Estrategias avanzadas de control basadas en la teoría de conjuntos invariantes y MPC económico en lazo cerrado. Aplicación a EDARS

[ES]La creciente demanda de seguridad ambiental, eficiencia energética y altas especificaciones de calidad del producto promueven el desarrollo de algoritmos de control avanzado para mejorar el funcionamiento y el rendimiento de los procesos industriales. Motivado por el hecho de que muchos procesos industriales relevantes se caracterizan por fuertes no linealidades, incertidumbre y restricciones del modelo, y la falta de métodos generales de control lineal o no lineal para tales sistemas, el primer objetivo general de esta tesis es desarrollar una metodología rigurosa, práctica y unificada para el diseño de leyes de control para procesos no lineales con restricciones de entrada, que integra capacidades explícitas de manejo de restricciones en los diseños de controlador y proporciona una caracterización explícita de las propiedades de estabilidad y rendimiento de los controladores diseñados. El segundo objetivo es proporcionar una comprensión fundamental de la naturaleza del problema de control no lineal, así como de las limitaciones impuestas por las no linealidades y restricciones para dirigir la dinámica de tales sistemas. El objetivo final es evaluar el control y estrategias desarrolladas mediante modelos de simulación, utilizando EDAR como caso de estudio. El resto de la tesis se organiza de la siguiente manera. El capítulo 2 contiene una breve descripción de la EDAR y sus diferentes etapas de tratamiento. También presenta los detalles de tres modelos del proceso de fangos activados (ASP) que se utilizarán en los capítulos siguientes. A continuación se describen las perturbaciones que afectan al proceso, algunos índices dinámicos de calidad del efluente y las condiciones operativas requeridas para un funcionamiento adecuado. Este capítulo termina con la descripción del problema de control. El capítulo 3 presenta algunas nociones teóricas y algunas herramientas que se utilizarán en las metodologías propuestas. A partir de ahí, la tesis se compone de dos partes con estrategias de control diferentes. La primera está formada por estrategias de control basadas en el concepto de invariancia positiva y la segunda fundamentalmente por estrategias de control basadas en optimización dinámica en tiempo real. El primer controlador desarrollado en la primera parte es una ley de retroalimentación no lineal que hará que la salida siga rápidamente una entrada escalón de gran amplitud sin experimentar un sobreimpulso grande y sin los efectos adversos de saturación del actuador y asegurando la estabilidad y el cumplimiento de las restricciones. El controlador consiste en una ley de realimentación lineal calculada usando el concepto de invariancia positiva y una ley de realimentación no lineal sin ningún elemento de conmutación. La parte de realimentación lineal está diseñada para producir un sistema en lazo cerrado con una pequeña relación de amortiguación para una respuesta rápida, mientras que al mismo tiempo no excede los límites del actuador para los niveles de entrada requeridos. La ley de realimentación no lineal se utiliza para aumentar la relación de amortiguación del sistema en lazo cerrado cuando la salida del sistema se aproxima a la referencia para reducir el sobreimpulso causado por la parte lineal. El segundo controlador es un MPC en lazo cerrado utilizando conjuntos invariantes poliédricos que proporciona una solución simple a este tipo de control, garantizando la estabilidad y respetando las restricciones sobre magnitud de control y sus incrementos en ambos modos de funcionamiento del controlador dual. La solución propuesta puede tener en cuenta restricciones simétricas y asimétricas, y reduce significativamente la carga computacional asociada con el problema del MPC con restricciones. La segunda parte presenta también dos metodologías de control, la primera de ellas consiste en un nuevo Control Predictivo Generalizado en lazo cerrado no lineal basado en un GPC no lineal económico, como una técnica de control avanzada eficiente para mejorar la economía en la operación de plantas no lineales. El segundo controlador se centra en la integración de optimización dinámica económica y un controlador MPC en lazo cerrado no lineal. La arquitectura está compuesta por dos capas. La capa superior, consistente en un MPC económico que recibe información de estado e información económica dependiente del tiempo, calcula trayectorias de operación variables en el tiempo económicamente óptimas para el proceso, optimizando una función de coste económico dependiente del tiempo sobre un horizonte de predicción finito. La capa inferior utiliza un MPC en lazo cerrado no lineal para calcular acciones de control que obligan a las salidas del proceso a seguir las trayectorias recibidas desde la capa superior. En esta última metodología, se demuestra que la desviación entre el estado del sistema en lazo cerrado y la trayectoria económica que debe seguir está acotada, asegurando la estabilidad

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

Producción CientíficaIn 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 Economía y Competitividad - (project DPI2015- 67341C21R)Junta de Castilla y Leon y Fondo Europeo de Desarrollo Regional (FEDER) - (grants CLU 2017-09 and UIC 233

Integrating Dynamic Economic Optimization and Nonlinear Closed-Loop GPC: Application to a WWTP

