O uso de etanol combustível no Brasil é hoje considerado o mais importante programa de combustível comercial renovável do mundo, sendo um potencial substituto aos derivados de petróleo. O aumento de rendimento fermentativo e a diminuição das perdas são objetivos de estudo em diversos centros de pesquisa, sendo o estudo da modelagem matemática e simulação do processo de grande importância para tal. A presente pesquisa apresenta como função identificar um modelo matemático para a linhagem isolada de Saccharomyces cerevisiae PE-2, de maneira a otimizar a maneira como é realizada a sua alimentação através de um controle H∞ por representação quasi-LPV. São realizados 9 ensaios de fermentação em 3 temperaturas distintas sob mesmas condições de concentração de substrato entrante. Após a finalização dos experimentos e análises, realiza-se a estimativa dos parâmetros componentes das equações diferenciais que modelam a cinética fermentativa, através de um algoritmo Quasi-Newton. De posse do modelo matemático, desenvolve-se um controle otimizado para a temperatura de 33ºC (temperatura usual de controle no processo industrial), considerando os parâmetros \"s\" e \"v\" variantes no tempo e os parâmetros x = 150 g/L e p = 70 g/L fixados, sendo valores médios obtidos durante o experimento. A utilização do controle desenvolvido possibilita um aumento de produtividade na faixa de 10% com relação a alimentação realizada em laboratório. Os resultados finais comprovam a eficiência do modelo matemático desenvolvido, comparado a outros estudos semelhantes, a influência da temperatura nos parâmetros cinéticos e a possibilidade de otimizar o processo através de um controle avançado do processo. / The use of ethanol in Brazil is considered the most important commercial renewable fuel program in the world, with a potential substitute for oil products. The increase in fermentation yield and losses reduction are objectives of study in various research centers, where the study of mathematical modeling and simulation of the process is of significant importance. This research presents as function to identify a mathematical model for the isolated strain of Saccharomyces cerevisiae PE-2, in order to optimize the way their substrate is fed, through a H∞ control based on quasi-LPV representation. Nine fermentation tests are performed at three different temperatures under the same conditions for incoming substrate concentration. After the experiments and analysis, it is carried out the estimation of parameters which are components of the differential equations that explain the fermentation kinetics, through a Quasi-Newton algorithm. With the mathematical model obtained, it is developed an optimal control for temperature 33°C (usual temperature control in the industrial process), considering the parameters \"s\" e \"v\" variyng in time and the parameters x = 150 g/L e p = 70 g/L set, which are average values obtained over the tests. The use of the control developed, applied to the flow variation, allows increasing productivity in 10% when compared with the flow performed in the tests conditions. The final results demonstrated the efficacy of the developed mathematical model, compared to other similar studies, the influence of temperature on the kinetic parameters and the possibility to optimize the process through an advanced process control.

