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Adaptive Predictive Expert Control

ADEX COP CONTROL & OPTIMIZATION PLATFORM

Control Adaptativo Predictivo Experto NUEVO ESTÁNDAR PARA EL CONTROL & LA OPTIMIZACIÓN DE PROCESOS

Esta presentación se ha extractado del libro: “Control Adaptativo Predictivo Experto: Metodología, Diseño & Aplicación”, publicado por la UNED en 2005. Los contenidos fueron introducidos originalmente con todo detalle en varias patentes, publicaciones y libros y son la base de un curso intensivo de formación. Aunque ADEX está diseñado para ser operado con un mínimo de conocimiento, es importante que tanto ingenieros como gestores comprendan las implicaciones de esta tecnología para el futuro diseño de plantas industriales.

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Adaptive Predictive Expert Control

Indice ¾ Evolución en el control de procesos ¾ El Antecedente: Control Adaptativo Predictivo ¾ Control Adaptativo Predictivo Experto ¾ El Producto Software: ADEX COP ¾ Aplicaciones

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Adaptive Predictive Expert Control EVOLUCIÓN EN LA OPERACIÓN DE PROCESOS

CONTROL MANUAL

Antes del inicio de la automatización, los procesos industriales estaban controlados por operadores, que observaban la evolución del proceso y hacían ajustes manuales sobre las señales de control. Por ejemplo en el control de hornos, el operador bajaba el nivel de combustible cuando observaba una temperatura demasiado alta. El operador se basaba para su actuación en la experiencia que tenía y en su conocimiento de la dinámica del proceso, pero basicamente su actuación era una reacción al error ya producido.

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Adaptive Predictive Expert Control EVOLUCIÓN EN LA OPERACIÓN DE PROCESOS

La tecnología electrónica analógica permitió el inicio de la automatización y los controladores PID (Proporcional, Integral y Derivativo) AUTOMATIZACIÓN pasaron a ser utilizados en la industria, * CONTROLADORES PID reduciendo la necesidad de una atención continua del operador, llegando a ser la herramienta estandar de control industrial.

CONTROL MANUAL

Estos controladores producían la acción de control a partir del error entre la “consigna” (valor deseado permanente para la variable bajo control) y el valor medido de dicha variable, es decir, estos controladores reaccionaban al error ya producido (denominandose esta estrategia realimentación negativa). Dado que los procesos industriales suelen responder a relaciones causa-efecto desconocidas, complejas y variables con el tiempo, la aplicación de los controladores PID requiere en muchos casos de ajustes manuales tediosos y a menudo su rendimiento no es satisfactorio. Durante muchos años ha existido pues un vacío metodológico en la práctica del control industrial. © Copyright Adaptive Predictive Expert Control ADEX, S.L. 2006

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Adaptive Predictive Expert Control EVOLUCIÓN EN LA OPERACIÓN DE PROCESOS

CONTROL MANUAL AUTOMATIZACIÓN * CONTROLADORES PID * SISTEMAS EXPERTOS El intento de superar el vacío dejado por los controladores PID, llevó al desarrollo de sistemas expertos que emulaban la actuación de operadores experimentados aplicando reglas al control del proceso. Obviamente el rendimiento de estos sistemas no podía exceder el del operador, eran sistemas ad hoc, dificiles de desarrollar y mantener, y sensibles a los cambios en la dinámica del proceso. Los resultados en definitiva no respondieron a las expectativas que estos sistemas habían despertado.

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Adaptive Predictive Expert Control EVOLUCIÓN EN LA OPERACIÓN DE PROCESOS

Una solicitud de patente en 1976 introdujo CONTROL MANUAL la metodología de Control Adaptativo predictivo (CAP), cuya innovación principal AUTOMATIZACIÓN era el principio de control predictivo. El * CONTROLADORES PID control predictivo hace la salida del proceso predicha igual a la salida deseada * SISTEMAS EXPERTOS y utiliza un modelo para las predicciones puede ser adaptado (ajustado CONTROL AVANZADO que automáticamente en tiempo real)

* CONTROL ADAPTATIVO PREDICTIVO

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Adaptive Predictive Expert Control EVOLUCIÓN EN LA OPERACIÓN DE PROCESOS

