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Control of the chemostat model J. Harmand, SAMI research team, LBE-INRA & INRA-INRIA MODEMIC
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Control of the chemostat model - Météo-FranceChemostat with inhibition The chemostat model ° ° ¯ °° ® S D X dt dX S S D k S X dt dS in P P I S K S S K S S 2 P P 0 20 40 60

Nov 02, 2020

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Control of the chemostat model J. Harmand, SAMI research team, LBE-INRA & INRA-INRIA

MODEMIC

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2/43 Jérôme HARMAND / Colloque National sur l’Assimilation de Données / Toulouse / 1-3 décembre 2014

Le LBE-INRA et MODEMIC

Treating and valorize biomass within a bioreffinery context

• INRA • About 80 people

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CONTEXT

An « explosion » of –omic data : a problematic of « big

data »

High computation capacity

A (very) important deficit in modeling eduction within

education in biology

How available data and modeling may help in better

understanding and controling bioproceses?

Jérôme HARMAND / Bernoulli semester / Lausasse, Switzerland / October 13-17 2014

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4/43 Jérôme HARMAND / Colloque National sur l’Assimilation de Données / Toulouse / 1-3 décembre 2014

CONTENT

Microbial ecosystems and the chemostat…

Bioprocess modeling

Observing and controling the chemostat : a robust approach

An example : control of the anaerobic digestion process

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Microbial ecosystems and the

chemostat

_01

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6/43 Jérôme HARMAND / Colloque National sur l’Assimilation de Données / Toulouse / 1-3 décembre 2014

Les écosystèmes microbiens

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7/43 Jérôme HARMAND / Colloque National sur l’Assimilation de Données / Toulouse / 1-3 décembre 2014

The chemostat

V, S, X

Qout

Qin

Sin

S, X

V, S, X

Qout

Qin

Sin

S, X

« Chemostat »

S k1X+k2P m(.)

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Le chemostat

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9/43 Jérôme HARMAND / Colloque National sur l’Assimilation de Données / Toulouse / 1-3 décembre 2014

High diversity of scales

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10/43 Jérôme HARMAND / Colloque National sur l’Assimilation de Données / Toulouse / 1-3 décembre 2014

How using microbial ecosystems

Studying the functional heart of any bioprocess: a natural « complex » ecosystem

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11/43 Jérôme HARMAND / Colloque National sur l’Assimilation de Données / Toulouse / 1-3 décembre 2014

An immense world…

You, your cat and your red

fish…

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12/43 Jérôme HARMAND / Colloque National sur l’Assimilation de Données / Toulouse / 1-3 décembre 2014

Conclusions

Microbial ecosystems : complex systems;

Used in a very high number of production/treatment fields

The chemostat is only 60 years old;

Important research effort…

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Modeling

_02

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14/43 Jérôme HARMAND / Colloque National sur l’Assimilation de Données / Toulouse / 1-3 décembre 2014

Lots of model!

Deterministic continuous dynamical models vs stochastic IBM

Campillo, 2011

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15/43 Jérôme HARMAND / Colloque National sur l’Assimilation de Données / Toulouse / 1-3 décembre 2014

Which model : the viewpoint of

microbiologist…

Usually, they only know the two extreme cases : EDO-based

and IBM (used for describing space)!

Thenuse of a model instead of another depends essentially

of their collaboration and of their own modeling culture!

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16/43 Jérôme HARMAND / Colloque National sur l’Assimilation de Données / Toulouse / 1-3 décembre 2014

One or several models?

Such nonlinear models may be usefull for my research to

be applied…

Which model : the viewpoint of

modelists/mathematicians…

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17/43 Jérôme HARMAND / Colloque National sur l’Assimilation de Données / Toulouse / 1-3 décembre 2014

Until recently…

How modling an ideal bioprocess?

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18/43 Jérôme HARMAND / Colloque National sur l’Assimilation de Données / Toulouse / 1-3 décembre 2014

Modern biological tools reveal rather…

How modeling an ideal bioprocess?

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19/43 Jérôme HARMAND / Colloque National sur l’Assimilation de Données / Toulouse / 1-3 décembre 2014

The associated continuous deterministic model

( )S"... of massOuput S"-" of massInput "

dt

SVd

n"consumptio"-"production"...

