Multivariable Tracking Control of a Bioethanol Process under Uncertainties

Bioethanol is one of the most studied alternative fuels nowadays. Due to its production process complexity and the low quality of the mathematical models that describe it, a reliable controller is needed to maximize the fuel production and minimize its environmental impact, even in the presence of uncertainty. Here, a controller for tracking optimal profiles considering model errors and external perturbations is proposed. This work is an improvement of a previously presented technique. To reduce the earlier mentioned uncertainties' effect during the fermentation, some tracking error integrators are added in the control action calculation. This simple modification ensures the tracking error convergence to zero, even in the presence of uncertainties (demonstration available). Different tests are carried out and a performance comparison with the original controller is shown to highlight improvements in the tracking error of up to 98% when integrators are incorporated. Furthermore, a classical PI controller is contrasted with the proposed techniques.Fil: Fernández Puchol, María Cecilia. Universidad Nacional de San Juan. Facultad de Ingeniería. Instituto de Ingeniería Química; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - San Juan; ArgentinaFil: Pantano, Maria Nadia. Universidad Nacional de San Juan. Facultad de Ingeniería. Instituto de Ingeniería Química; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - San Juan; ArgentinaFil: Serrano, Mario Emanuel. Universidad Nacional de San Juan. Facultad de Ingeniería. Instituto de Ingeniería Química; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - San Juan; ArgentinaFil: Scaglia, Gustavo Juan Eduardo. Universidad Nacional de San Juan. Facultad de Ingeniería. Instituto de Ingeniería Química; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - San Juan; Argentin

State Estimation and Nonlinear Tracking Control Simulation Approach: Application to a Bioethanol Production System

Tracking control of specifc variables is key to achieve a proper fermentation. This paper analyzes a fed-batch bioethanol production process. For this system, a controller design based on linear algebra is proposed. Moreover, to achieve a reliable control, on-line monitoring of certain variables is needed. In this sense, for unmeasurable variables, state estimators based on Gaussian processes are designed. Cell, ethanol and glycerol concentrations are predicted with only substrates measurement. Simulation results when the controller and estimators are coupled, are shown. Furthermore, the algorithms were tested with parametric uncertainties and disturbances in the control action, and are compared, in all cases, with neural networks estimators (previous work). Bayesian estimators show a performance improvement, which is refected in a decrease of the total error. Proposed techniques give reliable monitoring and control tools, with a low computational and economic cost, and less mathematical complexity than neural network estimators.Fil: Fernández Puchol, María Cecilia. Universidad Nacional de San Juan. Facultad de Ingeniería. Instituto de Ingeniería Química; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - San Juan; ArgentinaFil: Pantano, Maria Nadia. Universidad Nacional de San Juan. Facultad de Ingeniería. Instituto de Ingeniería Química; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - San Juan; ArgentinaFil: Rodriguez Aguilar, Leandro Pedro Faustino. Universidad Nacional de San Juan. Facultad de Ingeniería. Instituto de Ingeniería Química; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - San Juan; ArgentinaFil: Scaglia, Gustavo Juan Eduardo. Universidad Nacional de San Juan. Facultad de Ingeniería. Instituto de Ingeniería Química; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - San Juan; Argentin

Open-Loop Dynamic Optimization for Nonlinear Multi-Input Systems: Application to Recombinant Protein Production

This paper proposes a novel strategy for dynamic open-loop optimization of multivariable nonlinear systems.The methodology is based on the Fourier seriesand orthonormal polynomialsfor the control vector parameterization in a sequential direct solution approach. The advantages of this technique are that a few number of parameters is required for optimization and a smooth control profile is obtained. The proposed strategy is evaluated in the case study of recombinant protein production, that is a nonlinear system with two control actions, the substrate and inhibitor feed flow rate. The algorithms are tested through simulations and the results are compared with those published in the bibliography.Fil: Pantano, Maria Nadia. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - San Juan; Argentina. Universidad Nacional de San Juan. Facultad de Ingeniería. Instituto de Ingeniería Química; ArgentinaFil: Fernández Puchol, María Cecilia. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - San Juan; Argentina. Universidad Nacional de San Juan. Facultad de Ingeniería. Instituto de Ingeniería Química; ArgentinaFil: Rossomando, Francisco Guido. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - San Juan. Instituto de Automática. Universidad Nacional de San Juan. Facultad de Ingeniería. Instituto de Automática; ArgentinaFil: Scaglia, Gustavo Juan Eduardo. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - San Juan; Argentina. Universidad Nacional de San Juan. Facultad de Ingeniería. Instituto de Ingeniería Química; Argentin

