Approximating fractional derivatives in the perspective of system control

The theory of fractional calculus goes back to the beginning of the theory of differential calculus, but its application received attention only recently. In the area of automatic control some work was developed, but the proposed algorithms are still in a research stage. This paper discusses a novel method, with two degrees of freedom, for the design of fractional discrete-time derivatives. The performance of several approximations of fractional derivatives is investigated in the perspective of nonlinear system control.

Time domain design of fractional differintegrators using least-squares

In this paper we propose the use of the least-squares based methods for obtaining digital rational approximations (IIR filters) to fractional-order integrators and differentiators of type sα, α∈R. Adoption of the Padé, Prony and Shanks techniques is suggested. These techniques are usually applied in the signal modeling of deterministic signals. These methods yield suboptimal solutions to the problem which only requires finding the solution of a set of linear equations. The results reveal that the least-squares approach gives similar or superior approximations in comparison with other widely used methods. Their effectiveness is illustrated, both in the time and frequency domains, as well in the fractional differintegration of some standard time domain functions.

Transferência de massa através de arrastamento por ar: resultados de simulação laboratorial e numérica

O tolueno tem uma vasta aplicação industrial e apresenta alguns riscos para a saúde humana. Legislação comunitária, recentemente publicada, exige que se cumpra a médio prazo padrões mínimos de qualidade apontando como limite máximo de concentração de tolueno na água destinada a consumo humano o valor de 1 ppm. O processo de arrastamento por ar em colunas com enchimento desordenado é uma das técnicas de remoção disponíveis, embora ainda pouco implementada no nosso país. Neste trabalho simulou-se, laboratorial e numericamente, a remoção do tolueno da água através desta tecnologia sob condições operatórias pré-estabelecidas. A simulação à escala laboratorial foi executada numa instalação piloto constituída por uma coluna de vidro acrílico com 0.137metros de diâmetro interno preenchida desordenadamente com anéis Raflux de polietileno com 15milímetros de calibre numa altura de 1.10 metros. A experimentação efectuada abrangeu ensaios realizados quer em regime permanente quer em regime transitório. As simulações numéricas do comportamento de uma coluna com idênticas características, em estado estacionário e em estado transiente, foram efectuadas com “software” específico concebido para MatLab. Este software permite a descrição do regime hidrodinâmico e da transferência de massa deste processo de acordo com os modelos de Robbins [Robbins, 1991] e Onda [Onda, 1968], respectivamente, inseridos num modelo global fenomenológico traduzido num sistema de equações às derivadas parciais de 1ª ordem, do tipo hiperbólico, com uma variável espacial axial e uma variável temporal. A resolução deste modelo é efectuada através de algoritmos e estratégias específicas nomeadamente a implementação numérica dos métodos explícito de Euler para resolução do sistema de ED0s que traduz o estado estacionário primitivo e de diferenças finitas com esquema explícito associado a manipulação de matrizes esparsas para resolução do sistema de EDPs que traduz o estado dinâmico. A concordância entre os resultados obtidos na teoria e na prática, pese embora as dificuldades encontradas no controlo analítico das amostras, permite concluir que o modelo proposto possui um rigor fenomenológico suficiente e que o modelo numérico associado possibilita um elevado grau de exactidão e de fiabilidade. A aplicação desenvolvida pode constituir uma importante ferramenta de apoio à análise dinâmica desta operação unitária à escala industrial, reduzindo o esforço experimental e os respectivos custos associados. Constitui igualmente a base para uma implementação de um potencial sistema de controlo por actuação antecipada com base num modelo que reveste a forma de um sistema de parâmetros distribuídos.

A New Approach in the Design of Air Stripping Columns for the Treatment of Groundwater Contaminated With Volatile Organic Compounds

Volatile organic compounds are a common source of groundwater contamination that can be easily removed by air stripping in columns with random packing and using a counter-current flow between the phases. This work proposes a new methodology for column design for any type of packing and contaminant which avoids the necessity of an arbitrary chosen diameter. It also avoids the employment of the usual graphical Eckert correlations for pressure drop. The hydraulic features are previously chosen as a project criterion. The design procedure was translated into a convenient algorithm in C++ language. A column was built in order to test the design, the theoretical steady-state and dynamic behaviour. The experiments were conducted using a solution of chloroform in distilled water. The results allowed for a correction in the theoretical global mass transfer coefficient previously estimated by the Onda correlations, which depend on several parameters that are not easy to control in experiments. For best describe the column behaviour in stationary and dynamic conditions, an original mathematical model was developed. It consists in a system of two partial non linear differential equations (distributed parameters). Nevertheless, when flows are steady, the system became linear, although there is not an evident solution in analytical terms. In steady state the resulting ODE can be solved by analytical methods, and in dynamic state the discretization of the PDE by finite differences allows for the overcoming of this difficulty. To estimate the contaminant concentrations in both phases in the column, a numerical algorithm was used. The high number of resulting algebraic equations and the impossibility of generating a recursive procedure did not allow the construction of a generalized programme. But an iterative procedure developed in an electronic worksheet allowed for the simulation. The solution is stable only for similar discretizations values. If different values for time/space discretization parameters are used, the solution easily becomes unstable. The system dynamic behaviour was simulated for the common liquid phase perturbations: step, impulse, rectangular pulse and sinusoidal. The final results do not configure strange or non-predictable behaviours.