Mathematical Modelling and Identification of a Quadrotor

Motivated by the important growth of VTOL vehicles research such as quadrotors and to a small extent autonomous flight, a quadrotor dynamical model is presented in this work. The purpose of this study is to get a better understanding of its flight dynamics. It is an underactuated system. So, a simplified and clear model is needed to implement controllers on these kind of unmanned aerial systems. In addition, a computational tool is used for validation purposes. For future works embedded or intelligent control systems can be developed to control them. Gyroscopic and some aerodynamics effects are neglected

Process integration and control tied to economic optimization in biobutanol synthesis

Diferentes esquemas de destilación integrados térmicamente fueron propuestos, y evaluados para la separación de butanol o etanol en el ambiente de simulación. Los requerimientos energéticos y las emisiones obtenidas de CO2 de los esquemas propuestos en este trabajo están entre los más bajos encontrados en la literatura para la producción de butanol. Esquemas de destilación doble-efecto o integración de calor de columnas de alta y baja presión son la opción más económica con requerimientos energéticos entre 30-40% más bajos que los sistemas convencionales. La mejor configuración para la producción de acetona, butanol y etanol fue seleccionada mediante la optimización de sistemas integrados de reacción híbridos. Los reactores integrados con separación alcanzaron requerimientos energéticos totales mayores a los esquemas de separación externa integrados térmicamente. Sin embargo, reactores integrados fueron preferibles porque reducen el consumo de agua y el tamaño del reactor en más de tres y dos veces, respectivamente. Un sistema de reacción y extracción de los inhibidores producidos en la fermentación y en el pretratamiento, fue la opción más económica de producción a partir de lignocelulosa. El esquema y las condiciones óptimas de operación fueron seleccionados para facilitar el control del proceso a condiciones óptimas económicamenteAbstract : Several heat integrated distillation systems were proposed and evaluated for the separation of butanol and ethanol on simulation environment. The fuel requirements of these systems are among the lowest found in the literature for butanol production. Double-effect distillation systems are the most economical choice of external separation, with energy requirements 30-40% lower than that for distillation systems without recovery of condensation heat. The best configuration for the production of acetone, butanol and ethanol (ABE) was selected by optimization. A rigorous kinetic model for ABE production was developed and used in the simulations. Integrated reactor with separation units reached total energy requirements higher than external separation schemes with heat integration. However, integrated reactors were economically preferable because they reduce the water consumption and the size of the reactor for three and two-fold, respectively. A simultaneous reaction system with detoxification of inhibitor from pretreatment was the low-priced option for ABE production from lignocellulose. The optimal operating conditions of the system were selected to facilitate the process control at economic optimal conditionsDoctorad

Modélisation et commande floues de type Takagi-Sugeno appliquées à un bioprocédé de traitement des eaux usées

This thesis work is placed at the crossroad of Automatic control, Artificial Intelligence and Biotechnology. It aims at developing a modelling and control methodology based on a fuzzy logic approach. The first part of the work presents an introduction to the principles and techniques used in current wastewater treatment plants. It highlights the difficulty in modelling the multiple phenomena involved. From this fact, in the second part, focused on fuzzy modelling and control, we develop initially the identification of affine fuzzy models of Takagi-Sugeno (TS) type from input-output data. We used several fuzzy clustering methods as well as an agglomerative-competitive method which is robust in presence of noise. This type of "grey box" approach allows a rule-based representation which approximates the nonlinear dynamics as a concatenation of locally linear sub-models in the nonlinear autoregressive form (NARX). Moreover, we have developed a graphical version of the FMID toolbox for the fuzzy modelling of systems. Then, we propose a suboptimal linear-quadratic TS fuzzy control relevant to the structure of the identified fuzzy model, by using the parallel distributed compensation (PDC) technique. Finally, the whole methodology is tested and validated in simulation on an aerobic wastewater treatment bioprocess.Ce travail de thèse s'inscrit au carrefour de l'Automatique, de l'Intelligence Artificielle et des Biotechnologies. Il cherche à développer une méthodologie de modélisation et de commande qui repose sur une approche par logique floue. La première partie du travail présente une introduction aux principes et techniques mises en Suvre dans les stations d'épuration actuelles, et met en évidence la difficulté de modélisation des différents phénomènes mis en jeu. A partir de ce constat, dans une deuxième partie, focalisée sur la modélisation et la commande floues, nous développons d'abord l'identification de modèles flous affines de type Takagi-Sugeno (TS) à partir de données entrées-sorties. Nous considérons différentes méthodes de coalescence floue et une méthode d'agglomération compétitive, robuste en présence de bruit. Ce type d'approche " boîte grise " permet une représentation à base de règles qui approxime la dynamique non linéaire comme une concaténation de sous-modèles localement linéaires sous la forme d'auto-régression non-linéaire (NARX). De plus, nous avons développé une version graphique de la boîte à outils pour la modélisation floue des systèmes (FMIDg). Ensuite, nous proposons une commande floue TS sous-optimale linéaire quadratique adaptée à la structure du modèle flou identifié, en utilisant la philosophie de commande du type compensation parallèle distribuée (PDC). La méthodologie globale est finalement testée et validée en simulation sur un bioprocédé aérobie de dépollution des eaux usées

