Guía docente de Simulación y Control de Procesos (2201141)

Se recomienda haber cursado la asignatura “Electrónica, Automatismos y Control” (3º GIQ)

Aspectos básicos del control de procesos químicos. Sistemas de control por realimentación. Estabilidad. Diseño y ajuste de controladores. Sistemas de control con lazo múltiple. Control anticipativo. Control mixto. Control adaptivo. Control predictivo. Sistemas de control distribuido. Simulación de procesos químicos. Análisis y síntesis de procesos. Evaluación de alternativas. Modelización de procesos químicos. Métodos de optimización de procesos químicos.

• Conocer la instrumentación, elementos finales de control y transmisión de señales empleadas en procesos químicos.
• Ser capaz de modelizar la dinámica de procesos químicos y analizar su respuesta frente a perturbaciones.
• Conocer las técnicas de análisis de respuestas en lazos de control.
• Aplicar técnicas de sintonizado de parámetros de control.
• Conocer técnicas de control avanzado habituales en procesos químicos.
• Conocer las técnicas de mejora de acciones de control por realimentación.
• Aplicar conceptos básicos de economía industrial en el análisis, evaluación y optimización de procesos químicos.
• Definir e identificar la función objetivo, variables de proceso y restricciones de operación.
• Diseñar, desarrollar y operar simuladores a partir de modelos matemáticos y aplicarlos en la optimización de procesos.

Bloque I. Simulación

1. Introducción a la simulación de procesos químicos
   • Reseña histórica. Concepto de modelo, sistema y simulación. Metodologías de simulación
2. Termodinámica en simulación de procesos
   • Equilibrio de fases. Estimación de propiedades termodinámicas.
3. Modelos de operaciones básicas y reactores químicos
   • Columnas de destilación. Mezcladores y separadores. Bombas, compresores y turbinas. Cambiadores de calor. Reactores químicos.
4. Estrategias de simulación en estado estacionario
   • Simuladores modulares secuenciales: Sistemas cíclicos. Selección de corrientes de corte. Simuladores modulares simultáneos. Simuladores globales orientados a ecuaciones.
5. Métodos numéricos en simulación de procesos
   • Método de Newton-Raphson. Método de la secante. Método de Broyden. Método de sustitución directa. Método de Wegstein. Método del valor propio dominante (DEM)

Bloque II. Control

1. Dinámica de procesos
   • Modelos dinámicos de procesos químicos. Linealización de modelos. Sistemas de primer orden. Sistemas de segundo orden. Tiempos muertos.
2. Análisis en el dominio de Laplace
   • Transformada de Laplace. Funciones de transferencia. Respuesta de sistemas a entradas en impulso, escalón y rampa. Aproximación de Padé. Identificación de sistemas.
3. Análisis en el dominio de la frecuencia
   • Respuesta de sistemas a entradas senoidales. Diagramas de Bode y Nyquist. Identificación de sistemas.
4. Control por realimentación (feedback)
   • Objetivos del sistema de control: servomecanismo y regulador. Diagrama de bloques del lazo de control. Control proporcional (P), proporcional integral (PI) y proporcional integral derivativo (PID).
5. Análisis de sistemas de control
   • Función de transferencia en lazo cerrado. Lugar de las raíces. Ganancia y frecuencia últimas. Criterio de estabilidad de Bode. Márgenes de ganancia y de fase.
6. Sintonización de controladores PID
   • Criterios de calidad de respuesta. Sintonización basada en la ganancia y periodo últimos. Sintonización para procesos de primer orden con tiempo muerto.
7. Control avanzado
   • Control en cascada. Control anticipativo (feedforward). Compensación de tiempos muertos.

Bloque I. Simulación

1. Selección de componentes. Diagramas de flujo. Informes y especificaciones
2. Diagramas Txy. Cálculos de equilibrio. Unidad flash. Detección de azeótropos
3. Columnas tipo SHORTCUT. Análisis de sensibilidad. Columna SCDS
4. Reactores estequiométricos (REAC). Reactores de equilibrio (EREA)
5. Reactores tipo Gibbs (GIBS). Reactores cinéticos (KREA)
6. Simulación de procesos con corrientes de recirculación

Bloque II. Control

1. Dinámica de procesos
2. Análisis en el dominio de Laplace
3. Análisis en el dominio de la frecuencia
4. Control por realimentación (feedback)
5. Análisis de sistemas de control
6. Sintonización de controladores PID
7. Control avanzado

• Estrategias de modelado, simulación y optimización de procesos químicos (2006). Puigjaner y otros. Ed. Síntesis. BPOL/66.02 EST
• Process Simulations Essentials - Example Book(2016). Chemstations Inc.
• Chemical process control (1984). Stephanopoulos. Ed. Prentice Hall. BPOL/66.02 STE che
• Instrumentación y control de plantas químicas (2012). Ollero y otros. Ed. Síntesis. BPOL/66.02 OLL ins
• Process control (2013). Bequette. Ed. Prentice Hall.
• Ingeniería de Control Moderna (2010). Ogata. Ed. Pearson.
• Control automático con herramientas interactivas (2012). Guzmán y otros. Ed. Pearson.
• Introducción a los sistemas de control (2010). Hernández. Ed. Pearson.

• Chemstations
• Scilab

• MD01. Lección magistral/expositiva 
• MD02. Resolución de problemas y estudio de casos prácticos o visitas a industrias 
• MD04. Prácticas en ordenadores 
• MD05. Realización de trabajos o informes de prácticas 

• Examen teórico-práctico de simulación: 4 puntos
• Examen teórico-práctico de control: 6 puntos

Ejemplos de evaluación de los resultados de aprendizaje (objetivos)

• Para el objetivo “Diseñar, desarrollar y operar simuladores a partir de modelos matemáticos y aplicarlos en la optimización de procesos”, en el examen teórico-práctico de simulación se propondrán ejercicios de simulación de unidades individuales, líneas o plantas completas incluyendo equipos de reacción y separación, bombas y compresores y cambiadores de calor. El diagrama de flujo del proceso podrá contener ciclos y deberá resolverse empleando un software de simulación de procesos químicos (CHEMCAD)
• Para el objetivo “Aplicar técnicas de sintonizado de parámetros de control”, en el examen teórico-práctico de control se propondrán ejercicios de sintonizado de controladores PID basados en el límite de estabilidad o en la minimización del error. El ejercicio deberá resolverse empleando un software de cálculo numérico (Scilab).

• Examen teórico-práctico de simulación: 4 puntos
• Examen teórico-práctico de control: 6 puntos

• Examen teórico-práctico de simulación: 4 puntos
• Examen teórico-práctico de control: 6 puntos