1. Red LaBioProC
Capítulo 1:
Introducción
Ingeniería de Control – Control de Procesos
Ejemplos
Objetivos
Conceptos: retroalimentación
Open-loop & closed-loop
Diseño de la estrategia
Historia
Maestría en Ingeniería de Control Industrial Bioprocess Control – Ing. MSc. Luis Alfonso Muñoz H.
con énfasis en Modelización y Control de Procesos Capítulo 1: Introducción 1
Biotecnológicos

2. Red LaBioProC
TEORIA DE CONTROL I
ESTABILIDAD
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con énfasis en Modelización y Control de Procesos Capítulo 1: Introducción 2
Biotecnológicos

3. Red LaBioProC
Ingeniería de Control / Control Engineering
Control de Procesos / Process Control
Automatización / Automation
Un Sistema de Control esta compuesto por la interconección de sub-sistemas /
componentes (proceso, controlador, compensador, actuador, transductor, sensor, ...)
que juntos se encargan de que el comportamiento del sistema sea el deseado, esto es
una salida de proceso controlada/deseada.
Cada uno de estos subsistemas de componentes representan una relación “entrada-
salida” (input-output; causa-efecto). La salida de un subsistema puede ser la entrada
para otro subsistema.
Input Proceso Output
En general un sistema de control está formado por:
- una (o más) entradas independientes (variables manipuladas)
- una (o más) salidas resultantes (variables controladas).
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con énfasis en Modelización y Control de Procesos Capítulo 1: Introducción 3
Biotecnológicos

4. Red LaBioProC
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con énfasis en Modelización y Control de Procesos Capítulo 1: Introducción 4
Biotecnológicos

5. Red LaBioProC
S p i nd l e H ea d s l i d e r
R o t a ti o n
of a r m
Ar m
T rac k a
D is k
T r a ck b
A c t u a to r
m o to r
D esi red A c tual
 E rro r Read
C o ntro l Actuator
hea d hea d
d e vi ce motor arm
po si tio n p o si tion

S e nso r
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con énfasis en Modelización y Control de Procesos Capítulo 1: Introducción 5
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6. Red LaBioProC
Adjustable wing
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7. Red LaBioProC
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8. Red LaBioProC
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con énfasis en Modelización y Control de Procesos Capítulo 1: Introducción 8
Biotecnológicos

9. Red LaBioProC
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con énfasis en Modelización y Control de Procesos Capítulo 1: Introducción 9
Biotecnológicos

10. Red LaBioProC
• Instrumentación:
– // 0,2-1 bar (3-15 psi)
– /// 4-20 mA (también ----)
• Primera Letra ID:
– A: análisis
– F: flow (Flujo)
– L: level (nivel)
– P: pressure (presión)
– T: temperatura
• Siguiente Letra ID:
– C: controller
– I: indicator
– R: recorder
– T: transducer (sensor)
– V: valve (válvula)
– Y: Converter (Convertidor)
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con énfasis en Modelización y Control de Procesos Capítulo 1: Introducción 10
Biotecnológicos

11. Red LaBioProC
Maestría en Ingeniería de Control Industrial Bioprocess Control – Ing. MSc. Luis Alfonso Muñoz H.
con énfasis en Modelización y Control de Procesos Capítulo 1: Introducción 11
Biotecnológicos

12. Red LaBioProC
Maestría en Ingeniería de Control Industrial Bioprocess Control – Ing. MSc. Luis Alfonso Muñoz H.
con énfasis en Modelización y Control de Procesos Capítulo 1: Introducción 12
Biotecnológicos

13. Red LaBioProC
• Robots usados para el acceso a
sitios dificiles (ambientes
contaminados, aplicaciones
espaciales, intervenciones
quirúrgicas, …).
• Robots industriales para
automatizar líneas de
producción, a fin de incrementar
la productividad y la calidad.
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con énfasis en Modelización y Control de Procesos Capítulo 1: Introducción 13
Biotecnológicos

14. Red LaBioProC
• Ej. diabetes
TAMBIEN:
• temperatura corporal
• latido cardiáco (adrenalina)
• presión sanguínea, …...
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con énfasis en Modelización y Control de Procesos Capítulo 1: Introducción 14
Biotecnológicos

15. Red LaBioProC
Maestría en Ingeniería de Control Industrial Bioprocess Control – Ing. MSc. Luis Alfonso Muñoz H.
con énfasis en Modelización y Control de Procesos Capítulo 1: Introducción 15
Biotecnológicos

