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    Robust control design of an activated sludge process

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    Integrating dynamic economic optimization and nonlinear closed-loop GPC: Application to a WWTP

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    Producciรณn CientรญficaIn this paper, a technique that integrates methods of dynamic economic optimization and real-time control by including economic model predictive control and closed-loop predictive control has been developed, using a two-layer structure. The upper layer, which consists of an economic nonlinear MPC (NMPC), makes use of the updated state information to optimize some economic cost indices and calculates in real time the economically optimal trajectories for the process states. The lower layer uses a closed-loop nonlinear GPC (NCLGPC) to calculate the control actions that allow for the outputs of the process to follow the trajectories received from the upper layer. This paper also includes the theoretical demonstration proving that the deviation between the state of the closed-loop system and the economically time varying trajectory provided by the upper layer is bounded, thus guaranteeing stability. The proposed approach is based on the use of nonlinear models to describe all the relevant process dynamics and cover a wide operating range, providing accurate predictions and guaranteeing the performance of the control systems. In particular, the methodology is implemented in the N-Removal process of a WWTP and the results demonstrate that the method is effective and can be used profitably in practical cases such as the chemical, refinery and petrochemical process industries.Ministerio de Economรญa y Competitividad - (project DPI2015- 67341C21R)Junta de Castilla y Leon y Fondo Europeo de Desarrollo Regional (FEDER) - (grants CLU 2017-09 and UIC 233

    Activity Report: Automatic Control 1976-1977

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    Dynamical Analysis and Robust Control Synthesis for Water Treatment Processes

