Introducción, objetivos y consideraciones generales
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- Luis Miguel Murillo Cabrera
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1 CONTROL AVANZADO DE PROCESOS QUÍMICOS Año académico: Centro: Facultad de Ciencias Experimentales Estudios: Ingeniero Químico Asignatura: Control avanzado de procesos químicos Ciclo: 2º Curso: 5º Cuatrimestre: 1º Carácter: Optativa Créditos teóricos: 4,5 Créditos prácticos.: 1,5 Profesor/es: Manolo Berenguel Soria Área: Ingeniería de Sistemas y Automática Departamento: Lenguajes y Computación Web de la asignatura: Introducción, objetivos y consideraciones 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 y los autómatas programables como elementos 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. PROGRAMA DE LA ASIGNATURA CONTROL AVANZADO DE PROCESOS QUÍMICOS Tema Título Duración 1 Control de procesos por computador 18 horas 2 Identificación 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 Introducción a los sistemas de control inteligente de procesos químicos 2 horas
2 Programa detallado de la asignatura Tema 1. Control de procesos por computador 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 práctica 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 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 3.1 Introducción al control óptimo 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 Descripción interna de sistemas dinámicos 4.2 Controlabilidad y observabilidad de sistemas en tiempo discreto 4.3 Observadores 4.4 Síntesis por realimentación lineal del vector de estado Tema 5. Control secuencial de procesos 5.1 Introducción 5.2 Ejemplo ilustrativo 5.3 Ecuaciones lógicas 5.4 Sistemas lógicos combinacionales y secuenciales 5.5 Control y programación de procesos utilizando autómatas programables 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 (método de Routh-Hurwitz y lugar de las raíces). Sintonización. Diseño de controladores. IMC. Métodos frecuenciales (método de síntesis 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: método RGA y desacoplo. Instrumentación. Conceptos generales. Sensores de proceso. Analizadores de proceso. Válvulas de control.
3 Tema 6. Introducción a los sistemas de control inteligente de procesos químicos 6.1 Introducción al control inteligente de procesos 6.2 Sistemas de control de procesos químicos basados en reglas 6.3 Introducción al control de procesos químicos usando lógica borrosa 6.4 Introducción al modelado y control de procesos químicos usando redes neuronales Prácticas de laboratorio Los siguientes módulos de prácticas se desarrollarán en varias sesiones en el Laboratorio de Control Automático, Robótica y Visión Artificial (edificio CITE-III, 2ª planta, 2.28) y se corresponderán en su evolución temporal con los módulos de teoría. La duración es aproximada, porque se dedicará a cada práctica todo el tiempo necesario para su finalización antes de pasar a la siguiente, cubriendo el curso como mínimo los dos primeros módulos. Módulo 1. Revisión de conceptos de control en tiempo continuo y análisis y diseño 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 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 (3 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.
4 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. 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. Analizar el comportamiento del sistema de control tras cambios en el punto de operación. Módulo 4. Control de procesos usando autómatas programables (3 horas). Material: Computadores, autómatas programables, simulador de autómatas programables, procesos de ensayo. El objetivo de este módulo es introducir al alumno al control de procesos químicos (batch) utilizando autómatas programables. De este modo, se podrá llevar a cabo la implementación 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 práctica será el siguiente: 4.1 Estudio del sistema a controlar. 4.2 Diseño de un automatismo. 4.3 Implementación en autómata programable y pruebas con el sistema real.
5 Bibliografía básica 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 and B. Wittenmark. Adaptive Control. Addison Wesley, 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, 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, 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. Tutorías Edificio CITE-III, segunda planta, despacho Miércoles de 10 a 12 horas y de 17 a 19 horas Jueves de 10 a 11 horas y de 12 a 13 horas
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