Robust exact differentiators with predefined convergence time

The problem of exactly differentiating a signal with bounded second derivative is considered. A class of differentiators is proposed, which converge to the derivative of such a signal within a fixed, i.e., a finite and uniformly bounded convergence time. A tuning procedure is derived that allows to assign an arbitrary, predefined upper bound for this convergence time. It is furthermore shown that this bound can be made arbitrarily tight by appropriate tuning. The usefulness of the procedure is demonstrated by applying it to the well-known uniform robust exact differentiator, which the considered class of differentiators includes as a special case

Control de la calidad de potencia en sistemas de conversión de energía eólica

Reconocidas las bondades de la energía eólica, la tendencia actual es la investigación de estrategias de control que permitan mejorar el desempeño del sistema de conversión. El control puede realizarse sobre la turbina o sobre el generador eléctrico. El control de la orientación de la turbina, o de sus palas, presenta severas restricciones debido al ancho de banda limitado de los actuadores y los esfuerzos sobre las partes mecánicas móviles. El control del generador, en cambio, se realiza sobre el subsistema eléctrico, por lo que es notablemente más versátil y confiable que el anterior (Leith y Leithead, 1997; Ekelund, 1997; Novak, 1995). La presente tesis aborda el problema de control del generador. Los objetivos de control son la optimización del rendimiento de conversión y, al mismo tiempo, la reducción de los efectos de las cargas aerodinámicas sobre la red eléctrica. Asimismo, se propone una estrategia de control para limitar la potencia suministrada a la red, tanto por seguridad del sistema mecánico como por cuestiones asociadas a la calidad de potencia. Por otro lado, se trata la compensación del sistema de conversión con filtros activos. Ésta tiene el propósito de complementar el mejoramiento de la calidad de potencia obtenido mediante el control del generador.Las estrategias de control propuestas se enmarcan dentro del control de estructura variable y sus regímenes deslizantes asociados. El control de estructura variable es particularmente apropiado para el control de sistemas de potencia que, por razones de eficiencia, emplean dispositivos electrónicos operando como llaves. Además, el control por modo deslizante tiene interesantes propiedades de robustez a incertidumbres en los parámetros del sistema, alta capacidad de rechazo a perturbaciones y ofrece un marco propicio para el control de sistemas no lineales complejos (Utkin, 1977; Utkin, 1993; Sira-Ramírez, 1988). La presente tesis está orientada al control de sistemas de velocidad variable conectados a red que emplean generador asincrónico de doble salida y recuperación de la potencia de resbalamiento. Sin embargo, la mayoría de los conceptos son directamente aplicables a otras configuraciones de sistemas de conversión de energía eólica. La configuración considerada en esta tesis presenta aspectos atractivos como generación a tensión y frecuencia de red, generación por encima de la potencia nominal de la máquina eléctrica, empleo de convertidores comparativamente pequeños y baratos dado que sólo procesan una fracción de la potencia generada (Ermis et al., 1992; Smith y Donegani, 1986; Çadirci y Ermis, 1992; Salameh y Kazda, 1986).Facultad de Ingenierí

Control de la calidad de potencia en sistemas de conversión de energía eólica

Reconocidas las bondades de la energía eólica, la tendencia actual es la investigación de estrategias de control que permitan mejorar el desempeño del sistema de conversión. El control puede realizarse sobre la turbina o sobre el generador eléctrico. El control de la orientación de la turbina, o de sus palas, presenta severas restricciones debido al ancho de banda limitado de los actuadores y los esfuerzos sobre las partes mecánicas móviles. El control del generador, en cambio, se realiza sobre el subsistema eléctrico, por lo que es notablemente más versátil y confiable que el anterior (Leith y Leithead, 1997; Ekelund, 1997; Novak, 1995). La presente tesis aborda el problema de control del generador. Los objetivos de control son la optimización del rendimiento de conversión y, al mismo tiempo, la reducción de los efectos de las cargas aerodinámicas sobre la red eléctrica. Asimismo, se propone una estrategia de control para limitar la potencia suministrada a la red, tanto por seguridad del sistema mecánico como por cuestiones asociadas a la calidad de potencia. Por otro lado, se trata la compensación del sistema de conversión con filtros activos. Ésta tiene el propósito de complementar el mejoramiento de la calidad de potencia obtenido mediante el control del generador.Las estrategias de control propuestas se enmarcan dentro del control de estructura variable y sus regímenes deslizantes asociados. El control de estructura variable es particularmente apropiado para el control de sistemas de potencia que, por razones de eficiencia, emplean dispositivos electrónicos operando como llaves. Además, el control por modo deslizante tiene interesantes propiedades de robustez a incertidumbres en los parámetros del sistema, alta capacidad de rechazo a perturbaciones y ofrece un marco propicio para el control de sistemas no lineales complejos (Utkin, 1977; Utkin, 1993; Sira-Ramírez, 1988). La presente tesis está orientada al control de sistemas de velocidad variable conectados a red que emplean generador asincrónico de doble salida y recuperación de la potencia de resbalamiento. Sin embargo, la mayoría de los conceptos son directamente aplicables a otras configuraciones de sistemas de conversión de energía eólica. La configuración considerada en esta tesis presenta aspectos atractivos como generación a tensión y frecuencia de red, generación por encima de la potencia nominal de la máquina eléctrica, empleo de convertidores comparativamente pequeños y baratos dado que sólo procesan una fracción de la potencia generada (Ermis et al., 1992; Smith y Donegani, 1986; Çadirci y Ermis, 1992; Salameh y Kazda, 1986).Facultad de Ingenierí

