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SISTEMAS DE CONTROL
Profesor: Pascual Santos López
SISTEMAS DE REGULACIÓN Y CONTROL

Contenidos
• ¿Qué es control?
• Concepto de señal.
• Concepto de sistema.
• Modelado de sistemas.
• Función de transferencia.
• Tipos de control.
• Estructura de un sistema de control.
• Elementos que componen un sistema de control.
• Sistemas actuales de control.

¿Qué es control?
• Controlar un proceso consiste en
mantener constantes ciertas variables,
prefijadas de antemano. Las variables
controladas pueden ser, por ejemplo:
Presión, Temperatura, Nivel, Caudal,
Humedad, etc.
• Un sistema de control es el conjunto de
elementos, que hace posible que otro
sistema, proceso o planta permanezca
fiel a un programa establecido.

Ejemplo de sistema de control
• Temperatura de nuestro cuerpo; si la
temperatura sube por encima de 37ºC, se
suda, refrescando el cuerpo.
• Si la Tª tiende a bajar de 37ºC, el cuerpo,
involuntariamente, comienza a temblar,
contracción muscular que calienta nuestro
cuerpo, haciendo que se normalice nuestra
temperatura. Por tanto, en este caso:
– Sistema de medida o sensores -> Células
nerviosas de la piel
– Señal de consigna -> 37ºC
– Acción de control de la temperatura ->
Sudar o temblar

Concepto de señal
• En los sistemas de control, una magnitud
física variable se representa generalmente
mediante una señal eléctrica que varía de
manera tal que describe dicha magnitud.
• Por ejemplo, una señal eléctrica será la
variación de la salida de tensión de un
termopar que mide temperatura y la
variación de temperatura la transforma en
variación de tensión.
• Los dispositivos, circuitos y sistemas
electrónicos manipulan señales eléctricas.

Tipos de señales eléctricas
• Señal analógica (nº
infinito de valores) y
que tiene una variación
continua en el tiempo.
• Señal digital (nº finito
de valores) y que tiene
una variación discreta
de valores en el tiempo.
• Señal digital binaria
(dos valores concretos,
1 y 0) la señal eléctrica
sólo puede adoptar dos
niveles de tensión.

Ventajas de utilizar señales
eléctricas
• Resulta muy sencillo procesarlas
mediante circuitos electrónicos, que
son tanto económicos como fiables.
• Pueden transmitirse sin dificultad a
largas distancias.
• Pueden almacenarse para ser
posteriormente reproducidas.

Concepto de Sistema:
• ¿Qué es un sistema?
• Combinación de componentes
que actúan interconectados,
para cumplir un determinado
objetivo.
• ¿Cómo se representa un
sistema?
• Como un rectángulo o caja
negra y variables que actúan
sobre el sistema. Las flechas
que entran (u, excitaciones o
entradas). Las flechas que
salen (y, variables producidas
por el sistema o salidas).

Modelado de Sistemas
• ¿Qué es un modelo?
• Es algo que nos ayuda a entender el
funcionamiento de un sistema. Puede ser
una placa electrónica (hardware) o un
conjunto de relaciones matemáticas, en las
cuales codificamos el funcionamiento del
sistema (es lo que llamamos modelo
matemático) y que eventualmente puede
desarrollarse en un programa de ordenador.
• Modelado Entrada - Salida:
• Uno de los enfoques de modelado más útiles
para propósitos de control es el Modelado
Externo o entrada / salida. Este tipo de
modelo describe la relación estímulo -
respuesta del proceso y conduce a la llamada
Función Transferencia del proceso.

Función de Transferencia
• Función de transferencia de un sistema se indica por
G(s), y es el cociente entre la transformada de Laplace
de la señal de salida y la transformada de Laplace de la
señal de entrada

Señales:
• y: señal de salida
• r: señal de referencia
• e: señal de error
• v: señal de realimentación
Diagramas de Bloques:
GH
r
e


1
GH
G
r
y
F



1
Funciones de Transferencia:
• G: ganancia directa
• H: ganancia de realimentación
• GH: ganancia de lazo
• F: ganancia de lazo cerrado

Tipos de control, atendiendo
al circuito implementado
• Control manual: El operador aplica las
correcciones que cree necesarias.
• Control automático: La acción de control se
ejerce sin intervención del operador y su
solución es cableada, es decir, rígida, no se
puede modificar.
• Control programado: Realiza todas las
labores del control automático, pero su
solución es programada. Se puede modificar
su proceso de operación o ley de control.

