Modeling and simulation of one fuzzy and conventional plant integrated HTST of natural orange juice with controls.

Este trabalho consistiu na modelagem matemática, simulação dinâmica e controle de um pasteurizador a placas de três seções, regeneração, aquecimento e resfriamento, para a pasteurização HTST (High Temperature Short Time) de suco de laranja natural (SLN). Com a modelagem matemática e a simulação dinâmica do pasteurizador, foi possível obter as curvas de reação do processo de pasteurização (variáveis de processo em função do tempo sob perturbações degrau das variáveis externas e manipuláveis) e predizer o comportamento dinâmico do suco de laranja sob diversas condições de operação. Para perturbações na vazão de entrada das utilidades, água quente e propileno glicol, a temperatura de saída do suco de laranja das seções de resfriamento e aquecimento teve comportamento não linear e linear para perturbações nas temperaturas de entrada dos fluidos em questão. As curvas de reação obtidas a partir das perturbações aplicadas nas vazões dos fluidos foram utilizadas na sintonia dos controladores, assim como na caracterização do processo. Quanto à ordem do comportamento dinâmico, foi verificado que as temperaturas de saída do suco de laranja de cada seção são de segunda ordem tanto para perturbações nas vazões de entrada da água quente e propileno glicol quanto para perturbações nas temperaturas de entrada dos fluidos. Foi utilizada a lógica convencional PID e a não convencional fuzzy combinada à estratégia feedback com configuração SISO (Single Input / Single Output) para lógica convencional PID e não convencional fuzzy. O simulador foi codificado primeiramente em Matlab® para a caracterização do processo e posteriormente em Simulink para o trabalho com os controladores. Com o intuito de se avaliar o desempenho dos controladores convencionais PID e não convencionais fuzzy PI e fuzzy PID no controle da temperatura de pasteurização do SLN foram aplicadas perturbações no set-point e na carga. Uma vez aplicadas as perturbações, os controladores foram avaliados sob os aspectos de condições de estabilização do processo. Para perturbações no set-point tanto os controladores de lógica convencional quanto os controladores de lógica não convencional obtiveram desempenhos satisfatórios. Para perturbações na carga, de maneira geral, os controladores de lógica convencional foram eficientes, ao passo que os controladores fuzzy PI e fuzzy PID necessitariam de uma metodologia mais adequada para suas sintonias, uma vez que apresentaram problemas para perturbações na temperatura de entrada das utilidades.The mathematical modeling, dynamic simulation and control of a plate heat exchanger with three sections: regenerator, heater and cooler for the natural orange juice HTST (High Temperature Short Time) pasteurization process have been carried out. From the plate heat exchanger mathematical modeling and the dynamic simulation, it has been possible to obtain the pasteurization process reaction curves (process variables as a time function under step disturbances of the external and manipulated variables) and to predict the dynamic behavior of the orange juice under several operating conditions. These reaction curves have been used for the controllers tuning, as well as in the process characterization. It has been found that the orange juice outlet temperature has non-linear characteristics for step changes in the utilities mass flow and linear characteristics for step changes in the orange juice and utilities inlet temperatures. It has also been found that the dynamic response of the orange juice outlet temperature to variations in the utilities mass flow and inlet temperature, as well as in the orange juice inlet temperature, most closely approaches the second-order transfer function. The conventional logic PID and the non conventional fuzzy logic, settled to the feedback control strategy with SISO (Single Input/Single Output) configuration have been studied. The simulator has been first codified in Matlabè software for the process characterization and later in Simulink for the controlling work. The conventional PID and non conventional fuzzy PI and fuzzy PID logic controllers performance for the pasteurization temperature control has been evaluated for the process stabilization condition aspects under set-point and load step changes. For set-point step changes, it has been found that the conventional PID as well as the non conventional fuzzy PI and fuzzy PID logic controllers have obtained good performances. For load step changes, the conventional PID logic controllers have obtained successful results for all step changes. The results with fuzzy logic controllers have been successful for the orange juice inlet temperature step change and not very successful for the utilities inlet temperature step changes