Integración entre diseño y control de procesos industriales

Abstract

Los problemas de síntesis/diseño de procesos y de diseño de su correspondiente estructura de control, por lo general, son resueltos como dos problemas separados y de forma secuencial. Primero se lleva a cabo la síntesis del proceso con el propósito de alcanzar los objetivos de diseño y sin tener en cuenta consideraciones de control. Posteriormente, se analiza la operación y los aspectos de controlabilidad con el objetivo de realizar un correcto diseño de la estructura de control. Este enfoque secuencial (método tradicional) a menudo es inadecuado ya que numerosos inconvenientes que aparecen en la etapa de diseño de la estructura control son producto de un diseño deficiente del proceso y, por el contrario, rediseños posteriores teniendo en cuenta sólo consideraciones de control suelen producir diseños sobredimensionados. Estos motivos, conjuntamente con la mejora en los recursos computacionales actuales, son los que impulsan el desarrollo de metodologías de diseño integrado. Es importante destacar que esta problemática es multidisciplinar y de gran importancia dentro del área de Ingeniería de Procesos. La búsqueda de una adecuada estrategia de integración entre síntesis y control de procesos adquiere una relevancia especial en el caso de redes de intercambio calórico (RIC). La configuración de la RIC y su interacción con el resto del proceso impone fuertes limitaciones en el control como efectos competitivos, respuestas inversas y tiempos muertos. El correcto diseño de las mismas y de su control puede producir grandes mejoras económicas y de eficiencia desde el punto de vista global. En este tipo de sistemas se puede observar las problemáticas que surgen del método clásico de síntesis de procesos y diseño de la estructura de control. Es decir, RIC diseñadas considerando sólo aspectos económicos y supuestos de estado estacionario pueden conducir a procesos que sean incapaces de controlar y operar, exhibiendo un pobre rendimiento dinámico y un comportamiento inesperado ante perturbaciones e incertidumbres. En caso contrario, si dicha red es rediseñada considerando sólo criterios de controlabilidad, la RIC final puede resultar sobredimensionada. Bajo este contexto, en esta tesis doctoral, se desarrollo una metodología que permite integrar los problemas de síntesis y de diseño de estructuras de control multivariable (ECM) y su aplicación sobre las RICs. En una primer instancia, se estudiaron los dos problemas mencionados anteriormente (síntesis/control) por separado con el objetivo de generar aportes en cada una de estas áreas y obtener formulaciones que favorezcan la integración. En este sentido, inicialmente se abordó el problema de síntesis de RIC flexible. Este enfoque se basa en el diseño de la RIC bajo incertidumbres y permite obtener un diseño que es capaz de soportar perturbaciones en la entrada. De esta manera, desde la etapa inicial de síntesis se tienen en cuenta posibles variaciones de las condiciones nominales de operación y se favorece la etapa de diseño de la estructura de control. Debido al aumento de la dificultad del problema se implementó una técnica de optimización con el objetivo de analizar la convergencia del mismo y garantizar la calidad de la solución obtenida. Por otro lado, se analizó la influencia del criterio de flexibilidad sobre el costo total de la RIC. En una segunda etapa se estudió el problema de diseño de la estructura de control. Las metodologías clásicas de diseño de ECM se basan en superestructuras que definen problemas mixto-entero no-lineal (MINLP) ya sea de dos niveles y/o secuencial. Debido a los inconvenientes que presentan estas metodologías, se desarrolló un nuevo enfoque para abordar el problema de diseño de ECM. Se iii reformuló el modelo MINLP transformándolo a un problema MIQP con restricciones lineales. De esta manera, se lograron mejoras tanto en la optimización como en el rendimiento computacional. Otro aspecto importante de la nueva formulación es la posibilidad de garantizar la controlabilidad del proceso. Posteriormente, se generalizó la metodología propuesta para poder aplicarse al diseño de la estructura de control de las RIC. Se incorporó un término al funcional de manera de cuantificar las desviaciones de las variables manipuladas y poder realizar el diseños de la ECM incluso para el caso en que no se dispongan variables no controladas, caso muy común en el diseño de estructuras de control para RICs. En una última etapa, se propuso una metodología secuencial para la integración basada en los modelos de síntesis y diseño de estructura de control desarrollados en la tesis doctoral. La metodología propuesta garantiza la calidad de la solución obtenida en la etapa de síntesis y la operabilidad de la RIC ya que asegura los criterios de flexibilidad y controlabilidad. Finalmente, y como trabajo futuro, se propone el desarrollo de una superestructura que permita abordar el problema de manera integrada, es decir, incorporar dentro del problema de síntesis condiciones de controlabilidad y factibilidad de la estructura de control.