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VII CAIQ2013 y 2das JASP

DESARROLLO DE INTERFACES GRAFICAS Y SIMULADORES

DINAMICOS PARA ENSENANZA DE CONTROL DE PROCESOS

E. J. Adam† and E. S. Burgos‡

†UNL - Facultad de Ingenierıa Quımica, Santiago del Estero 2854, Santa Fe, Santa Fe,

Argentina.

[email protected]

‡UTN - Facultad Regional Parana, Almafuerte 1033, Parana, Entre Rıos, Argentina.

[email protected]

Resumen. Este trabajo presenta el desarrollo de interfaces graficas para simu-

ladores dinamicos utilizados en la ensenanza de control de procesos.

Las interfaces graficas se desarrollaron utilizando lenguaje C++ y hacen uso

del framework Qt, para invocar a Octave c©(Eaton (2002)) como software de

calculo para procesos de ingenierıas.

Los ejemplos escogidos son tıpicos de la industria de procesos organizados en

orden de complejidad creciente. Se dispone de 1) sistema de almacenamiento

de lıquido (tanques con interaccion) con sistemas de control simple entrada

- simple salida (SISO) y multiple entra multiple salida (MIMO) y, 2) reactor

tanque continuo agitado (CSTR), con sistema de control SISO.Palabras Claves. Simulacion dinamica, control de procesos, software libre.

1 Introduccion

Desde hace varios anos viene creciendo el desarrollo de software libre con licencia

GNU para todo tipo de aplicaciones, y esto ultimo ha sido adoptado por distintas Univer-

sidades alrededor del mundo. Si bien es sabido que una atractiva ventaja es que se trata de

AAIQ Asociacion Argentina de Ingenieros Quımicos - CSPQ


un software gratuito, ademas permite a los usuarios una permanente actualizacion de los

mismos. Esto ultimo, en el caso particular de las Universidades publicas, permite poner en

igualdad de condiciones a todos sus estudiantes y docentes que se encuentran alrededor

del mundo sin importar la magnitud o poder economico de una institucion.

En este punto, resulta clara la razon de optar por software libre para la ensenanza

de las distintas ingenierıas. La eleccion de Octave c©(ver Eaton, Eaton (2002)) por sobre

otras opciones radica en que se trata de un software que se ejecuta muy rapido y que

tiene una agil manera de combinarse con otros software libres para realizar otras tareas,

como calculo simbolico (a traves de Maxima c©), herramientas graficas (es el caso de

Inkscape c©), etc., ademas de disponer de un conjunto de toolbox que facilitan tratar temas

especıficos.

La idea y la motivacion de este trabajo fue desarrollar una interfase grafica interactiva

para un estudiante o aprendiz inexperto que le facilite la interaccion humano-computadora

y le remarque los resultados importantes al momento de simular y controlar sistemas tıpi-

cos de la ingenierıa quımica. Para el desarrollo de las distintas interfases graficas interac-

tivas se recurrio a aplicaciones que utilizan el lenguaje C++ y hacen uso del framework

Qt. La gran flexibilidad para la creacion de interfaces graficas y las posibilidades de co-

municacion que brinda el diseno de Octave c©, un software especıfico para calculo en

ingenierıa, permite desarrollar una herramienta que resulta sumamente atractiva para el

estudiante de grado, y que a su vez facilita considerablemente la comprension de los te-

mas bajo estudio. Esta metodologıa, fue implementada con exito en el desarrollo de un

toolbox de sistemas de control lineal y presentada por Adam and Burgos (2012).

Particularmente, el software desarrollado permite estudiar el comportamiento dinami-

co de los siguientes sistemas no lineales: 1) sistemas de tanques con interaccion y 2)

reactor tanque continuo agitado (CSTR).

En el primer caso, es posible simular el comportamiento dinamico de los tanques a

lazo abierto y cerrado, pudiendo realizar un control PID simple entrada - simple salida

(SISO) y un control PID multiple entrada - multiple salida (MIMO). El estudiante puede

interactuar en forma grafica con los parametros de los controladores, introducir pertur-

baciones, guardar las simulaciones numericas en archivos, y cargar simulaciones previas.



El modelo no lineal del sistemas de tanques, se puede consultar en textos de ingenierıa

tradicional (Adam (2011); entre muchos otros), y se basa en los parametros identificados

de un sistema experimental de laboratorio, presentados en el trabajo de Cappelletti and

Adam (2008).

En el segundo caso, es posible simular el comportamiento dinamico del CSTR a lazo

abierto y cerrado, pudiendo realizar un control PID SISO de la temperatura del reac-

tor manipulando el caudal de refrigerante de la camisa. El modelo dinamico del mismo

esta basado en el trabajo de Aris and Amundson (1955); y particularmente para este tool-

box, los parametros fueron ajustados tomando como base el trabajo de Gonzalez et al.

