Este documento describe un sistema mejorado de control de compresores de tornillo para optimizar el consumo eléctrico en una planta. Actualmente, los dos compresores operan en modo de carga y descarga frecuentemente debido a las variaciones en la demanda de aire comprimido. El objetivo es diseñar un controlador que estabilice la presión de salida para reducir fluctuaciones y mejorar la eficiencia mediante el análisis dinámico del sistema de aire comprimido en SIMULINK/MATLAB.

1. Mejora del sistema de control de compresores de
tornillo para la optimizaci´on del consumo el´ectrico
Alex Echeveria∗, Carlos Molina†, Sergio Mendoza‡
Escuela Superior Polit´ecnica del Litoral, ESPOL
Facultad de Ingenier´ıa en Electricidad y Computaci´on
Campus Gustavo Galindo Km 30.5 V´ıa Perimetral
P.O. Box 09-01-5863
Guayaquil, Ecuador
Email: ∗ aleomech@espol.edu.ec, †pmolina@espol.edu.ec 2, ‡sedamend@espol.edu.ec 3,
Abstract—El presente trabajo es resultado del an´alisis de los
perfiles de demanda de dos compresores de tornillo instalados
en la planta Plasticos Rival de la ciudad de Guayaquil los
cuales seg´un los resultados de la auditoria energ´etica realizada
tienen consumos el´ectricos que podrian verse mejorados con
un sistema de control que ayude en la estabilizac´on de la
presion de salida con el objetivo de reducir las fluctuaciones y
mejorar la potencia demandada usando para este fin un analisis
dinamico del sistema de aire comprimido con herramientas como
SIMULINK/MATLAB del cual obtendremos las caracteristicas
del controlador a implementar.
Index Terms—Compresor de tornillo, perfil de demanda de
aire comprimido, controlador del sistema de aire comprimido
I. INTRODUCCI ´ON
EN este trabajo se utiliza como punto de partida una
auditoria energ´etica realizada en el a˜no 2017 de la cual se
puede obtener el perfil de demanda de la planta y el consumo
aproximado de 206.094 KW/H anuales con un costo de 18.548
d´olares lo cual nos hace ver que existe la posibilidad de reducir
este costo y que la inversion realizada sea recuperada en el
primer a˜no de trabajo. Se plantea identificar la funci´on de
transferencia de la planta y dise˜nar el controlador para el
sistema. La solucion planteada en este trabajo consta de los
siguientes componentes:
• Compresor GA 30+ 30 KW.- Compresor Atlas Copco.
• Secadores de aire comprimido.- Secadores Atlas Copco.
• Variador de frecuencia.- Representa la Frecuencia en la
cual van a operar los compresores segun la demanda de
la planta.
• Controlador .- Representa el tipo de controlador que se
usar´a para establecer la frecuencia de trabajo de cada
compresor
• Cargas del sistema.- Representa la demanda de aire
comprimido de la planta.
La estaci´on de aire comprimido que alimenta la red de Plas-
ticos RIVAL cuenta con dos compresores de tornillo lubricado
Atlas Copco GA30+ de 212 cfm @ 100 psi(g), dos secadores
IR TS 200 y un tanque de almacenamiento de 480 litros
aproximadamente. En la Fig 2 durante el periodo de registro
de datos, se pudo observar el siguiente comportamiento: desde
Fig. 1. Compresor GA30+ instalado en la Planta Plasticos Rival.
el d´ıa viernes 28 de junio hasta el d´ıa martes 9 de julio de
2017, la entrega de aire varia entre 80 cfm y 250 cfm y de la
misma manera en la Fig 3 podemos observar como se tiene
las curvas de presion del sistema.
Fig. 2. Perfil de Demanda de Aire comprimido la Planta Plasticos Rival.978-1-5090-1629-7/16/$31.00 c 2016 IEEE

2. Fig. 3. Perfil de Presion de Aire comprimido la Planta Plasticos Rival.
Del perfil de demanda obtenido en el estudio y del perfil de
presion se puede concluir lo siguiente:
• Los CFM demandados por la planta tiene variaciones que
hacen que los compresores trabajen en carga y descarga
de manera frecuente.