Linear Algebra Based Control: Application to a Second Order Chained FormSystem

Control of underactuated systems with non-holonomic constraints has been an issue of interest in recent years. These systems are hard to control because their linearization makes them uncontrollable and current approaches generally involve complex calculations.In this manuscript,a controller for trajectory tracking and positioning for a second-order chained form system using a simple approach based on linear algebra is proposed.The control law is formulated by setting two of the six variables trajectories, while the other four are calculated assuming the equations system has an exact solution, and ensuring the error tendsto zero. The stability of the proposed control system is demonstrated through the KhalilLemma, and simulations show theperformance of the controller.Fil: Rodriguez Aguilar, Leandro Pedro Faustino. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - San Juan; Argentina. Universidad Nacional de San Juan. Facultad de Ingeniería. Instituto de Ingeniería Química; ArgentinaFil: Fernández Puchol, María Cecilia. Universidad Nacional de San Juan. Facultad de Ingeniería. Instituto de Ingeniería Química; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - San Juan; ArgentinaFil: Sanchez, Mabel Cristina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Bahía Blanca. Planta Piloto de Ingeniería Química. Universidad Nacional del Sur. Planta Piloto de Ingeniería Química; ArgentinaFil: Scaglia, Gustavo Juan Eduardo. Universidad Nacional de San Juan. Facultad de Ingeniería. Instituto de Ingeniería Química; Argentina. Universidad Nacional de San Juan. Facultad de Ingeniería. Instituto de Ingeniería Química; Argentin

Estrategias de mejoramiento para fermentaciones alcohólicas

En esta tesis se pretende proporcionar herramientas para el manejo de fermentaciones alcohólicas a partir del diseño de un controlador basado en álgebra lineal y métodos numéricos, estimando aquellas variables que no pueden ser medidas en línea (para lo cual se propone un estimador de redes neuronales y un estimador bayesiano basado en procesos gaussianos) y disminuyendo los efectos de incertidumbres de modelado y perturbaciones externas (proponiendo dos estrategias distintas, una estimando incertidumbres aditivas y la otra mediante el agregado de integradores del error de seguimiento en el cálculo de la acción de control). De esta manera se pretende lograr un mejoramiento económico y técnico-productivo del proceso, y al mismo tiempo hacer que éste sea ambientalmente sostenible.Fil: Fernández Puchol, María Cecilia. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - San Juan; Argentina. Universidad Nacional de San Juan. Facultad de Ingeniería. Instituto de Ingeniería Química; Argentin

Additive Uncertainty Consideration for Nonlinear and Multivariable Bioprocess Control

Biological processes are becoming more frequent nowadays due to the wide variety of products obtained from them and their possibility of making environmentally friendly some processes while high standard products are obtained. Nevertheless, controlling them has many difficulties due to their complex dynamic (multivariable and highly nonlinear systems) subject to modeling uncertainties and external disturbances presence. In this paper, two possibilities of improvement for a previously presented technique are proposed. In the first one, an approach based on the error estimation using Newtons backward interpolation is included in the design equations to decrease the uncertainties effect; while in the second one, some tracking error integrators are added in the control action calculation. Alternatives are applied in a bioethanol system, tested under different conditions and compared to show the improvements.Fil: Fernández Puchol, María Cecilia. Universidad Nacional de San Juan. Facultad de Ingeniería. Instituto de Ingeniería Química; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - San Juan; ArgentinaFil: Pantano, Maria Nadia. Universidad Nacional de San Juan. Facultad de Ingeniería. Instituto de Ingeniería Química; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - San Juan; ArgentinaFil: Rodríguez, Leandro. Universidad Nacional de San Juan. Facultad de Ingeniería. Instituto de Ingeniería Química; ArgentinaFil: Scaglia, Gustavo Juan Eduardo. Universidad Nacional de San Juan. Facultad de Ingeniería. Instituto de Ingeniería Química; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - San Juan; Argentin

