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Jun 22nd, 2025

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\documentclass{book}
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\usepackage{kpfonts}
\begin{document}
\chapter{Introducción}
El propósito de este capítulo es mostrar al lector la necesidad del control automático de procesos y motivarlo a estudiar este tema. El control automático de procesos se ocupa de mantener en un valor de operación deseado las variables del proceso tales como temperaturas, presiones, flujos, compuestos y similares. Como se verá, los procesos son dinámicos por naturaleza. Siempre ocurren cambios, y si no se responde a ellos con las acciones pertinentes, las variables importantes de proceso---las relacionadas con la seguridad, la calidad del producto y los índices de producción---no cumplirán con las condiciones deseadas.
En este capítulo también se presentan dos sistemas de control, se examinan algunos de sus componentes y se definen algunos términos utilizados en el campo del control de procesos. Finalmente, se exponen las bases necesarias para el estudio del control de procesos.
Al escribir este libro hemos sido conscientes constantemente que para ser exitoso, el ingeniero debe ser capaz de aplicar los principios que aprendió. Por consiguiente, el libro aborda los principios que soportan la práctica exitosa del control automático de procesos. El libro incluye numerosos casos reales tomados de nuestros años de experiencia industrial como ingenieros de planta o consultores. Es nuestro sincero deseo despertar en el lector el interés por estudiar el control automático de procesos. Es un área de la ingeniería de procesos muy dinámica, llena de retos y recompensas.
\section{UN SISTEMA DE CONTROL DE PROCESOS}
Para ilustrar el control de procesos se considera un intercambiador de calor en el que se calienta una corriente mediante la condensación de vapor, como se ilustra en la figura 1-1.1. El propósito de esta unidad es calentar el fluido del proceso desde una temperatura de entrada $ T_i(t) $ hasta una cierta temperatura de salida deseada $ T(t) $. La energía ganada por el fluido del proceso es suministrada por el calor latente de la condensación del vapor.
En este proceso hay muchas variables que pueden cambiar, haciendo que la temperatura de salida se desvíe del valor deseado. Si esto ocurre, se debe tomar alguna acción para corregir la desviación. El objetivo es mantener la temperatura de salida del proceso en el valor deseado.
Una manera de lograr este objetivo es medir primero la temperatura $ T(t) $, compararla con el valor deseado y, con base en esta comparación, decidir qué hacer para corregir cualquier desviación. La válvula de vapor puede manipularse para corregir cualquier desviación. Es decir, si la temperatura está por encima del valor deseado, la válvula puede cerrarse un poco para reducir el flujo de vapor (energía) que llega al intercambiador de calor. Si la temperatura se encuentra por debajo del valor deseado, la válvula se debe abrir más para incrementar el flujo de vapor al intercambiador. Todo esto puede llevarlo a cabo el operador manualmente, y como el procedimiento es bastante simple, no debería presentar problemas. Sin embargo, hay varios problemas con este control manual. Primero, la tarea requiere que el operador esté observando constantemente la temperatura para tomar la acción correctiva cuando se desvíe del valor deseado. Segundo, diferentes operadores tomarían diferentes decisiones sobre cómo mover la válvula de vapor, ocasionando una operación poco consistente. Tercero, debido a que en la mayoría de las plantas de proceso hay cientos de variables que deben mantenerse en algún valor deseado, este procedimiento de corrección requeriría una gran cantidad de operadores. En consecuencia, resultaría conveniente lograr este control automáticamente. Es decir, sería conveniente contar con sistemas que controlan las variables sin requerir la intervención del operador. Esto es lo que se entiende por control automático de procesos.
