Use este identificador para citar ou linkar para este item: http://repositorio.ufc.br/handle/riufc/60348
Tipo: Dissertação
Título: Optimal control and estimation of activated sludge plants
Autor(es): Leite Neto, Otacílio Bezerra
Orientador: Corona, Francesco
Coorientador: Mulas, Michela
Palavras-chave: Processo de lodo ativado;Propriedades dinâmicas;Estimação ótima;Reúso de água;Redes complexas;Controle de modelo preditivo;Estimação de horizonte móvel
Data do documento: 2021
Citação: LEITE NETO, Otacílio Bezerra. Optimal control and estimation of activated sludge plants. 2021. 116 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia de Teleinformática) – Universidade Federal do Ceará, Centro de Tecnologia, Programa de Pós Graduação em Engenharia de Teleinformática, Fortaleza, 2021.
Resumo: O tratamento de águas residuais está enfrentando desafios sem precedentes devido a requisitos de efluentes mais rígidos, minimização de custos, reutilização sustentável de água, nutrientes e outros recursos, bem como expectativas crescentes do público em atingir altos padrões de serviço. Devido à sua ampla difusão, os processos de lodo ativado desempenham um papel fundamental no tratamento biológico de águas residuais e sua operação ótima tem um grande impacto tecnológico e social. A disciplina de teoria do controle oferece a estrutura matemática para direcionar os sistemas de tratamento de águas residuais a um estado desejado. Controle de modelo preditivo (MPC) e estimação de horizonte móvel (MHE) têm sido as tecnologias escolhidas para muitas aplicações industriais, incluindo estações de tratamento. Neste trabalho, as propriedades dinâmicas e a operação ótima de plantas de lodo ativado são investigadas. Para a primeira tarefa, o sistema dinâmico que consiste em 145 variáveis de estado, 13 controles, 14 distúrbios e 15 saídas, é mapeado em redes complexas nas quais as propriedades de controlabilidade e observabilidade de estado são estudadas, tanto do ponto estrutural quanto do ponto de vista clássico. Para a segunda tarefa, estratégias de controle ótimo e estimativa ótima são projetadas para operar uma planta de lodo ativado tanto para operações de tratamento de águas residuais quanto para reúso. No reúso de águas residuais, um controlador preditivo de zero-offset é projetado para operar a planta quando ela for requisitada a produzir água de qualidade sob medida para ser usada na fertirrigação de safra agrícola. Os problemas ótimos de controle e estimativa são resolvidos através do método de transcrição direta, que consiste em converter os problemas em programas não-lineares e, em seguida, resolvê-los numericamente. De acordo com nossos resultados, as plantas de lodo ativado são controláveis apenas no sentido estrutural, sendo incontroláveis no sentido convencional e inobserváveis tanto no sentido estrutural quanto convencional. Sendo estáveis sob a operação convencional, esses processos ainda são estabilizáveis e detectáveis, apesar de seu controle e observação serem qualificados como tarefas de alta exigência. Apresentamos e discutimos os resultados da simulação de um controlador preditivo capaz de melhorar o desempenho da planta de tratamento sob diferentes regimes de afluentes. Em seguida, mostramos e discutimos os resultados para um controlador de zero-offset que é capaz de seguir uma trajetória de referência sob condições de afluentes constante, embora seja apenas parcialmente capaz de seguir esses pontos de referência sob afluentes dinâmicos. Finalmente, resultados são apresentados para os controladores de modelo preditivos de saída baseados em medições parciais, ruidosas, do estado interno da planta.
Abstract: Wastewater treatment is facing unprecedented challenges due to stricter effluent requirements, costs minimisation, sustainable reuse of water, nutrients, and other resources, as well as increasing expectations in the public to attain high service standards. Due to their wide diffusion, activated sludge processes play a key role in the biological treatment of wastewater and their efficient operation has a large technological and societal impact. The discipline of control theory offers the mathematical framework for steering wastewater treatment systems toward a desired state. Model predictive control (MPC) and moving horizon estimation (MHE) have been the chosen technologies for many industrial applications, including treatment plants. In this work, the dynamical properties and optimal operation of activated sludge plants are investigated. For the first task, the dynamical system consisting of 145 state variables, 13 controls, 14 disturbances, and 15 outputs, is mapped onto complex networks in which full-state controllability and observability properties are studied, from both a structural and a classical point of view. For the second task, optimal control and estimation strategies are designed for operating an activated sludge plant for both wastewater treatment and reuse operations. In wastewater reuse, a zero-offset predictive controller is designed to operate the plant when it is required to produce water of tailored quality to be used for agricultural crop fertigation. The optimal control and estimation problems are solved through the direct transcription method consisting of converting the problems into nonlinear programs, then solving them numerically. According to our results, activated sludge plants are only controllable in a structural sense, being uncontrollable in the conventional sense and unobservable both in the structural and conventional sense. Being stable under the conventional operation, these processes are still stabilizable and detectable, despite their control and observation being qualified as high-demanding tasks. We present and discuss the simulation results for a predictive controller that is capable to improve the performance of the plant for wastewater treatment under different influent regimes. Then, we show and discuss the results for a zero-offset controller that is capable to track a reference trajectory under constant influent conditions, albeit being only partially capable to track these set-points under dynamic influent. Finally, results are presented for the output model predictive controllers based on partial, noisy, measurements of the plant’s internal state.
URI: http://www.repositorio.ufc.br/handle/riufc/60348
Aparece nas coleções:DETE - Dissertações defendidas na UFC

Arquivos associados a este item:
Arquivo Descrição TamanhoFormato 
2021_dis_obleiteneto.pdf13,39 MBAdobe PDFVisualizar/Abrir


Os itens no repositório estão protegidos por copyright, com todos os direitos reservados, salvo quando é indicado o contrário.