16. Red LaBioProC
La ingeniería de Control NO ES específica para una determinada
disciplina de ingeniería!
• Al contrario, la Ingeniería de Control es clave en la electrónica,
industria química, instrumentación, telecomunicaciones, tecnología de
computadores, ciencia de los materiales, electrotecnia,
aeronáutica/navegación espacial/navegación marítima, …
• Hoy por hoy incluso en autos, hogares, …
Automatic Control is a “miracle” technology that is used to improve the
performance of a tremendous range of technological systems, from the
steam engine to the space station.
Today, feedback control is used by everyone: in radios (amplifiers), CD
players (speed control, laser tracking), automobiles (servo-steering,
cruise-control, engines, suspensions, ABS), flight control (autopilots),
spacecraft (guidance), machine tools, robots, power plants, chemical
process industry, materials processing.
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con énfasis en Modelización y Control de Procesos Capítulo 1: Introducción 16
Biotecnológicos

17. Red LaBioProC
Comportamiento DINAMICO
• Movimiento de un ascensor desde pisos superiores hasta el primer piso
• La salida de un sistema dinámico en un determinado momento no es
solo función de la entrada al sistema en ese momento sino también de
la situación en el pasado (memoria del sistema)
• Ejemplo: posición del acelerador velocidad del carro
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con énfasis en Modelización y Control de Procesos Capítulo 1: Introducción 17
Biotecnológicos

18. Red LaBioProC
Objetivos de un Sistema de Control
• Setpoint following / Seguimiento del SetPoint
• Disturbance rejection / Rechazo a Perturbaciones
• Remote control / Control remoto o a distancia
Objetivos del Curso
• Aprendizaje de técnicas a fin de analizar el comportamiento dinámico
de un sistema, tanto cualitativa como cuantitativamente. (parte 1)
• Aprendizaje de técnicas a fin de estar en capacidad de efectuar el diseño
de sistemas de control con características deseadas/especificaciones
(parte 2)
Especificaciones
• Un comportamiento absolutamente estable
• Una respuesta transiente deseada (transient response)
• Un error permanente aceptable (steady-state error)
• Una robustez conveniente (parameter sensitivity)
• Una relación precio/calidad interesante (cost/performance)
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con énfasis en Modelización y Control de Procesos Capítulo 1: Introducción 18
Biotecnológicos

19. Red LaBioProC
OPEN LOOP vs CLOSED LOOP (1)
• Un sistema de control en Open-Loop utiliza un dispositivo actuador para
controlar el proceso directamente sin usar feedback.
Battery Speed
Turntable
Speed
setting dc
amplifier dc motor
(a)
Control device Actua tor P rocess
Desired
dc Actual
speed Amplifier Turntable
motor speed
(voltage)
(b)
Maestría en Ingeniería de Control Industrial Bioprocess Control – Ing. MSc. Luis Alfonso Muñoz H.
con énfasis en Modelización y Control de Procesos Capítulo 1: Introducción 19
Biotecnológicos

20. Red LaBioProC
OPEN LOOP vs CLOSED LOOP (2)
• En closed-loop la salida se retroalimenta (feedback) y se compara con el
Setpoint ( reference, command)
• Hay tanto retroalimentación negativa como positiva (casi siempre negativa)
Battery Speed
Turntabl e
Speed
set ting  dc
 amplifier dc motor

Tachometer
(a)
Control device Act uator Process
Desired
 Error dc Actual
sp eed  Amplifi er
motor
Turntable speed
(voltage) 
Measured speed
(voltage) Sensor
Tachometer
(b)
Maestría en Ingeniería de Control Industrial Bioprocess Control – Ing. MSc. Luis Alfonso Muñoz H.
con énfasis en Modelización y Control de Procesos Capítulo 1: Introducción 20
Biotecnológicos

21. Red LaBioProC
FEEDBACK y PERTURBACIONES
Maestría en Ingeniería de Control Industrial Bioprocess Control – Ing. MSc. Luis Alfonso Muñoz H.
con énfasis en Modelización y Control de Procesos Capítulo 1: Introducción 21
Biotecnológicos

22. Red LaBioProC
ESTRATEGIA DE DISEÑO (Top-Down)
1. Defina el sistema físico y los objetivos
2. Elabore un Diagrama de Bloques funcional
3. Determine Variables de Control y Especificaciones
4. Especifique actuadores, sensores, convertidores, ...
5. Identifique un Modelo de cada subsistema
6. Diseñe el Controlador y sus parámetros
7. Pruebe el comportamiento frente a especificaciones
MALO!! OK!!
Maestría en Ingeniería de Control Industrial Bioprocess Control – Ing. MSc. Luis Alfonso Muñoz H.
con énfasis en Modelización y Control de Procesos Capítulo 1: Introducción 22
Biotecnológicos