Para lograr el control automático de procesos se requiere del diseño e implementación de un sistema de control. La figura 1-1.2 muestra un posible sistema de control y sus componentes básicos. (El apéndice A presenta los símbolos e identificaciones para los diferentes dispositivos.) Lo primero que se debe hacer es medir la temperatura de salida de la corriente del proceso. Esto se logra con un sensor (termopar, dispositivo de resistencia térmica, termómetro de inmersión, termistor o similares). Por lo general, este sensor está conectado físicamente a un transmisor, el cual toma la salida del sensor y la convierte en una señal con la suficiente intensidad paratransmitirla al controlador. Entonces el controlador recibe la señal, la cual está relacionada con la temperatura, y la compara con el valor deseado. Dependiendo del resultado de esta comparación, el controlador decide qué hacer para mantener la temperatura en el valor deseado. Con base en esta decisión, el controlador envía una señal al elemento final de control, el cual a su vez manipula el flujo de vapor. Este tipo de estrategia de control se conoce como control por retroalimentación.
En el párrafo anterior se presentan los tres componentes básicos de todo sistema de control. Éstos son:
\begin{enumerate}
\item \textbf{Sensor-transmisor}. También llamados con frecuencia los elementos primario y secundario.
\item \textbf{Controlador}. El ``cerebro'' del sistema de control.
\item \textbf{Elemento final de control}. Por lo general una válvula de control, pero no siempre. Otros elementos finales de control comunes son bombas de velocidad variable, bandas transportadoras, motores eléctricos y calentadores eléctricos.
\end{enumerate}
La importancia de estos componentes radica en que realizan las tres operaciones básicas que deben estar presentes en todo sistema de control. Estas operaciones son:
\begin{enumerate}
\item \textbf{Medición (M)}. La medición de la variable por controlar se realiza, en general, con la combinación de un sensor y un transmisor. En algunos sistemas la señal del sensor se puede alimentar directamente al controlador y no se necesita un transmisor.
\item \textbf{Decisión (D)}. Con base en la medición, el controlador decide qué hacer para mantener la variable en el valor deseado.
\item \textbf{Acción (A)}. Como resultado de la decisión del controlador, el sistema debe entonces realizar una acción. Esta acción por lo general la realiza el elemento final de control.
\end{enumerate}
Estas tres operaciones, M, D y A, están siempre presentes en cualquier tipo de sistema de control y es imperativo que estén en un lazo. Es decir, la decisión se toma con base en la medición y la acción se implementa con base en la decisión. La acción ejecutada debe afectar la medición, de otra manera hay una falla importante en el diseño y no se logrará el control. Cuando la acción tomada no afecta la medición, se dice que existe una condición de lazo abierto y no se logrará el control. La toma de decisiones en algunos sistemas es bastante simple, mientras que en otros es más compleja. Varios de estos sistemas se examinarán en este libro.
\section{Términos importantes y objetivo del control automático de procesos}
En este momento se hace necesario definir algunos términos utilizados en el campo del control automático de procesos. La \textbf{variable controlada} es la variable que debe mantenerse, o controlarse, en un valor deseado. En nuestro ejemplo del intercambiador de calor, la temperatura de salida del proceso, $ T(t) $, es la variable controlada. Algunas veces se utiliza el término \textbf{variable del proceso} para referirse a la variable controlada. La \textbf{referencia} o \textbf{set point (SP)} es el valor deseado de la variable controlada. Por tanto, la tarea de un sistema de control es mantener la variable controlada en su referencia o set point. La \textbf{variable manipulada} es la variable utilizada para mantener la variable controlada en su referencia o set point. En el ejemplo, la posición de la válvula de vapor es la variable manipulada. Finalmente, cualquier variable que haga que la variable controlada se desvíe de su referencia se conoce como \textbf{perturbación}. En la mayoría de los procesos hay un número importante de perturbaciones. En el intercambiador de calor mostrado en la figura 1-1.2 son perturbaciones posibles: la temperatura de entrada al proceso, $ T_i(t) $, el flujo del proceso, $ f(t) $, el contenido de energía en el vapor, las condiciones ambientales, la composición del fluido del proceso, la contaminación, etcétera. Es importante entender que siempre ocurren perturbaciones en los procesos. El estado estacionario no es lo más frecuente y las condiciones transitorias son muy comunes. Es a causa de estas perturbaciones que se requiere el control automático de procesos. Si no hubiera perturbaciones, las condiciones de diseño prevalecerían y no habría necesidad de "monitorear" continuamente el proceso.