CONTROL MANUAL AUTOMATIZACIÓN * CONTROLADORES PID * SISTEMAS EXPERTOS

CONTROL AVANZADO * CONTROL ADAPTATIVO PREDICTIVO Soluciones de control predictivo basadas en un modelo fijo han sido aplicadas en la industria con relativo éxito. Sin embargo, requieren de un esfuerzo y coste considerable para desarrollar el modelo necesario para iniciar la acción de control y su rendimiento se deteriora debido a la falta de adaptación cuando la dinámica del proceso cambia. © Copyright Adaptive Predictive Expert Control ADEX, S.L. 2006

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Adaptive Predictive Expert Control EVOLUCIÓN EN LA OPERACIÓN DE PROCESOS

CONTROL MANUAL AUTOMATIZACIÓN * CONTROLADORES PID * SISTEMAS EXPERTOS

El CAP está basado en un modelo que es adaptado permanentemente y es capaz de identificar en tiempo real la dinámica del proceso y sus cambios. Se implementa con rapidez, es sencillo en su operación, fiable, eficiente y de coste reducido.

CONTROL AVANZADO * CONTROL ADAPTATIVO PREDICTIVO

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Adaptive Predictive Expert Control EVOLUCIÓN EN LA OPERACIÓN DE PROCESOS

CONTROL MANUAL AUTOMATIZACIÓN * CONTROLADORES PID * SISTEMAS EXPERTOS

CONTROL AVANZADO * CONTROL ADAPTATIVO PREDICTIVO

* CONTROL ADAPTATIVO PREDICTIVO EXPERTO ADEX Una nueva metodología de control que combina el CAP con el control experto, patentada en 2001, fue introducida para considerar situaciones en las que la operación del proceso es anormal y, asimismo, para introducir el conocimiento del proceso del que se dispone en el controlador. En ella está basada la serie de robustos controladores ADEX disponibles hoy en día en la industria. © Copyright Adaptive Predictive Expert Control ADEX, S.L. 2006

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El Antecedente: Control Adaptativo Predictivo

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Adaptive Predictive Expert Control

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AdaptiveADAPTATIVO Predictive Expert Control CONTROL PREDICTIVO

ISA Sociedad de Instrumentación, Sistemas y Automatización © Copyright Adaptive Predictive Expert Control ADEX, S.L. 2006

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Adaptive Predictive Expert Control

CONTROL PREDICTIVO : PREDICHO = DESEADO

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Adaptive Predictive Expert Control DIAGRAMA DE BLOQUES

En cualquier proceso industrial, tenemos una salida que queremos controlar y la señal de control que podemos manipular.

SEÑAL DE CONTROL

PROCESO

Pero, ¿quien va a generar la señal de control?

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SALIDA DEL PROCESO

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Adaptive Predictive Expert Control DIAGRAMA DE BLOQUES

SALIDA DESEADA

MODELO PREDICTIVO

SEÑAL DE CONTROL

PROCESO

La señal de control es generada por el modelo predictivo a partir de la salida deseada, de acuerdo con el principio de control predictivo. Por tanto, el modelo predictivo calcula la señal de control que hace la salida predicha del proceso igual a la deseada. Pero, ¿quien va a generar la salida deseada?

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SALIDA DEL PROCESO

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Adaptive Predictive Expert Control DIAGRAMA DE BLOQUES

SET POINT

BLOQUE SALIDA CONDUCTOR DESEADA

MODELO PREDICTIVO

SEÑAL DE CONTROL

PROCESO

La salida deseada es generada por el bloque conductor a partir del set point o consigna fijado por el operador. De hecho la salida deseada tiene la significación de ser una trayectoria deseada que debería de ser seguida por la salida del proceso para alcanzar el set point.