• La presion de salida de los compresores presenta caidas
durante el trabajo de los compresores.
• Se puede evidenciar que el tiempo de arranque del motor
es muy corto.
Fig. 4. Grafico de carga y descarga de compresor.
El metodo de arranque y paro del motor del compresor es
por medio de un arranque estrella triangulo Fig 5, el cual tiene
las siguientes desventajas con respecto al arranque por medio
de un variador de velocidad:
• Presenta un consumo elevado de energ´ıa y un desgaste
en el momento de arranque/parada.
• La corriente de arranque puede ir entre 1.3 a 2.6 veces
la intensidad nominal del motor.
• El cambio que hace este tipo de arranque generan corri-
entes da˜ninas y transcientes de torque.
Tomando lo anteriormente mencionado en este nuevo desar-
rollo se aprovechara la oportunidad del cambio de tecnologia
para la optimizacion del sistema de control de arranque de los
compresores y se instalara un variador de frecuencia con el
objetivo de alargar el tiempo de vida del motor del compresor
asi tambien como poder tener un control sobre la frecuencia
de trabajo de cada compresor.
Entre mayor sea la demanda de energ´ıa en un momento dado
por un per´ıodo de 15 minutos, m´as alto ser´a tambi´en el cargo
por demanda. Entre m´as uniformemente se pueda repartir el
consumo de energ´ıa el´ectrica en una planta, m´as bajo ser´a el
cargo por demanda. El problema radica en que el arranque y
el paro es simultneo, haciendo que se tenga un consumo de
energa elctrica innecesario ya que en ocasiones no es necesario
el uso de los dos compresores, puesto que uno puede abastecer
la demanda requerida hasta que por la demanda de la planta
se requiera que arranque el segundo compresor.
Fig. 5. Arranque estrella-triangulo de compresos GA30+.
De lo planteado anteriormente podemos deducir que el
motor del compresor al trabajar en carga/descarga mantiene
la velocidad constante en cualquiera de los dos estados por
lo que el motor se mantendra consumiendo potencia electrica
innecesariamente.
La pregunta que motiva este trabajo es ¿Un controlador
PID ser´a capaz de lograr que se pueda llegar a tener un lazo
de control ms estable y que a la vez ayude a llevar a la
variable mucho ms rpido al setpoint deseado? en la Fig 6 se
plantea un esquema del modelo que se usara para mejorar el
sistema de control.
Fig. 6. Modelo de Control Planteado.

3. Este documento consta de ocho secciones incluyendo la
introducci´on como n´umero 1, la secci´on 2 muestra la revisi´on
bibliogr´afica en la que se citan los m´etodos de dise˜no, para
luego enfocarnos en el desarrollo de un controlador que
permita cumplir con las especificaciones planteadas en la
pregunta del p´arrafo anterior y hacer la discusi´on y an´alisis
de la respuesta de velocidad del motor ante cambios en la
presion de referencia y perturbaciones en las cargas del sistema
obtenida con el controlador y la planta, esto se presenta en
las secciones 3, 4 y 5. Finalmente, las conclusiones en la
secci´on 6 seguida de los agradecimientos en la secci´on 7, y
las referencias bibliogr´aficas en la secci´on 8.
II. M´ETODOS DE DISE ˜NO
En la teor´ıa de sistemas de control moderno encontramos
varios m´etodos para el dise˜no de controladores como el
m´etodo del lugar geom´etrico de las ra´ıces, el m´etodo de la
respuesta de frecuencia y el m´etodo de an´alisis en el dominio
del tiempo con variables de estado.
