Optimal Control in Bioprocesses

eBook - Pontryagin's Maximum Principle in Practice

Rapaport, Alain/Sari, Tewfik/Harmand, Jérôme et al
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Bibliografische Daten
ISBN/EAN: 9781119597230
Sprache: Englisch
Umfang: 272 S., 16.74 MB
Auflage: 1. Auflage 2019
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Format: EPUB
DRM: Adobe DRM

Beschreibung

Optimal control is a branch of applied mathematics that engineers need in order to optimize the operation of systems and production processes. Its application to concrete examples is often considered to be difficult because it requires a large investment to master its subtleties.

The purpose of Optimal Control in Bioprocesses is to provide a pedagogical perspective on the foundations of the theory and to support the reader in its application, first by using academic examples and then by using concrete examples in biotechnology. The book is thus divided into two parts, the first of which outlines the essential definitions and concepts necessary for the understanding of Pontryagins maximum principle or PMP while the second exposes applications specific to the world of bioprocesses.

This book is unique in that it focuses on the arguments and geometric interpretations of the trajectories provided by the application of PMP.

Autorenportrait

Jérôme Harmand is a researcher at the LBE laboratory of INRA in Narbonne, France.

Claude Lobry is a former Professor of both the University of Bordeaux and University of Nice in France.

Alain Rapaport is a researcher at the Applied Mathematics and Informatics Department of INRA in Montpellier, France.

Tewfik Sari is Research Director at the National Research Institute of Science and Technology for Environment and Agriculture (IRSTEA) in Montpellier, France.

Inhalt

Introduction ix

Part 1 Learning to use Pontryagins Maximum Principle1

Chapter 1 The Classical Calculus of Variations3

1.1 Introduction: notations 3

1.2 Minimizing a function 4

1.2.1 Minimum of a function of one variable 4

1.2.2 Minimum of a function of two variables 6

1.3 Minimization of a functional: EulerLagrange equations 10

1.3.1 The problem 10

1.3.2 The differential ofJ 11

1.3.3 Examples 14

1.4 Hamiltons equations 20

1.4.1 Hamiltons classical equations 20

1.4.2 The limitations of classical calculus of variations and small steps toward the control theory 23

1.5 Historical and bibliographic observations 25

Chapter 2 Optimal Control27

2.1 The vocabulary ofoptimal control theory 27

2.1.1 Controls and responses 27

2.1.2 Class of regular controls 28

2.1.3 Reachable states 31

2.1.4 Controllability 34

2.1.5 Optimal control 37

2.1.6 Existence of a minimum 38

2.1.7 Optimization and reachable states 42

2.2 Statement of Pontryagins maximum principle 44

2.2.1 PMP for the canonical problem 44

2.2.2 PMP for an integral cost 47

2.2.3 The PMP for the minimum-time problem 50

2.2.4 PMP in fixed terminal time and integral cost 52

2.2.5 PMP for a non-punctual target 56

2.3 PMP without terminal constraint 57

2.3.1 Statement 57

2.3.2 Corollary 59

2.3.3 Dynamic programming and interpretation of the adjoint vector 59

Chapter 3 Applications65

3.1 Academic examples (to facilitate understanding) 65

3.1.1 The driver in a hurry 65

3.1.2 Profile of a road 67

3.1.3 Controlling the harmonic oscillator: the swing (problem) 70

3.1.4 The Fuller phenomenon 75

3.2 Regular problems 77

3.2.1 A regular Hamiltonian and the associated shooting method 77

3.2.2 The geodesic problem (seen as a minimum-time problem) 80

3.2.3 Regularization of the problem of the driver in a hurry 90

3.3 Non-regular problems and singular arcs 92

3.3.1 Optimal fishing problem 92

3.3.2 Discontinuous value function: the Zermelo navigation problem 102

3.4 Synthesis of the optimal control, discontinuity of the value function, singular arcs and feedback 118

3.5 Historical and bibliographic observations 125

Part 2 Applications in Process Engineering127

Chapter 4 Optimal Filling of a Batch Reactor129

4.1 Reducing the problem 130

4.2 Comparison with BangBang policies 131

4.3 Optimal synthesis in the case of Monod 135

4.4 Optimal synthesis in the case of Haldane 135

4.4.1 Existence of an arc that (partially) separates + and 136

4.4.2 Using PMP 138

4.5 Historical and bibliographic observations 141

Chapter 5 Optimizing Biogas Production 143

5.1 The problem 143

5.2 Optimal solution in a well-dimensioned case 146

5.3 The Hamiltonian system 148

5.4 Optimal solutions in the underdimensioned case 156

5.5 Optimal solutions in the overdimensioned case 163

5.6 Inhibition by the substrate 167

5.7 Singular arcs 170

5.8 Historical and bibliographic observations 176

Chapter 6 Optimization of a Membrane Bioreactor (MBR)177

6.1 Overview of the problem 177

6.2 The model proposed by Benyahiaet al 185

6.3 The model proposed by Cogan and Chellamb 186

6.4 Historical and bibliographic observations 188

Appendices 191

Appendix 1 Notations and Terminology 193

Appendix 2 Differential Equations and Vector Fields 197

Appendix 3 Outline of the PMP Demonstration 205

Appendix 4 Demonstration of PMP without a Terminal Target 215

Appendix 5 Problems that are Linear in the Control 221

Appendix 6 Calculating Singular Arcs 231

References 237

Index 243

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