Metodología para la Obtención de Modelos Semifísicos de Base Fenomenológica Aplicada a una Sulfitadora de Jugo de Caña de Azúcar

ResumenEn este trabajo se presentan los Modelos Semifísicos de Base Fenomenológica (MSBF) como herramienta útil en el diseño, control y optimización de procesos químicos y biotecnológicos. Se realiza una descripción detallada de un método para la obtención de MSBF a partir del conocimiento y principios básicos de los procesos: balances de materia, energía y cantidad de movimiento, así como el principio de gradiente para obtener ecuaciones constitutivas. Se aplica el procedimiento descrito a la etapa de clarificación de un ingenio azucarero. En particular, se modela la torre de sulfitación de dicha etapa. El modelo se contrasta con el comportamiento de una sulfitadora real a través de simulación

Hierarchical distributed model predictive control based on fuzzy negotiation

This work presents a hierarchical distributed model predictive control approach for multiple agents with cooperative negotiations based on fuzzy inference. Specifically, a fuzzy-based two-layer control architecture is proposed. In the lower control layer, there are pairwise negotiations between agents according to the couplings and the communication network. The resulting pairwise control sequences are sent to a coordinator in the upper control layer, which merges them to compute the final ones. Furthermore, conditions to guarantee feasibility and stability in the closed-loop system are provided. The proposed control algorithm has been tested on an eightcoupled tank plant via simulation

Integrated design and control of chemical processes : Part II: an illustrative example

[EN] In this paper, the integrated design paradigm is illustrated with several examples taken from the wide range of methodologies developed in last decades and presented in the first article of this series [Part 1]. The techniques included here belong to the category of simultaneous design and control in an optimization framework, and they have been developed by the authors’ research group and applied to the simultaneous process and control system design of the activated sludge process in a wastewater treatment plant (WWTP). In the present article, new aspects and results of those methodologies are presented for further understanding. The scope of the problem considers both a fixed plant layout and the plant structure selection by defining a simple superstructure. The control strategy chosen is a linear Model Predictive Controller (MPC) with terminal penalty in order to guarantee stability. As for the evaluation of the controllability, norm based indexes have been considered, and a multi-model approach to represent the uncertainty and assure robustness. The formulation of the optimization problem can be stated either as a multiobjective one considering costs and controllability, or as monoobjective adding some controllability constraints. Several strategies for solving the optimization problem are presented, mixing stochastic and deterministic methods, and genetic algorithms.[ES] En este artículo, el paradigma de diseño integrado se ilustra con varios ejemplos tomados de la amplia gama de metodologías desarrolladas en las últimas décadas y presentadas en el primer artículo de esta serie. Las técnicas utilizadas pertenecen a la categoría de diseño y control simultáneo en un marco de optimización siendo desarrolladas por el grupo de investigación de los autores y aplicadas al diseño simultáneo de procesos y sistemas de control del proceso de lodos activados en una planta de tratamiento de aguas residuales. El alcance del problema considera tanto una disposición fija de la planta como la selección de la estructura de la planta definiendo una superestructura simple. La estrategia de control elegida es un controlador predictivo modelo lineal (MPC). En cuanto a la evaluación de la controlabilidad, se han considerado índices basados en normas, y un enfoque multi-modelo para representar la incertidumbre y asegurar robustez. La formulación del problema de optimización se puede plantear bien como un objetivo multiobjetivo que considera costos y controlabilidad, o como monoobjetivo que añade algunas restricciones de controlabilidad. Se presentan varias estrategias para resolver el problema de optimización, mezclando métodos estocásticos y determinísticos, y algoritmos genéticos

Integrated design and control of chemical processes : part I : revision and clasification

[EN] This work presents a comprehensive classification of the different methods and procedures for integrated synthesis, design and control of chemical processes, based on a wide revision of recent literature. This classification fundamentally differentiates between “projecting methods”, where controllability is monitored during the process design to predict the trade-offs between design and control, and the “integrated-optimization methods” which solve the process design and the control-systems design at once within an optimization framework. The latter are revised categorizing them according to the methods to evaluate controllability and other related properties, the scope of the design problem, the treatment of uncertainties and perturbations, and finally, the type the optimization problem formulation and the methods for its resolution.[ES] Este trabajo presenta una clasificación integral de los diferentes métodos y procedimientos para la síntesis integrada, diseño y control de procesos químicos. Esta clasificación distingue fundamentalmente entre los "métodos de proyección", donde se controla la controlabilidad durante el diseño del proceso para predecir los compromisos entre diseño y control, y los "métodos de optimización integrada" que resuelven el diseño del proceso y el diseño de los sistemas de control a la vez dentro de un marco de optimización. Estos últimos se revisan clasificándolos según los métodos para evaluar la controlabilidad y otras propiedades relacionadas, el alcance del problema de diseño, el tratamiento de las incertidumbres y las perturbaciones y, finalmente, el tipo de la formulación del problema de optimización y los métodos para su resolución