Separación de butanol a partir de soluciones acuosas diluidas

El butanol es considerado un posible biocombustible, y se espera que su demanda incremente dramáticamente si se produce eficientemente por fermentación. La producción por fermentación tiene bajos rendimientos, bajas concentraciones de producto y bajas productividades, generados principalmente por la alta toxicidad del butanol a concentraciones diluidas ( 20 gL-1). Se puede mejorar significativamente el desempeño de la fermentación, si se utilizan reactores integrados con técnicas de recuperación emergentes como la pervaporación, en los cuales se remueva selectivamente el butanol. En este trabajo, fue estudiada la preparación y caracterización de membranas para la pervaporación; y se realizó una evaluación operacional, económica y energética de un proceso de separación con pervaporación y decantación. Adicionalmente, se optimizó y diseñó mediante simulación, diferentes reactores integrados con pervaporación y suministro de ácidos (acético, butírico o láctico) como cosustratos. El esquema con fermentación previa de ácido láctico es capaz de mejorar la productividad volumétrica del proceso convencional de 0.6 a 10.1 gL-1h-1, y el rendimiento de solventes de 0.32 a 0.46 gg-1 con un consumo de energía 35% más bajoAbstract : Butanol is considered as a potential biofuel and its demand is expected to increase dramatically if its production by fermentation occurs efficiently. Due to the high toxicity of butanol at dilute concentrations ( 20 gL-1), its fermentation has low yields, low product concentrations and low productivities. The performance of the fermentation could be significantly improved using integrated reactors with emerging recovery techniques like pervaporation processes, in which butanol is selectively remove from the reactor. This work presents preparation and characterization of membranes for pervaporation, and operational, economical and energetic evaluation of a separation process integrated with pervaporation and decantation. Different integrated reactors with pervaporation were optimized through simulation, considering several ways of feeding acids as co-substrates (acetic, butyric or lactic). A reactor with previous lactic acid fermentation enhances the volumetric productivity and the yield as compare to the conventional process from 0.6 to 10.1 gL-1 h-1, and from 0.32 to 0.46 g g-1 respectively. Also, it was calculated a 35% saving in power consumptionMaestrí

Un algoritmo de selección de variables de enfoque híbrido basado en información mutua para aplicaciones de sensores blandos industriales basados en datos