O uso de etanol combustível no Brasil é hoje considerado o mais importante programa de combustível comercial renovável do mundo, sendo um potencial substituto aos derivados de petróleo. O aumento de rendimento fermentativo e a diminuição das perdas são objetivos de estudo em diversos centros de pesquisa, sendo o estudo da modelagem matemática e simulação do processo de grande importância para tal. A presente pesquisa apresenta como função identificar um modelo matemático para a linhagem isolada de Saccharomyces cerevisiae PE-2, de maneira a otimizar a maneira como é realizada a sua alimentação através de um controle H∞ por representação quasi-LPV. São realizados 9 ensaios de fermentação em 3 temperaturas distintas sob mesmas condições de concentração de substrato entrante. Após a finalização dos experimentos e análises, realiza-se a estimativa dos parâmetros componentes das equações diferenciais que modelam a cinética fermentativa, através de um algoritmo Quasi-Newton. De posse do modelo matemático, desenvolve-se um controle otimizado para a temperatura de 33ºC (temperatura usual de controle no processo industrial), considerando os parâmetros \"s\" e \"v\" variantes no tempo e os parâmetros x = 150 g/L e p = 70 g/L fixados, sendo valores médios obtidos durante o experimento. A utilização do controle desenvolvido possibilita um aumento de produtividade na faixa de 10% com relação a alimentação realizada em laboratório. Os resultados finais comprovam a eficiência do modelo matemático desenvolvido, comparado a outros estudos semelhantes, a influência da temperatura nos parâmetros cinéticos e a possibilidade de otimizar o processo através de um controle avançado do processo. / The use of ethanol in Brazil is considered the most important commercial renewable fuel program in the world, with a potential substitute for oil products. The increase in fermentation yield and losses reduction are objectives of study in various research centers, where the study of mathematical modeling and simulation of the process is of significant importance. This research presents as function to identify a mathematical model for the isolated strain of Saccharomyces cerevisiae PE-2, in order to optimize the way their substrate is fed, through a H∞ control based on quasi-LPV representation. Nine fermentation tests are performed at three different temperatures under the same conditions for incoming substrate concentration. After the experiments and analysis, it is carried out the estimation of parameters which are components of the differential equations that explain the fermentation kinetics, through a Quasi-Newton algorithm. With the mathematical model obtained, it is developed an optimal control for temperature 33°C (usual temperature control in the industrial process), considering the parameters \"s\" e \"v\" variyng in time and the parameters x = 150 g/L e p = 70 g/L set, which are average values obtained over the tests. The use of the control developed, applied to the flow variation, allows increasing productivity in 10% when compared with the flow performed in the tests conditions. The final results demonstrated the efficacy of the developed mathematical model, compared to other similar studies, the influence of temperature on the kinetic parameters and the possibility to optimize the process through an advanced process control.

Orientador: Edvaldo Assunção / Resumo: Neste trabalho é proposta a resolução do problema do regulador linear quadrático (Linear Quadratic Regulator - LQR) via desigualdades matriciais lineares (Linear Matrix Inequalities - LMIs) para sistemas lineares e invariantes no tempo sujeitos a incertezas politópicas, bem como para sistemas lineares sujeitos a parâmetros variantes no tempo (Linear Parameter Varying - LPV). O projeto dos controladores é baseado na realimentação derivativa. A escolha da realimentação derivativa se dá devido à sua fácil implementação em certas aplicações como, por exemplo, no controle de vibrações. Os sinais usados na realimentação são aceleração e velocidade, sendo obtidos por meio de acelerômetros. Por meio do método proposto é possível obter condições LMIs para a síntese de controladores que garantam a estabilização do sistema em malha fechada, sendo que os controladores possuem desempenho otimizado. Para a formulação das condições LMIs, uma função de Lyapunov do tipo quadrática é utilizada. Exemplos teóricos e simulações são utilizados como forma de validação dos métodos propostos, além de mostrar que os novos resultados apresentam condições menos conservadoras. Além disso, ao final é apresentada uma implementação prática em um sistema de suspensão ativa, produzida pela Quanser®. / Abstract: The resolution of linear quadratic regulator (LQR) problem via linear matrix inequalities (LMIs) for linear time-invariant systems subject to polytopic uncertainties, as linear systems subjects to linear parameter varying (LPV), is proposed in this work. The controllers' designs are based on the state derivative feedback. The aim to the choice of the state derivative feedback is your easy implementation in a class of mechanical systems, such as in vibration control, for example. The signals used for feedback are acceleration and velocity, it is obtained by means of accelerometers. Through the proposed method it is possible to obtain LMIs conditions for the synthesis of controllers that guarantee the stabilisation of the closed-loop system, being that the controllers have optimised performance. For the LMIs conditions formulations, a Lyapunov function of type quadratic is used. As a form of validation, theoretical examples and simulations are performed, besides to show that the new results are less conservative. Furthermore, a practical implementation in an active suspension system, produced by Quanser®, is performed. / Mestre