Integration of set point optimization techniques into nonlinear MPC for Improving the operation of WWTPs

[EN] Optimization and control strategies are necessary to keep wastewater treatment plants (WWTPs) operating in the best possible conditions, maximizing effluent quality with the minimum consumption of energy. In this work, a benchmarking of different hierarchical control structures for WWTPs that combines static and dynamic Real Time Optimization (RTO) and non linear model predictive control (NMPC) is presented. The objective is to evaluate the enhancement of the operation in terms of economics and effluent quality that can be achieved when introducing NMPC technologies in the distinct levels of the multilayer structure. Three multilayer hierarchical structures are evaluated and compared for the N-Removal process considering the short term and long term operation in a rain weather scenario. A reduction in the operation costs of approximately 20% with a satisfactory compromise to Effluent Quality is achieved with the application of these control scheme.[ES] Las estrategias de optimización y control son necesarias para que las plantas de tratamiento de aguas residuales funcionen en las mejores condiciones posibles, maximizando la calidad de los efluentes con el mínimo consumo de energía. En este trabajo, se presenta un benchmarking de diferentes estructuras de control jerárquico para WWTP que combina Optimización en tiempo real estática y dinámica (RTO) y control predictivo modelo no lineal (NMPC). El objetivo es evaluar la mejora de la operación en términos de economía y calidad del efluente que se puede lograr al introducir las tecnologías NMPC en los distintos niveles de la estructura multicapa. Se evalúan y comparan tres estructuras jerárquicas multicapa para el proceso considerando la operación a corto y largo plazo en un escenario de lluvia. Con la aplicación de este esquema de control se logra una reducción de los costos de operación de aproximadamente el 20% con un compromiso satisfactorio a la calidad del efluente

Control predictivo distribuído utilizando modelos difusos para la negociación entre agentes

En este trabajo se ha desarrollado una técnica de control predictivo distribuido que incluye una negociación basada en lógica borrosa entre los distintos agentes locales que representan a cada subsistema. Se trata de un lgoritmo alternativo al de juego cooperativo propuesto en otros trabajos, que utiliza la lógica borrosa para introducir criterios de operación de los procesos en la negociación para determinar la señal de control óptima. Partiendo de un caso en el que cada agente local dispone de varias posibles soluciones de las variables manipuladas, mediante la negociación difusa entre ellos se llega a una solución de compromiso. Cuando el número de agentes es elevado, el sistema difuso propuesto evita la evaluación del coste para cada una de las posibles combinaciones, y además permite introducir criterios económicos u otros de forma cualitativa. La validación de la técnica se ha realizado sobre un modelo del benchmark de cuatro tanques acoplados, mostrando un adecuado seguimiento de las referencias y rechazo de perturbaciones.Ministerio de Economía y Empresa; DPI2015-67341-C2-1-RFundación Samuel Solórzano; FS/21 - 201

Diseño y aplicación de una metodología didáctica en modalidad b-learning, Como respuesta a las necesidades derivadas de la pandemia

Memoria ID-041 Ayudas de la Universidad de Salamanca para la innovación docente, curso 2020-2021

Simultaneous Design and Control of a Sugar Cane Sulfitation Tower

[ES] Este trabajo se aborda el problema de diseño y control de una planta perteneciente a una etapa clave del proceso de obtención del azúcar de caña como es la clarificación. Se presenta una aproximación novedosa al problema de diseño y control simultáneo del proceso considerando tanto la controlabilidad de estado (basada en métricas de controlabilidad práctica) como la controlabilidad de salida (basada en índices dinámicos de control), tomando como ejemplo el caso de la torre sulfitadora. Esta propuesta se traduce en un problema de optimización no lineal donde se imponen restricciones sobre las condiciones de operación de la planta, las medidas de controlabilidad de estado y algunos índices de desempeño a lazo cerrado, mientras se minimizan los costos de inversión, operación y control. El problema de optimización se resolvió satisfactoriamente empleando algoritmos genéticos.[EN] This work focuses in the design and control of a plant used in the clarification stage of the sugar cane juice refining process. An innovative approach to the simultaneous design and control problem is presented, which considers the state controllability (based on practical controllability metrics) and the output controllability (based on dynamical performance indices) using as example the sulphitation tower. This statement translates into a non linear optimization problem where constraints are imposed over the plant operating conditions, the state controllability metrics and some closed loop performance indices while the investment, operating and control costs are minimized. The optimization problem was solved successfully using genetic algorithms.Los autores agradecen el apoyo de la Red de Automatización y Control de la Industria de Transformación de la Caña de Azúcar. Red temática CYTED (506RT0303). Área temática de tecnologías para la información y comunicaciones. El proyecto DPI2006-15716-C02-01 del MCYT (España) y el proyecto DI-CAI-002-05 del Decanato de Investigación y Desarrollo de la Universidad Simón Bolívar ( DICAI-002-05)Lamanna, R.; Vega, P.; Revollar, S.; Álvarez, H. (2009). Diseño Simultáneo de Proceso y Control de una Torre Sulfitadora de Jugo de Caña de Azúcar. Revista Iberoamericana de Automática e Informática industrial. 6(3):32-43. http://hdl.handle.net/10251/144642OJS32436

