CONTROL AVANZADO DE PROCESOS QUMICOS

Ao acadmico: 2005-06 Centro: Facultad de Ciencias Experimentales Estudios: Ingeniero Qumico Asignatura: Control avanzado de procesos qumicos Ciclo: 2 Curso: 5 Cuatrimestre: 1 Carcter: Optativa Crditos tericos: 4,5 Crditos prcticos.: 1,5 Profesor/es: Manolo Berenguel Soria rea: Ingeniera de Sistemas y Automtica Departamento: Lenguajes y Computacin

Introduccin, objetivos y consideraciones generales La asignatura Control avanzado de procesos qumicos es una asignatura optativa de quinto curso de la titulacin de Ingeniera Qumica, con un enfoque eminentemente prctico donde se pretende que el alumno sea capaz de disear e implementar de forma prctica los esquemas de control que ms se utilizan en la actualidad en la industria de procesos. Esta asignatura se conforma como una continuacin natural de la asignatura troncal Control e instrumentacin de procesos qumicos, donde se imparte al alumno un curso bsico de control en tiempo continuo. Los objetivos concretos de la asignatura son: Introducir el computador y los autmatas programables como elementos de control de procesos

qumicos, ofreciendo una amplia panormica de sus posibilidades, ventajas e inconvenientes dentro de los distintos campos de aplicacin en la industria qumica e industrias relacionadas.

Analizar y disear sistemas en tiempo discreto, por extensin de los conceptos ya conocidos de sistemas en tiempo continuo e introduccin de nuevos conceptos.

Mostrar al alumno las tareas de la industria de procesos en las que se pueden aplicar diversas tcnicas de control automtico por computador y ofrecer una visin de los sistemas que actualmente se pueden encontrar en diversos sectores, de forma que se puedan aplicar los conceptos y tcnicas aprendidos en sistemas reales y existentes en el mercado.

Finalmente, se pretende tambin mentalizar y dar al alumno una visin clara de la aplicabilidad directa que los conocimientos adquiridos en el desarrollo de la asignatura tienen de cara a su prximo ejercicio profesional.

PROGRAMA DE LA ASIGNATURA CONTROL AVANZADO DE PROCESOS QUMICOS

Tema Ttulo Duracin 1 Control de procesos por computador 18 horas 2 Identificacin y control adaptativo 6 horas 3 Control predictivo basado en modelo 8 horas 4 Control de procesos en el espacio de estados 4 horas 5 Control secuencial de procesos 7 horas 6 Introduccin a los sistemas de control inteligente de procesos qumicos 2 horas

Programa detallado de la asignatura Tema 1. Control de procesos por computador

1.1 Introduccin y jerarqua de control de procesos qumicos 1.2 Aplicaciones de los sistemas de control automtico 1.3 Revisin de conceptos analizados en la asignatura Control e Instrumentacin de Procesos

Qumicos1 1.4 Aspectos prcticos en la implementacin prctica de controladores 1.5 Esquemas de control de uso extendido en la industria 1.6 Introduccin al control por computador 1.7 Funciones de los computadores en el control y la supervisin de procesos 1.8 Instrumentacin especfica para el control por computador 1.9 Modelado de sistemas muestreados 1.10 Anlisis de sistemas digitales de control 1.11 Tcnicas de diseo de sistemas de control por computador 1.12 Sistemas de control distribuido 1.13 Sistemas de supervisin

Tema 2. Identificacin y control adaptativo

2.1 Identificacin de sistemas 2.2 El mtodo de los mnimos cuadrados 2.3 Introduccin al control adaptativo 2.4 Controladores autoajustables 2.5 Implantacin de controladores autoajustables

Tema 3. Control predictivo basado en modelo

3.1 Introduccin al control ptimo 3.2 Control predictivo basado en modelo (MPC) 3.3 Control predictivo con restricciones

Tema 4. Control de procesos en el espacio de estados

4.1 Descripcin interna de sistemas dinmicos 4.2 Controlabilidad y observabilidad de sistemas en tiempo discreto 4.3 Observadores 4.4 Sntesis por realimentacin lineal del vector de estado

1 Introduccin. El problema de control. Estrategias. Dinmica de sistemas. Modelizacin. Anlisis de variables. Desarrollo de Taylor. Variables en desviacin. Transformada de Laplace. Funciones de transferencia. Obtencin y propiedades. Diagrama de bloques en lazo cerrado. Controladores PID. Estabilidad (mtodo de Routh-Hurwitz y lugar de las races). Sintonizacin. Diseo de controladores. IMC. Mtodos frecuenciales (mtodo de sntesis directa y el IMC aplicado a estructuras PID. Diagramas en frecuencia (Bode y Nyquist). Predictor de Smith (control de procesos con retardo). Control avanzado: ratio control, cascada, en adelanto, predictivo e inferencial. Control multivariable: mtodo RGA y desacoplo. Instrumentacin. Conceptos generales. Sensores de proceso. Analizadores de proceso. Vlvulas de control.

