Analysis and Design of Hybrid Control Systems

Different aspects of hybrid control systems are treated: analysis, simulation, design and implementation. A systematic methodology using extended Lyapunov theory for design of hybrid systems is developed. The methodology is based on conventional control designs in separate regions together with a switching strategy. Dynamics are not well defined if the control design methods lead to fast mode switching. The dynamics depend on the salient features of the implementation of the mode switches. A theorem for the stability of second order switching together with the resulting dynamics is derived. The dynamics on an intersection of two sliding sets are defined for two relays working on different time scales. The current simulation packages have problems modeling and simulating hybrid systems. It is shown how fast mode switches can be found before or during simulation. The necessary analysis work is a very small overhead for a modern simulation tool. To get some experience from practical problems with hybrid control the switching strategy is implemented in two different software environments. In one of them a time-optimal controller is added to an existing PID controller on a commercial control system. Successful experiments with this hybrid controller shows the practical use of the method

Hybrid control of a double tank system

A hybrid control system consisting of a PID controller, a time-optimal controller and a switching strategy is investigated. A specific controller switching stategy, guaranteeing stability, is tested. To facilitate the real time implementation linear approximations of the optimal switching curves are used. 1

A Stabilizing Switching Scheme for Multi Controller Systems

The stability of a multi-controller system is analyzed using Lyapunov theory. Stability is guaranteed by a switching strategy determined by a combination of separate Lyapunov functions for the different controllers. The behavior on sliding surfaces is analyzed using non-smooth analysis according to Filippov. Two examples illustrate the theory