(Gonzalez et al. (2006, 2008), para lograr simulaciones atractivas para los estudiantes.

Similarmente al anterior, los estudiantes pueden interactuar en forma grafica, cambiando

los parametros del controlador, realizar cambios de set-point, introducir perturbaciones en

el caudal alimentacion al reactor, su temperatura y concentracion de entrada. Ası mismo,

las simulaciones numericas pueden ser grabadas en un archivo para un posterior analisis.

Este trabajo se organiza como se detalla a continuacion. En la Seccion 2, se presenta

aspectos basicos del desarrollo de la interface con el usuario del software desarrollado. La

Seccion 3 presenta los simuladores propuestos hasta el momento, incluyendo sus ecuacio-

nes fundamentales, condiciones iniciales y la interface con el usuario. Luego, un conjunto

de simulaciones dinamicas posibles a realizar con el usuario son presentadas en la Seccion

4. Finalmente, en la Seccion 5 se presentan las conclusiones.

2 Interface Grafica con el Usuario

En el trabajo de Adam y Burgos (Adam and Burgos (2012)) se planteo como objetivo

lograr una interfaz grafica, desarrollada como una aplicacion en Qt utilizando C++, que

permita:

ejecutar una aplicacion desde Octave c©tomando los valores de las variables de en-

torno que sean significativas.

Modificar parametros desde la interfaz visual y enviarlos junto a comandos propios

de octave.



Obtener el valor de variables existentes en el entorno de Octave y representarlas a

traves de una interfaz grafica.

Para la comunicacion desde Qt se implementaron dos clases, OctaveInterface y Oc-

taveData. La primera es la responsable de permitir el flujo bidireccional de datos y de

obtener los valores de las variables exportadas al comienzo de la ejecucion de la aplica-

cion mientras que la segunda se utiliza para representar las variables exportadas desde

Octave.

Toda la comunicacion entre la aplicacion y octave se realiza a traves de los flujos de

datos estandares de entrada y salida (cin y cout) propios del lenguaje C++.

2.1 Interface Grafica de los Simuladores

El software desarrollado tiene una interface grafica general para lanzar los distintos

simuladores que se muestra en la Fig. 1.

Fig. 1: Interface grafica principal para cargar los simuladores.



3 Simuladores Propuestos

3.1 Sistema de Tanques

El simulador de sistema de tanques se basa en un sistema hidraulico experimental de

laboratorio de dos tanque con interaccion representado en la Fig. 2, donde sus caracterısti-

cas fısicas y operativas se informan en la Tabla1 (Cappelletti and Adam (2008)).

Fig. 2: Sistema experimental de tanques y el esquema de control SISO implementado.

Tabla 1: Caracterısticas tecnicas del sistema experimental de laboratorio de la Fig. 2.

Dimensiones

diametros d1 = d2 = 0,04[m]

Rango de caudales de las valvulas 0-3.3[l/min]

Resistencias hidraulicas R1 = 90000 [m s /m3]

R2 = 144000 [m s /m3]

Niveles maximos h1 max = h2 max = 0,60[m]

Las ecuaciones de balance que definen un modelo matematico no lineal en variables

de desviacion se resume a,

A1dh1

dt= −

(Cv1

√h1 − h2 − q0

s1

)+ qe1 + qm1 (1)

A2dh2

dt=(Cv1

√h1 − h2 − q0

s1

)−(Cv2

√h2 − q0

s2

)+ qe2 (2)



sujeto a condiciones iniciales h1(t = 0) = h10, h2(t = 0) = h20 o bien en variables de

desviacion, h1 = 0 y h2 = 0 1.

La Fig. 3 muestra la interface grafica del sistema de tanques.

Fig. 3: Interface grafica para cargar los simuladores de los sistemas de tanques. Note que

la primer pestana permite simular el control PID-SISO.

Mediante la pestana superior se puede seleccionar para simular el control PID-SISO

del nivel de lıquido del segundo tanque o bien, el control PID-MIMO de los niveles de

lıquido de ambos tanques, como se muestra en la Fig. 4.

Note que ambas interfaces graficas muestran botones que permiten,

simular las distintas entradas fijadas en barras deslizadoras para los caudales qe1,

qm1 y qe2,

guardar la simulacion numerica,

cargar una simulacion numerica anterior grabada en un archivo,

1Toda variable indicada como • representa a la variable escrita como desviacion del estado estacionario

inicial.



Fig. 4: Interface grafica para simular el control PID-MIMO del nivel de ambos tanques.

