Controladores en Sistemas de Control.

1. REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA
INSTITUTO UNIVERSITARIO POLITÉCNICO
“SANTIAGO MARIÑO”
ESCUELA DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA
EXTENSIÓN MATURÍN
Controladores
Profesora: Realizado por:
Ing. Mariangela Pollonais. Kiklikian Juan. C.I.:19.662.582.
Maturín, agosto de 2014

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Índice:
Pág.
Introducción…………………………………………………………………………………………………………………… 3
Cuerpo Teórico:
 Esquema de un sistema de Control……………………………………………………………………… 4
 Definición de Controlador………………………..……………………………….………………………... 5
 Compensación de Adelanto……………………………..………………………….………………………. 5
 Compensación de Atraso………………..………………….……………………….………………………. 6
 Tipos de Controladores……………………………………………………………………………………….. 6
 Acciones de Control…………………………………………………………………………………………….. 9
 Ejemplos de Acciones de Control………………………………………………………………………… 11
Conclusión……………………………………………………………………………………………………………………… 12

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Introducción:
En la época previa al auge y desarrollo de la automatización industrial, en el campo
de la regulación y control eran los operarios los que, manualmente, realizaban las
modificaciones que su experiencia y buen criterio aconsejaban, para mantener la
variable de salida controlada, para alcanzar los resultados finales deseados. Hoy en día,
en las aplicaciones industriales, se utilizan los ordenadores como elemento de control.
El regulador o controlador constituye el elemento básico de un sistema de control, ya
que determina su comportamiento, condicionando la acción de los actuadores en
función de la señal de error obtenida.

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Esquema de un Sistema de Control:
Un esquema de un sistema de control es, básicamente, una estructura organizada
donde intervienen diversos elementos específicos con el propósito de controlar un sistema
determinado. En los sistemas básicos de control, se puede encontrar:
 Control por realimentación:
El control por realimentación (feedback) constituye la infraestructura básica de casi
todos los esquemas de control de procesos, corrigiendo las perturbaciones. El control por
realimentación mide la variable de proceso, la compara con el punto de ajuste y manipula
la salida en la dirección en que debe moverse el proceso para alcanzar el punto de ajuste.
 Control de adelanto:
El control adelantado (feedforward) es una estrategia usada para compensar los
disturbios en un sistema, antes que afecten la variable controlada. La idea es medir el
disturbio, predecir el efecto en el proceso y aplicar la acción correctiva correspondiente.
Usualmente se usa este esquema de control en combinación con el control por
realimentación (feedback).
 Control de relación:
El control de relación asegura que dos o más flujos se mantengan en la misma relación
aunque estos cambien. Se usa para obtener mezclas con una composición o propiedades
físicas específicas, para mezclas aire/combustible. El flujo controlado equivale al flujo
medido por el FT101 por algún valor previamente ajustado en FF102. Si la característica
física (densidad, viscosidad, etc.) es medida, un controlador PID puede ser usado para
manipular la válvula de relación.
 Control en cascada:
El controlador en cascada usa la salida del controlador primario para manipular el punto
de ajuste del controlador secundario. Este sistema se compone de dos estructuras de
control por realimentación. El lazo secundario debe tener influencia sobre el primario y, la
dinámica del proceso de este lazo deber ser más rápida que la del primero (por ejemplo
flujo y temperatura). Este esquema de control permite una respuesta rápida de control y
manipular independientemente los dos lazos si se requiere.

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 Control predominante:
El control predominante (override), permite seleccionar entre dos o más controladores,
la salida que actuará sobre el elemento final de control, dependiendo de la importancia que
se le dé a cada variable en el sistema. La realimentación externa evita que se salgan de
control cualquiera de las dos variables.
 Control adaptativo:
El control adaptativo es un sistema del cual se espera se adapte a los cambios en la
dinámica del proceso. Es un tipo de control para procesos no lineales y cambiantes en el
tiempo (envejecimiento del sistema, perturbaciones, etc).
Definición de Controlador:
El controlador es una componente del sistema de control que detecta los desvíos
existentes entre el valor medido por un sensor y el valor deseado o “set point”, programado
por un operador; emitiendo una señal de corrección hacia el actuador. Un controlador es
un bloque electrónico encargado de controlar uno
omás procesos. Al principio los controladores estaban formadosexclusivamente por
componentes discretos, conforme la tecnología
fuedesarrollándose se emplearon procesadores rodeados de memorias, circuitos de
entrada y salida. Actualmente los controladores integran todos los dispositivos
mencionados en circuitos integrados que conocemos con el nombre de
microcontroladores. Los controladores son los instrumentos diseñados para detectar y
corregir los errores producidos al comparar y computar el valor de referencia o “Set point”,
con el valor medido del parámetro más importante a controlar en un proceso.
Compensación de Adelanto:
Los compensadores en adelanto son dispositivos diseñados para crear un adelanto
de fase en el sistema y así cumplir con las especificaciones de comportamiento requeridas
en el proceso. La compensación de adelanto produce un mejoramiento razonable en la
respuesta transitoria y un cambio pequeño en la precisión en estado estable. Puede
acentuar los efectos del ruido de alta frecuencia. Se trata de las técnicas de compensación
de adelanto basadas en el enfoque de la respuesta. La función principal del compensador
de adelanto es volver a dar forma a la curva de respuesta en frecuencia a fin de ofrecer un

