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

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

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

[EN] 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.[ES] Este trabajo propone un nuevo controlador predictivo generalizado en lazo cerrado no lineal y económico (NECLGPC), implementado en una única capa, como una técnica de control avanzado para mejorar la economía en la operación de plantas. En vez del clásico controlador predictivo en modo dual, donde la ley de control terminal definida en la región terminal se obtiene fuera de línea mediante la resolución de un problema LQR, en este trabajo la ley de control terminal se determina en línea utilizando un controlador predictivo generalizado no lineal sin restricciones (NGPC). Para resolver el problema de optimización se han realizado dos consideraciones. En primer lugar, el modelo de predicción consistente en un modelo fenomenológico no lineal de la planta se expresa mediante una estructura lineal y matrices dependientes del estado. En segundo lugar, en vez de incluir en la función objetivo un término no lineal referente a los costes económicos, se incluye una aproximación consistente en el gradiente reducido de la función económica. Estos requisitos permiten diseñar un controlador GPC no lineal sin restricciones analíticamente y plantear el problema del NECLGPC como un problema de programación cuadrática (QP) cada periodo de muestreo. Se han comparado cuatro controladores basados en GPC con el propuesto en este trabajo en términos de desempeño y costes energéticos. Como caso de estudio la metodología se ha implementado en el proceso de eliminación de nitrógeno en una planta depuradora de aguas residuales (WWTP), mostrando la eficiencia del método para casos prácticos

Avances en Informática y Automática. Noveno Workshop

[ES]El Máster Oficial en Sistemas Inteligentes de la Universidad de Salamanca tiene como principal objetivo promover la iniciación de los estudiantes en el ámbito de la investigación. El congreso organizado por el Departamento de Informática y Automática que se celebra dentro del Máster en Sistemas Inteligentes de la Universidad de Salamanca proporciona la oportunidad ideal para que sus estudiantes presenten los principales resultados de sus Trabajos de Fin de Máster y obtengan una realimentación del interés de los mismos. La novena edición del workshop \Avances en Informática y Automática", correspondiente al curso 2014 - 2015, ha sido un encuentro interdisciplinar donde se han presentado trabajos pertenecientes a un amplio abanico de líneas de investigaci ón, desde los sistemas multiagente y la visualización de la información hasta la minería de datos pasando por otros campos relacionados. Todos los trabajos han sido supervisados por investigadores de reconocido prestigio pertenecientes a la Universidad de Salamanca, proporcionando el marco idóneo para sentar las bases de una futura tesis doctoral. Entre los principales objetivos del congreso se encuentran: Ofrecer a los estudiantes un marco donde exponer sus primeros trabajos de investigación. Proporcionar a los participantes un foro donde discutir ideas y encontrar nuevas sugerencias de compa~neros, investigadores y otros asistentes a la reunión. Permitir a cada estudiante una realimentación de los participantes sobre su trabajo y una orientación sobre las futuras direcciones de investigación. Contribuir al desarrollo del espíritu de colaboración en la investigaciónDepartamento de Informática y Automátic

Avances en Informática y Automática. Undécimo Workshop

Actas de los trabajos de TFM del Máster Universitario en Sistemas Inteligentes[ES]El Máster Oficial en Sistemas Inteligentes de la Universidad de Salamanca tiene como principal objetivo promover la iniciación de los estudiantes en el ámbito de la investigación. El congreso organizado por el Departamento de Informática y Automática que se celebra dentro del Máster en Sistemas Inteligentes de la Universidad de Salamanca proporciona la oportunidad ideal para que sus estudiantes presenten los principales resultados de sus Trabajos de Fin de Máster y obtengan una realimentación del interés de los mismos. La undécima edición del workshop Avances en Informática y Automática , correspondiente al curso 2016 - 2017, ha sido un encuentro interdisciplinar donde se han presentado trabajos pertenecientes a un amplio abanico de líneas de investigación, desde los sistemas biométricos y la visualización de la información hasta la minería de datos pasando por otros campos relacionados. Todos los trabajos han sido supervisados por investigadores de reconocido prestigio pertenecientes a la Universidad de Salamanca, proporcionando el marco idóneo para sentar las bases de una futura tesis doctoral. Entre los principales objetivos del congreso se encuentran: Ofrecer a los estudiantes un marco donde exponer sus primeros trabajos de investigación. Proporcionar a los participantes un foro donde discutir ideas y encontrar nuevas sugerencias de compañeros, investigadores y otros asistentes a la reunión. Permitir a cada estudiante una realimentación de los participantes sobre su trabajo y una orientación sobre las futuras direcciones de investigación. Contribuir al desarrollo del espíritu de colaboración en la investigación