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

Abstract

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.