Pilotanläggning för ozonoxidation av läkemedelsrester i avloppsvatten

För att minska belastningen av läkemedelsrester från avloppsvatten på recipienten (främst Stångån) har Tekniska verken i Linköping, i samarbete med IVL Svenska Miljöinstitutet genomfört pilotskaletester med ozonering för att använda som underlag för dimensionering, implementering och drift av fullskaleanläggningen vid Linköpings största avloppsreningsverk, Nykvarnsverket. Systemet består av ett ozoneringssteg mellan biosedimentations- och efterdenitrifikationsprocessen. Förutom dimensionerings- och drifttekniska aspekter, undersöktes även eventuella störningar av ozonbehandlingen på efterföljande biologi samt biologins förmåga att reducera problemet med att ozonoxidation kan bilda ekotoxiska oxidationsbiprodukter. Slutmålet var att reducera halterna i utgående vatten av de mest prioriterade läkemedelssubstanserna till halter som inte leder till negativa effekter i recipienten, om den naturliga utspädningen av utgående halter räknas med. Pilottester med den tilltänkta processkonfigurationen vid Nykvarnsverket genomfördes under andra halvåret 2014. I undersökningen ingick kartläggning av både dygnsvariation och massflöde över hela anläggningen, dos-respons-undersökningar för ozondoseringen, belastningsstyrningsförsök och ekotoxikologiska studier. Från inledande mätningar skapades en prioritetslista för läkemedelssubstanser vid Nykvarnsverket som den extra ozoneringen skulle hjälpa till att reducera. Listan bygger på riskkvoten mellan koncentrationen i utgående vatten (medelvärde) och den lägsta koncentration av en substans där toxiska effekter på den akvatiska miljön inte påvisats enligt tillgänglig vetenskaplig litteratur, samt hänsynstagandet till olika säkerhets-faktorer och utspädning i recipienten (Stångån). En hög risk definierades som en riskkvot på 1 eller högre och vid intervallet 0,1–1 definierades risken som måttlig. Fem ämnen (oxazepam, metoprolol, östron, trimetoprim och etinylöstradiol) klassades som hög risk och sju ämnen klassades som måttlig risk efter inventeringen av nuvarande reningen utan ozonering. Vid försöket med en ozondos på 5 mg O3/L återstod endast en substans med hög risk (oxazepam, riskkvot 2) och två substanser med måttlig risk (metoprolol, riskkvot 0,5 och östron, riskkvot 0,13). Vid högre doser kan koncen-trationen av dessa substanser minskas ännu mer, men då ökar samtidigt den eventuella risken för ökad ekotoxicitet orsakad av oxidationsprodukter från ozoneringen. Ekotoxtester bestående av östrogen aktivitet, grön- och rödalg, Nitocra- och Ames-tester visade ingen negativ påverkan vid de testade ozondoserna (upp till 18,4 mg O3/L). Höga halter av den cancerogena föreningen bromat kunde inte heller detekteras vid rimliga ozondoser (<10 mg O3/L). Höga syrehalter in till denitrifikationen till följd av ozoneringen kunde snabbt reduceras i det biologiska steget utan att påverka denitrifikationen. Mängden bakterier i det behandlade vattnet minskades kraftigt redan vid relativt låga ozondoser (<8 mg O3/L). Genomförda aktivitetsmätningar på bärarmaterial i efterdenitrifikationsbassängen visade ingen negativ påverkan på biologin. Möjligtvis kunde en ökad tillgänglighet av organiskt material och tidigare organiskt bundet kväve detekteras. Kvävereningen under försöket har fungerat mycket bra förutom vid externa störningar kopplade till etanoldoseringen. Testerna visade också på möjligheten till en belastningsstyrning via en återkoppling från ozon-residualen i gasfasen- och absorptionsmätning (UVA). Baserat på dessa resultat kommer Tekniska verken nu arbeta med fullskaleimplementering av ozonrening vid Nykvarnsverket.To reduce the loads of pharmaceutical residues from wastewater to receiving waters (mainly Stångån), Tekniska verken in Linköping has in collaboration with IVL Swedish Environmental Research Institute conducted pilot scale tests with ozonation. The results are to be used as a basis for the design, implementation and operation of a full-scale facility at Linköping's largest sewage treatment plant (STP), Nykvarn. The set-up consists of an ozonation step in-between the bio-sedimentation and post-denitrification. In addition to the definition of process parameters, possible negative impacts of ozone treatment on subsequent biology were also examined as well as the effect of the biological process on reducing eventual problems with toxic oxidation products. The ultimate objective was to achieve a removal rate of the highest priority pharmaceuticals to levels in the effluent water that will not cause adverse effects in the recipient, also considering the natural dilution. Tests with a pilot plant of the intended process configuration at Nykvarn STP were carried out during the second half of 2014. The study included daily variation mapping, STP mass flows, dose-response studies for ozonation, load-control tests and eco-toxicological studies. From initial investigations of emissions, a priority list was created with substances that an additional ozonation step would help to remove. The list was based on the risk ratio between the concentration in the effluent water (average) and the lowest concentration of a substance at which toxic effects on the aquatic environment are not found, according to available scientific literature. In addition, various safety factors and the dilution in the receiving water (Stångån) were considered. A high risk was defined when the risk ratio was 1 or higher and in the range of 0.1-1, the risk was considered moderate. Five substances (oxazepam, metoprolol, estrone, trimethoprim, ethinyl-estradiol) were classified as high risk and seven substances were classified as moderate risk. The pilot tests indicated that at an ozone dose of 5 mg O3/L only one substance classified at high risk (oxazepam, risk ratio 2) and two compounds with moderate risk (metoprolol, risk ratio 0.5 and estrone, risk ratio 0.13), remained. At higher doses, the concentration of these substances can be reduced even further, however; also the risk of increased ecotoxicity caused by oxidation during ozonation might increase. Eco-toxicological tests consisting of estrogenic activity, green and red algae, nitocra- and Ames Tests showed no negative effect with the tested ozone doses (up to 18.4 mg O3/L). High levels of the carcinogenic compound bromate could not be detected at reasonable ozone doses (10 mg O3/L). High levels of oxygen in the inflow to the denitrification due to ozonation could be rapidly reduced in the biological step without affecting the denitrification. The number of bacteria in the treated water was reduced significantly even at relatively low ozone doses (<8 mg O3/L). Performed activity measurements in the biology following ozonation showed no negative effect. A slightly increased availability of organic matter and earlier organically bound nitrogen was observed. Nitrogen removal during the pilot tests has been very good except for periods of malfunctions in the dosing of carbon source. The tests also indicated the possibility of a load-control via a feedback from ozone-residual in the gaseous phase and absorption (UVA). Based on these results, the technology department has now initiated the planning of a full-scale implementation of the system at Nykvarn STP