Créditos ECTS Créditos ECTS: 4.5
Horas ECTS Criterios/Memorias Trabajo del Alumno/a ECTS: 74.25 Horas de Tutorías: 2.25 Clase Expositiva: 18 Clase Interactiva: 18 Total: 112.5
Lenguas de uso Castellano, Gallego
Tipo: Materia Ordinaria Grado RD 1393/2007 - 822/2021
Departamentos: Ingeniería Química
Áreas: Ingeniería Química
Centro Escuela Técnica Superior de Ingeniería
Convocatoria: Primer semestre
Docencia: Con docencia
Matrícula: Matriculable
La materia “Simulación y Optimización” pretende formar al alumno en la optimización matemática de sistemas relacionados con procesos químicos mediante el aprendizaje y aplicación de diferentes métodos y herramientas. Asimismo, se plantea la necesidad del empleo de modelos de naturaleza matemática para el estudio de estructuras y estrategias de descomposición de sistemas para el análisis, simulación y optimización de procesos químicos. Esta materia tiene también una serie de objetivos complementarios, como son el empleo de programas informáticos, simuladores y hojas de cálculo. La materia está enfocada al empleo práctico de los conceptos y métodos que sirven, no solo para esta materia, sino también para su aplicación en otras disciplinas del Grado y a nivel profesional.
Objetivos específicos
a. Planteamiento y creación de modelos que representan procesos industriales reales.
b. Introducción a la identificación de estructuras sistemas. Estrategias de simulación.
c. Formulación del correspondiente modelo matemático ante un problema de optimización, que involucra una función objetivo con una o más variables de diseño, diferentes restricciones (de igualdad y desigualdad) y resolución mediante un algoritmo adecuado (toma de decisiones). El modelo ha de ser consistente matemáticamente y resoluble con los medios empleados.
d. Adquisición de fundamentos de algoritmos de optimización y aplicación práctica en operaciones y procesos industriales.
e. Simulación y optimización mediante un simulador de procesos químicos en estado estacionario (HYSYS).
Clases Expositivas
BLOQUE I. Modelos (2 horas)
Tema 1.- PRINCIPIOS DE LA MODELIZACIÓN (2 horas). Introducción. Definición de sistema. Tipos de modelos. Simuladores. Tipos de variables. Grados de libertad de un sistema.
BLOQUE II. Optimización de procesos (12 horas)
Tema 2.- INTRODUCCIÓN A LA OPTIMIZACIÓN DE PROCESOS (2 horas). Funciones objetivo. Concavidad y convexidad. Métodos analíticos de búsqueda de puntos óptimos. Condiciones Karush-Kunt-Tucker (KKT).
Tema 3.- OPTIMIZACIÓN SIN RESTRICCIONES (3 horas). Funciones univariables: Métodos uniformes y secuenciales. Métodos directos (DSC-Powell) e indirectos (Newton-Raphson). Funciones multivariables: Búsqueda directa: Hooke-Jeeves y Nelder-Mead. Búsqueda indirecta: quasinewton -BFGS.
Tema 4.- OPTIMIZACIÓN CON RESTRICCIONES (4 horas). Programación lineal: Algoritmo simplex. Análisis de sensibilidad. Dualidad. Programación no lineal: método de gradiente reducido generalizado (GRG) y método complex.
Tema 5.- ANÁLISIS DE REDES (3 horas). Grafos. Algoritmo de Dijkstra. Algoritmo Ford-Fulkerson. Método de Vogel. Método húngaro para el problema de asignación. Estrategias CPM y PERT.
BLOQUE III. Análisis y simulación de procesos (7 horas)
Tema 6.- ESTRUCTURA DE SISTEMAS (1 horas). Sistemas y subsistemas. Matrices asociadas: booleana, de adyacencia, de incidencia y de alcanzabilidad. Identificación de ciclos. Sistemas dispersos. Estrategias de simulación.