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    Nowadays, water demand and water scarcity are very urgent issues due to population growth, drought and poor water quality all over the world. Therefore, water treatment plants are playing a vital role for good living condition of human. Water area needs more concentration study to increase water productivity and decrease water cost. This dissertation presents the analysis and control of water treatment plants using robust control techniques. The applied control algorithms include Hโˆž, gain scheduled and observer-based loop-shaping control technique. They are modern control algorithms and very powerful in robust controlling of systems with uncertainties and disturbances. The water treatment plants include a desalination system and a wastewater process. Since fresh water scarcity is getting more serious, the desalination plants are to produce drinking water and wastewater treatment plants give the reusable water. The desalination system is a RO one used to produce drinking water from seawater and brackish water. The nonlinear behaviors of this system is carefully analyzed before the linearization. Due to the uncertainty caused by concentration polarization, the system is linearized using linear state-space parametric uncertainty framework. The system also suffer from many disturbances which water hammer is one of the most influential one. The mixed robust Hโˆž and ฮผ-synthesis control algorithm is applied to control the RO system coping with large uncertainties, disturbances and noises. The wastewater treatment process is an activated sludge process. This biological process use microorganisms to convert organic and certain inorganic matter from wastewater into cell mass. The process is very complex with many coupled biological and chemical reactions. Due to the large variation in the influent flow, the system is modelized and linearized as a linear parametric varying system using affine parameter-dependent representation. Since the influent flow is quickly variable and easily to be measured, the robust gain scheduled robust controller is applied to deal with the large uncertainty caused by the scheduled parameter. This control algorithm often gives better performances than those of general robust Hโˆž one. In the wastewater treatment plant, there exist an anaerobic digestion, which is controlled by the observer-based loop-shaping algorithm. The simulations show that all the controllers can effectively deal with large uncertainties, disturbances and noises in water treatment plants. They help improve the system performances and safeties, save energy and reduce product water costs. The studies contribute some potential control approaches for water treatment plants, which is currently a very active research area in the world.Contents ยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยท iv List of Tables ยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยท viii List of Figures ยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยท ix Chapter 1. Introduction ยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยท 1 1.1 Reverse osmosis process ยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยท 2 1.2 Activated sludge process ยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยท 6 1.3 Robust Hโˆž and gain scheduling control ยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยท 10 Chapter 2. Robust Hโˆž controller ยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยท 13 2.1 Introduction ยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยท 13 2.2 Uncertainty modelling ยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยท 13 2.2.1 Unstructured uncertainties ยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยท 14 2.2.2 Parametric uncertainties ยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยท 15 2.2.3 Structured uncertainties ยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยท 16 2.2.4 Linear fractional transformation ยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยท 16 2.3 Stability criterion ยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยท 17 2.3.1 Small gain theorem ยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยท 17 2.3.2 Structured singular value (muy) synthesis brief definition ยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยท 19 2.4 Robustness analysis and controller design ยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยท 20 2.4.1 Forming generalised plant and N-delta structure ยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยท 20 2.4.2 Robustness analysis ยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยท 24 2.5 Reduced controller ยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยท 26 2.5.1 Truncation ยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยท 27 2.5.2 Residualization ยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยท 29 2.5.3 Balanced realizationยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยท 29 2.5.4 Optimal Hankel norm approximation ยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยท 31 Chapter 3. Robust gain scheduling controller ยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยท 37 3.1 Introduction ยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยท 37 3.2 Linear parameter varying (LPV) system ยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยท 39 3.3 Matrix Polytope ยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยท 40 3.4 Polytope and affine parameter-dependent representation ยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยท 41 3.4.1 Polytope representation ยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยท 41 3.4.2 Affine parameter-dependent representation ยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยท 42 3.5 Quadratic stability of LPV systems and quadratic (robust) Hโˆž performance ยทยทยทยทยทยทยทยทยท 43 3.6 Robust gain scheduling ยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยท 44 3.6.1 LPV system linearization ยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยท 44 3.6.2 Polytope-based gain scheduling ยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยท 45 3.6.3 LFT-based gain scheduling ยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยท 48 Chapter 4. Mixed robust Hโˆž and ฮผ-synthesis controller applied for a reverse osmosis desalination system ยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยท 52 4.1 RO principles ยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยท 52 4.1.1 Osmosis and reverse osmosis ยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยท 52 4.1.2 Dead-end filtration and cross-flow filtration ยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยท 53 4.2 Membranes ยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยท 54 4.2.1 Structure and material ยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยท 54 4.2.2 Hollow fine fiber membrane module ยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยท 55 4.2.3 Spiral wound membrane module ยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยท 57 4.3 Nonlinear RO modelling and analysis ยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยท 58 4.3.1 RO system introduction ยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยท 58 4.3.2 Modelling ยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยท 60 4.3.3 Nonlinear analysis ยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยท 62 4.3.4 Concentration polarization ยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยท 64 4.4 Water hammer phenomenon ยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยท 66 4.4.1 Water hammer, column separation and vaporous cavitation ยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยท 66 4.4.2 Water hammer analysis and simulation ยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยท 69 4.4.3 Prevention of water hammer effectยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยท 78 4.5 RO linearization ยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยท 79 4.5.1 Nominal linearization ยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยท 79 4.5.2 Uncertainty modeling ยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยท 81 4.5.3 Parametric uncertainty linearization ยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยท 83 4.6 Robust Hโˆž controller design for RO system ยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยท 85 4.6.1 Control of uncertain RO system ยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยท 85 4.6.2 Robustness analysis and Hโˆž controller design ยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยท 86 4.7 Simulation result and discussionยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยท 90 4.8 Conclusion ยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยท 95 Chapter 5. Robust gain scheduling control of activated sludge process ยทยทยทยทยทยทยท 96 5.1 Introduction about activated sludge process ยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยท 96 5.1.1 State variables ยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยท 98 5.1.2 ASM1 processes ยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยท 100 5.1.3 The control problem of activated sludge process ยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยท 102 5.2 System modelling ยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยท 104 5.3 Model linearization ยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยท 107 5.4 Robust gain-schedule controller design for activated sludge process ยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยท 109 5.5 Simulation result and discussionยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยท 115 5.6 Conclusion ยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยท 120 Chapter 6. Observer-based loop-shaping control of anaerobic digestion ยทยทยทยท 121 6.1 Introduction ยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยท 121 6.1.1 Control problem in anaerobic digestion ยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยท 122 6.2 System modelling ยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยท 123 6.3 Controller design ยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยท 124 6.3.1 Hโˆž loop-shaping controller ยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยท 125 6.3.2 Coprime factor uncertainty ยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยท 126 6.3.3 Control synthesis ยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยท 127 6.4 Simulation result ยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยท 131 6.5 Conclusion ยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยท 133 Chapter 7. Conclusion ยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยท 134 References ยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยท 136 Appendices ยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยทยท 144Docto

