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Un nuevo método de diseño de controladores optimiza su implantación en procesos industriales

La ingeniera industrial Marta Barreras Carracedo propone un nuevo método de diseño de controladores para aplicar en la industria, que reduce tiempos y consumo.

13/08/2007 Universidad Pública de Navarra (Documentación)

Durante las últimas décadas, el rápido avance de la tecnología y la aparición de ordenadores más potentes han favorecido el desarrollo de procesos industriales cada vez más sofisticados. Estos procesos incluyen, en general, un nivel de automatización mayor mediante el cual se pretende conseguir una mejora de las prestaciones. Sin embargo, esto conlleva una creciente complejidad de las instalaciones que ha acelerado la demanda de nuevas estrategias avanzadas de control capaces de cubrir las nuevas necesidades. En este aspecto, la Ingeniería de Control juega un papel fundamental dentro de los procesos industriales modernos. Así, hoy en día, gracias a los avances en capacidad y velocidad de los microprocesadores, la complejidad matemática ya no supone un problema, puesto que los nuevos microprocesadores son capaces de ejecutar complicados algoritmos. De ahí que la figura del ingeniero de control se convierta en crucial por ser quien debe seleccionar la estructura de control más adecuada para cada proceso.
Sin embargo, la experiencia demuestra que los costes de operación de equipos y sistemas industriales se incrementan innecesariamente debido, muchas veces, a desafortunadas decisiones sobre las estrategias de control aplicadas a ellos.

En este panorama, se inscribe la tesis doctoral desarrollada por Marta Barreras con el fin de desarrollar una nueva estrategia avanzada de diseño de controladores para sistemas con múltiples sensores y actuadores, de carácter robusto y con capacidad de desacoplo interno y de rechazo de perturbaciones externas. Además, ésta tenía que ser lo suficientemente sencilla como para facilitar su implantación en procesos industriales reales.

Para ello, en la investigación se ha utilizado la teoría QFT (Quantitative Feedback Theory), debido a su capacidad para tratar la incertidumbre del sistema y las perturbaciones externas existentes. Esta teoría se basa en el uso de los elementos no-diagonales del controlador para tratar simultáneamente problemas como la reducción del acoplamiento y el rechazo de perturbaciones externas. Respecto a los problemas de acoplamiento, el trabajo propone la realización de un diseño de controladores QFT de matriz completa, determinando exactamente cuales son las mejoras obtenidas y las condiciones mínimas necesarias para su aplicación.

Validación en dos procesos reales

Tras un análisis teórico, los resultados se validaron en dos etapas distintas. Primero, por medio de la resolución de un ejemplo teórico; y, en segundo lugar, mediante su aplicación a dos procesos reales.
En concreto, se eligió un horno eléctrico industrial destinado al curado de grandes piezas de composite y un intercambiador de calor situado en una planta solar de calefacción de agua.

Ambos son ejemplos idóneos para poner en práctica la teoría desarrollada. Por un lado, la elevada multiplicidad de actuadores y sensores presentes en el horno industrial hacen que su dinámica presente un alto carácter multivariable. Así, al intentar gobernar automáticamente su comportamiento dinámico térmico, surgen importantes problemas de acoplamiento entre los lazos de control existentes. Por otro lado, la interacción existente entre los lazos de un intercambiador de calor, así como la existencia de incertidumbre en el modelo y la presencia de perturbaciones externas, hacen de esta aplicación otro buen ejemplo donde validar la estrategia QFT multivariable. En el caso del horno industrial, la mejora del sistema de control no sólo implica el estudio de las técnicas de control avanzado, sino que planteaba el conocimiento de diversas disciplinas. Por ejemplo, el estudio de transferencia de calor, termodinámica y ciencia de materiales compuestos son esenciales para tener una idea de los procesos que tienen lugar en el sistema considerado y establecer un conjunto de ecuaciones que los describan. De igual modo, es necesario el análisis de los métodos de identificación de sistemas en lazo cerrado e incluso de sistemas de adquisición de datos.

Entre las ventajas de la técnica aplicada en estos casos, se consiguió mejorar la respuesta general del sistema a controlar. En concreto, se aumentó el rechazo de perturbaciones externas y se logró reducir el efecto del acoplamiento entre los lazos del sistema. Además, se ha optimizado las pruebas de curado realizadas en el horno con una disminución de los tiempos de curado y de la orden de control y, por ende, del consumo de energía, de los errores en estado estacionario y una mejora del seguimiento de referencia y del rechazo de perturbaciones externas. Todo ello, claro, obteniendo piezas de rigurosa calidad.

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