Formalismo para la síntesis de sensores virtuales basados en un modelo maestro de base fenomenológica

En esta tesis se propone una estructura de estimación de estado y parámetros para procesos químicos, la cual se basa en la información a priori que se tiene del proceso y en la combinación de estimadores clásicos cuyo diseño es de fácil comprensión. La estructura propuesta permite realizar los diseños del observador de estado y los estimadores de parámetros de forma independiente, lo cual simplifica el cálculo de las ganancias que ellos requieren. El método de diseño se basa principalmente en el análisis del modelo del sistema, más que en la solución de una gran estructura matemática de estimación de estado y parámetros, lo cual permite diseñar con un mejor criterio el tipo de estimador de estado requerido y definir los parámetros críticos que se deben estimar. El análisis de la estructura propuesta se realiza con un modelo no lineal de un reactor de tanque agitado en continuo (CSTR) que tiene tres variables de estado; sin embargo, los resultados obtenidos pueden ser fácilmente extendidos a otro tipo de procesos con estructuras de modelos similares. De hecho, en este trabajo también se aplica la metodología en un modelo de gasificador de carbón en lecho fluidizado presurizado con 10 variables de estado. Los resultados obtenidos con la estructura propuesta son satisfactorios y mejores que los arrojados por estimadores de estado clásicos. / Abstract: In this thesis is proposed a structure of state and parameters estimation for chemical processes, which is based on a priori information that is had of the process, and in the combination of classic estimators which design is of easy understanding. The proposed structure allows realizing the designs of the state observer and the estimators of parameters of independent form, which simplifies the calculation of the gains that they require. The design method is based mainly on the model system analysis, more than in the solution of a large mathematical structure parameters state estimation, which allows to design with, a better criterion, the type of required state estimator and to define the critical parameters considered for estimation. The analysis of the proposed structure is realized with a nonlinear model of a Continuous Stirred Tank Reactor (CSTR) that has three state variables; nevertheless, the obtained results can easily be extended to other type of processes with similar model structures. In fact, in this work, the methodology is also applied to a model of coal gasifier with 10 state variables. The results obtained with the proposed structure are satisfactory and better than the obtained with classic state estimators.Doctorad

HOSM State Estimation and Robust PID Control of a Chemical Process

This paper presents some results of the authors’ studies on robust estimation and control for chemical processes. Here, an observer-based controller is designed for a chemical process. A High Order Sliding Mode Observer (HOSMO) for state and parameter estimation is synthesized and, a Multi-Variable PID (MV-PID) controller is calculated using the estimated variables. The HOSMO presents insensitivity and robustness against a class of uncertainties in the system, and the MV-PID allows the tracking of slow-varying and piecewise constant references, which are often proposed to drive chemical processes. Numerical simulations show that the observer-based controller presents a good performance in presence of parametric variations, which often are presented in chemical processes; the proposed structure is compared with a First Order Sliding Mode Observer (FOSMO) coupled with a MV-PID.CinvestavUniversidad Nacional de Colombi

State and Parameter Estimation of a CSTR

In the continuation of authors’ studies on estimation and control for Continuous Stirred-Tank Reactors (CSTR), a new structure to estimate the concentration of reactive state, the global heat transfer coefficient, and the heat of reaction parameters is proposed here. This scheme consist of an Observer Based Estimator (OBE) connected in cascade with a High Order Sliding Mode Observer (HOSMO). The OBE estimates the global heat transfer coefficient, and the HOSMO estimates the heat of reaction, and the concentration of reactive. Numerical simulations show that the whole structure presents a good performance in presence of parametric variations, which often are presented in chemical processes.Universidad Nacional de ColombiaCINVESTA

Diseño un controlador robusto basado en observador para el modelo lineal de un helicóptero de un grado de libertad (VTOL)

Este artículo propone un controlador basado en observador para un modelo de helicóptero tipo VTOL de un grado de libertad. El objetivo de control es mantener la posición del VTOL en un punto de operación, a pesar de las incertidumbres ocasionadas por inexactitud en el modelo y ruido en las mediciones. El controlador y el observador son diseñados con base en algoritmos que inducen modos deslizantes en el sistema en lazo cerrado, ofreciendo características de robustez y convergencia en tiempo finito. Los resultados de simulación muestran un buen desempeño del esquema propuesto tanto en condiciones de ausencia de ruido como cuando se consideran mediciones ruidosas.Universidad Nacional de ColombiaCinvestavColcienciasBanco Mundia

