Control de un reactor continuo de tanque agitado

Abstract

En este trabajo se desarrolla una aplicación informática con una interfaz gráfica de usuario que facilitará el aprendizaje de los fundamentos del control automático aplicado a procesos químicos, específicamente, en reactores de tanque agitado con dinámica no lineal. El desarrollo se ha hecho mediante la programación en Matlab como entorno de simulación. Para ello, en primer lugar, se han obtenido tres modelos dinámicos de un reactor de tanque agitado continuo con diferentes métodos de refrigeración: mediante un serpentín y mediante una camisa con y sin recirculación de refrigerante. Posteriormente, se ha programado un simulador para integrar las ecuaciones de los modelos a partir de unas condiciones iniciales, mediante los métodos de Euler y Runge-Kutta de orden 4. Asimismo, se ha usado un temporizador para permitir la simulación en tiempo real o en tiempo de simulación, con una velocidad del proceso más rápida. Por otro lado, se ha diseñado un algoritmo para la identificación de la dinámica del proceso. El ajuste de los parámetros se realiza aplicando el método de mínimos cuadrados, sobre modelos lineales de primer orden con tiempo muerto, partiendo de los datos obtenidos por simulación. Estos modelos simplifican la dinámica no lineal del proceso real. Para cada modelo, se han programado las ecuaciones de distintos reguladores, con el objetivo de controlar la temperatura del reactor. Se han utilizado algoritmos PID con y sin acción anticipativa, realimentación del estado y control predictivo DMC monovariable. Además, para el reactor encamisado, se han desarrollado las estructuras de control en cascada, control adaptativo de ajuste por tabla y control autoajustable basado en mínimos cuadrados recursivos. Todos los parámetros de ajuste han sido diseñados para proporcionar al usuario una solución por defecto. Finalmente, se han integrado todas estas funcionalidades en una interfaz gráfica de usuario multiventana, que permite el ajuste de las diferentes opciones de simulación y la selección del algoritmo de control. Además, se ha incluido una ventana para realizar ensayos de entrada en escalón, permitiendo exportar a una hoja de cálculo los datos obtenidos para realizar la identificación. Con fines didácticos, se ha creado un manual en el que se detalla el procedimiento a seguir para la instalación y manejo del software diseñado.

In this work, an application focused on the study and learning of the fundamentals of automatic control applied to chemical processes has been developed, specifically for jacketed reactors with non-linear dynamics, by programming in Matlab that is a simulation environment for nonlinear dynamic reactors. For this purpose, three models of continuous stirred tank reactors with different cooling of the coolant have been obtained: by means of a coil and using a cooling jacket with and without recirculation of the coolant. Subsequently, in order to integrate the equations of the models from some initial conditions, a simulator has been programmed through Euler and 4 th order Runge-Kutta methods. In addition, a timer has been used to enable a real time simulation or to speed up the time simulation of the process. On the other hand, an algorithm has been designed for the identification of approximate first order systems plus dead time, using least squares method from data obtained by simulation. These models simplify the nonlinear dynamics of the real process. For each model, the equations of different temperature regulators have been programmed. The algorithms used were standard PID structure with and without feedforward action, state feedback and monovariable DMC predictive control. Furthermore, a cascade control structure, an adaptive Gain Scheduling technique and a selftuning control based on recursive least squares method have been developed for the case of jacketed reactor. All of the tuning parameters have been designed to provide the user a functional default solution. Finally, all these functionalities have been integrated into a multi-window graphical user interface, which also allows the adjustment of different simulation options and the selection of the control algorithm. A dedicated window for steps input experiments has also been included and the data and the output obtained can be exported to a spreadsheet for identification purposes. For didactic reasons, a user manual has been created detailing the procedure to follow for the installation and operation of the designed software.