El m´etodo del lugar geom´etrico de las ra´ıces es un m´etodo
gr´afico con el que se dibuja la posici´on deseada de las ra´ıces
en el plano ”s” de acuerdo a los requerimiento de dise˜no,
en este m´etodo se utiliza la funci´on de transferencia para
convertir las ecuaciones diferenciales que representan el
sistema en ecuaciones algebraicas en t´erminos de la variable
compleja ”s”.
El m´etodo de la respuesta en el domino de la frecuencia
w, donde la respuesta de frecuencia de un sistema se define
como la respuesta del sistema en el estado estacionario a una
se˜nal sinusoidal de entrada. Las ventajas relevantes de este
m´etodo son: la f´acil disponibilidad de se˜nales sinusoidales de
prueba, la posibilidad de obtener la funci´on de transferencia
que describe el comportamiento sinusoidal del sistema en
estado estacionario, y el v´ınculo entre los dominios del
tiempo y la frecuencia.
El an´alisis en los m´etodos anteriores est´a limitado a una
entrada y una salida y aplicable ´unicamente para sistemas
lineales, sin embargo, los sistemas por lo general son sensibles
a m´ultiples entradas y presentan m´ultiples salidas por lo que
se requiere un m´etodo que resuelva estas limitaciones, y ese
m´etodo es el an´alisis en el dominio del tiempo. Un sistema
de control que var´ıa en el tiempo es un sistema en el que uno
o m´as de sus par´ametros pueden variar en funci´on del tiempo
[2].
III. METODOLOG´IA
La metodolog´ıa utilizada se bas´o en procesos experimen-
tales con la finalidad de desarrollar el controlador de un
generador siguiendo los pasos mostrados en el diagrama de
flujo de la Fig. 7, teniendo como primicia que el variador de
frecuencia opera a un valor estable de 60 Hz, haciendo que
el motor de inducci´on trabaje a su velocidad nominal que es
1590 RPM.
Fig. 7. Diagrama de flujo de la metodolog´ıa utilizada.
A. Curva Caracter´ıstica y punto de operaci´on
El punto de partida es la obtenci´on de la curva caracter´ıstica
del sistema por medio de la toma de datos de manera
experimental, que consiste en aplicar diferentes valores de
voltaje al bobinado de campo del generador y medir el voltaje
generado en los terminales de salida DC. Las herramientas a
utilizar en este proceso son: el software Matlab para crear la
interf´az, un servidor OPC y un m´odulo cFP (Compact Field
Point).
Con los valores de voltaje aplicado al campo y el voltaje
en los terminales de salida DC del generador se grafica la
curva caracter´ıstica del sistema o tambi´en llamada curva de
operaci´on, la cual se muestra m´as adelante en la secci´on de
resultados.
El criterio usado para determinar el punto de operaci´on del
sistema se basa en tomar un punto donde la curva caracter´ıstica
tenga un comportamiento lineal, es decir, donde la pendiente
no cambia de valor.

4. B. Identificaci´on
Para la identificaci´on del sistema se hace trabajar a la planta
en el punto de operaci´on y ralizando peque˜nos cambios en el
voltaje de campo del generador se registra el comportamiento
del voltaje generado, con el registro de los valores de voltaje
de campo y generado se utiliza la herramienta IDENT de
Matlab con la cual se obtiene la funci´on de transferencia. Esta
herramienta encuentra un modelo cuya respuesta a la entrada
dada se asemeja a la salida real de la planta, para nosotros es
deseable que el porcentaje de aproximaci´on entre la respuesta
del modelo y la respuesta del sistema sea mayor al 85% para
considerar al modelo como v´alido.
C. Especificaciones de funcionamiento
Como especificaciones o requerimientos de funcionamiento,
establecimos que el sistema tenga un error de estado esta-
cionario de Ess = 0, un tiempo de estabilizaci´on de Tss < 0.5
y un sobrenivel porcentual de SP < 5% frente a una entrada
de tipo escal´on. Estas especificaciones fueron escogidas en
base a la experiencia de los autores.