Tema 5. Control secuencial de procesos

5.1 Introduccin 5.2 Ejemplo ilustrativo 5.3 Ecuaciones lgicas 5.4 Sistemas lgicos combinacionales y secuenciales 5.5 Control y programacin de procesos utilizando autmatas programables

Tema 6. Introduccin a los sistemas de control inteligente de procesos qumicos

6.1 Introduccin al control inteligente de procesos 6.2 Sistemas de control de procesos qumicos basados en reglas 6.3 Introduccin al control de procesos qumicos usando lgica borrosa 6.4 Introduccin al modelado y control de procesos qumicos usando redes neuronales

Prcticas de laboratorio Los siguientes mdulos de prcticas se desarrollarn en varias sesiones en el Laboratorio de Control Automtico, Robtica y Visin Artificial (edificio CITE-III, 2 planta, 2.28) y se correspondern en su evolucin temporal con los mdulos de teora. La duracin es aproximada, porque se dedicar a cada prctica todo el tiempo necesario para su finalizacin antes de pasar a la siguiente, cubriendo el curso como mnimo los dos primeros mdulos. Mdulo 1. Revisin de conceptos de control en tiempo continuo y anlisis y diseo de sistemas de control

en tiempo discreto (6 horas) Materiales: Computador con programa MATLAB y SIMULINK, Laboratorio remoto de la maqueta de 4 tanques El objetivo fundamental de esta prctica es realizar una introduccin de los comandos del programa MATLAB y libreras de SIMULINK para sistemas en tiempo discreto, el desarrollo de controladores bsicos para distintos sistemas en simulacin y la implementacin de los mismos en una planta industrial que forma parte de un laboratorio remoto. Desarrollo: 1.1 Diseo e implementacin de controladores multivariables en tiempo continuo. 1.2 Discretizacin de sistemas continuos. 1.3 Diseo de controladores en cascada en tiempo discreto. 1.4 Diseo de un predictor de Smith en tiempo discreto 1.5 Diseo de un controlador en tiempo discreto usando el mtodo de Ragazzini-Truxal. Mdulo 2. Control por computador de accionadores CC (3 horas). Material: Computadores, controlador PID industrial, tarjetas E/S analgico/digital, software Labview, motores

CC. El objetivo de este mdulo de prcticas es introducir el uso del computador en un sistema de control, as como familiarizar al alumno con la instrumentacin especfica para el control por computador, con los controladores digitales industriales y con la realizacin de programas de control por computador en lenguajes de propsito general y con sistemas de control industriales (Labview). Los programas realizados se utilizarn para la adquisicin de seales procedentes de sensores de velocidad y posicin. Se estudiar el programa para la comunicacin el computador con el proceso, analizando cundo hay que muestrear y actuar. El desarrollo de la prctica se llevar a cabo de la siguiente manera:

2.1 Analizar el programa que muestrea y acta sobre el motor. 2.2 Provocar distintas entradas caractersticas al sistema desde el computador. 2.3 Probar distintos periodos de muestreo. 2.4 Analizar el comportamiento esttico y dinmico del sistema en distintos puntos de operacin. 2.5 Realizar e implementar un controlador PID digital. 2.6 Programar un controlador PID industrial y comparar los resultados alcanzados con los del apartado anterior. Mdulo 3. Control predictivo y adaptativo de un sistema de tanques interconectados (3 horas). Material: Computadores, tarjetas entrada/salida analgico/digital, sistema de tanques interconectados,

MATLAB, SIMULINK. El objetivo de la primera parte de este mdulo es el diseo e implementacin en un computador de los algoritmos bsicos de control predictivo aplicados a un sistema de tanques interconectados. Dichos algoritmos se programarn en MATLAB, se simularn y se ensayarn en la planta de laboratorio. El desarrollo de la prctica se llevar a cabo como sigue: 3.1 Identificar el sistema por el mtodo de la curva de reaccin y a partir de las ecuaciones constitutivas. 3.2 Programar el algoritmo GPC para un sistema de primer orden con retardo en MATLAB. 3.3 Controlar el sistema con diversas referencias. El objetivo de la segunda parte de este mdulo es el diseo e implementacin en un computador de los algoritmos bsicos de control adaptativo aplicados a un sistema de tanques interconectados. Dichos algoritmos se programarn en MATLAB y se simularn. Se realizar la identificacin de un sistema dinmico con parmetros caractersticos variables segn el punto de operacin a partir de entradas y salidas. Programacin del algoritmo de mnimos cuadrados recursivos. Control adaptativo por asignacin de polos del sistema. El desarrollo ser el siguiente: 3.4 Programar el mtodo de los mnimos cuadrados recursivos. 3.5 Desarrollo de un controlador del nivel por asignacin de polos 3.6 Implementar las rutinas de la identificacin y control en tiempo real en una estrategia de control adaptativo.