Los siguientes términos también son importantes. \textbf{Control manual} es la condición en la que el controlador está desconectado del proceso. Es decir, el controlador no está tomando la decisión de cómo mantener la variable controlada en la referencia. Depende del operador manipular la señal que llega al elemento final de control para mantener la variable controlada en la referencia. \textbf{Control de lazo cerrado} es la condición en que el controlador está conectado al proceso y compara la referencia con la variable controlada a fin de determinar y tomar la acción correctiva pertinente.
Ahora que se han definido estos términos, es posible expresar formalmente el objetivo del control automático de procesos: el objetivo de un sistema de control automático de procesos es ajustar la variable manipulada para mantener la variable controlada en su referencia a pesar de las perturbaciones.
El control es importante por muchas razones. Las que siguen no son las únicas, pero sentimos que son las más importantes. Estas razones se basan en nuestra experiencia en la industria y nos gustaría difundirlas. El control es importante para:
\begin{enumerate}
\item Prevenir accidentes entre el personal de planta, proteger el medio ambiente previniendo emisiones y minimizando desperdicios, y prevenir daños en el equipo de proceso. La \textbf{SEGURIDAD} debe estar siempre en nuestra mente, es la consideración más importante.
\item Mantener la calidad del producto (composición, pureza, color, etc.) de manera continua y con costo mínimo.
\item Mantener el índice de producción de la planta en un costo mínimo.
\end{enumerate}
Por lo tanto, los procesos se automatizan para proveer un ambiente seguro y a la vez mantener la calidad deseada del producto, un alto volumen de producción y una demanda reducida de mano de obra.
\section{Control regulatorio y servocontrol}
En algunos procesos la variable controlada se desvía de la referencia debido a perturbaciones. \textbf{Control regulatorio} se refiere a los sistemas diseñados para compensar estas perturbaciones. En otros casos, la perturbación más importante es la propia referencia. Es decir, la referencia puede cambiarse en función del tiempo (un caso típico lo constituyen los reactores por lotes, donde la temperatura debe seguir un perfil deseado), y por lo tanto, la variable controlada debe seguir a la referencia. \textbf{Servocontrol} se refiere a los sistemas de control diseñados con este propósito.
El control regulatorio es mucho más común que el servocontrol en los procesos industriales. Sin embargo, se utiliza el mismo enfoque básico al diseñarlos. Por lo tanto, los principios aprendidos en este libro se aplican a ambos casos.
\section{Señales de transmisión, sistemas de control y otros términos}
Existen tres tipos principales de señales en uso en los procesos industriales. La \textbf{señal neumática}, o presión de aire, varía normalmente entre 3 y 15 psig. La representación usual para las señales neumáticas en diagramas de instrumentos y tubería (P\&ID) es \texttt{-$\checkmark$-$\checkmark$-}. La \textbf{señal eléctrica} varía normalmente entre 4 y 20 mA. Con menos frecuencia se utilizan señales de 10 a 50 mA, de 1 a 5 V, o de 0 a 10 V. La representación usual para esta señal en P\&ID es una serie de líneas discontinuas \texttt{--------}. El tercer tipo de señal es la \textbf{señal digital}, o discreta (ceros y unos); una representación común es \texttt{O-O-O-}. En este libro las señales se indican con \texttt{-$\checkmark$-} (como se muestra en la figura 1-1.2), que es la representación propuesta por la Instrumentation Society of America (ISA) cuando se muestra un concepto de control sin prestar atención al equipo específico utilizado. Se le recomienda al lector que revise el apéndice A, donde se presentan diferentes símbolos y nomenclatura. La mayoría de las veces se hará referencia a las señales en porcentaje, de 0\% a 100\%, por oposición a psig o mA. Es decir, 0-100\% es equivalente a 3-15 psig o 4-20 mA.
