A bactéria Zymomonas mobilis atraiu considerável interesse nas últimas décadas devido ao seu metabolismo único e eficientes características fermentativas na produção de etanol a partir de açúcares simples. No entanto, apesar das aparentes vantagens na conversão e taxas específicas quando comparada com as leveduras, estas ainda dominam o mercado produtivo de etanol. Dentre os diversos modelos encontrados na literatura para representar o processo fermentativo de glicose através de Z. mobilis, o modelo proposto por Jöbses et al. (1986) aparenta ser bem estruturado e ideal para a criação de estratégias de controle e otimização de processos fermentativos com este microrganismo, viabilizando sua utilização em escala industrial. Fermentações de Z. mobilis em regime contínuo apresentam comportamento oscilatório para baixas taxas de diluição, fenômeno este comprovado experimentalmente. Experimentos laboratoriais foram utilizados para a estimação de parâmetros do modelo de Jöbses, através da técnica de minimização da derivada do erro da função objetivo. O novo modelo ajustado apresenta dinâmica equivalente ao modelo original de Jöbses, fato este comprovado através da construção dos diagramas de bifurcação. Os diagramas de fase dos modelos apresentam algumas diferenças estruturais entre si, entretanto, a ocorrência de multiplicidade de estados estacionários em baixos valores de taxa de diluição está presente em todos. Em bioprocessos, a obtenção de informações sobre o sistema é um tanto complexa, devido a estes meios serem muito suscetíveis a distúrbios, contaminações, além de que medidas de concentrações são relativamente dispendiosas, associadas com um alto tempo morto, o que impossibilita, muitas vezes, a implementação de sistemas de controle eficientes. Para contribuir com a resolução deste problema foi desenvolvida uma nova inferência das variáveis de estado através da informação de consumo de hidróxido de sódio, utilizado no controle de pH do meio. Inferidores de variáveis de estado que utilizam a variação no consumo de hidróxido de sódio foram ajustados e apresentaram resultados promissores, mostrando a viabilidade do desenvolvimento de metodologias para este tipo de análise, tornando a caracterização de sistemas fermentativos mais rápida e acessível, não apenas em nível acadêmico, que a desenvolvida atualmente, principalmente devido ao baixo custo associado, e a dinâmica rápida deste tipo de sensor. / The bacterium Zymomonas mobilis has attracted considerable interest in recent decades due to their unique metabolism and efficient characteristics in the production of ethanol by simple sugars. However, despite the apparent advantages in the conversion and specific rates, when compared with yeast, there is no industrial-scale fermentations with these bacteria. Among the various models found in literature to represent glucose fermentation with Z. mobilis, the model proposed by Jöbses et al. (1986) appears to be well structured and ideal for the creation of control strategies and optimization methods for increase productions. Fermentation in continuous mode with this organism exhibit oscillatory behavior at low dilution rates, phenomenon showed or demonstrated by experiments performed on laboratory scale. A laboratorial experiment also was used for estimation of new parameters group of Jöbses models, using the technique of minimization of error derivative for objective function. The new adjusted model set presents dynamics similar to the original model, fact confirmed by bifurcation analyses of both models. The diagram for these models show structural differences, but both presents steady states multiplicity and Hopf bifurcations. The obtained of fermentation characteristics is very complex, due to these reactive means being very susceptible to disturbances, contamination, among others, and concentrations measures are relatively expensive and whit a high dead time associated, which often prevents the implementation of control tools. The proposed inference of state variables by consumption rate of hydroxide sodium, used for maintenance pH medium, was tested and confirmed. Virtual sensors using the information of consumption rate of hydroxide were adjusted and have shown promising results, demonstrating the feasibility of developing methods of analysis based on this methodology, making the characterization of fermentative systems faster and cheaper them currently developed, mainly due to low cost associated, and the dynamics of this fast type of sensor.