Analysis of transcriptional feedback strategy for reducing interaction in gene expression processes

Advances in genetic manipulation have allowed the overexpression of proteins and insertion of circuits in cells. However, the expected behaviour can be altered by the internal competition for the limited amount of cellular resources. In this work we analyse a feedback strategy based on transcription inhibition that aims to reduce the interaction in a two-protein expression system. The results allow interpreting the effects of negative feedback on the steady-state protein levels and how the realizable protein region is affected by the feedback loop.Fil: Nuñez, Sebastián. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - La Plata. Instituto de Investigaciones en Electrónica, Control y Procesamiento de Señales. Universidad Nacional de La Plata. Instituto de Investigaciones en Electrónica, Control y Procesamiento de Señales; ArgentinaFil: Garelli, Fabricio. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - La Plata. Instituto de Investigaciones en Electrónica, Control y Procesamiento de Señales. Universidad Nacional de La Plata. Instituto de Investigaciones en Electrónica, Control y Procesamiento de Señales; ArgentinaFil: Picó, Jesús. Universidad Politécnica de Valencia. Departamento de Ingeniería de Sistemas y Automática; EspañaFil: de Battista, Hernán. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - La Plata. Instituto de Investigaciones en Electrónica, Control y Procesamiento de Señales. Universidad Nacional de La Plata. Instituto de Investigaciones en Electrónica, Control y Procesamiento de Señales; Argentin

Specific growth rate estimation in (fed-)batch bioreactors using second-order sliding observers

[EN] This paper addresses the estimation of specific growth rate of microorganisms in bioreactors using sliding observers. In particular, a second-order sliding observer based on biomass concentration measurement is proposed. Differing from other proposals that only guarantee bounded errors, the proposed observer provides a smooth estimate that converges in finite time to the time-varying parameter. Stability is proved using a Lyapunov approach. The observer exhibits also robustness to process uncertainties since no model of the reaction is used for its design. In addition, the off-surface coordinate of the sliding observer is useful to determine the convergence time as well as to identify sensor faults and unexpected behaviors. Because of the structure of the output error injection, chattering phenomena of conventional sliding mode algorithms are substantially reduced. The features of the proposed observer are assessed by numerical and experimental data. (C) 2011 Elsevier Ltd. All rights reserved.This work was supported by the National University of La Plata (Project 11-1127), ANPCyT (PICT2007-00535) and CONICET (PIP112-200801-01052) of Argentina; the Technical University of Valencia (PAID-02-09 program and FPI-2009/21 grant), the CICYT (DPI2005-01180) and AECID (A/024186/09) of Spain: and by FEDER funds of the European Union.De Battista, H.; Picó, J.; Garelli, F.; Vignoni, A. (2011). Specific growth rate estimation in (fed-)batch bioreactors using second-order sliding observers. Journal of Process Control. 21(7):1049-1055. https://doi.org/10.1016/j.jprocont.2011.05.008S1049105521