Tipos de control, atendiendo
al circuito implementado

Estructura de un sistema de control
• Tenemos dos tipos de estructura diferente de
lazo de control:
• Sistemas de control en LAZO ABIERTO
– Aquel en el que ni la salida ni otras variables del
sistema tienen efecto sobre el control.
NO TIENE REALIMENTACIÓN
• Sistemas de control en LAZO CERRADO
– En un sistema de control de lazo cerrado, la
salida del sistema y otras variables, afectan el
control del sistema.
TIENE REALIMENTACIÓN

Sistemas de control de LAZO ABIERTO
• Cualquier perturbación desestabiliza el sistema, y
el control no tiene capacidad para responder a
esta nueva situación.
• Ejemplo: el aire acondicionado de un coche.
• El sistema o la planta no se mide.
• El control no tiene información de cómo esta la
salida (Planta).

Sistemas de control de LAZO CERRADO
• Una variación en la salida o en otra variable, se mide,
y el controlador, modifica la señal de control, para que
se estabilice, el sistema, ante la nueva situación.
• Ejemplo: el climatizador de un coche.
• El sistema o la planta se mide en todo momento.
• El control tiene información de cómo esta la salida
(Planta).

Control de temperatura.
•Lazo abierto - No se mide
•Lazo
cerrado
•Si se mide

Elementos que componen un sistema
de control
Proceso
Variables
a controlar
Controlador
Valores
Deseados
Actuador
Transmisor
Valores medidos
Variables
para actuar

Proceso
Transmisor
Variable Medida o
Controlada CV
Controled Variable o
Process Variable PV
Salida (del proceso)
Controlador
SP
Set Point
Referencia
Consigna
Variable
manipulada
Manipulated
Variable MV
DV
MV
E (Error)
PV
PV
Perturbaciones
Desviation
Variables DV
Elementos que componen un sistema de control
Sensor o
E. primario
Sistema de medida
Actuador
Regulador
Comparador
Amplificador
PV
SP
Señal o Acción
De Control
Señal Amplificada
Transductor

Variable de proceso,
PV.
• La variable medida que se desea estabilizar
(controlar) recibe el nombre de variable de
proceso ("process value") y se abrevia PV.
• Un buen ejemplo de variable de proceso es la
temperatura, la cual mide el instrumento
controlador mediante un termopar o una
Pt100.

Set Point SP o Consigna
• El valor prefijado (Set Point, SP) es el valor deseado
de la variable de proceso,es decir, la consigna.
• Es el valor al cual el control se debe encargar de
mantener la PV.
• Por ejemplo en un horno la temperatura actual es
155 °C y el controlador esta programado para llevar
la temperatura a 200°C.
• Luego PV=155 y SP=200.

Error E
• Se define error como la diferencia entre la
variable de proceso PV y el set point SP,
• E = SP - PV
• En el ejemplo anterior
E = (SP - PV) = (200°C - 155°C) = 45 °C.
• Recuerde que el error será positivo cuando la
temperatura sea menor que el set point,
PV < SP .

Estructura general de un
sistema de medida.

Elementos de un sistema de medida
• Sensor o elemento primario: Mide o sensa el valor de una
variable de proceso, y toma una salida proporcional a la
medida. Esta salida, puede o no, ser eléctrica. El sensor debe
tomar la menor energía posible del sistema, para no introducir
error.
• Transductor: Elemento que transforma la magnitud medida
por el elemento primario en una señal eléctrica.
• Transmisor o Acondicionador de señal : Elemento que
convierte, acondiciona y normaliza la señal para su
procesamiento.
• En la industria, las señales de salida normalizadas son: 4 a
20mA, 0 a 5v, 0 a 10v, si son salidas eléctricas y 3 a 15 psi en
señal neumática.