D. Dise˜no del controlador
Con la funci´on de transferencia G(s) obtenida mediante la
identificaci´on y las especificaciones de dise˜no se procede a
determinar el controlador Gc(s) mediante el m´etodo del lugar
geom´etrico de las ra´ıces, el sistema de lazo cerrado se muestra
en la Fig. 8.
Fig. 8. Diagrama de bloques para el dise˜no del sistema realimentado.
E. Implementaci´on del controlador
Para la implementaci´on del controlador se hace uso del
software Matlab con las herramientas de Simulink y las
herramientas para el servidor OPC que permiten la lectura
y escritura en el cFP.
IV. RESULTADOS
Aplicando el procedimiento para determinar la curva car-
acter´ıstica de operaci´on de la planta, nos di´o como resultado
una serie puntos los cuales permiten construir la curva que se
muestra en la Fig. 9.
La Fig. 9 muestra el voltaje generado por el generador
para valores de voltaje entre 0 y 2.2 voltios aplicados en el
bobinado de campo.
El punto de operaci´on que se seleccion´o en base a la Fig.
9, es 5.7 voltios como voltaje de salida del generador y 1.5
voltios como voltaje aplicado al campo, se consider que
la curva caracter´ıstica al rededor de dicho punto tiene un
Fig. 9. Curva caracter´ıstica de operaci´on de la planta.
comportamiento lineal.
Aplicando la metodolog´ıa para la identificaci´on de sistemas
con IDENT de Matlab se obtuvo el modelo con la funci´on de
transferencia de la ecuaci´on 1 con un porcentaje de ajuste de
96 %
G(s) =
63670
(s + 133.9)(s + 134)
. (1)
Para cumplir con los requerimientos de la pregunta
planteada ¿Un controlador PID ser´a capaz de lograr que el
voltaje en los terminales de salida del generador tenga un
sobrenivel porcentual de 5 % respecto del voltaje de referencia
con un tiempo de estabilizaci´on de 0.5 segundos y un error de
estado estable de 0 % frente a una entrada de tipo escal´on?
Se determin´o el controlador que se muestra en la ecuaci´on 2,
Gc(s) =
2
s
. (2)
El diagrama de bloque desarrollado en Matlab es el que se
muestra en la Fig. 10.
Fig. 10. Diagrama de bloque en Matlab.
La Fig. 10 muestra la interfaz que contiene los switches de
encedido, marcha y parada, muestra el controlador Gc(s) y el
rect´angulo con el Subsystem que contiene las herramientas
del servidor OPC para manejar las entradas y salidas del cFP.
El modelo con el controlador de la ecuaci´on 2 tiene la
respuesta de voltaje DC de salida del generador con un

5. sobrenivel porcentual de 0% y un tiempo de estabilizaci´on de
0.5 segundos. Ver Fig. 11.
Fig. 11. Respuesta simulada del modelo sistema frente a una entrada escal´on
unitario.
La Fig. 11 muestra la respuesta simulada del sistema
cuando la referencia cambia con la forma de la funci´on
escal´on unitario.
La comparaci´on del voltaje de referencia con el voltaje de
salida del generador se muestra en la Fig. 12.
Fig. 12. Respuesta del sistema frente a cambios en la referencia.
La se˜nal de color celeste en la Fig. 12 representa el voltaje
de referencia y la se˜nal de color naranja muestra el voltaje
generado por el generador.
La funci´on de una planta de generaci´on es alimentar cargas
que pueden variar su valor en el tiempo, la Fig. 13 muestra
la respuesta del sistema aplicando carga y adicionalmente se
disminuye la velocidad del motor. Ambas perturbaciones se
traducen en la ca´ıda del voltaje generado que luego por efecto
del controlador se recupera cumpliendo con los pa´ametros de
dise˜no.
