Actualización de un controlador de modelo interno, basado en la identificación dinámica en lazo cerrado, para un intercambiador de calor

Abstract

El control eficiente de los procesos químicos es fundamental para las industrias permitiendo operar los procesos de forma segura (cuidando el medio ambiente y la salud de los operadores) y maximizar utilidades (obteniendo un producto de calidad al mismo tiempo que se optimizan los consumos de suministros y reactivos). Para poder controlar un proceso de forma correcta se deben conocer las características estáticas (ganancia) y dinámicas (constantes de tiempo y retardo) del mismo. Este trabajo de tesis propone utilizar un método de identificación en lazo cerrado para obtener los parámetros que caracterizan las funciones de transferencia de, a diferencia de trabajos anteriores, procesos con controladores de modelo interno. Este modo de control reconoce la referencia, impidiendo identificar la ganancia de manera directa (la razón de amplitud a frecuencia angular cero es indeterminada). Por ello se ideó un algoritmo basado en numerosas simulaciones de sistemas de primer orden, el que se probó en procesos con parámetros y tiempos de muestreos aleatorios, demostrando ser exacto cuando la razón entre el tiempo de muestreo y la constante de tiempo del proceso estaba entre 2.5 y 8.5. Cada ensayo experimental consiste en realizar un cambio escalón en la referencia del controlador. Luego se registra la respuesta del sistema en lazo cerrado bajo la acción del controlador de modelo interno, la que se somete a un tratamiento matemático que involucra técnicas numéricas, permitiendo obtener la respuesta de frecuencia del sistema en lazo abierto. Un análisis de frecuencia de esta respuesta conduce a las características del sistema, ajustándole por ejemplo un modelo de primer orden con retardo. El modelo de la planta utilizado en el controlador es actualizado con los parámetros identificados. El funcionamiento del algoritmo del método de identificación se puso a prueba, primero, simulando el lazo de control de temperatura de un intercambiador de calor, para lo cual se empleó el software SIMULINK™. Para el sistema se usaron los parámetros identificados por Steel (2013). Para el modelo se tomaron como referencia los mismos parámetros, pero con cierto porcentaje de error. Posteriormente, se experimentó sobre lazos de control instalados en un intercambiador de calor que tiene cuatro pasadas por los tubos y una por la carcasa. Por los tubos circula agua fría y a través la carcasa vapor de agua. El método probó ser muy efectivo en los sistemas simulados. La calidad de los datos facilitó el trabajo. El mayor error en un parámetro fue del 2.61%. Los modelos iniciales que presentaban mayor error se mejoraron considerablemente. En los ensayos en el intercambiador de calor el ruido de los datos dificultó el trabajo del algoritmo, lo que no fue impedimento para que se ajustasen los modelos de primer orden con retardo, con los que se mejoró la sintonía de los lazos de control. Todas las mejoras en los modelos se reflejaron en las respuestas, disminuyendo sobrepasos, oscilaciones y el tiempo que demoraban en alcanzar el estado estacionario. Aunque un proceso real puede ser de orden superior, el ajuste demostró ser suficiente para el funcionamiento del controlador de modelo interno disponible en el software de control RSLogix 5000™ (éste solo ofrece un modelo de primer orden con retardo).