More stringent requirements on nitrogen removal from wastewater are the motivation for this thesis. In order to improve treatment results and enhance cost-efficient operation of wastewater treatment plants, model based control strategies are presented. A Java based simulator for activated sludge processes (JASS) is presented. The graphical user interface, educational experiences and implemented control strategies are discussed. Controlling the addition of an external carbon source is the next topic discussed. A simple model based feedforward controller is derived and evaluated in a simulation study. The controller attenuates process disturbances quickly. Further, two feedforward controllers for adjusting the aeration volume in activated sludge processes are derived. The aim of the volume control strategies was to efficiently dampen the impact of process disturbances without using an excessively high dissolved oxygen concentration. The simulation results are promising and show that the aeration volume may be a feasible control variable. A linearisation method for static input non-linearities is presented. The method gives essentially the same result as the existing standard method, but possesses some implementational advantages. The method is used to linearise the non-linear oxygen transfer function of an activated sludge process in an application study. Multivariable interactions in a process model describing nitrate removal in an activated sludge process are studied using the well known RGA method as well as a relatively novel tool based on Hankel norms. The results of the analysis are compared to conclusions drawn from common process knowledge and are used to design a multivariable control strategy. It was found that process disturbances may be rejected faster using multivariable control. Finally, the operational costs of the denitrification process are investigated and visualised graphically. Cost optimal regions are found by a numerical grid search. Procedures for controlling the denitrification process in a cost-efficient way are described.

This thesis deals with the design of multivariable controllers for stable linear time-invariant multi-input multi-output systems, with an unknown mathematical model, subject to constant reference/disturbance signals and actuator saturation constraints. A new controller parameter optimization approach, which can be carried out experimentally with no knowledge of the plant model nor of the order of the system, is proposed. The approach has the advantage that controllers can be optimized by perturbing only the initial conditions of the servocompensator, and that the order of the resulting controller obtained can be specified by the designer. Implementation of the proposed controller design approach is described, and an experimental application study of the proposed method applied to a multivariable system with industrial sensor/actuator components is presented to illustrate the feasibility of the design method in an industrial environment.

This thesis deals with the design of multivariable controllers for stable linear time-invariant multi-input multi-output systems, with an unknown mathematical model, subject to constant reference/disturbance signals and actuator saturation constraints. A new controller parameter optimization approach, which can be carried out experimentally with no knowledge of the plant model nor of the order of the system, is proposed. The approach has the advantage that controllers can be optimized by perturbing only the initial conditions of the servocompensator, and that the order of the resulting controller obtained can be specified by the designer. Implementation of the proposed controller design approach is described, and an experimental application study of the proposed method applied to a multivariable system with industrial sensor/actuator components is presented to illustrate the feasibility of the design method in an industrial environment.

En esta tesis se desarrolla una metodología estadística que permite obtener clasificaciones de modelos linalizables a través de una distancia basada en el concepto de información de Shamon. Se han obtenido explícitamente expresiones algebraicas de los estimadores que nos sirvieron para comparar dos o mas de dichas curvas estableciendo su relación con los contrastes de hipótesis propias del análisis de la varianza en el caso de que las curvas fueran asociadas a un modelo lineal normal de varianzas iguales. Finalmente, y como aplicación, se hace un análisis y una clasificación de distintos tipos de respuesta al TTOG en una muestra de niños, dando posteriormente un método de diagnostico automatizado que cuantifica sus errores.

