Desarrollo de un predictor de Smith modificado para el control de temperatura en un intercambiador de calor de tubos y coraza

Abstract

Los sistemas de control de temperatura de los procesos de transferencia de energía permiten mejorar la eficiencia energética consiguiendo optimizar los costos y elevando la productividad de las empresas. Los intercambiadores de calor de tubos y coraza (Shell and Tube Heat Exchanger - STHE) son dispositivos ampliamente utilizados en la industria que, de lograr innovarse adecuadamente sus sistemas de control, se habrá conseguido aprovechar al máximo el costo energético con menores gastos. La presente tesis tiene como objetivo fundamental desarrollar un predictor de Smith modificado (SP-H) para el control de la temperatura del flujo de salida de un intercambiador de calor de tubos y coraza. Se eligió el controlador SP-H principalmente porque, además de compensar el efecto del retardo de tiempo dominante del proceso, también es capaz de rechazar efectivamente las perturbaciones superando así al Predictor de Smith clásico (SP). Se desarrolló una revisión del estado del arte de los sistemas de control de los STHE, así como de las modificaciones hechas al SP. Mediante la aplicación de las herramientas de identificación de sistemas se obtiene un modelo matemático adecuado del STHE. Se derivan las funciones de transferencias en lazo cerrado del sistema de control basado en un SP y en un SP-H del proceso objeto de estudio. Se demuestran analítica y gráficamente las propiedades de rechazo del controlador SP-H a las perturbaciones. Se realiza el diseño del controlador 𝑅(𝑠) y el compensador 𝐻(𝑠) del SP-H. Considerando las respuestas en el tiempo obtenidas se analizan los índices de desempeño del SP-H vs SP. Se analiza en el dominio de la frecuencia las funciones de sensibilidad a las perturbaciones y la robustez del sistema de control basado en el SP-H en lazo cerrado. Finalmente se desarrolla una propuesta de implementación práctica del SP-H utilizando SIMULINK y CODESYS. Se comprueba mediante simulaciones que el SP-H rechaza mejor las perturbaciones que el SP, y además obtiene mejores índices de desempeño de la integral del error. También se estudia la dependencia de la sensibilidad a las perturbaciones y la robustez en lazo cerrado considerando el parámetro 𝜆 del bloque 𝐻(𝑠) del SP-H. Se implementa el controlador basado en SP-H comunicando CODESYS y Simulink mediante OPC.