23. Red LaBioProC
HISTORIA (1)
• Grecia 300 BC: reloj de agua de Ktesibios (regulador de nivel!)
• Cornelis Drebbel (Holanda 1572-1633): control de temperatura
• James Watt (Inglaterra, 1769): control de velocidad máquina de vapor;
preámbulo a la 1ra revolución industrial (mecanización)
• Antes de 1868: intuición y creatividad; “trial-and-error ”; problemas con
comportamiento estable de controladores en retroalimentación
• James Maxwell (1868): primeros (matemáticos) conceptos de teoría de control
para estabilidad de regulación de velocidad –máquina de vapor
• Edward Routh (1874): origen del criterio de estabilidad de Routh-Hurwitz
(1905)
• Nicholas Minorsky (Rusland): principio del control PI (“bread-and-butter” del
control industrial contemporáneo); aplicaciones en estabilidad de conducción de
naves (alrededor de 1920)
Maestría en Ingeniería de Control Industrial Bioprocess Control – Ing. MSc. Luis Alfonso Muñoz H.
con énfasis en Modelización y Control de Procesos Capítulo 1: Introducción 23
Biotecnológicos

24. Red LaBioProC
RELOJ DE AGUA DE KTESIBIOS
- DESCRIPCION -
El peluquero Ktesibios!!!!! El flotador V2 es lineal con el tiempo y con la escala
12 Escala con
Suministro de agua distribucion
Aguja
de hora
Por lo visto no era constante!
6 El flotador V2 aumenta lineal
H V1
con el tiempo si el suministro
1
de agua Q2 (l/s) es constante!!
Debe mantenerse Q2
La corriente de agua en
Constante!? Q2
El cuarto de ayuda H
De ahí que la condición Dentro del cual flota un
De equilibrio debe ser: Flotador V1
V2
Q1 = Q 2
Maestría en Ingeniería de Control Industrial Bioprocess Control – Ing. MSc. Luis Alfonso Muñoz H.
con énfasis en Modelización y Control de Procesos Capítulo 1: Introducción 24
Biotecnológicos

25. Red LaBioProC
RELOJ DE KTESIBIOS
- TRABAJO DE ESTABILIZACION -
W es la altura deseada
X es la altura real Si el suministro baja entonces baja el
Flotador V1. El nivel disminuye hasta X
Suministro Asi que hay que abrir el suministro tal que
Q1 aumente otra vez y la altura real X
Vaya a W.
H Q1
A medida que crece el
suministro, el flotador sube
V1
y X es mayor que W, entonces
W X
se cierra el suministro hasta
que X vaya a W.
2. Organo de corrección y regulación:
1. Sistema de medición: el flotador
V1 mide la altura regulada X. El flotador V1 controla el suministro Q1.
Q2
Maestría en Ingeniería de Control Industrial Bioprocess Control – Ing. MSc. Luis Alfonso Muñoz H.
con énfasis en Modelización y Control de Procesos Capítulo 1: Introducción 25
Biotecnológicos

26. Red LaBioProC
Reloj de agua de Ktesibios
Maestría en Ingeniería de Control Industrial Bioprocess Control – Ing. MSc. Luis Alfonso Muñoz H.
con énfasis en Modelización y Control de Procesos Capítulo 1: Introducción 26
Biotecnológicos

27. Red LaBioProC EL CONTROL DE NIVEL DE HERON
a b La válvula K deja pasar agua al tanque B.
El objeto es mantener W constante, tal que con la
M disminución del agua la presión también es cte.
A
L K La idea era mantener el caudal
Q1 igual al caudal Q2. El suministro
V tras la Válvula es igual al desague Q2.
B Q1 Los factores para que la altura X pueda cambiar son
•El nivel del tanque de almacenamiento A.
w x
•El desague Q2
El control de nivel trabaja asi:
1. Tenemos un aumento del desague Q2
2. Luego baja la altura hasta el valor X
3. El flotador V mide la disminución de la altura
Desague
4. El brazo ao de la palanca baja, asi que el brazo ob sube
Q2
5. A causa de esto la válvula K otra vez abre y Q1 aumenta
6. X aumenta otra vez hasta regresar al valor W.
Maestría en Ingeniería de Control Industrial Bioprocess Control – Ing. MSc. Luis Alfonso Muñoz H.
con énfasis en Modelización y Control de Procesos Capítulo 1: Introducción 27
Biotecnológicos

28. Red LaBioProC
Flyball governor
(James Watt - 1769)
Maestría en Ingeniería de Control Industrial Bioprocess Control – Ing. MSc. Luis Alfonso Muñoz H.
con énfasis en Modelización y Control de Procesos Capítulo 1: Introducción 28
Biotecnológicos

