionar espécies X4 minoritárias que estão associadas a maior resistência à neutralização e uma progressão mais rápida da doença. No que diz respeito aos inibidores de fusão, verificámos que o T-20 tem actividade reduzida no VIH-2, confirmando estudos anteriores realizados com dois isolados laboratoriais. Por outro lado, observámos uma elevada susceptibilidade deste vírus ao T- 1249, indicando que os inibidores de fusão são potencialmente eficazes na infecção pelo VIH-2. Assim, o desenvolvimento de um novo inibidor de fusão do VIH-2 foi o objectivo do último estudo desta tese (Capítulo 4). No Capítulo 4, desenvolvemos novos péptidos inibidores de fusão a partir da reconstrução de sequências ancestrais da glicoproteína gp36 do invólucro de VIH-2 e de Vírus de Imunodeficiência dos Símios (VIS). Com esta abordagem inovadora pretendemos incorporar a história evolutiva dos vírus na sequência dos péptidos e desta forma melhorar a tolerância destas moléculas aos polimorfismos naturais da sua região alvo bem como às mutações de resistência seleccionadas na sua presença. Obteve-se um péptido ancestral (P3) constituído por 34 aminoácidos, cuja sequência corresponde às posições homólogas 628 – 661 da proteína Env do isolado VIH-1 HXB2 (ou 623 – 656 do isolado VIH-2 ROD). A sequência do P3 difere em 21 aminoácidos da sequência consenso de VIH-1, 14 aminoácidos da sequência do T-20 e 6 aminoácidos da sequência consenso de VIH-2. Ao contrário da natureza não-estruturada do T-20, o P3 tem uma conformação típica em hélice-a, o que lhe poderá conferir maior a estabilidade contra a degradação proteolítica, bem como maior afinidade para a região alvo. Por outro lado, o P3 foi facilmente solúvel em soluções aquosas o que é uma vantagem num futuro desenvolvimento de uma fórmula farmacêutica. O P3 demonstrou ter uma forte actividade antiviral contra isolados primários e laboratoriais de VIH-1 e VIH-2 (IC50 médio, 11 nM para o HIV-1 e 63.8 nM para o HIV-2), incluindo variantes resistentes ao T-20 (IC50, 0.15 – 11.8 nM). Através da passagem consecutiva de vírus em cultura na presença do péptido, foi seleccionada uma mutação de resistência na região HR1 da gp41 (VIH-1), a qual é responsável pela redução da susceptibilidade do VIH-1 ao P3 em 120x. Nas mesmas condições, e após 60 dias em cultura, não foi possível seleccionar mutações de resistência ao P3 no VIH-2. Estes resultado, em conjugação com a sua forte ligação à glicoproteína transmembranar de um isolado de VIH-2, indicam que, tal como outros péptidos baseados na região HR2 (T-20, T- 1249), o P3 inibe a entrada do VIH pela interacção com a região HR1 da gp41 e sugerem que a barreira genética para a resistência ao P3 é significativamente superior no VIH-2 do que no VIH-1. Neste estudo demonstrámos ainda que o P3 é significativamente menos antigénico do que o T-20 nos doentes infectados pelo VIH-1 o que poderá traduzir-se numa maior duração da eficácia clínica do P3 em comparação com o T-20. Os resultados obtidos com o P3 demonstram pela primeira vez que é possível desenvolver péptidos com actividade antiviral significativa utilizando metodologias de biologia evolutiva, pelo que esta abordagem poderá ser explorada no futuro para a produção de medicamentos peptídicos e, eventualmente, de vacinas