Robust Model Predictive Control of microalgae growth in a photobioreactor

This thesis addresses the control of photobioreactors, which are closed, transparent containers designed for the growth of photosynthetic microorganisms. In particular, model-based predictive control techniques in state space are explored, which can be divided into two main categories: classical techniques and structurally robust techniques. Classical techniques, which are well known in the scientific literature of control systems, are widely used in biological systems and, in particular, in photobioreactors. For robust techniques, a specific approach is employed that prioritizes robust satisfaction of constraints rather than performance. So, the different techniques have different and complementary goals and all can be applied, depending on what goals the designer sets. Therefore, the techniques are analyzed separately and, of each, the main features are highlighted.

In questa tesi si affronta il controllo dei fotobioreattori, che sono contenitori chiusi e trasparenti progettati per la crescita di microorganismi fotosintetici. In particolare, vengono esplorate tecniche di controllo predittivo basato su modelli in spazio di stato, le quali possono essere suddivise in due categorie principali: tecniche classiche e tecniche strutturalmente robuste. Le tecniche classiche, che sono ben note nella letteratura scientifica dei sistemi di controllo, trovano ampio impiego nei sistemi biologici e, in particolare, nei fotobioreattori. Per quanto riguarda le tecniche robuste, viene impiegato un approccio specifico che privilegia il soddisfacimento robusto dei vincoli piuttosto che le prestazioni. Dunque, le diverse tecniche hanno obiettivi differenti e complementari e tutte possono essere applicate, a seconda di quale siano gli obiettivi che il progettista si ponga. Perciò, le tecniche vengono analizzate separatamente e, di ognuna, vengono evidenziate le caratteristiche principali.