CONTROL AVANZADO DE PROCESOS QUÍMICOS

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1 CONTROL AVANZADO DE PROCESOS QUÍMICOS Código: Año académico: 2010/2011 Centro: FACULTAD DE CIENCIAS EXPERIMENTALES Departamento: LENGUAJES Y COMPUTACIÓN Área: INGENIERÍA DE SISTEMAS Y AUTOMÁTICA Titulación: INGENIERÍA QUÍMICA Ciclo: SEGUNDO Curso: QUINTO Cuatrimestre: PRIMERO Carácter: OPTATIVA Créditos teóricos: 4,5 Créditos 1,5 prácticos: Web asignatura WEBCT Tutorías: Consultar páginas web de los profesores Horario Teoría A determinar por la Facultad Horario Prácticas A determinar por la Facultad Profesorado: Despacho Teléfono / Web MANUEL BERENGUEL SORIA 2.23, CITE III 0.10 CITE III beren@ual.es JOSÉ LUIS GUZMÁN SÁNCHEZ 1.48, CITE III joguzman@ual.es Objetivos Generales: La asignatura Control avanzado de procesos químicos es una asignatura optativa de quinto curso de la titulación de Ingeniería Química, con un enfoque eminentemente práctico donde se pretende que el alumno sea capaz de diseñar e implementar de forma práctica los esquemas de control que más se utilizan en la actualidad en la industria de procesos. Esta asignatura se conforma como una continuación natural de la asignatura troncal Control e instrumentación de procesos químicos, donde se imparte al alumno un curso básico de control en tiempo continuo. Los objetivos concretos de la asignatura son: Introducir el computador como elemento de control de procesos químicos, ofreciendo una amplia panorámica de sus posibilidades, ventajas e inconvenientes dentro de los distintos campos de aplicación en la industria química e industrias relacionadas. Analizar y diseñar sistemas en tiempo discreto, por extensión de los conceptos ya conocidos de sistemas en tiempo continuo e introducción de nuevos conceptos. Mostrar al alumno las tareas de la industria de procesos en las que se pueden aplicar diversas técnicas de control automático por computador y ofrecer una visión de los sistemas que actualmente se pueden encontrar en diversos sectores, de forma que se puedan aplicar los conceptos y técnicas aprendidos en sistemas reales y existentes en el mercado. Finalmente, se pretende también mentalizar y dar al alumno una visión clara de la aplicabilidad directa que los conocimientos adquiridos en el desarrollo de la asignatura tienen de cara a su próximo ejercicio profesional. Conocimientos Previos Recomendados: Conocimientos básicos sobre control automático.

2 Contenidos teóricos (Temporización): Tema 0. Introducción a la informática, automática y control de procesos industriales (3 horas) 0.1. Introducción a la informática industrial y la automática Introducción a la robótica y al control de procesos industriales Campos de aplicación. Ejemplos de procesos químicos. Tema 1. Control de procesos por computador (24 horas) 1.1 Introducción y jerarquía de control de procesos químicos 1.2 Aplicaciones de los sistemas de control automático 1.3 Revisión de conceptos analizados en la asignatura Control e Instrumentación de Procesos Químicos Aspectos prácticos en la implementación de controladores 1.5 Esquemas de control de uso extendido en la industria 1.6 Introducción al control por computador 1.7 Funciones de los computadores en el control y la supervisión de procesos 1.8 Instrumentación específica para el control por computador 1.9 Modelado de sistemas muestreados 1.10 Análisis de sistemas digitales de control 1.11 Técnicas de diseño de sistemas de control por computador 1.12 Sistemas de control distribuido 1.13 Sistemas de supervisión Tema 2. Identificación y control adaptativo (9 horas) 2.1 Identificación de sistemas 2.2 El método de los mínimos cuadrados 2.3 Introducción al control adaptativo 2.4 Controladores autoajustables 2.5 Implantación de controladores autoajustables Tema 3. Control predictivo basado en modelo (9 horas) 3.1 Introducción al control óptimo 3.2 Control predictivo basado en modelo (MPC) 3.3 Control predictivo con restricciones 1 Control e instrumentación de procesos químicos: Introducción. El problema de control. Estrategias. Dinámica de sistemas. Modelización. Análisis de variables. Desarrollo de Taylor. Variables en desviación. Transformada de Laplace. Funciones de transferencia. Obtención y propiedades. Diagrama de bloques en lazo cerrado. Controladores PID. Estabilidad. Sintonización. Diseño de controladores. Diagramas en frecuencia (Bode y Nyquist). Predictor de Smith (control de procesos con retardo). Control avanzado. Control multivariable: método RGA y desacoplo. Instrumentación. Conceptos generales. Sensores de proceso. Analizadores de proceso. Válvulas de control.