Tema 7.-ESTRATEGIA MODULAR SECUENCIAL PARA LA SIMULACIÓN DE PROCESOS EN RÉGIMEN ESTACIONARIO (4 horas). Algoritmos para particionado y ordenación. Algoritmos para rasgado de ciclos. Algoritmos de convergencia. Ciclos anidados. Algoritmo de Gundersen.
Tema 8.-ESTRATEGIA ORIENTADA A ECUACIONES PARA LA SIMULACIÓN DE PROCESOS EN RÉGIMEN ESTACIONARIO (2 horas). Algoritmos para selección de variables de diseño. Algoritmos para asignación de variables de salida. Singularidad. Algoritmos para particionado y ordenación.
Los Temas 2 a 8 tienen asociado cada uno una clase interactiva de seminario (7 en total para cada uno de los 2 grupos) para resolución de problemas (empleando hoja de cálculo y Matlab) y dudas.
Clases interactiva de laboratorio (10 h, 5 sesiones).
SESIÓN 1: EXCEL. Programación lineal. Análisis de informes de respuestas, sensibilidad y límites.
SESIÓN 2: EXCEL. Problemas de redes. Análisis de informes de respuestas, sensibilidad y límites.
SESIÓN 3: EXCEL. Problemas CPM y programación no lineal. Análisis de informes de respuestas, sensibilidad y límites.
SESIÓN 4: HYSYS. Estructura, módulos, convergencia, unidades de proceso y lógicas.
SESIÓN 5: HYSYS. Condiciones óptimas de operación de un proceso con reacción química.
Bibliografía básica:
BLOQUES I e III
N.J. Scenna (Editor). Modelado, Simulación y Optimización de procesos Químicos, 1999. Libro electrónico. http://www.edutecne.utn.edu.ar/modelado-proc-quim/modelado-proc-quim.pdf
BLOQUE II
R.W. Pike. Optimization for Engineering Systems, 1986, Van Nostrand Reinhold, Nueva York. SIGNATURA: A 151 7
Bibliografía complementaria:
Algoritmos para implementación en Matlab
1. J. Tornero, L. Armesto. Técnicas de Optimización, 2007. UPV, Valencia. SIGNATURA: IOP 107.
2. R.L. Rardin. Optimization in Operations Research, 1998. Prentice-Hall, Upper Saddle River. SIGNATURA: 90 708.
3. M.S. Bazaraa, H.D. Sherali, C.M. Shetty. Nonlinear Programming: Theory and Algorithms, 2006. Wiley, Nueva York. SIGNATURA: 1209 067
El alumno puede acceder a todo el material utilizado en las clases expositivas a través del campus virtual.
Competencias generales
CG.3 Conocimiento en materias básicas y tecnológicas, que les capacite para el aprendizaje de nuevos métodos y teorías, y les dote de versatilidad para adaptarse a nuevas situaciones.
CG.4 Capacidad de resolver problemas con iniciativa, toma de decisiones, creatividad, razonamiento crítico y de comunicar y transmitir conocimientos, habilidades y destrezas en el campo de la ingeniería industrial.
Competencias transversales
CT.1 Capacidad de análisis y síntesis
CT.4 Habilidades para el uso y desarrollo de aplicaciones informáticas
CT.6 Resolución de problemas
CT.8 Trabajo en equipo
CT.13 Capacidad de aplicar los conocimientos en la práctica
Competencias específicas
CQ.2.1. Capacidad para el análisis y diseño de procesos y productos.
CQ.2.2. Capacidad para la simulación y optimización de procesos y productos.
CQ.4.1 Capacidad para diseñar, gestionar y operar procedimientos de simulación de procesos químicos.
CQ.4.2 Control e instrumentación de procesos químicos.