Analizar el comportamiento del sistema de control tras cambios en el punto de operacin. Mdulo 4. Control de procesos usando autmatas programables (4 horas). Material: Computadores, autmatas programables, simulador de autmatas programables, procesos de

ensayo. El objetivo de este mdulo es introducir al alumno al control de procesos qumicos (batch) utilizando autmatas programables. De este modo, se podr llevar a cabo la implementacin de algoritmos de control discreto de diversos procesos:

Control de un proceso de mezclas con tres tanques. Control de un sistema de transporte de material.

El desarrollo de la prctica ser el siguiente: 4.1 Estudio del sistema a controlar. 4.2 Diseo de un automatismo. 4.3 Implementacin en autmata programable y pruebas con el sistema real.

Bibliografa bsica El contenido de la asignatura es suficientemente extenso como para no poder ser abarcado por un slo libro, bien sea en lengua castellana o extranjera, por lo que se suministrarn apuntes de la asignatura. Las clases se apoyarn sobre unos pocos libros bsicos de referencia que cubran todo el temario, de forma que no abrumen al alumno con exceso de informacin. De cualquier forma, siempre se indicarn nuevas fuentes para que el alumno interesado pueda profundizar, motivndole en la bsqueda de nuevos conocimientos. Se procurar que estos libros bsicos sean actuales, pues al tratarse en algunos captulos aspectos de realizacin prctica, ciertas problemticas pueden quedar desfasadas.

K.J. Astrm y B. Wittenmark. Sistemas Controlados por Computador. Paraninfo, 1988. K.J. Astrm and B. Wittenmark. Adaptive Control. Addison Wesley, 1989. J.G. Balchen and K.I. Mumm. Process Control. Structures and applications. Van Nostrand Reinhold, 1988. E.F. Camacho and C. Bordons. Model Predictive Control in the Process Industry. Springer Verlag, 1995. E.F. Camacho and C. Bordons. Model Predictive Control. Springer Verlag, 1999. A. Creus. Instrumentacin Industrial. Marcombo, 1993. G.F. Franklin, D. Powell and M.L. Workman. Digital Control of Dynamic Systems. Addison Wesley, 1990. A. Jimnez et al. Curso de Control Inteligente de Procesos. Seccin de Publicaciones de la Escuela Tcnica

Superior de Ingenieros Industriales. Universidad Politcnica de Madrid, 1993. W.S. Levine. The Control Handbook. CRC Press-IEEE Press, 1996. A. Ollero. Control por Computador. Descripcin interna y diseo ptimo. Marcombo Boixareu Editores,

1991. P. Ollero y E.F. Camacho. Control e Instrumentacin de Procesos Qumicos. Ed. Sntesis, 1997. R.H. Perry, D.W. Green and J.O. Mahoney. Perry Manual del Ingeniero Qumico. McGraw Hill, 1994. C.L. Phillips y H.T. Nagle. Sistemas de Control Digital. Anlisis y Diseo. Ediciones G. Gili. 1987. A. Porras y A.P. Montanero. Autmatas Programables. Mc-Graw Hill, 1990. F.R. Rubio y M.J. Lpez. Control Adaptativo y Robusto. Universidad de Sevilla, 1996. B. Shahian and M. Hassul. Control System Design using MATLAB. Prentice Hall, 1993. F.G. Shinskey. Sistemas de control de procesos: aplicacin, diseo y sintonizacin. McGraw Hill, 1996. A. Simon. Autmatas Programables, Paraninfo, 1988. G. Stephanopoulos. Chemical process control. An introduction to theory and practice. Prentice Hall, 1984. Evaluacin Dado que el nmero de alumnos de la titulacin en 5 curso no es elevado, se adopta un sistema de evaluacin continua donde se tiene en cuenta la asistencia a clases de teora, asistencia obligatoria a prcticas (donde el profesor formular preguntas a los alumnos en relacin a la aplicacin prctica de los conceptos analizados en teora) y entrega obligatoria de memoria de las mismas, elementos sobre los cuales se determinar la calificacin de los alumnos.

CONTROL AVANZADO DE PROCESOS QUMICOSAsignatura:Control avanzado de procesos qumicosIntroduccin, objetivos y consideraciones genera

PROGRAMA DE LA ASIGNATURA CONTROL AVANZADO DE PROPrograma detallado de la asignaturaPrcticas de laboratorioBibliografa bsicaEvaluacin