3 Contenidos prácticos (Temporización): Módulo 1. Revisión de conceptos de control en tiempo continuo y análisis y diseño de sistemas de control en tiempo discreto (8 horas) Materiales: Computador con programa MATLAB y SIMULINK, Laboratorio remoto de la maqueta de 4 Tanques. El objetivo fundamental de esta práctica es realizar una introducción de los comandos del programa MATLAB y librerías de SIMULINK para sistemas en tiempo discreto, el desarrollo de controladores básicos para distintos sistemas en simulación y la implementación de los mismos en una planta industrial que forma parte de un laboratorio remoto. Desarrollo: 1.1 Diseño e implementación de controladores multivariables en tiempo continuo. 1.2 Discretización de sistemas continuos. 1.3 Diseño de controladores en cascada en tiempo discreto. 1.4 Diseño de un predictor de Smith en tiempo discreto. 1.5 Diseño de un controlador en tiempo discreto usando el método de Ragazzini-Truxal. Módulo 2. Control por computador de motores de corriente continua (4 horas). Material: Computadores, controlador PID industrial, tarjetas E/S analógico/digital, software Labview, motores de corriente continua. El objetivo de este módulo de prácticas es introducir el uso del computador en un sistema de control, así como familiarizar al alumno con la instrumentación específica para el control por computador, con los controladores digitales industriales y con la realización de programas de control por computador en lenguajes de propósito general y con sistemas de control industriales (Labview). Los programas realizados se utilizarán para la adquisición de señales procedentes de sensores de velocidad y posición. Se estudiará el programa para la comunicación el computador con el proceso, analizando cuándo hay que muestrear y actuar. El desarrollo de la práctica se llevará a cabo de la siguiente manera: 2.1 Analizar el programa que muestrea y actúa sobre el motor. 2.2 Introducir distintas entradas características al sistema desde el computador. 2.3 Probar distintos periodos de muestreo. 2.4 Analizar el comportamiento estático y dinámico del sistema en distintos puntos de operación. 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. Módulo 3. Control predictivo y adaptativo de un sistema de tanques interconectados (3 horas). Material: Computadores, tarjetas entrada/salida analógico/digital, sistema de tanques interconectados, MATLAB, SIMULINK. El objetivo de la primera parte de este módulo es el diseño e implementación en un computador de los algoritmos básicos de control predictivo aplicados a un sistema de tanques interconectados. Dichos algoritmos se programarán en MATLAB, se simularán y se ensayarán en la planta de laboratorio. El desarrollo de la práctica se llevará a cabo como sigue: 3.1 Identificar el sistema por el método de la curva de reacción 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.

4 El objetivo de la segunda parte de este módulo es el diseño e implementación en un computador de los algoritmos básicos de control adaptativo aplicados a un sistema de tanques interconectados. Dichos algoritmos se programarán en MATLAB y se simularán. Se realizará la identificación de un sistema dinámico con parámetros característicos variables según el punto de operación a partir de entradas y salidas. Programación del algoritmo de mínimos cuadrados recursivos. Control adaptativo por asignación de polos del sistema. El desarrollo será el siguiente: 3.4 Programar el método de los mínimos cuadrados recursivos. 3.5 Desarrollo de un controlador del nivel por asignación de polos 3.6 Implementar las rutinas de la identificación y control en tiempo real en una estrategia de control adaptativo. 3.7 Analizar el comportamiento del sistema de control tras cambios en el punto de operación. Bibliografía: El contenido de la asignatura es suficientemente extenso como para no poder ser abarcado por un sólo libro, bien sea en lengua castellana o extranjera, por lo que se suministrarán apuntes de la asignatura. Las clases se apoyarán sobre unos pocos libros básicos de referencia que cubran todo el temario, de forma que no abrumen al alumno con exceso de información. De cualquier forma, siempre se indicarán nuevas fuentes para que el alumno interesado pueda profundizar, motivándole en la búsqueda de nuevos conocimientos. Se procurará que estos libros básicos sean actuales, pues al tratarse en algunos capítulos aspectos de realización práctica, ciertas problemáticas pueden quedar desfasadas. K.J. Aström y B. Wittenmark. Sistemas Controlados por Computador. Paraninfo, K.J. Astróm y B. Wittenmark. Adaptive Control. Addison Wesley, K.J. Aström y T. Hagglund. Advanced PID Control. ISA, Karl J. Aström y Richard M. Murray, Feedback Systems. An Introduction for Scientists and Engineers. Princenton University Press, 2008 ( J.G. Balchen and K.I. Mummé. Process Control. Structures and applications. Van Nostrand Reinhold, E.F. Camacho and C. Bordons. Model Predictive Control in the Process Industry. Springer Verlag, E.F. Camacho and C. Bordons. Model Predictive Control. Springer Verlag, J.P. Corriou. Process Control: Theory and Applications. Springer, A. Creus. Instrumentación Industrial. Marcombo, G.F. Franklin, D. Powell and M.L. Workman. Digital Control of Dynamic Systems. Addison Wesley, A. Jiménez et al. Curso de Control Inteligente de Procesos. Sección de Publicaciones de la Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales. Universidad Politécnica de Madrid, W.S. Levine. The Control Handbook. CRC Press-IEEE Press, A. Ollero. Control por Computador. Descripción interna y diseño óptimo. Marcombo Boixareu Editores, P. Ollero y E.F. Camacho. Control e Instrumentación de Procesos Químicos. Ed. Síntesis, R.H. Perry, D.W. Green and J.O. Mahoney. Perry Manual del Ingeniero Químico. McGraw Hill, C.L. Phillips y H.T. Nagle. Sistemas de Control Digital. Análisis y Diseño. Ediciones G. Gili A. Porras y A.P. Montanero. Autómatas Programables. Mc-Graw Hill, F.R. Rubio y M.J. López. Control Adaptativo y Robusto. Universidad de Sevilla, B. Shahian and M. Hassul. Control System Design using MATLAB. Prentice Hall, F.G. Shinskey. Sistemas de control de procesos: aplicación, diseño y sintonización. McGraw Hill, A. Simon. Autómatas Programables, Paraninfo, G. Stephanopoulos. Chemical process control. An introduction to theory and practice. Prentice Hall, 1984.

