A case study of adaptive nonlinear regulation of fed-batch biological reactors

Chen, Libei; Bastin, Georges; Breusegem, V. Van

doi:10.1016/0005-1098(94)00068-t

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“…Desta forma, evita-se a utilização de sensores tendo como consequência considerável redução nos custos da implementação prática da lei de controle proposta, tanto pela não utilização de sensores quanto pela não utilização de mecanismos complexos de estimação de estados (soft sensors), como proposto nas referências (Chen et al, 1995;Dewasme e Vande Wouwer, 2008;Coutinho et al, 2009;Renard e Vande Wouwer, 2008;Bastin e Dochain, 1990) que utilizam um número igual ou maior de sensores para o mesmo processo.…”

Section: Estimação Do Parâmetro σ(T)unclassified

“…Em outras palavras, o bioreator utilizando a lei de controle u LP levaria três horas a mais para atingir o mesmo volume de biomassa para a E. Coli e oito horas a mais para a S. Cerevisiae quando comparado com a lei dependente de parâmetros u LP V . Ressalta-se que os resultados obtidos com a lei de controle u LP V possuem um desempenho compatível com os resultados apresentados nas referências (Chen et al, 1995;Coutinho et al, 2009;Renard e Vande Wouwer, 2008), considerando uma lei de controle menos complexa e com um número restrito de medições online, demonstrando a eficiência da metodologia proposta no projeto de controladores para a maximização de biomassa em bioreatores em modo de operação descontínua com alimentação.…”

Section: Coeficientes Valores Unidades K1unclassified

“…Ao longo dos últimos vinte anos, diversos trabalhos foram propostos na literatura para o controle de bioreatores operando em modo descontínuo com alimentação como, por exemplo, em (Chen et al, 1995), , (Smets et al, 2004), , (El Mouba-raki et al, 1993) e . Nesses trabalhos diversas estratégias de controle foram aplicadas visando determinar um perfil ótimo de alimentação.…”

Section: Introductionunclassified

“…Entretanto, neste caso, torna-se necessário o conhecimento em tempo real do valor crítico de substrato, o que é geralmente difícil de obter pelos baixos níveis de concentração encontrados nos dois microorganismos. Grande parte das técnicas acima citadas utiliza, de alguma forma, a idéia de realimentação linearizante para definir a estrutura da lei de controle, onde são aplicadas as mais diversas estraté-gias adicionais de controle para assegurar uma certa robustez à lei de controle proposta (Chen et al, 1995;Coutinho et al, 2009;Renard e Vande Wouwer, 2008).…”

Section: Introductionunclassified

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Controle robusto por realimentação linearizante parcial de bioreatores em modo de operação descontínua com alimentação

Pimentel¹,

Coutinho

2012

Sba Controle & Automação

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Robust Partial Feedback Linearizing Control of Bioreactors in Fed-Batch ModeA methodology for the robust control design of a class of bioreactors operating in fed-batch mode is proposed. Firstly, a general model is presented to describe the growing dynamics of the bacteria Escherichia Coli and the yeast Saccharomyces Cerevisiae cultures, which are the most employed microorganisms applied in biotechnological industry. From this model, the paper proposes a control law that regulates the by-product concentration in small levels (i.e., close to zero) aiming to maximize the biomass concentration. To this end, the nonlinear dynamics of the bioreactor is rewritten in terms of time-varying parameters (quasi-LPV approach) in order to apply the linear matrix inequality framework for designing the free dynamics resulting from a partial feedback linearizing strategy. The proposed design conditions provide the robust stability of the closed-loop system while ensuring some performance w.r.t. disturbance signals. To verify the behavior of the closed-loop system, several simulation based tests are carried out to evaluate the controller performance against some recent strategies proposed in the specialized literature. RESUMOUma metodologia para o projeto de controladores robustos foi desenvolvida para bioreatores operando em modo descontínuo com alimentação. Inicialmente, apresenta-se um modelo geral que descreve a dinâmica do crescimento da bacté-ria Escherichia Coli e da levedura Saccharomyces Cerevisiae que são atualmente os dois microorganismos mais utilizados na indústria biotecnológica. A partir do modelo dinâmico da cultura de microorganismos, busca-se projetar uma lei de controle que mantenha a concentração do produto secundá-rio em níveis próximos a zero visando, desta forma, maximizar a produção de biomassa. Com este objetivo, a dinâmica não linear é descrita em termos de parâmetros variantes no tempo (abordagem quasi-LPV) possibilitando a utilização da formulação por desigualdades matriciais lineares para o projeto da dinâmica livre resultante da aplicação de uma lei de controle do tipo linearizante parcial. As condições propostas permitem garantir a estabilidade robusta do sistema em malha fechada frente a incertezas paramétricas, além de assegurar um certo desempenho com relação a perturbações. Para verificar o comportamento da metodologia proposta, vários testes por simulação são realizados para avaliar o comportamento da estratégia proposta em relação a trabalhos disponí-veis na literatura especializada.

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Section: Estimação Do Parâmetro σ(T)unclassified

Section: Coeficientes Valores Unidades K1unclassified

Section: Introductionunclassified

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Controle robusto por realimentação linearizante parcial de bioreatores em modo de operação descontínua com alimentação

Pimentel¹,

Coutinho

2012

Sba Controle & Automação

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“…This calls for special control strategies. The most promising seem to be the concepts of adaptive control [3], optimal control [4,5,6], and especially model predictive control schemes [7,8,9]. The principle of model predictive control is based on forecasting the future behavior of a system at each sampling instant using the process model.…”

Section: Introductionmentioning

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Self-adaptive predictive functional control of the temperature in an exothermic batch reactor

Karer¹,

Škrjanc²,

Zupančič³

2008

Chemical Engineering and Processing: Process Intensification

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In this paper we study a self-adaptive predictive functional control algorithm as an approach to control of temperature in an exothermic batch reactor. The batch reactor is situated in a pharmaceutical company in Slovenia and is used in the production of medicines. Due to mixed discrete and continuous inputs the reactor is considered as a hybrid system. The model of the reactor used for the simulation experiment is explained in the paper. Next, we assumed an exothermic chemical reaction that is carried out in the reactor core. The dynamics of the chemical reaction that comply with the Arrhenius relation have been well documented in the literature and are also summarized in the paper. Furthermore, the online recursive least-squares identification of the process parameters and the self-adaptive predictive functional control algorithm are thoroughly explained. We tested the proposed approach on the batch reactor simulation example that included the exothermic chemical reaction kinetic model. The results suggest that such implementation meets the control demands, despite the strongly exothermic nature of the chemical reaction. The reference is suitably tracked, which results in a shorter overall batchtime. In addition, there is no overshoot of the controlled variable (temperature in the reactor core), which yields a higher-quality production. Finally, by introducing a suitable discrete switching logic in order to deal with the hybrid nature of the batch reactor, we were able to reduce switching of the on/off valves to minimum and therefore relieve the wear-out of the actuators as well as reduce the energy consumption needed for control.

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