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / The process modeling and simulation is a greatly important procedure for many chemical and biotechnological processes. The process simulation allows to predict elementary behavior of the state variables of the process, leading to many economical and process advantages, such as the avoidance of losses of time and materials for not knowing the process particularities, the safety guarantee, the product quality, and, mostly the process optimization, permitting to study and to reach the best conditions of a process, which shall yield in more products with quality produced with less effort and expenditures. In this work, the modeling and simulation of two biological processes enzymatic hydrolysis and solid state fermentation were performed in order to develop models and estimate parameters that enable an engineer to predict the process behavior and to make decisions about the process. The modeling procedure also involves the computing of differential equations, and algebraic-differential equations; in this manner, the engineer must be able to use different numerical integration methods. Mainly two parameters estimation procedures were used Particle-Swarm Optimization and Levenberg-Marquardt -, and two numerical integration methods were also resorted Runge-Kutta and Dormand-Prince. Experimental data from previous works were used to perform several tests in order to assure that the models were predicting correctly the state variables of the process and, in this manner, were reliable and useful. In the first paper, several mechanistic and empirical models are tested to fit the enzymatic hydrolysis experimental data; statistical tests were performed to verify which of those models would best describe the process, which was found to be and entirely empirical non-autonomous model. The following papers are about the modeling of the solid-state fermentation process. The model was found to be very accurate and adequate to be used for predictions, mainly for the bed temperature of the packed-bed bioreactor, since it could predict the temperature gradients along the time and height of the bed. Also, some numerical procedures such as parameters identifiability, to realize which were the most important parameters to be estimated, and model reparametrization, to reduce the total number of parameters to be estimated and avoid magnitude problems of the model, were successfully performed. This work has shown that the modeling and simulation of processes holds an enormous importance for industry, and different techniques can be applied with more or less effort and success. Further, hopefully, this work has contributed to the state of the art of modeling, in a general way, for biological processes. / A modelagem e a simulação de processos consistem em um recurso de grande importância para diversos processos químicos e biotecnológicos. A simulação de processos nos permite predizer o comportamento das variáveis de estado do processo, levando-nos a vantagens técnicas e econômicas, como, por exemplo, a prevenção de perdas de tempo e insumos por não conhecer particularidades do processo, a garantia de segurança, a qualidade do produto e, principalmente, a otimização do processo, permitindo estudar e alcançar as melhores condições para o referido processo, o que deve culminar em mais produto produzido com melhor qualidade e com menos esforços e custos. Neste trabalho, a modelagem e a simulação de dois processos biotecnológicos hidrólise enzimática e fermentação em estado sólido foram feitas com a validação dos modelos propostos com dados experimentais através da técnica de estimação de parâmetros para permitir ao engenheiro prever o comportamento do processo e tomar decisões. O procedimento de modelagem também envolve a avaliação de equações diferenciais e de equações algébricas, dessa forma, o engenheiro deve estar apto a usar diferentes métodos de integração numérica. Dois procedimentos principais de estimação de parâmetros foram utilizados Otimização por Enxame de Partículas e Levenberg-Marquardt -, e se lançou mão de dois métodos de integração numérica, Runge-Kutta e Dormand-Prince. Dados experimentais de trabalhos anteriores foram utilizados para realizar diversos testes para assegurar a precisão dos modelos em predizer as variáveis de estado do processo e, portanto, serem modelos confiáveis e úteis. No primeiro artigo apresentado, diversos modelos mecanicísticos e empíricos foram testados para se ajustarem aos dados experimentais da hidrólise enzimática; testes estatísticos foram realizados para verificar qual dos modelos melhor descreveria o processo, de forma que o melhor modelo se mostrou ser um modelo totalmente empírico não-autônomo. Os demais artigos tratam da modelagem de um processo de fermentação em estado sólido. Verificou-se que o modelo é bastante preciso e adequado para o uso em predições, principalmente para o perfil de temperatura no leito do biorreator, uma vez que o modelo prevê os gradientes de temperatura ao longo do tempo e da altura do leito. Também, procedimentos numéricos, tais como a análise de identifiabilidade dos parâmetros, para a percepção de quais são os parâmetros mais importantes para a estimação, e a reparametrização do modelo, para reduzir o número total de parâmetros a serem estimados e evitar problemas de magnitude no modelo, foram empregadas com sucesso. Este trabalho mostrou que a modelagem e a simulação de processos possuem enorme importância para a indústria, e diferentes técnicas podem ser aplicadas com maior ou menor esforço e sucesso. Além disso, espera-se que o trabalho tenha contribuído para o estado da arte em modelagem, de uma maneira geral, na área de bioprocessos.