En Fig. 13 se muestra que el sistema parte desde cero,
en el primer segundo llega a su punto operaci´on, luego al
tiempo 5 s se presenta un cambio en el voltaje de referencia,
Fig. 13. Respuesta del sistema frente a cambios en la carga y en la frecuencia.
al tiempo 7.5 s se presenta la perturbaci´on en la carga que
dura aproximadamente 5 s, al tiempo 12.13 s se presenta la
perturbaci´on en la frecuencia que dura aproximadamente 1.8
s y fimalmente al tiempo 17 s se realiza la perturbaci´on en la
carga y la frecuencia notando que el voltaje generado sigue al
voltaje de refencia cumpliendo los par´ametros establecidos en
el dise˜no.
V. DISCUSI ´ON
La planta desde su dise˜no fue concebida para operar con
un controlador multivariable dise˜nado con el m´etodo de
variables de estado, sin embargo, nos surgi´o la inquietud de
si ¿Un controlador PID ser´a capaz de lograr que el voltaje
en los terminales de salida del generador tenga un sobrenivel
porcentual de 5 % respecto del voltaje de referencia con
un tiempo de estabilizaci´on de 0.5 segundos y un error de
estado estable de 0 % frente a una entrada de tipo escal´on?
Inicialmente el objetivo era dise˜nar un controlador PID, pero
de acuerdo a los resultados de la secci´on anterior se sugiere
que con un control integral el sistema es capaz de responder
satisfactoriamente y cumplir con los requerimientos de dise˜no
planteados. Queda por determinar que afectaci´on provoca
agregar el controlador proporcional y el control derivativo o
de tendencias a la respuesta en r´egime transitorio y de estado
estable.
El alcance de este trabajo se limita encontrar un controlador
para el voltaje generado, teniendo como variable de entrada
el voltaje de campo del generador y como variable de
salida el voltaje generado, asumiendo que el sistema es
de una entrada y una salida, sin embargo este sistema
es de m´ultiples entradas y m´utiples salidas. Por ejemplo,
si aumentamos la referencia para el voltaje de salida del
generador, implicar´a que aumente el torque de carga del
motor y como para este sistema no se tiene un controlador
para la velocidad del motor, consideramos que la velocidad
disminuir´a su valor, afectando el voltaje generado por
el generador. Este ejemplo nos sugiere que el controlador
dise˜nado no es la mejor alternativa para el control del sistema.
De la Fig. 13 notamos que la se˜nal del voltaje generado
se aleja m´as de la se˜nal del voltaje de referencia cuando se
presentan perturbaciones en la frecuencia en comparaci´on con
los cambios que se presentan cuando aparece pertubaciones en

6. la carga, lo que nos sugiere hacer estudio de sensitividad con-
siderando ya al sistema como de m´ultiples entradas y m´ultiples
salidas, para lo cual pensamos que puede ser neceasario hacer
adecuaciones a la planta de tal forma que se puenda incorporar
equipos de medicin.
VI. CONCLUSIONES
Nosotros sugerimos que un controlador PID si es capaz de
lograr que el voltaje en los terminales de salida del generador
tenga un sobrenivel porcentual menor al 5 % respecto del
voltaje de referencia con un tiempo de estabilizaci´on de 0.5
segundos y un error de estado estable de 0 % frente a
una entrada de tipo escal´on, sin embargo no fue necesario
implementar la parte proporcional ni la parte derivativa para
culplir con los requerimiento de dise˜no, puesto que la parte
integral del PID por si sola los puede cumplir.
VII. AGRADECIMIENTOS
Queremos expresar un agradecimiento profundo a Dios por
regalarnos el don de la ciencia, a la ESPOL por facilitarnos
el Laboratorio de Control Autom´atico y al profesor Javier
Urquizo por su motivaci´on y tutor´ıa.
REFERENCES
[1] J. J. A. Veloz, “Construcci´on de un sistema de control de frecuencia-
voltaje para un sistema de generaci´on el´ectrica a escala para el laboratorio
de control autom´atico,” Escuela Superior Polit´ecnica del Litoral, Tech.
Rep., 2013.
[2] R. C. Dorf, Sistemas Modernos de Control Teor´ıa y Pr´actica. Addison-
Wesley Iberoamericana, S.A., 1989.