5 Metodología: Sesiones de teoría para todo el grupo de alumnos en las que el profesor explicará los contenidos teóricos fundamentales de cada tema y donde se valorará la participación del alumnado con la aportación de nuevos enfoques, preguntas, Además durante el transcurso de cada tema hay un grupo de ejercicios que permiten al alumno/a mejorar la destreza en el uso de los conceptos. La parte práctica se organiza en sesiones para cada grupo de alumnos, desarrolladas en paralelo a la parte teórica y con una adecuada sincronización, de forma que el alumnado pueda poner en práctica los conocimientos adquiridos en cada módulo de la parte teórica y donde se pretenderá un comportamiento lo más autónomo posible Además, se proponen un conjunto de ejercicios que el alumno/a opcionalmente puede realizar y enviar, o bien a través de WebCT o bien en tutorías, para su revisión. El profesorado realiza el seguimiento continuo del proceso de aprendizaje, anotando los progresos del alumnado y respondiendo a sus necesidades formativas que puedan surgir a lo largo del curso. Tanto en las clases teóricas como prácticas se hará uso intensivo de herramientas interactivas junto con laboratorios virtuales y remotos con el fin de realzar la motivación de los alumnos. Plan de acción tutorial: El alumnado podrá hacer uso de las tutorías para resolver las dudas que se le haya planteado en la parte práctica y/o en la parte teórica de la asignatura. Por otra parte, al iniciar el curso se propondrán temas relacionados con la temática de la asignatura para posibles trabajos opcionales organizados en grupos de dos alumnos. Cada grupo de trabajo deberá asistir al menos a 3 tutorías a lo largo del cuatrimestre. Previamente a la primera tutoría el profesor proporcionará la documentación inicial necesaria para la elaboración del trabajo así como las fuentes donde deben buscar. En la primera tutoría deberán presentar una recopilación del material bibliográfico que van a utilizar en la realización del trabajo. En la segunda deberán entregar la estructura del trabajo. En la tercera entregarán el trabajo ya elaborado. Evaluación: Dado que el número de alumnos de la titulación en 5º curso no es elevado, se adopta un sistema de evaluación continua donde se tiene en cuenta la asistencia a clases de teoría, asistencia obligatoria a prácticas (donde el profesor formulará preguntas a los alumnos en relación a la aplicación práctica de los conceptos analizados en teoría) y entrega obligatoria de memoria de las mismas, elementos sobre los cuales se determinará la calificación de los alumnos. En caso que la asistencia y memoria de prácticas no alcancen un nivel mínimo exigible, se realizará un examen de la asignatura. Observaciones: Las prácticas de laboratorio se desarrollarán en el Laboratorio de Control Automático, Robótica y Visión Artificial del Departamento de Lenguajes y Computación, CITE III, puerta 229.