A bactéria Zymomonas mobilis atraiu considerável interesse nas últimas décadas devido ao seu metabolismo único e eficientes características fermentativas na produção de etanol a partir de açúcares simples. No entanto, apesar das aparentes vantagens na conversão e taxas específicas quando comparada com as leveduras, estas ainda dominam o mercado produtivo de etanol. Dentre os diversos modelos encontrados na literatura para representar o processo fermentativo de glicose através de Z. mobilis, o modelo proposto por Jöbses et al. (1986) aparenta ser bem estruturado e ideal para a criação de estratégias de controle e otimização de processos fermentativos com este microrganismo, viabilizando sua utilização em escala industrial. Fermentações de Z. mobilis em regime contínuo apresentam comportamento oscilatório para baixas taxas de diluição, fenômeno este comprovado experimentalmente. Experimentos laboratoriais foram utilizados para a estimação de parâmetros do modelo de Jöbses, através da técnica de minimização da derivada do erro da função objetivo. O novo modelo ajustado apresenta dinâmica equivalente ao modelo original de Jöbses, fato este comprovado através da construção dos diagramas de bifurcação. Os diagramas de fase dos modelos apresentam algumas diferenças estruturais entre si, entretanto, a ocorrência de multiplicidade de estados estacionários em baixos valores de taxa de diluição está presente em todos. Em bioprocessos, a obtenção de informações sobre o sistema é um tanto complexa, devido a estes meios serem muito suscetíveis a distúrbios, contaminações, além de que medidas de concentrações são relativamente dispendiosas, associadas com um alto tempo morto, o que impossibilita, muitas vezes, a implementação de sistemas de controle eficientes. Para contribuir com a resolução deste problema foi desenvolvida uma nova inferência das variáveis de estado através da informação de consumo de hidróxido de sódio, utilizado no controle de pH do meio. Inferidores de variáveis de estado que utilizam a variação no consumo de hidróxido de sódio foram ajustados e apresentaram resultados promissores, mostrando a viabilidade do desenvolvimento de metodologias para este tipo de análise, tornando a caracterização de sistemas fermentativos mais rápida e acessível, não apenas em nível acadêmico, que a desenvolvida atualmente, principalmente devido ao baixo custo associado, e a dinâmica rápida deste tipo de sensor. / The bacterium Zymomonas mobilis has attracted considerable interest in recent decades due to their unique metabolism and efficient characteristics in the production of ethanol by simple sugars. However, despite the apparent advantages in the conversion and specific rates, when compared with yeast, there is no industrial-scale fermentations with these bacteria. Among the various models found in literature to represent glucose fermentation with Z. mobilis, the model proposed by Jöbses et al. (1986) appears to be well structured and ideal for the creation of control strategies and optimization methods for increase productions. Fermentation in continuous mode with this organism exhibit oscillatory behavior at low dilution rates, phenomenon showed or demonstrated by experiments performed on laboratory scale. A laboratorial experiment also was used for estimation of new parameters group of Jöbses models, using the technique of minimization of error derivative for objective function. The new adjusted model set presents dynamics similar to the original model, fact confirmed by bifurcation analyses of both models. The diagram for these models show structural differences, but both presents steady states multiplicity and Hopf bifurcations. The obtained of fermentation characteristics is very complex, due to these reactive means being very susceptible to disturbances, contamination, among others, and concentrations measures are relatively expensive and whit a high dead time associated, which often prevents the implementation of control tools. The proposed inference of state variables by consumption rate of hydroxide sodium, used for maintenance pH medium, was tested and confirmed. Virtual sensors using the information of consumption rate of hydroxide were adjusted and have shown promising results, demonstrating the feasibility of developing methods of analysis based on this methodology, making the characterization of fermentative systems faster and cheaper them currently developed, mainly due to low cost associated, and the dynamics of this fast type of sensor.