The development of virtual sensors predicting the desired output requires a careful selection of input variables for model construction. In an industrial environment, datasets contain many instrumentation system measures; however, these variables are often non-relevant or excessive information. This paper proposes a variable selection algorithm based on mutual information examination, redundancy analysis, and variable reduction for soft-sensor modeling. A relevance calculation is performed in the first stage to select important variables using the mutual information criterion. Then, the detection and exclusion of redundant variables are carried out, penalizing undesired variables. Finally, the most relevant variables subset is determined through a wrapper method using Mallowssans' Cp metric to assess the fitting prediction performance. The approach was successfully applied to estimate the ethanol concentration for a distillation column process using an adaptive network-based fuzzy inference system architecture as a non-linear dynamic regression model. A comparative study was performed considering the application of correlation analysis and the method proposed in this study. Simulation results show the effectiveness of the proposed approach in the variable selection providing a reduction in search of suitable models that achieve faster results for developing soft sensors oriented to industrial applications.El desarrollo de sensores virtuales que predicen el resultado o producto deseado requie- re una cuidadosa selección de variables de entrada para la construcción del modelo. En un entorno industrial, los conjuntos de datos contienen muchas medidas del sistema de instrumentación; sin embargo, estas variables suelen ser información no relevante o excesiva. Este artículo propone un algoritmo de selección de variables basado en el examen de información mutua, el análisis de re- dundancia y la reducción de variables para el modelado de sensores blandos. En la primera etapa se realiza un cálculo de relevancia para seleccionar variables importantes utilizando el criterio de infor- mación mutua. Luego, se realiza la detección y exclusión de variables redundantes, penalizando las variables no deseadas. Finalmente, el subconjunto de variables más relevante se determina a través de un método de envoltura utilizando la métrica Cp de Mallows para evaluar el rendimiento de la pre- dicción de ajuste. El enfoque se aplicó con éxito para estimar la concentración de etanol para un pro- ceso de columna de destilación utilizando una arquitectura de sistema de inferencia difusa basada en red adaptativa como un modelo de regresión dinámica no lineal. Se realizó un estudio comparativo considerando la aplicación del análisis de correlación y el método propuesto en este estudio. Los re- sultados de la simulación muestran la efectividad del enfoque propuesto en la selección de variables proporcionando una reducción en la búsqueda de modelos adecuados que logren resultados más rápidos para el desarrollo de sensores blandos orientados a&nbsp

Modélisation et commande floues de type Takagi-Sugeno appliquées à un bioprocédé de traitement des eaux usées

TOULOUSE3-BU Sciences (315552104) / SudocSudocFranceF

DyClee: Dynamic clustering for tracking evolving environments

International audienceEvolving environments challenge researchers with non stationary data flows where the concepts (or states) being tracked can change over time. This requires tracking algorithms suited to represent concept evolution and in some cases, e.g. real industrial environments, also suited to represent time dependent features. This paper proposes a unified approach to track evolving environments that uses a two-stages distance-based and density-based clustering algorithm. In this approach data samples are fed as input to the distance based clustering stage in an incremental, online fashion, and they are then clustered to form -clusters. The density-based algorithm analyses the micro-clusters to provide the final clusters: Thank to a forgetting process, clusters may emerge, drift, merge, split or disappear, hence following the evolution of the environment. This algorithm has proved to be able to detect high overlapping clusters even in multi-density distributions, making no assumption of clusters convexity. It shows fast response to data streams and good outlier rejection properties

Introducción a las Desigualdades Lineales Matriciales y su Aplicación en Control Automático

This article presents a brief introduction and applications of the linear matrix inequalities in automatic control. This new mathematical technique consists of transforming the control problems to convex optimization problems and to solve them by means of efficient computational algorithms available nowadays. A good number of automatic control problems, for which there are not analytic solution or they don't have it, can be solved by using numeric methods in a reasonable time. In this work they are considered as applications the analysis of quadratic stability as well as the performance specifications in terms of restrictions. These concepts are used to design a control system for an inverted pendulum. The simulation results illustrate the application of the technique and show the fulfillment of the design specifications established.Este artículo presenta una breve introducción y aplicaciones de las desigualdades lineales matriciales en control automático. Esta nueva técnica matemática consiste en llevar los problemas de control a problemas de optimización convexa y resolverlos por medio de eficientes algoritmos computacionales disponibles hoy en día. Usando métodos numéricos se pueden resolver en un tiempo razonable un buen número de problemas de control automático que no se les conoce solución analítica o no la tienen. En este trabajo se consideran como aplicaciones el análisis de estabilidad cuadrática así como las especificaciones de desempeño en términos de restricciones. Estos conceptos se emplean para el diseño de un sistema de control para un péndulo invertido. Los resultados de simulación ilustran la aplicación de la técnica y muestran el cumplimiento de las especificaciones de diseño planteadas