Simulación y Control de un Tanque Continuo Calefactado

Abstract

La simulación de procesos es una herramienta fundamental en la industria para labores de ingeniería, operación y toma de decisiones. Requiere de un estudio exhaustivo del proceso, de las variables que intervienen y de los fundamentos teóricos que lo sustentan. Especialmente en el ámbito del control automático, el uso de simuladores de procesos reales resulta esencial a la hora de diseñar y validar estrategias de control que consigan que el sistema se comporte de forma deseada acorde a una serie de especificaciones. Este trabajo presenta un simulador de tanque continuo calefactado, componente habitual en industrias tales como la alimentaria o la cosmética, sobre el cual ensayar técnicas de control industrial. El sistema está basado en una planta piloto situada en la Universidad de Alberta e implementado sobre la plataforma Simulink. El simulador resulta de especial interés pues combina la dinámica basada en primeros principios descrita por el balance de volumen y energía, con las no linealidades propias de la planta derivadas de la calibración de instrumentos. Además, se incorporan datos de perturbaciones y ruidos del proceso real. En base a ensayos sobre el simulador en torno a un punto de operación en los que se recoge la conducta entrada-salida, se obtiene un modelo lineal de la planta descrito mediante funciones de transferencia. La herramienta empleada para este propósito es el toolbox de identificación de sistemas de Matlab. Haciendo uso del modelo lineal, se procede a diseñar e implementar una estrategia de control multivariable para el nivel de agua en el tanque, el caudal de agua fría y la temperatura del agua a la salida. Se aplicará la teoría de control realimentado empleando controladores PID y se buscará reducir la incidencia de la interacción entre lazos de control por medio de descacopladores. El objetivo final es la validación de la estrategia escogida mediante ensayos en el simulador

Process simulation is a fundamental tool in the industry for engineering, operation and decisionmaking works. It requires an exhaustive study of the process, the variables involved and the theoretical foundations that support it. Especially in the field of automatic control, the use of real process simulators is essential when designing and validating control strategies in order to lead the system to a desired performance. This work presents a continuous stirred tank heater simulator, a common component in industries such as food or cosmetics, on which to test industrial control techniques. The system is based on a pilot plant located at the University of Alberta and implemented on the Simulink platform. The simulator is specially interesting because it combines the dynamics based on first principles described by the volume and energy balance, with non-linearities of the plant derived from calibration of instruments. In addition, noise and disturbance data from the real process are added to the simulator. Running the simulator on an operating point, tests will be carried out and the input-output behavior will be collected. Then, a transfer function based linear model of the plant will be determined. For this purpose, Matlab system identification toolbox will be used. Using the linear model, it will be designed and implemented a multivariable control strategy for the water level in the tank, the cold water inlet flow and the water temperature at the outlet. The theory of feedback control will be applied using PID controllers and the incidence of interaction among control loops will be reduced by means of decouplers. The final objective is the validation of the chosen control strategy through simulator tests.