A retroalimentação de controladores preditivos que utilizam modelos em espaço de estado pode ser realizada de duas formas: (a) correção por bias, em que as saídas preditas são corrigidas adicionando-se um valor proporcional a discrepância encontrada entre o valor medido atual e sua respectiva predição e por (b) retroalimentação dos estados, onde se determinam as condições iniciais através da estimação dos estados, e a partir de uma melhor condição inicial se realizam as predições futuras usadas no cálculo das ações de controle. Nesta dissertação estas duas abordagens são comparadas utilizando a Planta Laboratorial de Seis Tanques Esféricos. As técnicas de Filtro de Kalman Estendido (EKF) e Filtro de Kalman Estendido com Restrições (CEKF) foram empregadas para estimar os estados não medidos. Inicialmente foram feitos testes off-line destes algoritmos de estimação. Para estes testes são utilizados uma série de dados da planta laboratorial do estudo de caso, na qual são estudadas as influências de diversos fatores de ajuste que determinam a qualidade final de estimação. Estes ajustes serviram de base para a aplicação destes algoritmos em tempo real, quando então, estimadores de estados estão associados ao sistema de controle do processo baseado em um algoritmo de controle preditivo. Após se ter certificado a qualidade das estimações de estado, partiu-se para sua utilização como uma alternativa de retroalimentação de controladores preditivos. Estes resultados foram comparados com os obtidos através da correção simples por bias. Os resultados experimentais apontam para uma marginal piora devido à retroalimentação por estimadores de estados frente à correção por bias, pelo menos para o caso do controlador preditivo linear utilizado na comparação. Entretanto, espera-se que resultados melhores sejam obtidos no caso de modelos preditivos não-lineares, uma vez que nestes casos o modelo é bem mais sensível à qualidade da condição inicial. / The feedback of controllers that use predictive models in state space can be accomplished in two ways: (a) bias correction, where the predicted outputs are corrected by adding a value proportional to the discrepancy found between the current measurement and its respective prediction; and by (b) state feedback, which establishes the initial conditions through the states estimation, and from a better initial condition are carried out the future predictions used in the calculation of control. In this thesis these two approaches are compared using a Laboratorial Plant of Six Spherical Tanks. The techniques of Extended Kalman Filter (EKF) and Constraint Extended Kalman Filter (CEKF) were used to estimate the unmeasured states. Initially, tests were carried out off-line for theses estimation algorithms. For such testing are used a dataset of the plant in case study, in which are studied the influences of several adjustment factors that they determine the final quality of estimation. These adjustments were used of base for the application of these algorithms in real time, when then state estimators are associated with the system of process control based on a predictive control algorithm. After having ascertained the quality of the state estimates, begins its use as an alternative for feedback of predictive controllers. These results were compared with those obtained by the simple correction of bias. The experimental results show a marginal worsening due to feedback from state estimated compared with bias correction, at least for the case of linear predictive controller used in the comparison. However, one expects that better results will be obtained in the case of non-linear predictive models, since in these cases the model is much more sensitive to the quality of the initial condition.

Métodos de controle por modelo de referência, usualmente encontrados na literatura de controle baseado em dados, têm como principal característica a especificação do desempenho desejado em malha fechada através de um modelo de referência. Estes métodos são, no entanto, comumente desenvolvidos para tratar o problema de seguimento de referência, em detrimento do comportamento relativo à perturbação de carga. Nesse sentido, recentemente foi desenvolvido o método de controle baseado em dados Virtual Disturbance Feedback Tuning – VDFT, que pode ser interpretado como um método de controle por modelo de referência para perturbação, em que o controlador é sintonizado para alcançar em malha fechada o comportamento regulatório especificado. A escolha no entanto do modelo de referência para perturbação mostra-se desafiadora, especialmente considerando o cenário em que pouca ou nenhuma informação sobre o modelo paramétrico do sistema está disponível. Dessa forma, este trabalho tem como objetivo estudar o impacto da escolha deste modelo sobre a sintonia do controlador utilizando o método VDFT e propor uma abordagem sistemática para lidar com essa variável de projeto. A solução aqui concebida é a de flexibilizar o modelo de referência para perturbação e identificar parte do seu numerador juntamente aos parâmetros do controlador que, associada a um conjunto de diretivas de projeto, permitem aproximar o comportamento em malha fechada do inicialmente especificado. Esse resultado viabiliza a utilização do método VDFT com critério flexível no contexto de uma estrutura hierárquica de controle, em que uma malha externa de controle preditivo é associada à malha de controle por VDFT, evitando a etapa de identificação de um modelo para o processo. Por fim, a formulação do método VDFT, assim como sua adaptação flexível, é estendida a fim de levar em conta processos multivariáveis. Experimentos e resultados em simulação ilustram as contribuições deste trabalho. / Model reference control methods, usually found within data-based control literature, have as main feature the specification of the desired closed-loop performance through a reference model. These methods are however commonly developed to address the set point tracking problem, to the disadvantage of load disturbance rejection. In this sense, the data-based control method Virtual Disturbance Feedback Tuning – VDFT was recently developed, which could be interpreted as a model reference control method for disturbance, in which the controller is tuned in order to reach in closed-loop the specified regulatory behavior. Nonetheless, the choice of the disturbance reference model is challenging, especially considering the scenario where little or no information on the process’ parametric model is available. This work aims therefore to study the impact of the disturbance reference model choice on the controller tuning using the VDFT method and to propose a systematic approach to deal with this design variable. The solution here conceived is to loosen the disturbance reference model and identify part of its numerator along with the controller parameters, which, associated with a set of design directions, allow the closed-loop behavior to be drawn closer to the one initially specified. This result enables the use of the VDFT method with flexible criterion in the context of a hierarchical control structure, in which an external predictive control loop is associated to the VDFT control loop, avoiding thus the identification of a process model. Finally, VDFT method’s formulation, as well as its flexible adaptation, is extended in order to take into account multivariable processes. Experiments and simulation results illustrate the contributions of this work.