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Techniques for estimating unknown terms - such as eddy diffusivity and counter-gradient - in atmospheric flow are presented in this study. The methos is also used to identify the source term in atmospheric pollution. The scheme adopted is based on inverse problem methodology. The inverse problem is formulated as a non-linear optimization problem, where the objective function is defined as the square difference between observational data and data from a transport mathematical model. For estimating the properties of the atmospheric flux, an implicit strategy was used, and an Eulerian model was used as forward model. The estimation of the pollutant source term was tested employing a source-repector technique. In the pollutant dispersion simulation, a Lagrangian model was applied. For some inversions, regularized solutions should be searched. The Tikhonov and entropy regularizations were considered. Three different optimization methods were used: Levenberg-Marquardt, quasi-Newton (deterministic) e simulated annealing (stochastic). The results show a good performance of the proposed methodology in many tested situations. / Neste estudo apresentam-se técnicas para estimar termos desconhecidos em fluxos atmosféricos, tais como coeficiente de difusão turbulento e termo de contra-gradiente. O método é também usado para a estimação de termos de fonte em poluição atmosférica. O esquema adotado é baseado na metodologia de problema inverso. O problema inverso é formulado como um problema de otimização não linear, onde a função objetivo é definida como a diferença quadrática entre dados experimentais e dados obtidos através de um modelo matemático de transporte. Para a estimação de propriedades de fluxo atmosféricos, uma estratégia de inversão implícita foi utilizada, onde um modelo eureliano foi empregado como modelo matemático. Para a estimação do termo de fonte de poluição, um procedimento de inversão empregando a técnica fonte-receptor foi testado em diversos cenários físicos. Para simulação da dispersão de poluentes na atmosfera foi empregado um modelo lagrangeano. Em alguns casos tornou-se necessário aplicar técnicas de regularização na obtenção da solução inversa. Regularização de Tikhonov e em entrópicas foram empregadas, quando necessário. Três diferentes métodos de otimização são utilizados: Levenberg-Marquardt e quase-Newton (determinísticos) e recozimento simulado (estocástico). Os resultados comprovam a robustez do método de inversão nas diversas situações testadas.

O processo de estimação de estado em sistemas elétricos de potência está sujeito a três tipos de erros: erros nas medidas analógicas (erros grosseiros); erros devido a informações erradas quanto aos estados de chaves e/ou disjuntores (erros topológicos) e erros causados por informações erradas de algum parâmetro do sistema (erros de parâmetros). É drástico o efeito de erros de parâmetros, para o processo de estimação de estado, normalmente intolerável, sendo, entretanto, menos evidente que os erros grosseiros e topológicos. Aproveitando o fato de que certas medidas não sofrem mudanças significativas de valor, durante um determinado intervalo de tempo, propõe-se uma metodologia para estimação de estado e parâmetros de linhas de transmissão. Na metodologia proposta, que se baseia nas equações normais, o vetor de estado convencional é aumentado para a inclusão dos parâmetros a serem estimados. Este vetor de estado aumentado é então estimado através de uma grande quantidade de medidas, obtidas em diversas amostras, durante um intervalo de tempo em que as variáveis de estado do sistema não tenham sofrido alterações significativas de valor. Esta situação ocorre tipicamente à noite, fora dos horários de pico. Propõe-se também uma metodologia para análise de observabilidade para o estimador proposto. Para comprovar a eficiência das metodologias propostas, vários testes foram realizados, utilizando os sistemas de 6, 14 e 30 barras do IEEE. / The process of power system state estimation is subjected to three types of errors: errors in analogical measurements (gross errors), incorrect information about the status of switching devices (topology errors) and incorrect information about the model of the systems equipment (parameter errors). The effects of parameter errors on the process of power system state estimation are drastic and less evident to detect than gross and topology errors. Taking advantage of the fact that a certain fraction of the measurements varies over a small range in a certain period of time, a methodology to estimative transmission line parameters and state based on normal equations has been proposed. In such methodology, which is based on normal equations, the traditional state vector is expanded to include the parameters to be estimated. This augmented state vector is estimated through a large collection of measurements, recorded within several snapshots of the power system, during which the actual system state varies over a small range. This situation typically occurs during the night off-peak periods. An observability analysis methodology is also proposed for the presented estimator. To prove the efficiency of the methodologies, several tests were made using the systems of 6, 14 and 30 buses from IEEE.