Advertir que las señales son utilizadas por dispositivos -transmisores, controladores, elementos finales de control y similares- para comunicarse, ayuda en el entendimiento de los sistemas de control. Es decir, las señales se utilizan para transmitir información. La señal del transmisor al controlador se utiliza para que el transmisor le informe al controlador el valor de la variable controlada. La señal no es la medición en unidades de ingeniería sino una señal en mA, psig, volts o en cualquier otra unidad que sea proporcional a la medición. La relación con la medición depende de la calibración del sensor-transmisor. El controlador utiliza su señal de salida para decirle al elemento final de control qué hacer: cuánto abrir si es una válvula, qué tan rápido funcionar si es una bomba de velocidad variable, etcétera. Por tanto, cada señal está relacionada con una cantidad física que tiene sentido desde un punto de vista de ingeniería. La señal del transmisor de temperatura de la figura 1-1.2 se relaciona con la temperatura de salida y la señal del controlador se relaciona con la posición de la válvula de vapor.
Con frecuencia es necesario cambiar un tipo de señal por otro. Esto se hace por medio de un transductor o convertidor. Por ejemplo, puede existir la necesidad de cambiar de una señal eléctrica en mA a una señal neumática en psig. Esto se lleva a cabo mediante el uso de un transductor I/P de corriente (I) a neumática (P) que se muestra gráficamente en la figura 1-4.1. La señal de entrada puede ser de 4 a 20 mA y la de salida de 3 a 15 psig. Un convertidor analógico-digital (A/D) cambia de una señal en mA o volts a una señal digital. Existen muchos otros tipos de transductores: digital-analógico (D/A), neumático a corriente (P/I), voltaje a neumático (E/P), neumático a voltaje (P/E), etcétera.
\begin{figure}[h]
\centering
\includegraphics[width=0.5\textwidth]{transductor_IP.png}
\caption{Transductor I/P.}
\label{fig:transductor}
\end{figure}
El término \textbf{analógico} se refiere al controlador, o cualquier otro instrumento, que es neumático o eléctrico. Sin embargo, la mayoría de los controladores se basan en computadora o son digitales. Decir que "se basan en computadora" no necesariamente se alude a una computadora mainframe sino a cualquier plataforma con al menos un microprocesador. De hecho, la mayoría de los controladores se basan en microprocesadores. En el capítulo 5 se presentan diferentes tipos de controladores y se definen algunos términos relacionados con controladores y sistemas de control.
\section{Estrategias de control}
\subsection{Control por retroalimentación}
El esquema de control mostrado en la figura 1-1.2 se conoce como control por retroalimentación o lazo de control por retroalimentación. Es necesario entender los principios operativos del control por retroalimentación para reconocer sus ventajas y desventajas; el lazo de control del intercambiador de calor de la figura 1-1.2 se presenta para ayudar a dicho entendimiento.
Si la temperatura de entrada al proceso disminuye creando una perturbación, su efecto se debe propagar a través del intercambiador de calor antes de que la temperatura de salida baje. Una vez que esta temperatura cambia, la señal del transmisor al controlador también cambia. Es entonces cuando el controlador detecta que ha ocurrido una desviación de la referencia y que debe compensar la perturbación manipulando la válvula de vapor. El controlador envía entonces señales a la válvula para que incremente su apertura, incrementando así el flujo de vapor. La figura 1-5.1 muestra gráficamente el efecto de la perturbación y de la acción del controlador.
\begin{figure}[h]
\centering
\includegraphics[width=0.8\textwidth]{figura1-5-1.png}
\caption{Respuesta del control por retroalimentación.}
\label{fig:respuesta}
\end{figure}
Es útil notar que primero la temperatura de salida baja debido a la caída en la temperatura de entrada, pero después aumenta incluso por encima de la referencia y continúa oscilando alrededor de la referencia hasta que la temperatura finalmente se estabiliza. Esta respuesta oscilatoria es típica del control por retroalimentación, y muestra que es en esencia una operación de prueba y error. Es decir, cuando el controlador "nota" que la temperatura de salida se ha reducido por debajo de la referencia, envía una señal a la válvula para que se abra, pero la apertura es más de lo necesario. Por consiguiente, la temperatura de salida se incrementa por encima de la referencia. Al detectar esto, el controlador le indica a la válvula que de nuevo se cierre un poco para reducir la temperatura. Esta operación de prueba y error continúa hasta que la temperatura alcanza y permanece en la referencia.
