Diseño y simulación de controladores multivariables clásico y avanzado para una caldera industrial

Abstract

Las calderas son sistemas complejos que presentan comportamientos no lineales, multivariables (más de una entrada y salida) y con numerosas interferencias o acoplamientos. Para su control la industria viene adoptando distintas estrategias, entre las que se pueden destacar: control de uno, dos y tres elementos, control maestro, control de combustión, con corrección de oxígeno, control de temperatura, de presión, etc. Todas estrategias mencionadas se basan principalmente en la aplicación de controladores PID a lazos simples, linealizando previamente el sistema entorno a un punto de trabajo, lo que supone una aproximación lineal; ya que el modelo de las calderas es no lineal. Estos métodos vienen siendo el estándar de aplicación en la industria de los últimos años. Sin embargo, en muchos casos resultan ser ineficientes provocando grandes consumos de combustible y contaminación. La necesidad de nuevas estrategias de control que ofrezcan mejores prestaciones a nivel de eficiencia, seguridad y de emisiones ha posibilitado la investigación y profundización de sistemas de control más avanzados como el predictivo, adaptativo o basado en redes neuronales. En tal sentido, el objetivo específico del presente trabajo es diseñar un controlador que mejore sustancialmente, tanto en respuesta temporal como en estabilidad, el modelo de referencia basado en PID independientes (PID Multivariable Desacoplado). Para ello, se hará uso de otras teorías de control más avanzadas como el Control Predictivo Multivariable, para controlar la presión de vapor, exceso de oxígeno y nivel de agua y comparar sus resultados con las del Control PID Multivariable.

Boilers are complex systems that have non-linear behaviors, multivariate (more than one input and output) and with numerous interference or links. Control industry is adopting different strategies, which include: control one, two and three elements, master control, combustion control, with correction of oxygen, control of temperatura, pressure, etc. All mentioned strategies are based primarily on the application of PID controllers to loops single, previously linearising the system to a point of work environment, which is a linear approximation; since boilers model is non-linear. These methods are still standard application in the industry in recent years. However, in many cases they turn out to be inefficient, causing large consumption of fuel and pollution. The need for new control strategies that offer better performance at the level of efficiency, safety and emissions has enabled research and deepening of the most advanced control systems such as the predictive, adaptive or based on neural networks. Accordingly, the specific objective of this study is to design a controller that improves substantially, both time response and stability, the reference model based on independent PID (PID Multivariable uncoupled). To do so, will be other more advanced control theories as Multivariable Predictive Control, to control the vapor pressure, excess oxygen and water level and compare their results with the of the PID Multivariable Control.