Artificial pancreas: Evaluating the ARG algorithm without meal announcement

Background: Either under standard basal-bolus treatment or hybrid closed-loop control, subjects with type 1 diabetes are required to count carbohydrates (CHOs). However, CHO counting is not only burdensome but also prone to errors. Recently, an artificial pancreas algorithm that does not require premeal insulin boluses—the so-called automatic regulation of glucose (ARG)—was introduced. In its first pilot clinical study, although the exact CHO counting was not required, subjects still needed to announce the meal time and classify the meal size. Method: An automatic switching signal generator (SSG) is proposed in this work to remove the manual mealtime announcement from the control strategy. The SSG is based on a Kalman filter and works with continuous glucose monitoring readings only. Results: The ARG algorithm with unannounced meals (ARGum) was tested in silico under the effect of different types of mixed meals and intrapatient variability, and contrasted with the ARG algorithm with announced meals (ARGam). Simulations reveal that, for slow-absorbing meals, the time in the euglycemic range, [70-180] mg/dL, increases using the unannounced strategy (ARGam: 78.1 [68.6-80.2]% (median [IQR]) and ARGum: 87.8 [84.5-90.6]%), while similar results were found with fastabsorbing meals (ARGam: 87.4 [86.0-88.9]% and ARGum: 87.6 [86.1-88.8]%). On the other hand, when intrapatient variability is considered, time in euglycemia is also comparable (ARGam: 81.4 [75.4-83.5]% and ARGum: 80.9 [77.0-85.1]%). Conclusion: In silico results indicate that it is feasible to perform an in vivo evaluation of the ARG algorithm with unannounced meals.Fil: Fushimi, Emilia. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - La Plata. Instituto de Investigaciones en Electrónica, Control y Procesamiento de Señales. Universidad Nacional de La Plata. Instituto de Investigaciones en Electrónica, Control y Procesamiento de Señales; ArgentinaFil: Colmegna, Patricio Hernán. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentina. University of Virginia; Estados Unidos. Universidad Nacional de Quilmes; ArgentinaFil: de Battista, Hernán. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - La Plata. Instituto de Investigaciones en Electrónica, Control y Procesamiento de Señales. Universidad Nacional de La Plata. Instituto de Investigaciones en Electrónica, Control y Procesamiento de Señales; ArgentinaFil: Garelli, Fabricio. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - La Plata. Instituto de Investigaciones en Electrónica, Control y Procesamiento de Señales. Universidad Nacional de La Plata. Instituto de Investigaciones en Electrónica, Control y Procesamiento de Señales; ArgentinaFil: Sanchez Peña, Ricardo Salvador. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentina. Universidad Nacional de Quilmes; Argentin

Output Feedback Linearization of Turbidostats After Time Scaling

"© 2019 IEEE. Personal use of this material is permitted. Permissíon from IEEE must be obtained for all other uses, in any current or future media, including reprinting/republishing this material for advertisíng or promotional purposes, creating new collective works, for resale or redistribution to servers or lists, or reuse of any copyrighted component of this work in other works."[EN] Turbidostats are a class of bioreactors gaining interest due to the recent availability of microscale and small-scale devices for characterization and scalingup of the biotechnological systems relevant in the biotech and pharma industries. The goal is to keep cell density constant in continuous operation. Thus, the control law, i.e., the substrate feeding strategy, must guarantee global or semiglobal convergence to an equilibrium point. However, their control is difficult due to the uncertain, time varying, and nonlinear nature of the processes involved. In this brief, we propose an adaptive control law that globally stabilizes the desired biomass setpoint. Furthermore, in a certain region of the state space, the controller linearizes the dynamic behavior after some time scaling. By this way, the orbits of the closedloop system are imposed by the designer. The intrinsic integral action of the gain adaptation rejects the parameter uncertainties. Moreover, the controller implementation only assumes the biomass concentration to be measured. Both the simulated and experimental results show the performance of the controller.This work was supported in part by the National University of La Plata under Grant 11-I127, in part by ANPCyT under Grant PICT2014 2394, in part by CONICET under Grant PIP112 2015 0837, and in part by MINECO/AEI/FEDER, UE under Grant DPI2014-55276-C5-1-R and Grant DPI2017-82896-C2-1-R. The work of F. N. Santos-Navarro was supported by ai2-UPV.De Battista, H.; Picó-Marco, E.; Santos-Navarro, FN.; Picó, J. (2019). Output Feedback Linearization of Turbidostats After Time Scaling. IEEE Transactions on Control Systems Technology. 27(4):1668-1676. https://doi.org/10.1109/TCST.2018.2834882S1668167627