Orientador: Katia Lucchesi Cavalca Dedini / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica / Made available in DSpace on 2018-07-22T17:27:08Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Cavalcante_PaulaFrassinetti_M.pdf: 4909244 bytes, checksum: f9f88e5874d8b1727ede08f5831d24eb (MD5) Previous issue date: 1997 / Resumo: A análise do comportamento da fundação e sua influência na resposta do sistema completo rotor-suportes-fundação é fundamental para análise dinâmica deste sistema. Dessa forma, este trabalho apresenta uma metodologia para a análise do comportamento da fundação, usando técnicas de análise modal para determinar os parâmetros modais da fundação (massa, fator de amortecimento e freqüência natural). Para a identificação desses parâmetros, foi feita a análise das funções de transferências do modelo numérico da estrutura, onde a técnica utilizada foi a discretização da fundação pelo método dos elementos finitos. O cálculo das funções de transferência do modelo é feito para uma força de excitação harmônica unitária, atuando em um determinado nó do modelo discretizado. Em seguida, foram definidos alguns nós de interesse no modelo discretizado e aplicadas técnicas de análise modal para calcular as freqüências naturais da estrutura. A transformada de Fourier da resposta em freqüência do sistema é calculada e através do espectro de freqüências do sistema, é feita a escolha dos modos de vibrar mais significativos, associados às freqüências naturais que significantemente participam da resposta do sistema. Em seguida, é feito o cálculo dos parâmetros de massa, fator de amortecimento e rigidez dos modos considerados. A matriz de impedâncias mecânicas é obtida para estes modos. Os resultados obtidos foram plotados e analisados. Resultados adicionais mostrando todo comportamento da estrutura, cujos parâmetros foram identificados a partir de uma função de transferência analítica, são apresentados, cuja importância é relevante na implementação e comparação com o modelo físico / Abstract: The behavior analysis of foundation and its influence on the complete system response, rotor-bearings-foundation, is of great importance in its dynamic analysis. In this way, this work presents a methodology for behavior analysis of the foundation using modal analysis technique to determine the modal parameters of the foundation (damping factor, natural frequency and generalized mass). The analysis of the numeric modeI transfer functions of the structure was done in order to identify these parameters, where it was the discretization technique of the foundation using the finite element method. The functions of the model was obtained for a unit harmonic force exciting one node. Afterwards, some nodes of interest in the discretized modal was defined and modal analysis techniques used calculate the natural frequencies of the structural the Fourier Transform of the frequency response of the system is calculated. The shapes modes associated to the natural frequencies which participate of the system response significantly are chosen using the frequency spectrum. The mass, damping factor and stiffness of the considered modes are obtained afterwards. The mechanical impedance matrix is obtained for these modes. The results was plotted and analyzed. Further results showing the behaviour of the structure are presented whose parameter were identified by the analytical transfer functions its importance is relevant to implement and compare to the model physical / Mestrado / Projeto Mecanico / Mestre em Engenharia Mecânica

In the present work we deal with the problem of etremal value of time series, especially of maxima. We study times and values of maximum by an approach of point process and we model distribution of extremal values by statistical methods. We estimate parameters of distribution using different methods, namely graphical methods of data analysis and subsequently we test the estimated distribution by tests of goodness of fit. We study the stationary case and also the cases with a trend. In connection with distribution of excesess and exceedances over a threshold we deal with generalized Pareto distribution.