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SALIDA DEL PROCESO

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Adaptive Predictive Expert Control DIAGRAMA DE BLOQUES

SET POINT

BLOQUE SALIDA CONDUCTOR DESEADA

MODELO PREDICTIVO

SEÑAL DE CONTROL

PROCESO

SALIDA DEL PROCESO

Si el modelo predictivo fuera perfecto y no hubiera perturbaciones actuando sobre el proceso, este diagrama de bloques definiría un sistema de control ideal. Sin embargo, no es realista considerar que "a priori“ se dispone de un modelo perfecto y, adicionalmente, siempre existen perturbaciones que actúan sobre el proceso. Es por ello que este diagrama de bloques debe completarse con un mecanismo de adaptación.

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Adaptive Predictive Expert Control DIAGRAMA DE BLOQUES

SET POINT

BLOQUE SALIDA CONDUCTOR DESEADA

MODELO PREDICTIVO

SEÑAL DE CONTROL

PROCESO

MECANISMO ADAPTATIVO

El mecanismo adaptativo actúa a dos niveles. En un primer nivel , a partir de las señales de E/S del proceso y del error de predicción, el mecanismo adaptativo ajusta los parámetros del modelo predictivo para hacer que el error de predicción tienda hacia cero. © Copyright Adaptive Predictive Expert Control ADEX, S.L. 2006

SALIDA DEL PROCESO

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Adaptive Predictive Expert Control DIAGRAMA DE BLOQUES

SET POINT

BLOQUE SALIDA CONDUCTOR DESEADA

MODELO PREDICTIVO

SEÑAL DE CONTROL

PROCESO

SALIDA DEL PROCESO

MECANISMO ADAPTATIVO

En un segundo nivel, el mecanismo adaptativo informa al bloque conductor sobre el estado actual del proceso y sobre la desviación de la salida del proceso de la trayectoria deseada. Esta información la utiliza el bloque conductor para redefinir la trayectoria deseada en dicho instante de control. © Copyright Adaptive Predictive Expert Control ADEX, S.L. 2006

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Adaptive Predictive Expert Control DIAGRAMA DE BLOQUES

SET POINT

BLOQUE SALIDA CONDUCTOR DESEADA

MODELO PREDICTIVO

SEÑAL DE CONTROL

PROCESO

SALIDA DEL PROCESO

MECANISMO ADAPTATIVO

El Control Adaptativo Predictivo, de acuerdo con este diagrama de bloques, ha demostrado un funcionamiento excelente en su aplicación a procesos industriales siempre que exista una relación causa-efecto que determina la dinámica del proceso y siempre que esta relación se pueda identificar por medio de un modelo. © Copyright Adaptive Predictive Expert Control ADEX, S.L. 2006

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Adaptive Predictive Expert Control Publicaciones Científicas

• “A New Solution to Adaptive Control”, Proceedings of the IEEE, Vol. 64, pp. 1209-1218, Autor: J.M.Martín Sánchez, 1976. • “A Stable Adaptive Predictive Control System”, International Journal of Control, Vol.39, pp. 215-234. Autores: J.M. Martín Sánchez, S.L. Shah y D.G. Fisher, 1984. • “Multivariable Adaptive Predictive Control of a Binary Distillation Column”, Automatica (IFAC), Vol. 20, pp. 607-620. Autores: J.M. Martín Sánchez y S.L. Shah, 1984. • “A Globally Stable APCS in the Presence of Bounded Noises and Disturbances”, IEEE Transactions on Automatic Control, Vol. AC-29, pp. 461-464. Autor: J.M. Martín Sánchez, 1984. • “Adaptive Predictive Control: From the Concepts to Plant Optimization”, Prentice Hall. Autores: J.M. Martín Sánchez y J. Rodellar. 1996. • “Adaptive Predictive Control: Limits of Stability”, International Journal of Adaptive Control and Signal Processing, Vol. 11, No.4, pp. 263-284. Autores: J.M. Martín Sánchez y J. Rodellar. 1997.

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Adaptive Predictive Expert Control LIMITACIONES

DOMINIO DE FUNCIONAMIENTO AP

Con frecuencia la relación causa-efecto de un proceso está presente en ciertos dominios de operación, mientras que en otros no existe o no puede ser modelada en tiempo real con seguridad. En estos otros dominios, no se recomienda la aplicación de control AP.