A retroalimentação de controladores preditivos que utilizam modelos em espaço de estado pode ser realizada de duas formas: (a) correção por bias, em que as saídas preditas são corrigidas adicionando-se um valor proporcional a discrepância encontrada entre o valor medido atual e sua respectiva predição e por (b) retroalimentação dos estados, onde se determinam as condições iniciais através da estimação dos estados, e a partir de uma melhor condição inicial se realizam as predições futuras usadas no cálculo das ações de controle. Nesta dissertação estas duas abordagens são comparadas utilizando a Planta Laboratorial de Seis Tanques Esféricos. As técnicas de Filtro de Kalman Estendido (EKF) e Filtro de Kalman Estendido com Restrições (CEKF) foram empregadas para estimar os estados não medidos. Inicialmente foram feitos testes off-line destes algoritmos de estimação. Para estes testes são utilizados uma série de dados da planta laboratorial do estudo de caso, na qual são estudadas as influências de diversos fatores de ajuste que determinam a qualidade final de estimação. Estes ajustes serviram de base para a aplicação destes algoritmos em tempo real, quando então, estimadores de estados estão associados ao sistema de controle do processo baseado em um algoritmo de controle preditivo. Após se ter certificado a qualidade das estimações de estado, partiu-se para sua utilização como uma alternativa de retroalimentação de controladores preditivos. Estes resultados foram comparados com os obtidos através da correção simples por bias. Os resultados experimentais apontam para uma marginal piora devido à retroalimentação por estimadores de estados frente à correção por bias, pelo menos para o caso do controlador preditivo linear utilizado na comparação. Entretanto, espera-se que resultados melhores sejam obtidos no caso de modelos preditivos não-lineares, uma vez que nestes casos o modelo é bem mais sensível à qualidade da condição inicial. / The feedback of controllers that use predictive models in state space can be accomplished in two ways: (a) bias correction, where the predicted outputs are corrected by adding a value proportional to the discrepancy found between the current measurement and its respective prediction; and by (b) state feedback, which establishes the initial conditions through the states estimation, and from a better initial condition are carried out the future predictions used in the calculation of control. In this thesis these two approaches are compared using a Laboratorial Plant of Six Spherical Tanks. The techniques of Extended Kalman Filter (EKF) and Constraint Extended Kalman Filter (CEKF) were used to estimate the unmeasured states. Initially, tests were carried out off-line for theses estimation algorithms. For such testing are used a dataset of the plant in case study, in which are studied the influences of several adjustment factors that they determine the final quality of estimation. These adjustments were used of base for the application of these algorithms in real time, when then state estimators are associated with the system of process control based on a predictive control algorithm. After having ascertained the quality of the state estimates, begins its use as an alternative for feedback of predictive controllers. These results were compared with those obtained by the simple correction of bias. The experimental results show a marginal worsening due to feedback from state estimated compared with bias correction, at least for the case of linear predictive controller used in the comparison. However, one expects that better results will be obtained in the case of non-linear predictive models, since in these cases the model is much more sensitive to the quality of the initial condition.