Control of the reaching mode in variable structure systems

This paper focuses on the behaviour of variable structure systems with dynamic control, particularly during the reaching mode of operation. It is shown that stability problems may arise during this reaching phase. The causes of these problems are closely related with the problems of windup commonly found in conventional control systems with actuator constraints. Methods for stabilization of the reaching mode are proposed which are based on the concepts of 'realizable reference' and observers. Well-known algorithms that have been previously proposed from empiric ideas, can now be rigorously derived using these concepts. The theoretical framework developed by Kothare and co-workers in the context of windup is generalized to study and design control algorithms for the reaching mode.Facultad de Ingenierí

Regulación del crecimiento en bioprocesos con tasa de crecimiento aditiva e inhibición competitiva entre sustratos

La necesidad de obtener nuevos productos, reducir los costos de los procesos fermentativos, reutilizar ciertas sustancias orgánicas que surgen como desechos industriales y buscar formas alternativas de tratar compuestos toxicos son algunas de las motivaciones para el desarrollo de los llamados procesos multi-sustrato. El concepto de proceso multi-sustrato se refiere a crecimiento microbiano en el que dos o mas nutrientes afectan notablemente la tasa de crecimiento. Esos nutrientes pueden cumplir la misma función en el metabolismo celular, por ejemplo fuentes de carbono, o diferentes funciones, como es el caso de una fuente de carbono, una de nitrógeno, etc. En el caso de los procesos semi-continuos debe definirse un perfil temporal adecuado para el flujo de alimentación ya que debe evitarse la sobre-alimentación del cultivo. Para esto, se han desarrollado propuestas que incluyen realimentación de variables fisicoquímicas, leyes precalculadas en base a un modelo, y leyes con realimentación de variables no medibles mediante el uso de observadores. En el caso de alimentarse dos nutrientes, estos suelen ser incorporados al medio de cultivo ya sea en una única solución o mediante flujos separados. Cuando se aplican flujos por separado, se encuentran estrategias que son adaptaciones de las utilizadas con un único sustrato limitante y también leyes de realimentación proporcionales a la biomasa total. En un trabajo previo, se estudio la posibilidad de incorporar, en una ley de alimentación proporcional a la cantidad de biomasa, una estimación de la tasa de crecimiento total en procesos con cinética aditiva. En el presente trabajo, se pretende evaluar esas leyes de alimentación en procesos donde existe un efecto de inhibición en la tasa de crecimiento debido a la posible competitividad entre los sustratos.Publicado en Terceras Jornadas de Investigación, Transferencia y Extensión. La Plata : Universidad Nacional de La Plata, 2015.Facultad de Ingenierí

Regulación del crecimiento en bioprocesos con tasa de crecimiento aditiva e inhibición competitiva entre sustratos

La necesidad de obtener nuevos productos, reducir los costos de los procesos fermentativos, reutilizar ciertas sustancias orgánicas que surgen como desechos industriales y buscar formas alternativas de tratar compuestos toxicos son algunas de las motivaciones para el desarrollo de los llamados procesos multi-sustrato. El concepto de proceso multi-sustrato se refiere a crecimiento microbiano en el que dos o mas nutrientes afectan notablemente la tasa de crecimiento. Esos nutrientes pueden cumplir la misma función en el metabolismo celular, por ejemplo fuentes de carbono, o diferentes funciones, como es el caso de una fuente de carbono, una de nitrógeno, etc. En el caso de los procesos semi-continuos debe definirse un perfil temporal adecuado para el flujo de alimentación ya que debe evitarse la sobre-alimentación del cultivo. Para esto, se han desarrollado propuestas que incluyen realimentación de variables fisicoquímicas, leyes precalculadas en base a un modelo, y leyes con realimentación de variables no medibles mediante el uso de observadores. En el caso de alimentarse dos nutrientes, estos suelen ser incorporados al medio de cultivo ya sea en una única solución o mediante flujos separados. Cuando se aplican flujos por separado, se encuentran estrategias que son adaptaciones de las utilizadas con un único sustrato limitante y también leyes de realimentación proporcionales a la biomasa total. En un trabajo previo, se estudio la posibilidad de incorporar, en una ley de alimentación proporcional a la cantidad de biomasa, una estimación de la tasa de crecimiento total en procesos con cinética aditiva. En el presente trabajo, se pretende evaluar esas leyes de alimentación en procesos donde existe un efecto de inhibición en la tasa de crecimiento debido a la posible competitividad entre los sustratos.Publicado en Terceras Jornadas de Investigación, Transferencia y Extensión. La Plata : Universidad Nacional de La Plata, 2015.Facultad de Ingenierí