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Adaptive Predictive Expert Control

CONTROL ADAPTATIVO PREDICTIVO EXPERTO ADEX

La última versión de control Adaptativo Predictivo –ADEX– tiene en cuenta las limitaciones del control AP, encontradas en numerosas aplicaciones industriales, y presenta una solución metodológica para superarlas que utiliza los principios del control experto.

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Adaptive Predictive Expert Control Dominio superior para control experto

Dominio central para control adaptativo predictivo

DOMINIO DOMINIOEXPERTO EXPERTO(EX) (EX)--UU AP - U DOMINIO DE DOMINIO ADAPTATIVO PREDICTIVO(AP) - C FUNCIONAMIENTO AP AP - L EX - L

Dominio superior para control adaptativo predictivo Dominio inferior para control adaptativo predictivo Dominio inferior para control experto

ADEX combina el Control AP con el Control Experto mediante la definición de dominios de operación para ambos en una estructura de control integrada © Copyright Adaptive Predictive Expert Control ADEX, S.L. 2006

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Adaptive Predictive Expert Control

Un bloque experto utiliza plenamente el conocimiento disponible sobre el proceso, decide cuando y como se aplica control AP y control experto

DIAGRAMA DE BLOQUES

BLOQUE EXPERTO

BLOQUE SET POINT

CONDUCTOR

SALIDA DESEADA

BLOQUE DE CONTROL

SEÑAL DE CONTROL

PROCESO

MECANISMO ADAPTATIVO

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SALIDA DEL PROCESO

Puede observarse que el logo representa el diagrama de bloques A D

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Adaptive Predictive Expert Control

Un bloque experto utiliza plenamente el conocimiento disponible sobre el proceso, decide cuando y como se aplica control AP y control experto

DIAGRAMA DE BLOQUES

BLOQUE EXPERTO

BLOQUE SET POINT

CONDUCTOR

SALIDA DESEADA

BLOQUE DE CONTROL

SEÑAL DE CONTROL

PROCESO

MECANISMO ADAPTATIVO

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SALIDA DEL PROCESO

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Adaptive Predictive Expert Control

El bloque experto determina si el bloque de control es un modelo predictivo o un sistema experto que aplica reglas

DIAGRAMA DE BLOQUES

BLOQUE EXPERTO

BLOQUE SET POINT

CONDUCTOR

SALIDA DESEADA

BLOQUE DE CONTROL

SEÑAL DE CONTROL

PROCESO

MECANISMO ADAPTATIVO

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SALIDA DEL PROCESO

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Adaptive Predictive Expert Control

El bloque experto determina si el bloque de control es un modelo predictivo o un sistema experto que aplica reglas

DIAGRAMA DE BLOQUES

BLOQUE EXPERTO

BLOQUE SET POINT

CONDUCTOR

SALIDA DESEADA

BLOQUE DE CONTROL

SEÑAL DE CONTROL

PROCESO

MECANISMO ADAPTATIVO

El bloque experto puede modificar el criterio de rendimiento del bloque conductor para generar la trayectoria deseada cuando se aplica control AP © Copyright Adaptive Predictive Expert Control ADEX, S.L. 2006

SALIDA DEL PROCESO

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Adaptive Predictive Expert Control

El bloque experto determina si el bloque de control es un modelo predictivo o un sistema experto que aplica reglas

DIAGRAMA DE BLOQUES

BLOQUE EXPERTO

BLOQUE SET POINT

CONDUCTOR

SALIDA DESEADA

BLOQUE DE CONTROL

SEÑAL DE CONTROL

PROCESO

SALIDA DEL PROCESO

MECANISMO ADAPTATIVO

El bloque experto puede modificar el criterio de rendimiento del bloque conductor para generar la trayectoria deseada cuando se aplica control AP

El bloque experto determina la adaptación teniendo en cuenta las condiciones de operación bajo CAP

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Ejemplo Ilustrativo 22 O C

Set Point

Valor Inicial

10 O C Señal de Control

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Ejemplo Ilustrativo 22 O C

Set Point

Valor Inicial

10 O C Señal de Control

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El primer paso consiste en definir los dominios de operación del controlador ADEX, es decir, cuando se aplica control AP y cuando se aplica control experto © Copyright Adaptive Predictive Expert Control ADEX, S.L. 2006