29. Red LaBioProC
HISTORIA (2)
• Antes de WOII: Bode, Nyquist, Black (USA, Bell Telephone Labs); Dominio-
frecuencial planteamineto del diseño de amplificadores (feedback amplifier;
OpAmp)
• WOII: desarrollo intensivo – teoría y práctica – en automatización (métodos de
dominio en frecuencia; Bode, Nyquist); aplicaciones militares: piloto automático
para aeronaves, sistemas de posicionamiento de cañones y toda clase de
proyectiles, antenas de radar, sistemas de comunicación, etc.
• Después (años 1950) vienen aplicaciones “civiles” (servosistemas, control de
procesos, comunicaciones, mecanización, robotización…); “la ingeniería de
control “ nace como una disciplina científica
• Walter Evans (USA, 1948, indiustria aeronáutica): Método de Root Locus
• MIT, 1952: concepto de máquinas de NC (Numerical Control)
• USA, 1960: primer robot industrial (Unimate)
Maestría en Ingeniería de Control Industrial Bioprocess Control – Ing. MSc. Luis Alfonso Muñoz H.
con énfasis en Modelización y Control de Procesos Capítulo 1: Introducción 29
Biotecnológicos

30. Red LaBioProC
HISTORIA (3)
• Años 1960 a 1970: intensos desarrollos en el dominio del tiempo métodos de
impulso en la industria aeronáutica: dominio en espacio de estado/state-space
(Kalman),control no-lineal (Lyapunov, estudiante de Chebyshev - St.
Petersburg 1892),control optimal (Pontryagin/SU, Bellman/USA); poca
respuesta en la industria
• Años 1970 a 1980: sistemas de control adaptivos (Åström, SE) aplicados con
éxito en la industria como PID “auto-tuners”
• Años 1980 a 1990: estrategias de control de predicción (Richalet/FR,
Cutler/USA, De Keyser/BE, Clarke/UK); momentaneamente en expansión por
las aplicaciones industriales
• Años 1990: inteligencia artificial (fuzzy control, neural control, …): fuzzy
control (Japan) con uso en „productos para consumo‟ (lavadoras, cámaras, …) y
en control de procesos (industria del cemento, química, …)
Maestría en Ingeniería de Control Industrial Bioprocess Control – Ing. MSc. Luis Alfonso Muñoz H.
con énfasis en Modelización y Control de Procesos Capítulo 1: Introducción 30
Biotecnológicos

31. Red LaBioProC
ICT: Information & Communication Technology
• Años 1980 a 1990: uso intensivo en la industria de técnicas digitales para
la implementación de controladores en software: micro-computers y
microcontrollers (mecatrónica), DDC (Direct Digital Control en control de
procesos), redes industriales para comunicaciones, sistemas de control para
supervisión, …
• El „controller‟ (regulador,controlador, compensador), originalmente
neumático, luego electrónico, hasta implementado como un „instrumento
virtual‟: como software en un computador..
• En la actualidad el uso del computador en técnicas de control:
– off-line: durante la fase de diseño (CACSD: Computer Assisted Control
Systems Design) con software de diseño duro (Ej. MatLab® en este curso)
– on-line: durante el trabajo normal, como controlador (software) digital
(sistemas de control digital)
Maestría en Ingeniería de Control Industrial Bioprocess Control – Ing. MSc. Luis Alfonso Muñoz H.
con énfasis en Modelización y Control de Procesos Capítulo 1: Introducción 31
Biotecnológicos

32. Red LaBioProC
Redescubra el Pasado
• Dibuje esquema de bloques para control de
velocidad de crucero (regulación de velocidad
de su auto)
• Dibuje esquema de bloques para el
funcionamiento del radiador-termostato de su
cuarto.
• Una resistencia variable (potenciómetro) da
una tensión proporcional a la posición del
cursor (principio del divisor de tensión). El
potenciómetro es de mucho uso, por ej. Para
la regulación del volumen y otros controles en
aparatos de audio. También se usa como
transmisor para definir el ángulo de posición
de un eje que gira. El modelo de este „sensor
de desplazamiento‟ se da en el esquema de i (rad) Vo (volt)
K
bloques adjunto. Calcule K si se requieren 10
rotaciones del eje para llevar el cursor de A
hasta C.
Maestría en Ingeniería de Control Industrial Bioprocess Control – Ing. MSc. Luis Alfonso Muñoz H.
con énfasis en Modelización y Control de Procesos Capítulo 1: Introducción 32
Biotecnológicos

33. Red LaBioProC
Bibliografía
• Nise. Control Systems Engineering (3rd edition).
John Wiley & Sons, Inc. (2000), p. 1-36
• Dorf and Bishop. Modern Control Systems (8th edition).
Addison-Wesley-Longman, Inc. (1998), p. 1-31
• Marlin. Process Control.
McGraw-Hill, Inc. (1995), p. 1-46
Maestría en Ingeniería de Control Industrial Bioprocess Control – Ing. MSc. Luis Alfonso Muñoz H.
con énfasis en Modelización y Control de Procesos Capítulo 1: Introducción 33
Biotecnológicos