Atualmente, existe uma grande variedade de metodologias de controle que poderiam ser utilizadas e aplicadas a processos industriais. Algumas destas metodologias têm um projeto complexo, exigindo um estudo extra de engenharia para projetar um controlador com um desempenho excelente. Outros controladores não apresentam um desempenho tão bom, embora apresentem um projeto extremamente simples. Entre a mais simples e a mais complexa metodologia, existem soluções de controle intermediárias, baseadas nas teorias de controle ótimo, que apresentam uma relativa simplicidade de projeto combinada com um desempenho superior. A presente tese apresenta a aplicação de duas técnicas de controle aplicadas a uma Rede de Trocadores de Calor (RTC) com bypasses: o controle LQR (Regulador Linear Quadrático) e o controle H-Infinito, apresentando os resultados obtidos em simulação no Matlab/Simulink e também resultados experimentais. Além disso, foi desenvolvido um procedimento para a validação experimental de um modelo matemático do trocador de calor casco e tubo 1-1 proposto por NOVAZZI (2006). A obtenção dos resultados experimentais foi realizada através de uma RTC em escala piloto, projetada e construída no Laboratório de Engenharia Química do Centro Universitário da FEI, com a instrumentação necessária e devidamente interconectada a um computador PC através de uma placa de aquisição de dados. A simulação e os ensaios experimentais realizados com os controladores LQR e H-Infinito aplicados na RTC apresentaram resultados adequados quando comparados à dinâmica da RTC em malha aberta (600s.), pois exigiram em torno de 200s. para impor uma mudança de setpoint ou rejeitar os distúrbios aplicados na vazão fria e na temperatura quente de entrada. Além disso, os controladores foram capazes de eliminar as interações entre as variáveis de processo. / Nowadays, there are a lot of different control methodologies that could be used on industrial processes. Some of these methodologies have a complex design and also demands an extra engineering effort to design the controller with a superior performance. Some other controllers may not lead to a desirable performance although they are too easy to design. Midway between the simplest and the most complex controller designs, there are an intermediate solutions based on optimal control theory, that present a relative simplicity in design combined with a superior performance. The contribution of this work is to apply the LQR control (Linear Quadratic Regulator) and the H-Infinity control on a Heat Exchanger Network (HEN) with bypasses, presenting the simulations and the experimental results. An experimental validation of the shell and tube heat exchanger mathematical model was successfully developed based on a procedure proposed. The experimental results were obtained with an HEN assembled on the Chemical Engineering Laboratory located at Centro Universitario da FEI. The instrumentation was adequately performed and the signals were interconnected on PC computer by using a data acquisition card. The simulation and the experimental results with the LQR and the H-Infinity control demanded 200s. to achieve a new steady state hen disturbances or set point variation were applied on the HEN. Compared with the HEN setting time (600s.), the controllers demonstrated reasonable results to perform a disturbance rejection and a set point variation.