( )( )

( )

( ) ( )( )

in in

S SdS Q QS S X S S D X

dt V V Y Y

dX QS X X S D X

dt V

m m

m m

The chemostat model

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20/43 Jérôme HARMAND / Colloque National sur l’Assimilation de Données / Toulouse / 1-3 décembre 2014

Kinetic modeling

The chemostat model

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21/43 Jérôme HARMAND / Colloque National sur l’Assimilation de Données / Toulouse / 1-3 décembre 2014

Matching data : identifying yields and kinetics coefficients

The chemostat model

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22/43 Jérôme HARMAND / Colloque National sur l’Assimilation de Données / Toulouse / 1-3 décembre 2014

Conclusions

Important research on chemostat modeling;

To study microorganism growth (ecological questions);

To optimize its functioning…

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Observing and controling the

chemostat…

_03

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24/43 Jérôme HARMAND / Colloque National sur l’Assimilation de Données / Toulouse / 1-3 décembre 2014

Chemostat with inhibition

The chemostat model

( ) ( )

( )( )

XDSdt

dX

XSkDSSdt

dSin

m

m

( )

I

SK

SKS

SS

2

m

m

0 20 40 60 80 100 1200

0.005

0.01

0.015

10,10,045.0 IS KKm

D

( )Sm

inS S

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25/43 Jérôme HARMAND / Colloque National sur l’Assimilation de Données / Toulouse / 1-3 décembre 2014

Qualitative propserties of the model

The chemostat model

1 equilibrium : washout

3 equilibria : bistability

2 equilibria : 1 stable and one unstable (washout)

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26/43 Jérôme HARMAND / Colloque National sur l’Assimilation de Données / Toulouse / 1-3 décembre 2014

State space representation

The chemostat model

Washout X=0

Cas #2 : Under the condition

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27/43 Jérôme HARMAND / Colloque National sur l’Assimilation de Données / Toulouse / 1-3 décembre 2014

Closing the loop

Controling the chemostat

Chemostat D S

Control Sc

Controled chemostat Sc S

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Stabilizing the chemostat

Solution : Output Feedback

Example #1 : Linearizing feedback control Cf. Bastin et Dochain 1986 Example #2 : PI Controller Cf. Alvarez Lopez-Arenas 2012 (and many others) Example #N : …

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29/43 Jérôme HARMAND / Colloque National sur l’Assimilation de Données / Toulouse / 1-3 décembre 2014

Stabilizing the chemostat

Solution : Output Feedback

Exemple #1 : Linearizing feedback control Drawback : We must know everything! (mu + sin, s and x…) Assuming we only know s and we have uncertainty on others input and parameters,

how stabilizing the system with guaranteed performances?

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Stabilizing the chemostat

Solution : A robust observer scheme

( ) ( )( ) 0ˆlim

txtxt

( )

( )

xgy

yuxfx

obs

obs

ˆˆ

,,ˆ̂

( )

( )

xgy

uxfx ,u

y

x

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Stabilizing the chemostat

Solution : An interesting change of variables

( )( )( ) ( )

( )

( ) ( ) ( )( )

tStZYtX

ZZ

tDtZSdt

tZdin

ˆˆ

ˆ0ˆ

ˆˆ

0( ) in

tStZ

lim

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32/43 Jérôme HARMAND / Colloque National sur l’Assimilation de Données / Toulouse / 1-3 décembre 2014

Stabilizing the chemostat

Robustifying the asymptotic observer with respect to uncertainty (inputs + measurements + parameters)

( )( )( ) ( )

( )

( ) ( ) ( )( )

tStZYtX

ZZ

tDtZSdt

tZdin

ˆˆ

ˆ0ˆ

ˆˆ

0

( )

in

tStZlim

( )( )( ) ( )

( )

( ) ( ) ( )( )

tStZYtX

ZZ

tDtZSdt

tZdin

ˆˆ

ˆ0ˆ

ˆˆ

0

( )

in

tStZlim

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An exemple : controling the

anaerobic digestion process

_04

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34/43 Jérôme HARMAND / Colloque National sur l’Assimilation de Données / Toulouse / 1-3 décembre 2014

Stabilizing the chemostat

Application

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35/43 Jérôme HARMAND / Colloque National sur l’Assimilation de Données / Toulouse / 1-3 décembre 2014

Stabilizing the chemostat

The model

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36/43 Jérôme HARMAND / Colloque National sur l’Assimilation de Données / Toulouse / 1-3 décembre 2014

Stabilizing the chemostat

The robust observer : the inputs

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37/43 Jérôme HARMAND / Colloque National sur l’Assimilation de Données / Toulouse / 1-3 décembre 2014

Stabilizing the chemostat

The robust observer : the measurements

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38/43 Jérôme HARMAND / Colloque National sur l’Assimilation de Données / Toulouse / 1-3 décembre 2014

Stabilizing the chemostat

The robust estimations

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Stabilizing the chemostat

Coupling the robust observer with the robust control design : application to the anaerobic digestion

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40/43 Jérôme HARMAND / Colloque National sur l’Assimilation de Données / Toulouse / 1-3 décembre 2014

Stabilizing the chemostat

Results : control and controled variable

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Conclusions and perspectives

_04

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42/43 Jérôme HARMAND / Colloque National sur l’Assimilation de Données / Toulouse / 1-3 décembre 2014

Conclusions and perspectives

• Model of the chemostat

• Stabilizing robustly the chemostat

• Towards biocontrol approaches…

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43/43 Jérôme HARMAND / Colloque National sur l’Assimilation de Données / Toulouse / 1-3 décembre 2014

Thank you for your attention!