In 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

Modelling for operator training in fiberwood manufacturing process

Se desarrolla un modelo matemático detallado del proceso de fabricación de paneles de fibra de madera para ser el núcleo de un gemelo digital para la capacitación de operadores. Estos modelos son capaces de reproducir con precisión variables que no se pueden medir directamente durante la fabricación. En particular, la evolución de variables no medibles a lo largo y dentro de la estera de fibra (presión, temperaturas) se reproduce durante la operación del proceso de prensado en caliente. Para ello, se modelan con suficiente detalle los principales procesos físicos y químicos que tienen lugar en la prensa para evaluar cómo se transporta la energía y la materia. Se proporcionan algunos resultados de simulación para demostrar la capacidad de predecir con precisión las variables internas a lo largo del proceso de prensado en diferentes condiciones de funcionamiento.Funded by Conserjería de Educación of Junta de Castilla y León and EU-FEDER (CLU-2017-09, VA232P18, UIC 225

One Layer Nonlinear Economic Closed-Loop Generalized Predictive Control for a Wastewater Treatment Plant

The main scope of this paper is the proposal of a new single layer Nonlinear Economic Closed-Loop Generalized Predictive Control (NECLGPC) as an efficient advanced control technique for improving economics in the operation of nonlinear plants. Instead of the classic dual-mode MPC (model predictive controller) schemes, where the terminal control law defined in the terminal region is obtained offline solving a linear quadratic regulator problem, here the terminal control law in the NECLGPC is determined online by an unconstrained Nonlinear Generalized Predictive Control (NGPC). In order to make the optimization problem more tractable two considerations have been made in the present work. Firstly, the prediction model consisting of a nonlinear phenomenological model of the plant is expressed with linear structure and state dependent matrices. Secondly, instead of including the nonlinear economic cost in the objective function, an approximation of the reduced gradient of the economic function is used. These assumptions allow us to design an economic unconstrained nonlinear GPC analytically and to state the NECLGPC allow for the design of an economic problem as a QP (Quadratic Programing) problem each sampling time. Four controllers based on GPC that differ in designs and structures are compared with the proposed control technique in terms of process performance and energy costs. Particularly, the methodology is implemented in the N-Removal process of a Wastewater Treatment Plant (WWTP) and the results prove the efficiency of the method and that it can be used profitably in practical cases

One layer nonlinear economic closed-loop generalized predictive control for a wastewater treatment plant

[EN] The main scope of this paper is the proposal of a new single layer Nonlinear Economic Closed-Loop Generalized Predictive Control (NECLGPC) as an efficient advanced control technique for improving economics in the operation of nonlinear plants. Instead of the classic dual-mode MPC (model predictive controller) schemes, where the terminal control law defined in the terminal region is obtained offline solving a linear quadratic regulator problem, here the terminal control law in the NECLGPC is determined online by an unconstrained Nonlinear Generalized Predictive Control (NGPC). In order to make the optimization problem more tractable two considerations have been made in the present work. Firstly, the prediction model consisting of a nonlinear phenomenological model of the plant is expressed with linear structure and state dependent matrices. Secondly, instead of including the nonlinear economic cost in the objective function, an approximation of the reduced gradient of the economic function is used. These assumptions allow us to design an economic unconstrained nonlinear GPC analytically and to state the NECLGPC allow for the design of an economic problem as a QP (Quadratic Programing) problem each sampling time. Four controllers based on GPC that differ in designs and structures are compared with the proposed control technique in terms of process performance and energy costs. Particularly, the methodology is implemented in the N-Removal process of a Wastewater Treatment Plant (WWTP) and the results prove the efficiency of the method and that it can be used profitably in practical cases.[ES] Este trabajo propone un nuevo controlador predictivo generalizado en lazo cerrado no lineal y económico (NECLGPC), implementado en una única capa, como una técnica de control avanzado para mejorar la economía en la operación de plantas. En vez del clásico controlador predictivo en modo dual, donde la ley de control terminal definida en la región terminal se obtiene fuera de línea mediante la resolución de un problema LQR, en este trabajo la ley de control terminal se determina en línea utilizando un controlador predictivo generalizado no lineal sin restricciones (NGPC). Para resolver el problema de optimización se han realizado dos consideraciones. En primer lugar, el modelo de predicción consistente en un modelo fenomenológico no lineal de la planta se expresa mediante una estructura lineal y matrices dependientes del estado. En segundo lugar, en vez de incluir en la función objetivo un término no lineal referente a los costes económicos, se incluye una aproximación consistente en el gradiente reducido de la función económica. Estos requisitos permiten diseñar un controlador GPC no lineal sin restricciones analíticamente y plantear el problema del NECLGPC como un problema de programación cuadrática (QP) cada periodo de muestreo. Se han comparado cuatro controladores basados en GPC con el propuesto en este trabajo en términos de desempeño y costes energéticos. Como caso de estudio la metodología se ha implementado en el proceso de eliminación de nitrógeno en una planta depuradora de aguas residuales (WWTP), mostrando la eficiencia del método para casos prácticos

ICNF2021 – 5th International Conference on Natural Fibers Materials of the Future

A model of a fiberwood panel manufacturing process is being developed. This model is developed to re-produce the evolution of unmeasurable variables within the mat (pressure, temperatures), in order to re-produce the operation of the process. For this, the main process (pressing) is modeled in detail to evaluate how energy and matter is transported through the process. Preliminary results demonstrate the possibility of simulating reproduce internal variables throughout the pressing process.Funded by Junta de Castilla y León and EU-FEDER (CLU-2017-09, VA232P18, UIC 225