    Compressor Scheduling and Pressure Control for an Alternating Aeration Activated Sludge Process - a Simulation Study Validated on Plant Data:Wastewater Treatment and Reuse

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    Aiming at reducing their emissions, wastewater treatment plants (WWTP) seek to reduce their energy consumption, where a large amount is used for the aeration. The case plant, Grindsted WWTP uses an alternating aeration strategy, with a common air supply system facilitating the process in four aeration tanks and thus making optimisation challenging. In this work, a nonlinear model of the air supply system is designed, in which multiple key parameters are estimated by data-driven optimization. Subsequently, a model-based control strategy for scheduling of compressors and desired airflow is proposed, to save energy without compromising the aeration performance. The strategy is based upon partly static- partly dynamic models of the compressors, describing their efficiency in terms of system head and volumetric airflow rate. The simulation study uses real plant data and shows great potential for improvement of energy efficiency, regardless of the aeration pattern in any of the four process tanks, and furthermore contributes to a reduction in compressor restarts per day. The proposed method is applicable to other WWTP with multiple compressors in the air supply system, as this study is conducted using first principle models validated on data from the daily operation

    Activity Report: Automatic Control 1985-1987

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    Activity Report: Automatic Control 1973-1974

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    Decentralized Control of an Activated Sludge Process via Modern Pid Tuning Techniques with Guaranteed Stability Margins

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    In this research, the decentralized control of an Activated Sludge Process (ASP) with the modern Proportional-Integral Derivative (PID) controller tuning techniques is discussed. This tuning technique provides the entire closed loop stabilizing set for a dynamic process. Recent extensions in this algorithm are used to find stability margins feasible from the stabilizing set. The ASP model considered here is a multivariable four-state non-linear model and is linearized to a Two Input Two Output process for control purposes. The input-output pairs are selected by ignoring interactions in the process and the controllers are tuned for these individual control loops. The designed controllers are simulated with the additive process interactions and with the nonlinear model to discuss the effects on designed closed loop stability margins. The closed loop stabilizing sets are obtained, and the necessary design requirements are specified. Frequency responses for models with and without interactions, and with the non-linear model are compared to validate the design. The models are also subjected to the disturbances to check the performance of controllers. Finally, the design is compared to a multivariable controller to show advantages of using this design methodology for this process

    A review of convex approaches for control, observation and safety of linear parameter varying and Takagi-Sugeno systems

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    This paper provides a review about the concept of convex systems based on Takagi-Sugeno, linear parameter varying (LPV) and quasi-LPV modeling. These paradigms are capable of hiding the nonlinearities by means of an equivalent description which uses a set of linear models interpolated by appropriately defined weighing functions. Convex systems have become very popular since they allow applying extended linear techniques based on linear matrix inequalities (LMIs) to complex nonlinear systems. This survey aims at providing the reader with a significant overview of the existing LMI-based techniques for convex systems in the fields of control, observation and safety. Firstly, a detailed review of stability, feedback, tracking and model predictive control (MPC) convex controllers is considered. Secondly, the problem of state estimation is addressed through the design of proportional, proportional-integral, unknown input and descriptor observers. Finally, safety of convex systems is discussed by describing popular techniques for fault diagnosis and fault tolerant control (FTC).Peer ReviewedPostprint (published version
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