Diseño de controladores para la estrategia de control jerárquico en el problema de fijación de consignas óptimas en línea

Abstract

El estudio realizado en este trabajo pretende dar a conocer los procedimientos necesarios que se deben seguir para implementar estrategias de control jerárquico multicapa con objetivos de optimización, los cuales pueden ser favorables para los distintos procesos industriales por ejemplo reacción de polímeros, columnas de destilación, entre otros. En primer lugar se presenta toda base conceptual necesaria con el fin de comprender cómo está constituida la estructura jerárquica para la optimización de consignas en linea y qué función cumple cada una de sus capas. A manera de introducción se realiza la implementación de una estructura de control jerárquico para el problema de optimización de consignas en línea en un reactor CSTR de un proceso de polimerización, donde se implementa una estructura compuesta por una capa de optimización de régimen permanente no-lineal, una capa de optimización dinámica lineal y una capa de control MPC, además se implementa una estrategia de control realimentado con un algoritmo de control PID sobre el mismo proceso con el fin de evidenciar los resultados obtenidos mediante cada estrategia de control aplicada al proceso. Posteriormente se realiza el proceso de construcción de un modelo computacional de una planta de destilación de metanol y agua usando el software comercial de simulación y optimización de procesos denominado Aspen HYSYS. Por último, se desarrolla una estructura compuesta por dos capas de Optimización y una capa de control avanzado MPC con un enfoque de control supervisor sobre el proceso de la columna de destilación en la cual previamente se han sintonizado los lazos PID de control directo, todo esto con el fin de optimizar los costos tanto del producto de salida como también los recursos necesarios para producirlo, esto con un enfoque general. Para la estrategia de control jerárquico con optimización y sus variaciones desarrolladas en este trabajo, se incluyeron los resultados de simulación representativos, donde se puede evidenciar la estabilidad y convergencia de las mismas respecto al criterio de optimización y los objetivos de control propuestos, concluyendo que los procedimientos descritos en este trabajo son apropiados para el desarrollo de algoritmos de control jerárquico con optimización de consignas en linea.

The study carried out in this paper aims to inform about the necessary procedures that must be followed to implement multilayer hierarchical control strategies with optimization objectives, which may be favorable for the different industrial processes such as polymer reaction, distillation columns, others. In the first place, all necessary conceptual bases are presented in order to understand how the hierarchical structure is constituted for the optimization of slogans in line and which function fulfills each of its layers. As an introduction, the implementation of a hierarchical control structure for the problem of online slogan optimization in a CSTR reactor of a polymerization process where a structure composed of a non-linear stable state optimization layer is implemented, a dynamic linear optimization layer and an MPC control layer, a control strategy is also implemented with a PID control algorithm over the same process in order to demonstrate the results obtained by each control strategy applied to the process. Subsequently, the process of construction of a computational model of a methanol and water distillation plant using the commercial simulation and process optimization software called Aspen HYSYS is performed. Finally, a structure consisting of two layers of Optimization and an advanced control layer MPC with a supervisory control focus on the process of the distillation column in which the PID loops of direct control have previously been tuned, all this is developed in order to optimize the costs of both the output product and the resources needed to produce it, this with a general approach. For the strategy of hierarchical control with optimization composed of three layers and their variations developed in this work, the representative simulation results were included, where the stability and convergence of the same can be evidenced with respect to the optimization criterion and the proposed control objectives , concluding that the procedures described in this paper are appropriate for the development of hierarchical control algorithms with optimization of online slogans.