3.1 CONSIDERACIONES PREVIAS
El sistema de control más sencillo que se ha pensado es capaz de controlar con solvencia el sistema descrito en la anterior sección es un controlador PI con una acción anti-windup [1] para evitar que la señal que el controlador le envía a la bomba dosificadora exceda del rango de sus capacidades físicas (0% - 100%) debido a la acción integral del
propio controlador. La acción anti-windup básicamente cambia el término integral del controlador para evitar que el sistema entre en saturación, previniendo de esta manera diferencias entre la salida del controlador y la salida real que el actuador (en este caso la bomba dosificadora de H2O2) le envía al sistema (en este caso la planta CADOX).
Además del controlador PI que se ha comentado en el párrafo anterior, un controlador anticipativo (feedfoward) ha sido añadido con el objetivo de mejorar el rendimiento total del sistema de control. El control anticipativo fue desarrollado usando las ganancias estáticas de los modelos lineales de consumo de H2O2 Gp(s) y GI(s) descritos en el párrafo anterior. Ya que la temperatura de la disolución se mantuvo constante durante la operación de la planta, no fue necesario el desarrollo de un controlador anticipativo equivalente para compensar el consumo de H2O2 debido a cambios en la temperatura, Gt(s).
3.2 PROBANDO EL SISTEMA DE
CONTROL
Una vez que el sistema de control ha sido diseñado, fue probado durante un ensayo en la planta CADOX con el objetivo de verificar todo el desarrollo teórico del modelo comentado en la anterior sección. Este ensayo puede observarse en la figura (4).
Figura 4: Ensayo para probar el control En la figura (4) se pueden observar tres señales: 1. La referencia o consigna de H2O2.
2. El valor actual de la concentración de H2O2. 3. La señal que envía el actuador (la bomba
dosificadora) al sistema (la planta CADOX). Durante el ensayo la concentración de hierro era de 1 mg/l, concentración que se le añadió bruscamente una vez empezado el ensayo para ver lo bien que respondía el controlador, y que iría disminuyendo a lo largo del ensayo al consumirse junto al H2O2.
Después de añadirle hierro a la concentración el colector se descubrió, lo que provoca otro cambio brusco en el consumo de H2O2, el resto del tiempo el colector se mantuvo descubierto con lo que las únicas variaciones existentes en la radiación solar incidente podrían ser pasos de nubes, que no hubo ninguno durante la operación, o el cambio normal que sufre la radiación durante el paso del día. Por último la temperatura de la disolución durante el ensayo fue mantenida constante.
La referencia inicial de concentración de H2O2 fue establecida en 900 mg/l, un valor muy alto para una operación normal, pero que se probó debido a que se quería ver lo bien que el modelo funcionaba en condiciones ‘extremas’, se puede ver como el valor de H2O2 excede por poco a la referencia deseada, debido a dos factores: que el modelo no fue diseñado para ese rango de operación y a que al no estar el colector descubierto, ni haber hierro en la disolución no hay manera de disminuir la concentración de H2O2.
Poco después y como se ha comentado anteriormente, se le añadió a la disolución 1 mg/l de hierro con el colector cubierto para que hubiera un aumento del consumo de H2O2 y observar así lo bien que el controlador se adaptaba a dichos cambios. Como se puede observar en la gráfica el consumo empieza a aumentar, lo que provoca que la concentración disminuya.
Antes de que alcance la referencia deseada de 900 mg/l se destapa completamente el colector, hecho que provoca que el consume aumente bruscamente, con lo que el valor de H2O2 cae un poco por debajo de la referencia. Aun así el controlador es capaz de mantenerlo cerca de la referencia y acercarlo a ella progresivamente. Sin embargo cuando está cerca de alcanzar a la referencia se producen perturbaciones por causas desconocidas, aunque el controlador sigue siendo capaz de ir llevando el valor de H2O2 a la referencia deseada.
Una vez que el valor de H2O2 está tan cerca de la referencia como se desea y se ha estabilizado, se cambia el valor de la referencia a 500 mg/l. Este valor es un valor de operación más normal que el setpoint anterior, por lo que el controlador es capaz de alcanzarlo con más facilidad y sin tantas oscilaciones.