3.2 Reactor Quımico

El CSTR no isotermico a volumen variable escogido para el desarrollo del toolbox se

muestra en la Fig.

Fig. 5: Reactor tanque continuo agitado con volumen de lıquido variable y el esquema de

control SISO implementado.

El modelo matematico dinamico no lineal del CSTR se compone de las siguientes

ecuaciones de balance fundamentales:



1. Ecuacion de balance de materia total.

2. Ecuacion de balance de materia para el reactivo.

3. Ecuacion de balance de energıa.

4. Ecuacion de balance de energıa en la camisa.

y esta basado en el trabajo de Aris and Amundson (1955).

Balance de Materia Total

dV

dt= qe − qs. (3)

Balance de Materia para el Reactivo

dV cAdt

= qecAe − qscA − rAV . (4)

Balance de Energıa

ρcpdV T

dt= qeρcpTe − qsρcpT − UA(T − Tc)−∆HrrAV . (5)

Balance de Energıa en la Camisa

ρcpcdVcTcdt

= qciρccpcTce − qcρccpcTc + UA(T–Tc). (6)

Particularmente para este toolbox, las condiciones operativas del reactor y los parame-

tros fueron ajustados tomando como base los trabajos de Gonzalez et al. (2006), Gonzalez

et al. (2008) para lograr simulaciones atractivas para los estudiantes. Estas condiciones

operativas se resumen en la Tabla 2.



Tabla 2: Valores nominales de los parametros del CSTR de la Fig. 5.

Parametros Nomenclatura Valores

concentracion de alimentacion CAe 0.5 [mol m−3]

concentracion del reactor CA [mol m−3]

caudal de proceso qe 0.0200 [m3 s−1]

temperatura de alimentacion Te 690 [K]

temperatura de entrada del refrigerante Tc 298 [K]

caudal de refrigerante qce 0.014 [m3 s−1]

volumen del reactor V 1 [m3]

nivel del lıquido en el CSTR h 1.27 [m]

coeficiente glogal de transferencia de calor U 10.57 [Kcal m−2 s−1K−1]

constante de velocidad de reaccion k -1.08 10+16[s−1]

energıa de activation E/R 2.2645 10+4[K−1]

calor de reaccion ∆H -9885 [Kg m−3]

densidad de lıquido ρ 60 [Kcal Kmol−1]

calor especıfico cp 1 [Kcal Kg−1 K−1]

La Fig. 6 muestra la interface grafica del sistema de tanques.



Fig. 6: Interface grafica para cargar los simuladores de los sistemas de control propuestos

para el reactor.

Mediante la pestana superior se puede seleccionar para simular el control PID-SISO

de la temperatura del reactor o bien el control en cascada de dicha temperatura.

4 Simulaciones Dinamicas

4.1 Simulaciones para el Control de Nivel de Tanques

La Fig. 7 muestra las ventanas con las simulaciones numericas obtenidas con el con-

trol PID-SISO para el control de nivel de lıquido del segundo tanque. Para este caso,

inicialmente se considera que los tanques estan vacıos y que ambos inician el proceso de

llenado simultaneo.

El valor de consigna para el segundo tanque es de 0.4[m]. Note que en principio la

valvula de control se abre totalmente saturandose la misma. Similarmente, el nivel de

lıquido crece hasta valores de rebalse del tanque. Note que alcanzado dicho valor de nivel

de lıquido maximo, el caudal comienza inmediatamente a descender. Esto se aprecia en

las graficas de caudal manipulado y caudales totales de salida. A raız de esto, los niveles

de ambos tanques comienzan a descender, alcanzando la consigna pedida en el segundo



tanque, ya que en el controlador se incluye el modo integral.

Fig. 7: Respuestas dinamicas del control PID-MIMO del nivel de lıquido del segundo

tanque.

La Fig. 8 muestra las ventanas con las simulaciones numericas obtenidas con el control

PID-SISO para el control de nivel de lıquido del segundo tanque.

Para este caso, se ha fijado como valores de consignas, 0.5[m] y 0.4[m] para el primer

y segundo tanque respectivamente. Note que en este caso el control del sistema es menos

agresivo, produciendose una leve saturacion de la variable manipulada por corto tiempo,

sin llevar a los tanques a la situacion de rebalse. Ambos niveles alcanzan los valores de

consigna pedidos debido al modo integral que se incluye en ambos controladores.



Fig. 8: Respuestas dinamicas del control PID-MIMO del nivel de lıquido de ambos tan-

ques.

4.2 Simulaciones para el Control de la Temperatura del Reactor

La Fig. 9 muestra las ventanas con las simulaciones numericas obtenidas con el control

PID-SISO de la temperatura del reactor quımico.