Esta dissertação tem como objetivo o projeto de um mancal magnético para rodas de reação com aplicação na malha de controle de atitude de satélites. Mancais magnéticos são alternativas aos mancais tradicionais tais como os de esferas ou de lubrificação seco pois trabalham sem contato mecânico entre o rotor e o estator, minimizando assim a fricção entre ambas as partes. Além da minimização do atrito, o ganho em confiabilidade e vida útil da roda de reação é considerável por não apresentar desgastes mecânicos. Devido às consequências de qualquer fricção no movimento relativo entre a inércia (parte rotativa da roda de reação) e o satélite, o mancal torna-se um componente crítico da roda de reação. A fricção se traduz não apenas num maior consumo de potência elétrica, como também na introdução de uma zona morta de atuação em torque, bem como na limitação da vida útil da roda de reação devido ao gradual desgaste do mancal. O mancal proposto possui dois graus de liberdade axiais ativamente controlados e faz uso de ímãs para a estabilização passiva dos demais graus de liberdade. Ao longo do desenvolvimento são apresentados modelos não lineares dos campos magnéticos e das forças atuantes no mancal são encontrados. Com esses modelos, uma otimização é realizada a fim de encontrar melhores características. Um modelo não linear da dinâmica do rotor é desenvolvido e um controle PID capaz de estabilizar o rotor em seu ponto de equilíbrio é apresentado com o objetivo de demonstrar a viabilidade da topologia proposta. / The main objective of this work is to project a magnetic bearing for reaction wheels with application in satellite attitude control. Magnetic bearings are alternatives to traditional bearings such as ball or dry lubrication because they work without mechanical contact between the rotor and the stator thereby minimizing friction between both parts. In addition to minimizing friction, the gain in reliability and lifetime of the reaction wheel is considerable as a consequence of the absence of wear. Because of the consequences of any friction in the relative movement between the inertia (of the reaction wheel) and the satellite ( which is rigidly connected to the satellite body), the bearing becomes a critical component of the reaction wheel. The friction gives rise not only to a greater consumption of electric power, as well as the introduction of a torque dead zone operation, in a reduced lifetime of the reaction wheel due to gradual wear of the bearing. The proposed bearing has two axial degrees of freedom actively controlled and makes use of magnets for the passive stabilization of other degrees of freedom. Nonlinear models of magnetic fields and forces acting on the bearing are presented. With these models, an optimization is performed to find the best bearing characteristics. A nonlinear model rotor dynamics is developed and a PID control capable of stabilizing the active degrees of freedom presented.

A aplicação de técnicas de controle multivariáveis com o auxílio de ferramentas computacionais vem sendo bastante empregada em projetos de sistemas de controle complexos, que tem como base o conceito de variáveis de estado. Neste trabalho, visamos desenvolver um sistema de controle seguidor com realimentação de estados para um protótipo de um sistema de hélices paralelas onde a dinâmica é não linear e possui três graus de liberdade sendo dois graus de liberdade controlados. Serão utilizados dois modelos matemáticos: um modelo linear e um modelo não linear. A representação linear será utilizada para gerar as matrizes de ganho do sistema de controle. O modelo não linear é obtido através de prototipagem virtual no ambiente de desenvolvimento ADAMS®, que utiliza técnicas de modelagem de sistemas multicorpos para a obtenção das equações dinâmicas do movimento. Em seguida o modelo não linear é exportado para o ambiente de simulações em MATLAB®. A simulação é utilizada para verificar se a técnica de controle linear utilizada tem a capacidade de controlar o sistema não linear e analisar o comportamento do conjunto controlador mais a planta não linear já que está sendo feita atribuição de auto-estrutura completa. Os resultados obtidos ilustram o desempenho e a eficiência da metodologia proposta. / The application of multivariable control techniques with the aid of computing tools has been largely used in projects of complex control systems that are based on the concept of state-variables. The objective of this paper is to show the development of a tracking-system with state-feedback for a prototype of a parallel propeller system presenting nonlinear dynamics with three degrees-of-freedom but having only two controlled. Two mathematical models are used: a linear model and a nonlinear model. The linear representation is used to design the gain matrices of the linear control system. The nonlinear model is obtained through the virtual prototyping environment system ADAMS®, using modeling techniques of multi-body systems to obtain the dynamic motion equations. Then, the nonlinear model is exported to SIMULINK® (MATLAB®). The simulation is used to verify if the applied linear control techniques are able to control the nonlinear model and to analyze the system behavior (control system plus nonlinear plant). The design of the control system is done using the entire eigenstructure assignment technique. The results show the performance and the efficiency of the proposed methodology.