State and unknown input estimation in a CSTR using higher-order sliding mode observer

The aim of this paper is to design and analyze an observer based on high-order sliding mode to estimate states and unknown inputs in a continuous stirred tank reactor (CSTR). Additionally, the designed HOSM allows to reduce the chattering. The performance of HOSM observer is compared with a 1-order sliding mode observer.ColcienciasUniversidad Nacional de ColombiaCinvesta

Estrategias de control y estimación de estado por modos deslizantes para un horno eléctrico

Este artículo presenta el diseño de un observador por modos deslizantes de segundo orden para una planta con modelo lineal, asumiendo ruido en la variable medida. Adicionalmente se propone un controlador de alto orden por modos deslizantes para una de las variables de estado asociadas al proceso. Para finalizar, se realiza un ejemplo con las respectivas simulaciones. This paper presents the design of a sliding mode observer for a second order linear plant model, assuming noise in the measured variable. Additionally, high order controller for sliding for state variables associated with the process modes is proposed. Finally, an example is made with the respective simulations.Universidad Nacional de ColombiaCINVESTAVColciencia

A Soft Sensor for Biomass in a Batch Process with Delayed Measurements

This paper presents a soft sensor to estimate the biomass concentration in a batch bioprocess used in production of δ-endotoxins of Bacillus thuringiensis, subject to delayed measurements. The soft sensor proposed is based on a cascade observer-predictor algorithm. The observer stage is based on a class of second order sliding mode algorithms, allowing a fixed time estimation of the biomass. Additionally, the prediction stage offsets the effect of the delay in measurements. Simulations show the feasibility of the proposed observer.Universidad Nacional de ColombiaCINVESTAV-IPNITESO, A.C

Representación mediante grafcet del accionamiento de generadores sincrónicos en una central hidroeléctrica modernizada

En este trabajo se muestra el desarrollo de los diagramas Grafcet (Gráfico funcional de control de etapas y transiciones) que describen el accionamiento de una unidad de generación hidroeléctrica del Sistema Interconectado Nacional. El enfoque del trabajo se centra en la metodología utilizada y en algunos diagramas Grafcet obtenidos para el caso de paro normal de la unidad de generación. Se demuestra que, con la utilización de estos diagramas, es posible mejorar la operación de la planta, lograr un mayor entendimiento del accionamiento y facilitar el entrenamiento de nuevo personal

Robust Estimation for a CSTR Using a High Order Sliding Mode Observer and an Observer-Based Estimator

This paper presents an estimation structure for a continuous stirred-tank reactor, which is comprised of a sliding mode observer-based estimator coupled with a high-order sliding-mode observer. The whole scheme allows the robust estimation of the state and some parameters, specifically the concentration of the reactive mass, the heat of reaction and the global coefficient of heat transfer, by measuring the temperature inside the reactor and the temperature inside the jacket. In order to verify the results, the convergence proof of the proposed structure is done, and numerical simulations are presented with noiseless and noisy measurements, suggesting the applicability of the posed approach.ITESO, A.C.Universidad Nacional de Colombi

Estimación de estado e incertidumbre en un CSTR mediante Observador Asintótico y modos deslizantes de alto orden

En este artículo se propone una estructura de estimación de estado para un Reactor de Tanque Agitado en Continuo (CSTR), mediante un Observador Asintótico, conjuntamente con un estimador de perturbaciones basado en un algoritmo de modos deslizantes de alto orden, tipo Super Twisting Generalizado. El esquema de estimación propuesto permite la reconstrucción asintótica de la concentración en el reactor, con base en la medición de la temperatura al interior del mismo y de la chaqueta, en la presencia de cambios en el coeficiente global de intercambio de calor UA, la constante de frecuencia k_0 de la ecuación de Arrhenius y la energía de activación E. Adicionalmente, la estructura es capaz de estimar UA y el término k_0 e^(-E/RT) de la cinética. Las propiedades del esquema propuesto se demuestran matemáticamente y a través de simulaciones.Universidad Nacional de ColombiaCinvesta