Para este simulador se incluyen varias alternativas que buscan perturbar al reactor,

estas son:

perturbar el caudal de entrada en el instante t = 800[s],

perturbar la concentracion de entrada en el instante t = 1200[s]

perturbar la temperatura del caudal de entrada al reactor en el instante t = 1600[s]

perturbar la temperatura del refrigerante en el instante t = 2000[s]

El objetivo es controlar la temperatura del reactor y mantenerla en su valor de consigna

de 150[◦C].



Fig. 9: Respuestas dinamicas del control PID-SISO del reactor quımico.

La Fig. 9 muestra las respuestas dinamicas a los cuatro cambios propuestos.

Note que inicialmente el reactor alcanza el valor de temperatura de consigna de 150[◦]

junto con todas la variables de salida, las que alcanzan su estado estacionario. Luego, en

el instante t = 800[s] el caudal de entrada es incrementado, provocando un aumente del

nivel de lıquido como se puede observar en la ventana de la respuesta dinamica del nivel

de la masa reaccionante del CSTR, al mismo tiempo esto provoca un cambio en la tem-

peratura del reactor, que obliga a un incremento en el caudal de refrigerante. Ası mismo,

la concentracion del reactor es ligeramente perturbada.

En el instante t = 1200[s], ingresa un cambio en la concentracion de entrada del

reactivo, como es de esperar ni el nivel de lıquido ni la temperatura del reactor cambian,

haciendo que este cambio sea visible solo en la concentracion de la masa reaccionante.

En el instante t = 1600[s], se produce una perturbacion en la temperatura del caudal

que ingresa al reactor, provocando un cambio en la temperatura del mismo, lo que lleva

a incrementar el caudal manipulado para poder controlar la temperatura del mismo. Esta

perturbacion esta, fuertemente relacionada con el balance de materia para el reactivo y

esto provoca un cambio de su concentracion en el interior del reactor como se aprecia

en la ventana correspondiente. Tambien la temperatura es llevada nuevamente al valor de



consigna, lo que resulta razonable por la presencia del modo integral en el controlador.

Finalmente, en el instante t = 2000[s], la temperatura del refrigerante es incrementada

provocando inmediatamente un cambio brusco en la temperatura del reactor. Este cambio

obliga a aumentar el caudal de refrigerante para llevar a la temperatura del reactor a su

valor de consigna, pero como el caudal manipulado es saturado, entonces el reactor opera

como si estuviera a lazo abierto, haciendo que su variable controlada y las demas variables

de salida, alcancen un estado estacionario lejano a los deseados para la operacion del

reactor.

5 Conclusiones

En este trabajo se presento dos simuladores dinamicos de procesos tıpicos de la inge-

nierıa quımica.

Mediante el uso de software libre como Octave c©y las librerıas Qt es posible construir

una interface grafica atractiva para los simuladores que le permiten al estudiante interac-

tuar con el mismo.

La posibilidad que brinda Octave c©como software de calculo para ingenierıa rivali-

za fuertemente con los software propietarios comerciales los que resultan costoso y con

tiempos de calculo que hasta pueden llegar a ser mas altos.

Los simuladores desarrollados permiten a los estudiantes comprender el comporta-

miento de los sistemas de control aplicados a los procesos allı simulados.

El exito alcanzado en esta primer etapa alienta a seguir desarrollando esta herramienta

de ensenanza para el analisis del desempeno de sistemas de control de procesos tıpicos de

la ingenierıa quımica.

Referencias

Adam, E. J. (2011). Instrumentacion y Control de Procesos. Notas de Clase. Ediciones

UNL, ISBN 978-987-657-284-2.

Adam, E. J. and E. S. Burgos (2012). Aplication de las librerıas qt en el desarrollo de un

toolbox de sistemas de control lineal para ensenanza en ingenierıa. In: XXIII Congre-



so Argentino de Control Automatico (AADECA 2012). Buenos Aires, Argentina, (CD

version).

Aris, R. and N. R. Amundson (1955). An analysis of chemical reactor stability and control

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Cappelletti, C. A. and E.J. Adam (2008). Diseno de un control de nivel de un sistema

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Automatico (AADECA 2008). Buenos Aires, Argentina, (CD version).

Eaton, John W. (2002). GNU Octave Manual. Network Theory Limited.

Gonzalez, H. A., E. J. Adam and J. L. Marchetti (2006). Offset elimination usin receding

horizont controllers: A comprehensive analysis. In: XX Congreso Argentino de Control

Automatico (AADECA 2006). Buenos Aires, Argentina, (CD version).

Gonzalez, H. A., E. J. Adam and J. L. Marchetti (2008). Conditions for offset elimination

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and Processing: Process Intensification 47, 2184–2194.


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