Estrategias de control avanzadas aplicadas a un sistema de climatización basado en energía solar

Résumé

Es habitual encontrar en la industria procesos en los que la dinámica cambia a lo largo del periodo de operación, dependiendo en algunos casos del tiempo y, en otros, de ciertos eventos externos como condiciones lógicas entre otras. A dichos sistemas se les denomina sistemas híbridos, y suelen definirse como procesos en los que existe una mezcla entre dinámicas continuas y dinámicas discretas. El objetivo principal de esta tesis era el desarrollo de sistemas de control que tuviese en cuenta la naturaleza híbrida del proceso a controlar, más en concreto, su desarrollo y aplicación al control de la generación de agua caliente en sistemas de climatización solar. El sistema de generación de agua caliente está compuesto por un campo solar que calienta el agua, unos tanques de acumulación que lo almacenan cuando resulta necesario para su uso futuro, y una caldera de gas modulante que es utilizada cuando la irradiación incidente en el el campo solar no es lo suficientemente alta. Todos estos elementos pueden ser incluidos y excluidos del circuito hidráulico del sistema mediante la manipulación de válvulas, dando lugar a la dinámica híbrida previamente mencionada. En esta tesis, se ha definido un esquema de control de plantas híbridas que combina la estrategia de linealización online de la respuesta forzada del sistema y una estrategia de generación de matrices de predicción híbridas que permite tener en cuenta futuros cambios del modo de operación de la planta. De esta forma se reduce la complejidad del problema, que en muchos casos suele ser muy elevada, y se descompone en un conjunto de problemas mucho más sencillos de resolver. Además, de entre los componentes del sistema de generación de agua caliente, el campo solar presenta un problema de control de gran interés en la comunidad científica, y en esta tesis se ha abordado dicha tarea mediante la definición de un mecanismo de conmutación y su integración en un esquema de control por conmutación que incluye tanto controladores por realimentación como controladores por adelanto, junto a otras estrategias para facilitar la realización de las conmutaciones. El mecanismo de conmutación definido, cuya finalidad es rechazar los transitorios provocados por la realización de una conmutación, ha sido comparado con otros mecanismos de naturaleza heterogenea, y la estrategia definida ha sido aplicada también al problema de control de nivel con perturbaciones con fines didácticos. Para realizar las tareas anteriores, donde en unos casos se debían realizar ciertas simulaciones, y en otros los propios modelos formaban parte del controlador avanzado, fue necesario obtener previamente cada uno de los modelos individualmente, que posteriormente fueron integrados junto con su lógica y las transiciones permitidas en un modelo híbrido. Este proceso se realizó tanto para el caso lineal como para el caso no lineal, aplicando un framework ampliamente conocido en el primer caso, y una aproximación propia en la que se mezclan las ecuaciones del modelo, la lógica discreta y un conjunto de reglas de conmutación en el segundo.