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Ejemplo Ilustrativo Set Point

El dominio AP se definirá alrededor del set point, donde el control optimizado es crítico

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DOMINIO AP DOMINIO EXPERTO

Valor Inicial

10 O C Señal de Control

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Ejemplo Ilustrativo Set Point

El dominio AP se definirá alrededor del set point, donde el control optimizado es crítico

22 O C

DOMINIO AP DOMINIO EXPERTO

Valor Inicial

10 O C Señal de Control

0

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15

20

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El dominio experto se definirá en la zona inferior, donde la precisión del control no es crítica, y el objetivo es simplemente conducir la temperatura al dominio AP o parar el calentamiento © Copyright Adaptive Predictive Expert Control ADEX, S.L. 2006

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Ejemplo Ilustrativo Set Point

22 O C

DOMINIO AP DOMINIO EXPERTO

Valor Inicial

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EXPERTO

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15

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Señal de Control

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ADEX empieza aplicando control experto, imitando el control manual de un operator © Copyright Adaptive Predictive Expert Control ADEX, S.L. 2006

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Ejemplo Ilustrativo Set Point

22 O C

DOMINIO AP DOMINIO EXPERTO

Valor Inicial

10 O C

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EXPERTO

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5

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15

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ADEX empieza aplicando control experto, imitando el control manual de un operator

25

30

Señal de Control

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Una vez en el dominio AP, el control AP guía la temperatura hacia el set point

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Ejemplo Ilustrativo Set Point

El bloque de control define la trayectoria deseada en el dominio AP

22 O C

DOMINIO AP DOMINIO EXPERTO

Valor Inicial

10 O C

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EXPERTO

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ADEX empieza aplicando control experto, imitando el control manual de un operator

25

30

Señal de Control

35

40

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Una vez en el dominio AP, el control AP guía la temperatura hacia el set point

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Capacidades de la Metodología ¾ Eficacia probada del Control Adaptativo Predictivo ¾ Robustez propia del Control Experto ¾ Uso del conocimiento disponible sobre el proceso y su dinámica

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Sección Española

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ADEX COP 2.0 Estructura, Diseño y Aplicación

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Adaptive Predictive Expert Control Aplicación al Control y la Optimización OPTIMIZADOR ADEX COP 2.0

LÓGICA DE ENTRADAS OPTIMIZACIÓN ADEX

CONTROLADORES ADEX

SALIDAS ADEX

LÓGICA DE OPTIMIZACIÓN

TOMA DE DATOS

ENVIO DE DATOS

SISTEMA DE CONTROL LOCAL

LÓGICA DE ENCLAVAMIENTO

PROCESO

ADEX COP 2.0 es una plataforma software que permite el desarrollo de estrategias de control y optimización en las que se insertan controladores ADEX. COP significa “Control and Optimisation Platform”. © Copyright Adaptive Predictive Expert Control ADEX, S.L. 2006

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Adaptive Predictive Expert Control Aplicación al Control y la Optimización OPTIMIZADOR ADEX COP 2.0

LÓGICA DE ENTRADAS OPTIMIZACIÓN ADEX

ADEX

SALIDAS ADEX

TOMA DE DATOS

SISTEMA DE CONTROL LOCAL

ADEX COP recibe los datos del sistema de control local

LÓGICA DE OPTIMIZACIÓN

ENVIO DE DATOS

ADEX COP permite la integración con el sistema de control local

CONTROLADORES

El diseñador puede decidir el tratamiento de las variables de entrada y salida de los controladores ADEX

LÓGICA DE ENCLAVAMIENTO

PROCESO

Los controladores ADEX se integran en la lógica de control y optimización requerida para la optimización del proceso © Copyright Adaptive Predictive Expert Control ADEX, S.L. 2006

ADEX COP envía al sistema local el control optimizado

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Control Adaptativo Predictivo Adaptive Predictive Expert Experto Control

APLICACIONES INDUSTRIALES Algunos Testimonios

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Adaptive&Predictive Expert Control CONTROL OPTIMIZATION PLATFORM

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“Las grandes dificultades hasta saberse lo son, que sabido todo es facil” Calderon de la Barca

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