De nos jours, l'utilisation des drones miniatures à voilure tournante pour des missions d'observation dans des environnements hostiles est en pleine expansion. Ces appareils, grâce à leurs capacités à combiner le vol de translation avec le vol stationnaire, sont en effet bien adaptés aux besoins de ces missions. L'étude présentée dans cette thèse concerne un nouveau concept de drone appelé GLMAV (pour Gun Launched Micro Aerial Vehicle), qui consiste à rendre très rapidement opérationnel un véhicule hybride projectile - drone. La difficulté dans le pilotage de ce type de véhicules est d'assurer de bonnes performances de suivi de trajectoires tout en garantissant une résistance aux perturbations aérodynamiques. Après une étape de modélisation, le coeur de la thèse présente plusieurs stratégies de commande, aussi bien linéaires que non linéaires, permettant la navigation autonome du drone. Plusieurs approches permettant l'estimation et la prise en compte dans la commande des efforts parasites liés aux phénomènes aérodynamiques sont également détaillées. L'efficacité de tous les algorithmes de commande est ensuite illustrée par de nombreuses simulations numériques. Du point de vue pratique, une simple loi de commande ne suffit pas. En effet, des techniques de filtrage particulières ou des aménagements spécifiques doivent être utilisés pour reconstruire l'état du drone. Les performances de l'ensemble de la boucle de commande sont d'abord testées en simulation avant l'implantation sur le prototype du GLMAV développé par l'Institut franco-allemand de recherches de Saint-Louis / Nowadays, the use of rotary-wing MAV for observation missions in hostile environments is constantly growing. These aircrafts, through their ability to perform both translation flights and hover, are indeed well appropriate for these missions. The study presented in this thesis deals with a new MAV concept called GLMAV (for Gun Launched Micro Aerial Vehicle), which consists in getting very quickly up and running a projectile - MAV hybrid vehicle. The difficulty in controlling such vehicles is to ensure good trajectory tracking performances while guaranteeing robustness towards aerodynamic disturbances. After a modelling stage, the heart of the thesis introduces various control strategies, both linear and nonlinear, for the autonomous navigation of the MAV. Several approaches allowing the estimation and the consideration into the control of the parasitic efforts caused by aerodynamic phenomena are also detailed. The effectiveness of the control algorithms is then shown through many numerical simulations. From a practical point of view, having a control law is not enough. Indeed, special filtering techniques or specific equipments have to be used to reconstruct the system state. The performances of the overall control loop are firstly tested in simulation before its implementation on the GLMAV prototype developed by the French-German research Institute of Saint-Louis

Rapid expansion of communication technologies in last decade caused increased volume of information which is beeing generated and shared by people and organisations. It is permanently harder to identify relevant content today because of absence of tools and techniques which may support mass information management. As today's media have rather multimedial character image information is even more important. This project describes software for automatic estimation of predefined object parameters from images. A C++ implementation of this algorithm is also described.

Renewable energy is playing an increasingly significant role in power system operation and stability assessment with its numerous penetration expansion. This is not only brought by its uncertain power output and inverter-based equipment structures but also its operation characteristics like Low Voltage Ride Through (LVRT). It is thus necessary to take these characteristics into consideration and further to find more adaptive schemes to implement them for more effective analysis and safer power system operation. All the aforementioned is based on the accurate identification of the system fundamental information. In this dissertation, a systematic approach is proposed to find the valid system model by estimating the transmission line parameters in the system with PMU measurements. The system transient stability assessment is conducted based on this validated model. The constrained stability region is estimated with Lyapunov functions family based method in the center of angles reference frame considering renewables LVRT as operation limits. In order to integrate the LVRT constraints, a polytopic inner approximation mechanism is introduced to linearize and organize the transformed constraints in state space, which brings much scalability to the whole process. From the voltage stability perspective, an approach to adaptively adjust LVRT settings of the renewable energy sources in the system is formulated to guarantee the system load margin and thus the voltage security. A voltage prediction method is introduced for critical renewable energy sources identification. Estimation methods based on interpolation and sensitivities are developed and conducted for saving computation effort brought by continuation power flows. Multiple test cases are studied utilizing the proposed approaches and results are demonstrated. / Doctor of Philosophy / Renewable energy utilization is continuously rising nowadays. They are clean but highly dependent on natural resources, which causes their uncertainty and intermittence in electric power output. The power system, on the other hand, is designed for schedulable and controllable power generators, which make the traditional methods for system operation and analysis of the system stability much less effective facing the trend of renewables integration. In this dissertation, a series of systematic approaches are proposed firstly identify the system parameters for more accurate system modeling through PMU measurements, then to assess the system transient stability considering the renewable energy sources operation limits, and finally to adaptively adjust these operation limit for improving the system voltage security. The operation limits are transferred into the form in terms of system states. Linearization and approximation methods are also introduced to enhance the scalability of the processes. Multiple test cases are studied with the proposed approaches and the results demonstrate their effectiveness and efficiency.