Diseño de un controlador difuso sintonizado con computación evolutiva para una planta de desalinización de agua de mar por ósmosis inversa

Abstract

El agua es fuente indispensable para la vida y para la industria en el planeta. Hoy en día debido a la contaminación y el calentamiento global muchos países del mundo están sufriendo estrés hídrico al no satisfacer su demanda de agua dulce. Una alternativa para obtener agua dulce es la desalinización de agua de mar, la cual se ha estado desarrollando en muchas partes del mundo. El proceso de desalinización comprende varios tipos de tecnologías, las cuales se dividen en procesos térmicos y procesos por membranas. Uno de los procesos por membranas que se ha vuelto muy atractivo en la industria estos últimos años es la desalinización por ósmosis inversa, el cual es considerado por muchos autores como el proceso de desalinización más viable en producción, energía consumida y costo. Las plantas de ósmosis inversa comúnmente comprenden 5 etapas, las cuales son la captación del agua de mar, pre-tratamiento, conjunto de membranas semipermeables, pos-tratamiento y almacenamiento, siendo la etapa de las membranas semipermeables la más crítica y en donde se realiza el proceso de ósmosis inversa. La mayoría de plantas desalinizadoras por ósmosis inversa utilizan controladores convencionales, los cuales no garantizan un desempeño eficiente en el control de la planta, originando ensuciamiento en las membranas y exceso de energía consumida, bajando la producción de agua dulce y disminuyendo su calidad. Como alternativa para mejorar el control en las plantas desalinizadoras por ósmosis inversa se plantea diseñar un controlador difuso. Este tipo de controladores es utilizado en diversos procesos como en el control de temperatura de hornos, sistemas de grúas puente, tratamiento de agua, etc, demostrando buen desempeño. El diseño del controlador se realizó en MATLAB R2017b y se simuló en SIMULINK acoplado al modelo matemático de una planta desalinizadora por ósmosis inversa. El modelo matemático corresponde a una planta piloto en los laboratorios R&D en la planta desalinizadora por ósmosis inversa de Doha, Kuwait. Este modelo matemático ha sido validado y usado en varias investigaciones. Los autores de los modelos matemáticos utilizaron como variables de salida al flujo de permeado y a la conductividad del permeado, y para las variables de entrada usó la presión del agua de entrada y su pH. La planta brinda información de la dinámica del proceso en la planta desalinizadora real. Para el diseño del controlador difuso se optó elegir un controlador PD+I, y se consideró las indicaciones tomadas de la literatura para el diseño de las etapas de fusificación, inferencia y defusificación. Este tipo de controladores tienen una estructura similar con los controladores PID convencionales, asimismo, poseen ganancias en la entrada y en la salida del controlador. Se utilizó un controlador difuso para controlar el lazo del flujo de permeado y otro controlador difuso para controlar el lazo de la conductividad, ambos controladores difusos fueron diseñados y programados de igual manera, asimismo, se sintonizaron las ganancias de cada controlador usando un algoritmo genético programado en MATLAB R2017b. Se realizaron 10 simulaciones para cada lazo de control de la planta desalinizadora, el algoritmo genético demostró ser estable y lograr alcanzar la solución óptima. Se realizaron simulaciones del controlador difuso diseñado frente a cambios de referencia y perturbaciones, asimismo, se realizaron pruebas de robustez considerando cambios en los parámetros de la planta. En el desarrollo de las pruebas se compararon los resultados obtenidos por el controlador difuso y controladores clásicos PI y PID tomados de la literatura. Los resultados obtenidos por los controladores difusos demuestran ser más eficientes que los controladores PI y PID. Para terminar la tesis se realiza una propuesta para la implementación el sistema de control diseñado en la planta desalinizadora.