Tipos de sensores
• Por el principio físico:
– Resistivo
– Capacitivo
– Inductivo
– Piezoresistivo
– Fotovoltáico
– Electromagnético
– Termomagnético
– Piezoeléctrico
• Por la salida:
– Eléctrica
• activos
• pasivos
– Mecánica
• Por la magnitud a medir,
es la clasificación más
utilizada:
– Temperatura
– Presión
– Caudal
– Posición
– Velocidad, etc...

Actuadores (Elemento final
de control)
• Eléctricos
• Relés
• Solenoides
• Motores CC
• Motores AC
• Motores paso a
paso
• Hidráulicos o
neumáticos
• Válvulas neumáticas
• Válvulas de solenoide
• Cilindros y válvulas
piloto
• Motores

ACTIVIDAD
• Analizar los siguientes sistemas, explicando que tipo de
lazo es y porque. Explicar cómo se podría perfeccionar el
sistema:
– Tostadora por tiempo.
– Control de semáforos por tiempo.
– Bomba de calor de una vivienda.
• Identificar en cada sistema anterior, las señales y
elementos típicos de un sistema de control. Dibujar el
diagrama de bloques.
• Crear dos sistemas nuevos de control, uno en lazo abierto
y otro en lazo cerrado, modificando el de lazo abierto.
Identificando señales y elementos básicos.

Sistemas actuales de control
 Control clásico
 Control en cascada
 Control con aprendizaje
 Control por lógica difusa
 Control digital directo (ddc)
 Control supervisor (spc y scada)
 Control distribuido (scd)
 Control jerarquizado

Control clásico
• Control de dos posiciones (todo-nada)
(on-off)
• Proporcional de tiempo variable (PWM)
• Proporcional (P)
• Proporcional + Integral (PI)
• Proporcional + Derivativo (PD)
• Proporcional + Integral + Derivativo (PID)

El control On/Off o de dos posiciones
• Tomemos por ejemplo, el caso de un horno eléctrico.
• La temperatura aumenta al activar las resistencias calentadoras mediante
un contactor, gobernado a su vez por un relé dentro del controlador.
• El modo de control ON/OFF es el más elemental y consiste en activar
el mando de calentamiento cuando la temperatura está por debajo de la
temperatura deseada SP y luego desactivarlo cuando la temperatura esté
por arriba.
• Debido a la inercia térmica del horno la temperatura estará
continuamente fluctuando alrededor del SP.
• Las fluctuaciones aumentarán cuanto mayor sea la inercia térmica
del horno (retardo).
• Este control no es el más adecuado cuando se desea una temperatura
constante y uniforme

El control On/Off o de dos
posiciones

Control discreto o de dos posiciones
o control ON / OFF
Detector de máximo
y mínimo nivel
Electroválvula
ON/OFF
Relé
Las variables solo
admiten un conjunto
de estados finitos

Control Proporcional de
tiempo variable (PWM)
• Para poder controlar la temperatura con menos
fluctuaciones, se debe entregar al horno una potencia
gradual, para mantenerlo a la temperatura deseada .
• En el ejemplo anterior del control On/Off, el relé del
mando de calentamiento estará activado 100%,
entregando el máximo de potencia al horno o bien
desactivado sin entregar potencia.
• El controlador proporcional entrega una potencia que
varía en forma gradual entre 0 y 100% según se
requiera y en forma proporcional al error (SP-PV).

PWM pulse width modulation
Modulación por ancho de pulso
• Es posible modular de 0% a 100% la potencia que recibe un
horno eléctrico mediante el mismo contactor que se usaría
para un control on/off.
• La idea es modular el tiempo de activación del contactor
durante un tiempo fijo tc, llamado tiempo de ciclo, de modo
que el horno reciba finalmente un promedio de la potencia.
• Supongamos que nuestro horno funciona con un calefactor
de 1000W, si se requiere una potencia de 500W, equivalente
a 50% de la total, entonces se activa 2 segundos el relé y se
desactiva otros 2, para luego empezar otro ciclo.
• El efecto neto será que el horno recibe 50% de la potencia
pero la temperatura no fluctúa al ritmo del tiempo de ciclo
pues este es menor al tiempo de respuesta del horno.