La ventaja del control por retroalimentación es que es una técnica muy simple que compensa por todas las perturbaciones. Cualquier perturbación afecta la variable controlada, y una vez que esta variable se desvía de la referencia, el controlador cambia su salida para regresar la temperatura a su referencia. El lazo de control por retroalimentación no sabe, ni le interesa, cuál perturbación entra en el proceso. Tan sólo trata de mantener la variable controlada en su referencia y al hacerlo compensa todas las perturbaciones. El controlador por retroalimentación opera con un conocimiento mínimo del proceso. De hecho, la única información que necesita es la dirección en que debe moverse. Cuánto debe moverse se ajusta normalmente por prueba y error.
La desventaja del control por retroalimentación es que sólo puede compensar una perturbación cuando la variable controlada se ha desviado de la referencia. Esto es, la perturbación se debe propagar a través de todo el proceso antes de que el esquema de control por retroalimentación pueda iniciar una acción para compensarla.
El trabajo del ingeniero consiste en diseñar un esquema de control que mantenga la variable controlada en su referencia. Una vez que esto se ha logrado, el ingeniero debe ajustar, o sintonizar, el controlador para que minimice la operación de prueba y error requerida para el control. La mayoría de los controladores tiene hasta tres términos (también conocidos como parámetros) que se utilizan para sintonizarlos. Para hacer un trabajo creíble, el ingeniero debe primero conocer las características del proceso a controlar. Una vez que se conocen estas características, se puede proceder al diseño del sistema de control y a la sintonización del controlador. Las características del proceso se explican en los capítulos 3 y 4. El capítulo 5 presenta el significado de los parámetros de sintonización, y el capítulo 7 presenta diferentes métodos para sintonizar controladores.
\subsection{Control feedforward}
El control por retroalimentación es la estrategia más común en procesos industriales. Su simplicidad es la causa de su popularidad. En algunos procesos, sin embargo, el control por retroalimentación no proporciona la función de control que se requiere. Para estos procesos se han diseñado otros tipos de control. Una de ellas es el control feedforward (también conocido como control por acción precalculada). El objetivo del control feedforward es medir las perturbaciones y compensarlas antes de que la variable controlada se desvíe de la referencia. Si se aplica correctamente, la desviación de la variable controlada será mínima.
Un ejemplo concreto de control feedforward es el intercambiador de calor de la figura 1-1.2. Supóngase que las perturbaciones "más importantes" son la temperatura de entrada, $ T_i(t) $, y el flujo del proceso, $ f(t) $. Para implementar el control feedforward primero se deben medir estas dos perturbaciones y después debe tomarse una decisión acerca de cómo manipular la válvula de vapor para compensarlas. En la figura 1-5.2 se presenta esta estrategia de control. El controlador feedforward toma la decisión de cómo manipular la válvula de vapor para mantener la variable controlada en su referencia con base en la temperatura de entrada y el flujo del proceso.
\begin{figure}[h]
\centering
\includegraphics[width=0.7\textwidth]{figura1-5-2.png}
\caption{Sistema de control feedforward del intercambiador de calor.}
\label{fig:feedforward}
\end{figure}
En la sección 1-2 se señaló que existen varios tipos de perturbaciones. El sistema de control feedforward que se muestra en la figura 1-5.2 sólo compensa dos de ellas. Si cualquier otra perturbación entra al proceso, esta estrategia no compensará su efecto y el resultado será una desviación permanente de la variable controlada respecto a la referencia. Para evitar esta desviación, es necesario agregar una compensación por retroalimentación al control feedforward, como se muestra en la figura 1-5.3. El control feedforward ahora compensa las perturbaciones "más importantes", mientras que el control por retroalimentación compensa las otras perturbaciones.
\begin{figure}[h]
\centering
\includegraphics[width=0.7\textwidth]{figura1-5-3.png}
\caption{Control feedforward con compensación por retroalimentación del intercambiador de calor.}
\label{fig:feedforward_compensado}
\end{figure}
En general, las estrategias de control avanzadas son más costosas que el control por retroalimentación en cuanto a equipo, poder de cómputo y mano de obra necesaria para diseñarlas, implementarlas y mantenerlas. Por lo tanto, los costos deben justificarse (seguridad y economía) antes de implementarlas. El mejor procedimiento es diseñar e implementar primero una estrategia de control sencilla, teniendo en mente que si no resulta satisfactoria entonces se justifica una estrategia más avanzada. Es importante, sin embargo, tener presente que estas estrategias avanzadas aún requerirán compensación por retroalimentación.