Los contenidos teóricos de la materia se enseñarán sobre la base de clases expositivas. En cada una de ellas, se realizarán preguntas de seguimiento de la materia en clase para la participación activa por parte del alumno. Se empleará como material de apoyo tanto la pizarra como presentaciones en PowerPoint que estarán disponibles al alumno junto con el programa y boletines de problemas en el Campus Virtual. (CG.3, CQ.2.1, CQ.2.2, CQ.4.1)
En las clases interactivas de seminario se resolverán problemas propuestos en los boletines de cada tema por parte de los alumnos. (CG4, CT1, CT4, CT6, CT13, CQ2.1, CQ2.2, CQ4.1)
Se realizarán prácticas de laboratorio en el aula informática para el aprendizaje de resolución de problemas de optimización en hojas de cálculo y del manejo de un simulador de procesos químicos. En un principio se realizará una enseñanza pormenorizada sobre los aspectos básicos del programa y luego se fomentará el aprendizaje autónomo por parte del alumno con el fin de que el mismo descubre utilidades diversas. Para la parte práctica, se entregará en formato electrónico una memoria de prácticas a través del Campus Virtual. (CG4, CT1, CT4, CT6, CT13, CQ2.2, CQ4.2)
Asimismo, se realizará un pequeño trabajo en grupo muy reducido, y orientado por el profesor en sesiones de tutorías grupales, sobre la aplicación de un algoritmo de optimización avanzado a un problema práctico. (CG4, CT1, CT8, CT13, CQ2.1, CQ2.2)
Descripción temporal de las actividades:
1 semana
Expositivas:
Presentación de la materia y su guía docente
Tema 1.- PRINCIPIOS DE LA MODELIZACIÓN.
Introducción. Definición de sistema. Tipos de modelos. Simuladores. Tipos de variables. Grados de libertad de un sistema.
Tema 2.- INTRODUCCIÓN A LA OPTIMIZACIÓN DE PROCESOS.
Funciones objetivo. Concavidad y convexidad.
2 semana
Expositivas:
Tema 2.- INTRODUCCIÓN A LA OPTIMIZACIÓN DE PROCESOS.
Métodos analíticos de búsqueda de puntos óptimos. Condiciones Karush-Kunt-Tucker (KKT).
Tema 3.- OPTIMIZACIÓN SIN RESTRICCIONES
Funciones univariables: Métodos uniformes y secuenciales. Métodos directos (DSC-Powell) e indirectos (Newton-Raphson).
3 semana
Expositivas:
Tema 3.- OPTIMIZACIÓN SIN RESTRICCIONES
Funciones multivariables: Búsqueda directa: Hooke-Jeeves y Nelder-Mead. Búsqueda indirecta: quasinewton - BFGS.
Interactiva:
Estudios de casos prácticos
4 semana
Expositiva
Tema 4.- OPTIMIZACIÓN CON RESTRICCIONES
Programación lineal: Algoritmo simplex.
5 semana
Expositivas
Tema 4.- OPTIMIZACIÓN CON RESTRICCIONES.
Programación lineal: Análisis de sensibilidad. Dualidad.
6 semana
Tema 4.- OPTIMIZACIÓN CON RESTRICCIONES.
Programación no lineal: método de gradiente reducido generalizado (GRG) y método complex.
Interactiva
Estudios de casos prácticos
7 semana
Expositivas:
Tema 5.- ANÁLISIS DE REDES
Grafos. Algoritmo de Dijkstra. Algoritmo Ford-Fulkerson.
Interactiva
Estudios de casos prácticos
8 semana
Expositiva
Tema 5.- ANÁLISIS DE REDES
Método de Vogel. Método húngaro para el problema de asignación
9 semana
Expositivas
Tema 5.- ANÁLISIS DE REDES
Estrategias CPM y PERT.
Interactiva
Estudios de casos prácticos
Aula informática
Hoja de cálculo. Programación lineal. Análisis de informes de respuestas, sensibilidad y límites.