Optimal control of wastewater treatment plants using economic-oriented model predictive dynamic strategies

[EN] This paper addresses the implementation of economic-oriented model predictive controllers for the dynamic real-time optimization of the operation of wastewater treatment plants (WWTP). Both the economic-optimizing controller (pure-EMPC) and the economic-oriented tracking controller (Hybrid-EMPC, or HEMPC) formulations are validated in the benchmark simulation model (BSM1) platform that represents the behavior of a characteristic activated sludge process. The objective of the controllers is to ensure the appropriate operation of the plant, while minimizing the energy consumption and the fines for violations of the limits of the ammonia concentration in the effluent along the full operating period. A non-linear reduced model of the activated sludge process is used for predictions to obtain a reasonable computing effort, and techniques to deal with model-plant mismatch are incorporated in the controller algorithm. Different designs and structures are compared in terms of process performance and energy costs, which show that the implementation of the proposed control technique can produce significant economic and environmental benefits, depending on the desired performance criteria.[ES] Este trabajo muestra la implementación de controladores predictivos basados en modelos (MPC) incluyendo consideraciones económicas para la optimización de la operación de una planta depuradora de aguas residuales (WWTP) en tiempo real. Tanto las formulaciones del controlador económico puro (pure-EMPC) como el económico con seguimiento de referencia (Hybrid-EMPC) se han validado en el banco de pruebas de simulación BSM1 que representa el comportamiento del proceso de fangos activados en una depuradora. El objetivo de los controladores es asegurar una operación apropiada de la planta, minimizando el consumo de energía y las posibles multas por violaciones de los límites en la concentración de amonio en el efluente. Como modelo de predicción en los controladores se utiliza un modelo no lineal reducido del proceso de fangos activados, con el fin de reducir el esfuerzo computacional en los algoritmos. Además, se han introducido técnicas para solucionar el problema de la diferencia entre el modelo de predicción y el modelo de la planta real para eliminar errores estacionarios en el seguimiento de la referencia. Los resultados comparando diferentes diseños y estructuras en términos de desempeño y costes muestran que la implementación de las técnicas propuestas pueden producir significativos beneficios económicos y medioambientales, dependiendo de los criterios de desempeño desado

One Layer Nonlinear Economic Closed-Loop Generalized Predictive Control for a Wastewater Treatment Plant

The main scope of this paper is the proposal of a new single layer Nonlinear Economic Closed-Loop Generalized Predictive Control (NECLGPC) as an efficient advanced control technique for improving economics in the operation of nonlinear plants. Instead of the classic dual-mode MPC (model predictive controller) schemes, where the terminal control law defined in the terminal region is obtained offline solving a linear quadratic regulator problem, here the terminal control law in the NECLGPC is determined online by an unconstrained Nonlinear Generalized Predictive Control (NGPC). In order to make the optimization problem more tractable two considerations have been made in the present work. Firstly, the prediction model consisting of a nonlinear phenomenological model of the plant is expressed with linear structure and state dependent matrices. Secondly, instead of including the nonlinear economic cost in the objective function, an approximation of the reduced gradient of the economic function is used. These assumptions allow us to design an economic unconstrained nonlinear GPC analytically and to state the NECLGPC allow for the design of an economic problem as a QP (Quadratic Programing) problem each sampling time. Four controllers based on GPC that differ in designs and structures are compared with the proposed control technique in terms of process performance and energy costs. Particularly, the methodology is implemented in the N-Removal process of a Wastewater Treatment Plant (WWTP) and the results prove the efficiency of the method and that it can be used profitably in practical cases