Modelado, estimación y control, aplicaciones en el proceso de cristalización en la industria azucarera
Resumen
Esta tesis aborda los desafíos asociados al proceso de cristalización
de sacarosa en la industria azucarera, con un enfoque particular en el
monitoreo y control de la sobresaturación. Se estudian las principales
variables del proceso y los desafíos relacionados con su medición. Se
destaca la importancia de la sobresaturación y las dificultades para medirla
directamente. Además, se realiza una revisión exhaustiva del estado del
arte en modelado, monitoreo y control de la cristalización, evidenciando
que, aunque el modelado del proceso está bien establecido, existen desafíos
en la medición de variables clave, como la sobresaturación. Se discute la
utilización de estimadores para abordar estas limitaciones.
La investigación se enfoca en tres áreas principales: el modelado del
sistema, la estimación de variables y parámetros, y el control del proceso.
En consecuencia, se desarrolló un modelo matemático simplificado para
describir el proceso de cristalización C en la industria azucarera. Este
modelo se basó en la estructura básica de un modelo previo, que se fundamenta únicamente en los balances de materia y energía, evitando la
complejidad asociada a la solución del balance poblacional en esta etapa.
Se adopta una ecuación alternativa para describir la tasa de cristalización,
prescindiendo de las ecuaciones de momentos derivadas de la solución del
balance poblacional. La estructura extendida del modelo se completa con
las relaciones de equilibrio de fases, expresiones cinéticas y correlaciones necesarias. Además, se propone un modelo de sobresaturación para
describir la evolución de esta variable en el proceso. Los parámetros de
ambos modelos se estiman con datos reales tomados del caso de estudio.
Posteriormente, se diseña un estimador de sobresaturación basado
en los modelos previamente desarrollados. Las estimaciones de la sobresaturación y sus errores se obtienen indirectamente en tres pasos. En
primer lugar, se estiman los estados del modelo de cristalización y sus
varianzas mediante un Filtro de Kalman Unscented. Luego, la sobresaturación estimada se obtiene sustituyendo los estados estimados en el modelo
de sobresaturación. Por último, se calculan el sesgo y la varianza del
estimador para obtener los límites de error de tres desviaciones estándar.
En el diseño del estimador se emplean herramientas clásicas bien
establecidas, tales como el modelado basado en primeros principios, la
teoría de control aplicada al análisis de observabilidad, la teoría estadística
clásica aplicada a la estimación de parámetros del modelo, y técnicas de
procesamiento estadístico de señales como: i) estimadores de estados no
lineales, ii) propagación de incertidumbre y iii) un análisis exhaustivo de
errores de estimación. Por consiguiente, la contribución principal no reside
en las herramientas utilizadas, sino en la forma en que se aplicaron para
abordar un problema específico y aún abierto en la industria azucarera. La
utilización de estas técnicas y herramientas, en este contexto particular,
resulta en un estimador adecuado y a medida para este proceso.
Finalmente, se exploran diversas estrategias para el control del proceso, resultando favorables aquellas que utilizan la sobresaturación como
variable controlada. Con el objetivo de mejorar el control del proceso,
se propone una referencia de sobresaturación variable, que incorpora la
curva de ebullición en el control de la sobresaturación. En el seguimiento
de la referencia variable, se utiliza un controlador PID y un controlador
predictivo basado en modelo no lineal. La adopción de la referencia variable resulta en una reducción del tiempo de operación y una disminución
del consumo de energía, lo que supone una mejora en la eficiencia del
proceso.
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