Multivariable Control for Tracking Optimal Profiles in a Nonlinear Fed-Batch Bioprocess Integrated with State Estimation

This paper aims to solve the problem of tracking optimal profiles for a nonlinear multivariable fed-batch bioprocess by a simple but efficient closed-loop control technique based on a linear algebra approach. In the proposed methodology, the control actions are obtained by solving a system of linear equations without the need for state transformations. The optimal profiles to follow are directly those corresponding to output desired variables, therefore, estimation of states for nonmeasurable variables is considered by employing a neural networks method. The efficiency of the proposed controller is tested through several simulations, including process disturbances and operation under parametric uncertainty. The optimal controller parameters are selected through the Montecarlo Randomized Algorithm. In addition, proof of convergence to zero of tracking errors is analyzed and included in this article.Fil: Pantano, Maria Nadia. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - San Juan; Argentina. Universidad Nacional de San Juan. Facultad de Ingeniería. Instituto de Ingeniería Química; ArgentinaFil: Serrano, Mario Emanuel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - San Juan; Argentina. Universidad Nacional de San Juan. Facultad de Ingeniería. Instituto de Ingeniería Química; ArgentinaFil: Fernández Puchol, María Cecilia. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - San Juan; Argentina. Universidad Nacional de San Juan. Facultad de Ingeniería. Instituto de Ingeniería Química; ArgentinaFil: Rossomando, Francisco Guido. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - San Juan. Instituto de Automática. Universidad Nacional de San Juan. Facultad de Ingeniería. Instituto de Automática; ArgentinaFil: Ortiz, Oscar Alberto. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - San Juan; Argentina. Universidad Nacional de San Juan. Facultad de Ingeniería. Instituto de Ingeniería Química; ArgentinaFil: Scaglia, Gustavo Juan Eduardo. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - San Juan; Argentina. Universidad Nacional de San Juan. Facultad de Ingeniería. Instituto de Ingeniería Química; Argentin

A Fourier-based control vector parameterization for the optimization of nonlinear dynamic processes with a finite terminal time

In this paper, a novel strategy for finding the optimal operation profiles for nonlinear dynamic processes is developed. Based on the direct sequential stochastic framework for dynamic optimization, this work proposes a technique based on Fourier series for the control vector parameterization, as an alternative to the traditional methods. This approach has the advantage of choosing a high degree of smoothness to avoid sharp changes for the input variables, which is preferred in most chemical and biological processes. On the other hand, when several arcs are present in the qualitative optimal profile, the number of param- eters can be increased for a better approximation. The proposed strategy was applied to four well-studied nonlinear processes, covering batch and fed-batch reactors, and multi-input systems. The algorithm was tested through simulations. Good performances were obtained in comparison to some previous results available in the literature.Fil: Pantano, María Laura. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - San Juan; Argentina. Universidad Nacional de San Juan. Facultad de Ingeniería. Instituto de Ingeniería Química; ArgentinaFil: Fernández Puchol, María Cecilia. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - San Juan; Argentina. Universidad Nacional de San Juan. Facultad de Ingeniería. Instituto de Ingeniería Química; ArgentinaFil: Ortiz, Oscar Alberto. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - San Juan; Argentina. Universidad Nacional de San Juan. Facultad de Ingeniería. Instituto de Ingeniería Química; ArgentinaFil: Scaglia, Gustavo Juan Eduardo. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - San Juan; Argentina. Universidad Nacional de San Juan. Facultad de Ingeniería. Instituto de Ingeniería Química; ArgentinaFil: Vega, Jorge Ruben. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Santa Fe. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química. Universidad Nacional del Litoral. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química; Argentina. Universidad Tecnológica Nacional; Argentin

Parameters optimization applying Monte Carlo methods and evolutionary algorithms: Enforcement to a trajectory tracking controller in non-linear systems