10 semana
Tema 6.- ESTRUCTURA DE SISTEMAS
Sistemas y subsistemas. Matrices asociadas: booleana, de adyacencia, de incidencia y de alcanzabilidad. Identificación de ciclos. Sistemas dispersos. Estrategias de simulación.
Tema 7.-ESTRATEGIA MODULAR SECUENCIAL PARA LA SIMULACIÓN DE PROCESOS EN RÉGIMEN ESTACIONARIO
Algoritmos para particionado y ordenación.
Aula informática
Hoja de cálculo. Problemas de redes. Análisis de informes de respuestas, sensibilidad y límites.
11 semana
Expositiva
Tema 7.-ESTRATEGIA MODULAR SECUENCIAL PARA LA SIMULACIÓN DE PROCESOS EN RÉGIMEN ESTACIONARIO
Algoritmos para rasgado de ciclos.
Interactiva
Estudios de casos prácticos
Laboratorio
Hoja de cálculo. Problemas CPM y programación no lineal. Análisis de informes de respuestas, sensibilidad y límites.
12 semana
Expositiva
Tema 7.-ESTRATEGIA MODULAR SECUENCIAL PARA LA SIMULACIÓN DE PROCESOS EN RÉGIMEN ESTACIONARIO
Algoritmos de convergencia. Ciclos anidados.
Interactiva
Estudios de casos prácticos
Aula informática
HYSYS. Estructura, módulos, convergencia, unidades de proceso y lógicas.
13 semana
Expositiva
Tema 8.-ESTRATEGIA ORIENTADA A ECUACIONES PARA LA SIMULACIÓN DE PROCESOS EN RÉGIMEN ESTACIONARIO.
Algoritmos para selección de variables de diseño.
14 semana
Expositiva
Tema 8.-ESTRATEGIA ORIENTADA A ECUACIONES PARA LA SIMULACIÓN DE PROCESOS EN RÉGIMEN ESTACIONARIO.
Algoritmos para asignación de variables de salida. Singularidad. Algoritmos para particionado y ordenación.
Interactiva
Estudios de casos prácticos
Aula informática
HYSYS. Condiciones óptimas de operación de un proceso con reacción química.
Escenario 1 (sin restricciones a la presencialidad física)
- Clases expositivas: Clases magistrales presenciales en aula, propiciando la intervención del alumnado.
- Clases interactivas:
- Seminarios: fundamentalmente de carácter presencial; dedicadas al trabajo del alumno bajo la tutela del profesor, para estudiar con detalle aspectos importantes de la materia, y para la resolución de casos prácticos, problemas y cuestiones.
- Prácticas en aula de informática: fundamentalmente de carácter presencial; dedicadas al trabajo del alumno bajo la tutela del profesor, para estudiar con detalle aspectos importantes de la materia, y para la resolución de casos prácticos, problemas y cuestiones.
- Tutorías: para el seguimento de los trabajos en grupo realizados por los alumnos y seguimiento personalizado del alumno; de carácter obligatorio, serán presenciales en aula o telemáticas, utilizando las plataformas virtuales a disposición en la USC y el correo electrónico.
Escenario 2: distanciamiento.
Las actividades expositivas se desarrollarán de forma telemática síncrona mediante Microsoft Teams y la plataforma Moodle. Los seminarios y las prácticas en aula de informática se desarrollarán de forma presencial en el aula. Las tutorías serán preferentemente virtuales, síncronas y asíncronas, utilizando las plataformas virtuales a disposición en la USC y el correo electrónico.
Escenario 3: cierre de las instalaciones.
La docencia será completamente de carácter virtual. Se empleará Microsoft Teams para las sesiones síncronas y la plataforma Moodle para la docencia asíncrona, poniendo a disposición del alumnado presentaciones en pdf o documentos en Power Point grabados, documentos para lectura, enlaces web, cuestionarios y vídeos. Las tutorías se llevarán a cabo mediante reuniones síncronas mediante Teams y asíncronas mediante foros de Moodle, así como mediante consulta al profesorado por correo electrónico.