• Siguiendo con el ejemplo, si hace falta 250W, es
decir 25% de la potencia basta con tener 1 segundo
activado el relé y 3 segundos desactivado.

Control Proporcional o Continuo
La variable controlada, toma valores en un rango continuo, se
mide y se actúa continuamente sobre un rango de valores
del actuador
Variable
Manipulada
Variable
Controlada Referencia
LT LC
Perturbación
Control Cascada

Control proporcional
• El controlador proporcional entrega una potencia
que varía en forma proporcional al error (SP-PV).
• Para poner en marcha un controlador proporcional
se deben fijar los siguientes parámetros:
– La temperatura deseada SP , por ej. SP = 200 °C
– La banda proporcional Pb, por ej. Pb = 10 %.
• La banda proporcional Pb se programa en el
controlador como un porcentaje del SP.
• banda = Pb x SP/100%

• Internamente el controlador realizará el cálculo del porcentaje de
salida "Out" mediante la siguiente fórmula:
– Out = [ 100% * E / banda ]
– banda = Pb*SP/100%
– E = (SP - PV)
• Para los valores del ejemplo SP=200°C y Pb=10%, la potencia
determinada por el control variará a lo largo 20°C abajo del SP.
• banda = Pb*SP/100% = 10% * 200 °C / 100% = 20°C
• Es decir que la banda a lo largo de la cual variará gradualmente la
potencia será: 180°C...200°C.
• Por ejemplo si la temperatura del horno es igual o menor de 180°C, la
salida de control (potencia) será 100%.
• Cuando la temperatura esté en la mitad de la banda, es decir en 190°C
la salida será 50% :
• Out% = [100% * E / banda] = 100%*(200-190)/20 = 50%
• Al llegar la temperatura a 200 °C la salida será 0% :.
• Out% = [100%*(200-200)/20] = 0%

Control Proporcional Derivativo PD
• Esta acción suele llamarse de velocidad, pero nunca puede
tenerse sola, pues sólo actua en periodo transitorio.
• Un control PD es uno proporcional al que se le agrega la
capacidad de considerar también la velocidad de la temperatura
en el tiempo.
• De esta forma se puede "adelantar" la acción de control del
mando de salida para obtener así una temperatura más estable.
• Si la temperatura esta por debajo del SP, pero subiendo muy
rápidamente y se va a pasar de largo el SP, entonces el control se
adelanta y disminuye la potencia de los calefactores.
• Al revés si la temperatura es mayor que el SP, la salida debería
ser 0% pero si el control estima que la temperatura baja muy
rápido y se va pasar para abajo del SP, entonces le coloca algo de
potencia a la salida para ir frenando el descenso brusco.

Control PD
• La acción derivativa es llamada a veces "rate action" por
algunos fabricantes de controles porque considera la "razón de
cambio" de la temperatura.
• En el ejemplo del horno agregamos un nuevo parámetro llamado
constante derivativa D, medido en segundos.
• Internamente el controlador realizará ahora el cálculo:
• Out = [ 100% * ( E - D * Vel) / ( banda ) ]
• banda = Pb*SP/100%
• Donde "Vel" es la velocidad de la temperatura medida por el
controlador, en °C/seg
• Para este ejemplo fijamos D = 5 seg. y como antes SP=200 °C y
Pb=10%.