Por último, una vez que el valor de H2O2 se hubo estabilizado cerca de la referencia deseada de 500 mg/l, se volvió a cambiar dicha referencia a un nuevo valor de 200 mg/l. Como en el caso anterior el controlador es capaz de llevar el sistema hasta la referencia deseada y todavía con menos oscilaciones que en el caso anterior debido a que esta referencia
estaba más próxima al punto de operación para el que se calculó el modelo lineal de la planta.
Como se puede observar en la gráfica, aunque los resultados son aceptables, no son tan buenos como los teóricos esperados debido a errores de modelado. Estos errores de modelado son debidos tanto a la aproximación linear del sistema, como a la aproximación linear de los modelos de pérdidas. Además hay ligeras fluctuaciones en la concentración de H2O2 cuando ésta se encuentra cerca de la referencia, aunque nunca exceden de 20 mg/l.
4
CONCLUSIONES
Este trabajo trata sobre el desarrollo de un sistema de control para la planta CADOX, basado en un modelo lineal simplificado de dicha planta. El sistema de control está formado por un controlador PI con acción anti-windup y un controlador anticipativo. El controlador anticipativo fue añadido para mejorar el control de la concentración de H2O2 anticipándose a cambios en el consumo de dicha concentración debidos a la concentración de hierro o a la radicación incidente en el colector. Aunque el control anticipativo causa una respuesta más rápida del sistema de control también implica un comportamiento oscilatorio en el valor de concentración de H2O2.
Este comportamiento oscilatorio es probablemente debido a una aproximación matemática de los modelos de pérdidas, por concentración de hierro y por radiación solar incidente, no del todo satisfactoria, ya que aunque dicha influencia es no lineal, un modelo lineal aproximado fue utilizado por los beneficios que este tipo de modelos otorga en cuanto a rapidez y simplicidad, usando para su cálculo sólo condiciones estacionarias en el término anticipativo.
Agradecimientos
Los autores de este trabajo desean dar las gracias a la Comisión Europea por el soporte financiero para el proyecto CADOX (Contrato no. EVK1-CT-2002- 00122), a los fondos CICYT-FEDER (proyectos DPI2002-04375-C03 y DPI2004-07444-C04-04) y a la Junta de Andalucía Consejería de Innovación, Ciencia y Empresa. Este trabajo también se ha realizado en el ámbito del acuerdo específico de colaboración entre la Plataforma Solar de Almería y el Grupo de Investigación “Automática, Electrónica y Robótica” de la Universidad de Almería (TEP197) titulado “Desarrollo de sistemas y herramientas de control para plantas termosolares”.
Referencias
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[3] Blanco, J., Malato, S., Fernández, P., Vidal, A., Morales, A., Trincado, P., Oliveira, J.C., Minero, C., Musci, M., Casalle, C., Brunotte, M., Tratzky, S., Dischinger, N., Funken, K.H., Sattler, C., Vincent, M., Collares-Pereira, M., Mendes, J. F., y Rangel C.M., (2000) “Compound parabolic concentrator technology development to commercial solar detoxification applications”, Sol. Energy, 67, pp. 317-330. [4] Fallmann, H., Krutzler, T., Bauer, R., Malato,
S., y Blanco, J., (1999) “Applicability of the photo-Fenton method for treating water containing pesticides”, Catal. Today, 54, pp. 309-319.
[5] Legrini, O., Oliveros, E., y Braun, A.M., (1993) “Photochemical Processes for Water Treatment”, Chem. Rev., 93, pp. 671-698. [6] Malato, S., Blanco, J., Vidal, A., y Richter, C.,
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[8] Malato Rodríguez, S., Blanco Gálvez, J., Maldonado Rubio, M.I., Fernández-Ibañez, P., Alarcón Padilla, D., Collares Pereira, M., Farinha Mendes, J., y Correia de Oliveira J., (2004) “Engineering of solar photocatalytic reactors”, Sol. Energy, 77, pp. 513-524.
[9] Ogunnaike B.A. y Ray W. H., (1994) Process Dynamics, Modeling, and Control, Oxford University Press.
[10] Safarzadeh-Amiri, A., Bolton, J.R., y Cater, S.R., (1996) “The use of iron in advanced oxidation processes”, J. Adv. Oxid. Technol., 1, pp. 18-26.