Se realizará un seguimiento del aprendizaje de los estudiantes mediante la realización de pequeños trabajos en forma de resolución de problemas de forma individual y en grupo. Así mismo, los estudiantes harán un examen de resolución de problemas para la parte teórica y uno práctico para el laboratorio que permitirá individualizar la calificación final.
Distribución de la calificación
Examen 60% (45% teoría; 15% práctica)
Trabajos/actividades 25%
Tutorías 10% (presentación de trabajo en grupo).
Informe profesor 5%
Para aprobar es necesario obtener como mínimo 5 puntos y 3/10 (excepto en el examen práctico) en cada una de las partes de las que consta la evaluación.
La asistencia a las clases prácticas y la realización del trabajo en grupo, dados sus características de exigencia presencial y no recuperables, son obligatorias para superar la asignatura tanto en la convocatoria ordinaria como de recuperación.
En la segunda oportunidad se mantiene la puntuación acumulada de la evaluación continua de trabajos/actividades. En caso de no haber alcanzado el mínimo exigido se planificarán unas actividades para que el alumno, tras su superación, tenga oportunidad de superar la materia.
Evaluación de Competencias (Examen (E); Trabajos (T), Prácticas (P), Tutorías (TU).
CG.3: E, T
CG.4: E, T, P, TU
CT.1: E, T, TU
CT.4: T, P
CT.6: E, T, P, TU
CT.8: TU
CT.13: T, P
CQ2.1: E, T, P
CQ2.2: E, T, P, TU
CQ4.1: E, P
CQ4.2: E, P
En el escenario 1 el examen final y la presentación de trabajos serán presenciales. En el escenario 2 la realización del examen final y la entrega de tareas se hará de forma virtual, empleando la plataforma Moodle, aunque si se puede el examen final se realizará de forma presencial. En el escenario 3 la realización del examen final y la entrega de tareas se harán de forma virtual, empleando la plataforma Moodle.
Para los casos de realización fraudulenta de ejercicios o pruebas será de aplicación lo recogido en la Normativa de evaluación del rendimiento académico de los estudiantes y de revisión de calificaciones.
Horas presenciales: 38
Horas trabajo alumno: 74,5
Total: 112,5
Los alumnos que se matriculen de la materia han de tener una serie de conocimientos sólidos de matemáticas, balances de propiedad y diseño, transporte de fluidos y calor, reactores químico, transferencia de materia e ingeniería de procesos
Es aconsejable que el alumno tenga para la consulta de bibliografía de cierto dominio de inglés y herramientas de hojas de cálculo para la resolución de problemas optimización. Por último, y como es lógico, se recomienda el uso de las tutorías de despacho para la aclaración de dudas y conceptos.
Como se ha indicado, se empleará el Campus Vitual.
Los idiomas empleados serán el gallego y el castellano.
Como programas informáticos se van a emplear Excel, HYSYS y VensimPLE.
Plan de contingencia
Siguiendo las Directrices para el desarrollo de una docencia presencial segura, curso 2020-2021, todas las actividades docentes a desarrollar en la materia se adaptan a los diferentes escenarios probables.
Escenario 1 (sin restricciones a la presencialidad física)
Docencia de actividades expositivas e interactivas presenciales en aula; evaluación presencial en aula mediante examen final y presentación de trabajos.
Escenario 2: distanciamiento.
Las actividades expositivas se desarrollarán de forma telemática síncrona mediante Microsoft Teams y la plataforma Moodle. Los seminarios y prácticas en aula de informática se desarrollarán de forma presencial en el aula. Las tutorías serán preferentemente virtuales, síncronas y asíncronas, utilizando las plataformas virtuales a disposición en la USC y el correo electrónico. La realización del examen final y presentación de trabajos se harán de forma virtual, empleando la plataforma Moodle y Microsoft Teams, aunque si se puede el examen final se realizará de forma presencial.