Ejemplo de Control PD
• Supongamos que en un momento dado, la temperatura del horno es de
185°C y está subiendo a una velocidad Vel= 2 °C/Seg..
• En un control proporcional la salida debería ser de 75%.
– Out = [ 100% *E / banda ] = 100%*15°C/20°C = 75%
• Pero en este caso el control PD toma en cuenta la velocidad de
ascenso de la temperatura y la multiplica por la constante derivativa D
y obtiene :
– Out = [ 100% * ( E - D * Vel) / ( banda ) ]
– = [ 100% * (15°C - 5 Seg * 2 °C/Seg.) / banda ]
– = [ 100% * (5°C) / 20°C ] = 25%
• entonces a pesar que la temperatura actual es 185 °C, la salida es 25%
en vez de 75%, al considerar la velocidad de ascenso de la
temperatura
• De la misma forma, si la temperatura está sobre 200 °C pero
descendiendo rápidamente, (velocidad negativa) por ejemplo:
-1°C/seg, entonces el control activará antes y con mayor potencia la
salida intentando que no baje de 200 °C.

Control PI
• Este control es el proporcional más la acción integral, que lo corrige tomando en
cuenta la magnitud del error y el tiempo que este ha permanecido.
• Para ello se le programa al control una constante I, que es "la cantidad de veces que
aumenta la acción proporcional por segundo“.
• Por muy pequeño que sea el valor programado de I, siempre corregirá el error
estacionario, pero tardará más tiempo en hacerlo.
• Al revés si se programa un valor excesivo de I , entonces la acción integral tendrá
mucha fuerza en la salida y el sistema alcanzará rápidamente el SP, pero lo más
probable es que siga de largo por efectos de la inercia térmica.
• Entonces la acción integral (con error negativo) será en sentido contrario, irá
disminuyendo rápidamente de acuerdo al error.
• Como consecuencia habrá una excesiva disminución de la potencia de salida y la
temperatura probablemente baje del SP, entrando así el sistema en un ciclo
oscilatorio.
• En la práctica normalmente I deberá ser grande solo en sistemas que reaccionan
rápidamente, (por ejemplo controles de velocidad de motores ) y pequeño para
sistemas lentos con mucha inercia. (Por ejemplo hornos)
• En general los valores de la constante I son relativamente pequeños, para la mayoría
de los sistemas el valor adecuado de I varia entre 0 y 0,08

Control PID
• Un control PID es un controlador proporcional con
acción derivativa y acción integral simultáneamente
superpuestas.
• el lector ya debe estarse preguntando cómo elegir los
valores de los parámetros Pb, D, I, que debe
introducir en su controlador PID.
• Existe un solo conjunto de valores Pb, D, I que darán
el rendimiento óptimo para un sistema y encontrarlos
requiere: conocimientos teóricos, habilidad,
experiencia y suerte.

Control con aprendizaje
•Sistema al que se le ha “enseñado” la elección
de control para cada situación ambiental.

Control
supervisor
(SPC y
SCADA)

Sistemas SCADA: Supervisión,
Control y Adquisición de Datos.
Multi Panel
PROFIBUS-DP
Nivel de PLC
Sistemas SCADA
TCP/IP
Conexión a
impresora
de red
Acceso a archivos y recetas
SIEMENS

Redes de control distribuido
CNC
PC/VME
VME/PC
PLC
DCS
Controlador
Area
Ethernet/TCP/IP TCP/IP/Ethernet
PROFIBUS-FMS
PROFIBUS-DP PROFIBUS-PA
Nivel de
fábrica
Tiempos de
ciclo bus
< 1000 ms
Nivel del
celda
Tiempos de
ciclo bus
< 100 ms
Nivel de
campo
Tiempos de
ciclo bus
< 10 ms

Instrumentación de un control
automático.
ISA
Instrumentación: Conjunto de aparatos o su
aplicación para el propósito de observar, medir o
controlar.

q
a
Control de flujo
FC
w
u
Bomba
centrífuga
Caudalímetro Válvula
Bomba, valvula: dimensionamiento, posicionamiento
Caudalímetro: Tipo, rango
Orden: Bomba, caudalímetro, válvula

Control de nivel
q
LC
w
u
LT
qi
h
Selección del tipo de transmisor

Control de presión
PC
PT
Fi
F
u
a
w
Variedad de dinámicas y objetivos
Sistema rápido
Sintonía de PI

Control de temperatura
TT
u
TC
w
q T
Muchas arquitecturas / procesos
Proceso lento PID
Posibles retardos por la colocación del transmisor

Instrumentación de un control
automático.

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