Este documento describe los conceptos básicos de los sistemas de control. Explica que un sistema de control mantiene constantes ciertas variables clave mediante la detección de cambios y la aplicación de acciones correctivas. Describe los componentes clave de un sistema de control, incluidos los sensores, actuadores, lazos de realimentación y más. También cubre temas como los tipos de control, modelado de sistemas, funciones de transferencia y más. El documento proporciona una introducción general a los fundamentos de los sistemas de control.

1. SISTEMAS DE CONTROLSISTEMAS DE CONTROL
Angel D. Arias PomaAngel D. Arias Poma
SISTEMAS DE REGULACIÓN YSISTEMAS DE REGULACIÓN Y
CONTROLCONTROL

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

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

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

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

6. Tipos de señales eléctricasTipos de señales eléctricas
• Señal analógicaSeñal analógica (nº(nº
infinito de valores) yinfinito de valores) y
que tiene una variaciónque tiene una variación
continua en el tiempo.continua en el tiempo.
• Señal digitalSeñal digital (nº finito(nº finito
de valores) y que tienede valores) y que tiene
una variación discretauna variación discreta
de valores en el tiempo.de valores en el tiempo.
• Señal digital binariaSeñal digital binaria
(dos valores concretos,(dos valores concretos,
1 y 0) la señal eléctrica1 y 0) la señal eléctrica
sólo puede adoptar dossólo puede adoptar dos
niveles de tensión.niveles de tensión.

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

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

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

10. Tipos de control,Tipos de control, atendiendoatendiendo
al circuito implementadoal circuito implementado
• Control manual:Control manual: El operador aplica lasEl operador aplica las
correcciones que cree necesariascorrecciones que cree necesarias..
• Control automático:Control automático: La acción de control seLa acción de control se
ejerce sin intervención del operador y suejerce sin intervención del operador y su
solución es cableada, es decir, rígida, no sesolución es cableada, es decir, rígida, no se
puede modificarpuede modificar..
• Control programado:Control programado: Realiza todas lasRealiza todas las
labores del control automático, pero sulabores del control automático, pero su
solución es programada. Se puede modificarsolución es programada. Se puede modificar
su proceso de operación o ley de control.su proceso de operación o ley de control.

11. Tipos de control,Tipos de control, atendiendoatendiendo
al circuito implementadoal circuito implementado

12. 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

13. 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).

14. 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).

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

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

17. 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
ActuadorRegulador
Comparador
Amplificador
PV
SP
Señal o Acción
De Control
Señal Amplificada
Transductor

18. 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.

19. 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.

20. 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 .

21. Estructura general de unEstructura general de un
sistema de medida.sistema de medida.

22. Elementos de un sistema deElementos de un sistema de
medidamedida
• Sensor o elemento primario:Sensor o elemento primario: Mide o sensa el valor de unaMide o sensa el valor de una
variable de proceso, y toma una salida proporcional a lavariable de proceso, y toma una salida proporcional a la
medida. Esta salida, puede o no, ser eléctrica. El sensor debemedida. Esta salida, puede o no, ser eléctrica. El sensor debe
tomar la menor energía posible del sistema, para no introducirtomar la menor energía posible del sistema, para no introducir
error.error.
• Transductor:Transductor: Elemento que transforma la magnitud medidaElemento que transforma la magnitud medida
por el elemento primario en una señal eléctrica.por el elemento primario en una señal eléctrica.
• Transmisor o Acondicionador de señal :Transmisor o Acondicionador de señal : Elemento queElemento que
convierte, acondiciona y normaliza la señal para suconvierte, acondiciona y normaliza la señal para su
procesamiento.procesamiento.
• En la industria, las señales de salida normalizadas son: 4 aEn 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 psi20mA, 0 a 5v, 0 a 10v, si son salidas eléctricas y 3 a 15 psi
en señal neumática.en señal neumática.

23. Tipos de sensoresTipos de sensores
• Por el principio físico:Por el principio físico:
– ResistivoResistivo
– CapacitivoCapacitivo
– InductivoInductivo
– PiezoresistivoPiezoresistivo
– FotovoltáicoFotovoltáico
– ElectromagnéticoElectromagnético
– TermomagnéticoTermomagnético
– PiezoeléctricoPiezoeléctrico
• Por la salida:Por la salida:
– EléctricaEléctrica
• activosactivos
• pasivospasivos
– MecánicaMecánica
• Por la magnitud a medir,Por la magnitud a medir,
es la clasificación máses la clasificación más
utilizada:utilizada:
– TemperaturaTemperatura
– PresiónPresión
– CaudalCaudal
– PosiciónPosición
– Velocidad, etc...Velocidad, etc...

24. Actuadores (Elemento finalActuadores (Elemento final
de control)de control)
• EléctricosEléctricos
• RelésRelés
• SolenoidesSolenoides
• Motores CCMotores CC
• Motores ACMotores AC
• Motores paso aMotores paso a
pasopaso
• Hidráulicos oHidráulicos o
neumáticosneumáticos
• Válvulas neumáticasVálvulas neumáticas
• Válvulas de solenoideVálvulas de solenoide
• Cilindros y válvulasCilindros y válvulas
pilotopiloto
• MotoresMotores

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

26. Sistemas actuales de controlSistemas actuales de control
 Control clásicoControl clásico
 Control en cascadaControl en cascada
 Control con aprendizajeControl con aprendizaje
 Control por lógica difusaControl por lógica difusa
 Control digital directo (ddc)Control digital directo (ddc)
 Control supervisor (spc y scada)Control supervisor (spc y scada)
 Control distribuido (scd)Control distribuido (scd)
 Control jerarquizadoControl jerarquizado

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

28. 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

29. El control On/Off o de dos
posiciones

30. Control de dos posicionesControl de dos posiciones

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

32. Control Proporcional deControl Proporcional de
tiempo variable (PWM)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).

33. 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.

34. • 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.

35. Control Proporcional o ContinuoControl 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

36. Selección del control.Selección del control.

37. Criterios de estabilidadCriterios de estabilidad

38. Control en cascadaControl en cascada

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

40. Control por lógica difusaControl por lógica difusa

41. Control Digital Directo (DDC)Control Digital Directo (DDC)

42. ControlControl
supervisorsupervisor
(SPC y(SPC y
SCADA)SCADA)

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

44. Control distribuidoControl distribuido

45. Redes de control distribuidoRedes 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

46. Control JerarquizadoControl Jerarquizado

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

48. qa
Control de flujoControl de flujo
FCw
u
Bomba
centrífuga
Caudalímetro Válvula
Bomba, valvula: dimensionamiento, posicionamiento
Caudalímetro: Tipo, rango
Orden: Bomba, caudalímetro, válvula

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

50. Control de presiónControl de presión
PCPT
Fi
F
u
a
w
Variedad de dinámicas y objetivos
Sistema rápido
Sintonía de PI

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

52. Instrumentación de un controlInstrumentación de un control
automático.automático.

53. ¡MUCHAS¡MUCHAS
GRACIAS!GRACIAS!