Escenario 3: cierre de las instalaciones.
La docencia será completamente de carácter virtual. Se empleará Microsoft Teams para las sesiones síncronas y la plataforma Moodle para la docencia asíncrona, poniendo a disposición del alumnado presentaciones en pdf o documentos en Power Point grabados, documentos para lectura, enlaces web, cuestionarios y vídeos. Las tutorías se llevarán a cabo mediante reuniones síncronas mediante Teams y asíncronas mediante foros de Moodle, así como mediante consulta al profesorado por correo electrónico. La realización del examen final y presentación de trabajos se realizará de forma virtual, empleando la plataforma Moodle y Microsoft Teams.
Pastora Maria Bello Bugallo
Coordinador/a- Departamento
- Ingeniería Química
- Área
- Ingeniería Química
- Teléfono
- 881816789
- Correo electrónico
- pastora.bello.bugallo [at] usc.es
- Categoría
- Profesor/a: Profesor Contratado/a Doctor
| Lunes | |||
|---|---|---|---|
| 16:00-17:00 | Grupo /CLIS_01 | Castellano | Aula A2 |
| Martes | |||
| 16:00-17:00 | Grupo /CLIS_01 | Castellano | Aula A2 |
| Miércoles | |||
| 16:00-17:00 | Grupo /CLE_01 | Castellano | Aula A2 |
| Jueves | |||
| 16:00-17:00 | Grupo /CLE_01 | Castellano | Aula A2 |
| 11.01.2021 16:00-20:45 | Grupo /CLE_01 | Aula A3 |
| 11.01.2021 16:00-20:45 | Grupo /CLIS_01 | Aula A3 |
| 11.01.2021 16:00-20:45 | Grupo /CLIS_02 | Aula A3 |
| 11.01.2021 16:00-20:45 | Grupo /CLIS_03 | Aula A3 |
| 11.01.2021 16:00-20:45 | Grupo /CLIL_01 | Aula A3 |
| 11.01.2021 16:00-20:45 | Grupo /CLIL_02 | Aula A3 |
| 11.01.2021 16:00-20:45 | Grupo /CLIL_03 | Aula A3 |
| 11.01.2021 16:00-20:45 | Grupo /CLIL_04 | Aula A3 |
| 11.01.2021 16:00-20:45 | Grupo /CLIS_01 | Aula A4 |
| 11.01.2021 16:00-20:45 | Grupo /CLIS_02 | Aula A4 |
| 11.01.2021 16:00-20:45 | Grupo /CLIS_03 | Aula A4 |
| 11.01.2021 16:00-20:45 | Grupo /CLIL_01 | Aula A4 |
| 11.01.2021 16:00-20:45 | Grupo /CLIL_02 | Aula A4 |
| 11.01.2021 16:00-20:45 | Grupo /CLIL_03 | Aula A4 |
| 11.01.2021 16:00-20:45 | Grupo /CLIL_04 | Aula A4 |
| 11.01.2021 16:00-20:45 | Grupo /CLE_01 | Aula A4 |
| 29.06.2021 09:15-14:00 | Grupo /CLE_01 | Aula A2 |
| 29.06.2021 09:15-14:00 | Grupo /CLIS_01 | Aula A2 |
| 29.06.2021 09:15-14:00 | Grupo /CLIS_02 | Aula A2 |
| 29.06.2021 09:15-14:00 | Grupo /CLIS_03 | Aula A2 |
| 29.06.2021 09:15-14:00 | Grupo /CLIL_01 | Aula A2 |
| 29.06.2021 09:15-14:00 | Grupo /CLIL_02 | Aula A2 |
| 29.06.2021 09:15-14:00 | Grupo /CLIL_03 | Aula A2 |
| 29.06.2021 09:15-14:00 | Grupo /CLIL_04 | Aula A2 |