En este trabajo se propone una estrategia de control en lazo cerrado para el seguimiento de perfiles óptimos previamente definidos para un bioproceso fed-batch. La mayor ventaja de este enfoque es que las acciones de control se calculan resolviendo un sistema de ecuaciones lineales, sin tener que linealizar el modelo matemático, lo que permite trabajar en cualquier rango. Además, se plantean tres técnicas para la sintonización de los parámetros del controlador diseñado. Primero se propone un método de Monte Carlo, el cual es un método probabilístico. En segundo lugar, se presenta una metodología basada en Algoritmos Genéticos, una técnica evolutiva de optimización. La tercera alternativa es el desarrollo de un Algoritmo Híbrido, diseñado a partir de la combinación de los dos métodos anteriores. En todos los casos, el objetivo es encontrar los parámetros del controlador que minimicen el error total de seguimiento de trayectorias. El desempeño del controlador se evalúa a través de simulaciones en condiciones normales de operación y frente a incertidumbre paramétrica, empleando los parámetros del controlador obtenidos.In this work, a closed-loop control strategy is proposed. It allows tracking optimal profiles for a fed-batch bioprocess. The main advantage of this approach is that the control actions are computed from a linear equations system without linearizing the mathematical model, which allows working in any range. In addition, three techniques are developed to tune the controller. First, a completely probabilistic method, Monte Carlo. Second, a methodology based on Genetic Algorithms, an evolutionary optimization technique. Third, a Hybrid Algorithm, combining above algorithms advantages. Here, the objective function is to find the controller parameters that minimize the trajectory tracking total error. The controller performance is evaluated through simulations under normal operations conditions and parametric uncertainty, using the obtained controller parameters.Fil: Fernández Puchol, María Cecilia. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - San Juan; Argentina. Universidad Nacional de San Juan. Facultad de Ingeniería. Instituto de Ingeniería Química; ArgentinaFil: Pantano, Maria Nadia. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - San Juan; Argentina. Universidad Nacional de San Juan. Facultad de Ingeniería. Instituto de Ingeniería Química; ArgentinaFil: Godoy, Sebastián. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - San Juan; Argentina. Universidad Nacional de San Juan. Facultad de Ingeniería. Instituto de Ingeniería Química; ArgentinaFil: Serrano, Mario Emanuel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - San Juan; Argentina. Universidad Nacional de San Juan. Facultad de Ingeniería. Instituto de Ingeniería Química; ArgentinaFil: Scaglia, Gustavo Juan Eduardo. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - San Juan; Argentina. Universidad Nacional de San Juan. Facultad de Ingeniería. Instituto de Ingeniería Química; Argentin

Fermentation monitoring by Bayesian states estimators. Application to red wines elaboration

Winemakers must understand all chemical aspects involved and make the right decisions to obtain a high quality product. In a winemaking process, the tracking and control of certain variables are keys to achieve a proper fermentation. This paper presents state estimators design based on Gaussian processes, for on-line alcoholic fermentation monitoring in red wines. For this study, 18 fermentations of three different varietals, Cabernet Sauvignon, Malvec and Tannat, were analyzed to train and validate the estimators. Samples were taken from Merced del Estero, a San Juan industrial winery. Then, cell concentration was determined by neubauer chamber count, while ethanol and total sugars concentrations by infrared absorption spectroscopy. Results show a suitable prediction of cell and ethanol content when only substrate measurement is available. Furthermore, the proposed estimator is compared with a competitive approach (neural network) to highlight the suitability of Bayesian theory for this type of application. This paper provides a reliable monitoring tool, with low computational and economic cost to facilitate the work of winemakers.Fil: Fernández Puchol, María Cecilia. Universidad Nacional de San Juan. Facultad de Ingeniería. Instituto de Ingeniería Química; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - San Juan; ArgentinaFil: Pantano, Maria Nadia. Universidad Nacional de San Juan. Facultad de Ingeniería. Instituto de Ingeniería Química; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - San Juan; ArgentinaFil: Rossomando, Francisco Guido. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - San Juan. Instituto de Automática. Universidad Nacional de San Juan. Facultad de Ingeniería. Instituto de Automática; ArgentinaFil: Amicarelli, Adriana Natacha. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - San Juan. Instituto de Automática. Universidad Nacional de San Juan. Facultad de Ingeniería. Instituto de Automática; ArgentinaFil: Scaglia, Gustavo Juan Eduardo. Universidad Nacional de San Juan. Facultad de Ingeniería. Instituto de Ingeniería Química; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - San Juan; Argentin