\section{Bases necesarias para el control de procesos}
Para tener éxito en la práctica del control automático de procesos, el ingeniero debe entender primero los principios de la ingeniería de procesos. Por consiguiente, en este libro se supone que el lector está familiarizado con los principios básicos de termodinámica, flujo de fluidos, transferencia de calor, procesos de separación, procesos de reacción, etcétera.
Para el estudio del control de procesos también es fundamental entender el comportamiento dinámico de los procesos. Desafortunadamente, la abrumadora mayoría de los planes de estudio de ingeniería química anteriores a este curso ha enfatizado el supuesto del estado estacionario. Por lo tanto, los estudiantes cuentan con una comprensión satisfactoria del comportamiento en estado estacionario de los procesos, pero no del comportamiento dinámico. Aunque analicemos y diseñemos procesos suponiendo un estado estacionario, los procesos rara vez operan bajo esta condición.
En el estudio del control de procesos es muy socorrido el uso de la transformada de Laplace. Esto simplifica de manera importante el análisis dinámico de procesos y sus sistemas de control. El capítulo 2 de este libro está dedicado al desarrollo y uso de la transformada de Laplace junto con un repaso del álgebra de números complejos.
Otra "herramienta" importante para el estudio y práctica del control de procesos es la simulación por computadora. Muchas de las ecuaciones desarrolladas para describir los procesos son de naturaleza no lineal y, en consecuencia, la forma más exacta de resolverlas es mediante métodos numéricos; lo anterior significa una solución por computadora. A la solución por computadora de los modelos de procesos se le llama simulación.
\section{Resumen}
En este capítulo se explicó la necesidad del control automático de procesos. Los procesos industriales no son estáticos, sino muy dinámicos; cambian de manera continua debido a muchos tipos de perturbaciones. Es principalmente debido a esta naturaleza dinámica que se necesitan sistemas de control para vigilar continua y automáticamente las variables que deben controlarse.
Los principios operativos de un sistema de control pueden resumirse con las tres iniciales M, D y A. M se refiere a la medición de las variables del proceso. D se refiere a la decisión que se toma con base en la medición de las variables del proceso. Finalmente, A se refiere a la acción que se debe realizar con base en la decisión tomada.
\section{Problemas}
\begin{enumerate}
\item Para los siguientes sistemas de control automático encontrados en la vida cotidiana, identifique los dispositivos que desempeñan las funciones de medición (M), decisión (D) y acción (A), y clasifique la función de acción como "activada/desactivada" ("On/Off") o "reguladora". Dibuje también un diagrama de instrumentación y proceso utilizando la simbología estándar ISA que se da en el apéndice A y determine si el control es por retroalimentación o del tipo feedforward.
\begin{enumerate}
\item Aire acondicionado/calefacción domésticos
\item Horno de cocina
\item Tostador
\item Sistema de aspersión automática contra incendios
\item Piloto automático de automóvil
\item Refrigerador.
\end{enumerate}
\item Diagrama de instrumentación: control automático de temperatura de ducha. Dibuje el diagrama de instrumentación y proceso de un sistema automático de control para regular la temperatura del agua de una ducha común; es decir, un sistema que haga automáticamente lo que usted hace cuando ajusta la temperatura del agua al tomar una ducha. Utilice los símbolos estándar de instrumentación ISA dados en el apéndice A. Identifique los dispositivos de medición (M), decisión (D) y acción (A) de su sistema de control.
\end{enumerate}
\end{document}

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