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ángulo de adelanto de fase suficiente para compensar el atraso de fase excesivo asociado
con los componentes del sistema fijo.
Compensación de Atraso:
Los compensadores en atraso son dispositivos diseñados incrementar la ganancia en
lazo cerrado, lo que hace que mejore el error en estado estacionario sin modificar de
manera significativa el transitorio del sistema, siempre y cuando se implemente de manera
adecuada. El efecto principal de la compensación en atraso es reducir la ganancia de alta frecuencia
(acrecentar la atenuación) en tanto que el ángulo de fase decrece en la región de frecuencia baja a
media (aumenta el atraso de fase). Asimismo, un compensador de atraso puede hacer que
disminuya el ancho de banda del sistema y/o los márgenes de ganancia, y en general puede
ocasionar que un sistema sea más lento. Generalmente se utiliza para mejorar el comportamiento
en estado estacionario (el error permisible o la precisión del sistema).
Tipos de Controladores:
En un sistema con un sistema de control, según sea la forma en que conteste el actuador,
distinguiremos distintos tipos de acciones de control, algunas de ellas solamente utilizarán
acciones llamadas básicas, aunque lo más común es que respondan mediante una
combinación de estas acciones básicas. En un sistema con un sistema de control, según sea
la forma en que conteste el actuador, distinguiremos distintos tipos de acciones de control,
algunas de ellas solamente utilizarán acciones llamadas básicas, aunque lo más común es
que respondan mediante una combinación de estas acciones básicas. Los tipos de
controladores pueden ser:
 Si/No: en este sistema el controlador enciende o apaga
la entrada y es utilizado, por ejemplo, en el alumbrado
público, ya que éste se enciendo cuando la luz
ambiental es más baja que un pre-destinado nivel de
luminosidad.

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 Proporcional (P): en este sistema la amplitud de la señal de entrada al
sistema afecta directamente la salida, ya no es solamente un nivel pre-destinado
sino toda la gama de niveles de entrada. Algunos sistemas automáticos de
iluminación utilizan un sistema P para determinar con que intensidad encender
lámparas dependiendo directamente de la luminosidad ambiental. Es el más
sencillo de los distintos tipos de control y consiste en amplificar la señal de error
antes de aplicarla a la planta o proceso.
La función de transferencia de este tipo de reguladores es una variable real,
denominada Kp (constante de proporcionalidad) que determinará el grado de
amplificación del elemento de control.
Si y(t) es la señal de salida (salida del controlador) y e(t) la señal de error (entrada al
controlador), en un sistema de control proporcional tendremos:
Que en el dominio de Laplace, será:
Por lo que su función de transferencia será:
 Proporcional derivativo (PD): en este sistema, la velocidad de cambio de la señal de
entrada se utiliza para determinar el factor de amplificación, calculando la derivada de
la señal. El controlador derivativo se opone a desviaciones de la señal de entrada, con
una respuesta que es proporcional a la rapidez con que se producen éstas.
Si consideramos que:
o y(t) = Salida diferencial.
o e(t) = Error (diferencia entre medición y punto de consigna [PC]. El PC no
es otra cosa que el nivel deseado al que queremos que vuelva el sistema)
o Td = Tiempo diferencial, se usa para dar mayor o menor trascendencia a
la acción derivativa.
La salida de este regulador es:
Que en el dominio de Laplace, será:
Por lo que su función de transferencia será:
 Proporcional integral (PI): este sistema es similar al anterior, solo que la señal se
integra en vez de derivarse. En estos reguladores el valor de la acción de control es
proporcional a la integral de la señal de error, por lo que en este tipo de control la

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acción varía en función de la desviación de la salida y del tiempo en el que se
mantiene esta desviación.
Si consideramos que:
o y(t) = Salida integral
o e(t) = Error (diferencia entre el valor medido medición y el punto de
consigna PC)
o Ti = Tiempo integral
La salida de este regulador es:
Que en el dominio de Laplace, será:
Por lo que su función de transferencia será:
 Proporcional integral derivativo (PID): este sistema combina los dos anteriores
tipos. Es un sistema de regulación que trata de aprovechar las ventajas de cada uno de
los controladores de acciones básicas, de manera, que si la señal de error varía
lentamente en el tiempo, predomina la acción proporcional e integral y, mientras que
si la señal de error varía rápidamente, predomina la acción derivativa. Tiene la ventaja
de ofrecer una respuesta muy rápida y una compensación de la señal de error
inmediata en el caso de perturbaciones. Presenta el inconveniente de que este sistema
es muy propenso a oscilar y los ajustes de los parámetros son mucho más difíciles de
realizar.
La salida del regulador viene dada por la siguiente ecuación:
Que en el dominio de Laplace, será:
Y por tanto la función de transferencia del bloque de control PID será:

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 Redes neuronales: este sistema modela el proceso de aprendizaje del cerebro
humano para aprender a controlar la señal de salida.
Acciones de Control:
La forma en la cual el controlador automático produce la señal de control se llama
“acción de control”. Los controladores automáticos comparan el valor real de salida de la
planta con la entrada de referencia, lo cual determina la desviación con la que el controlador
debe producir una señal de control que reduzca la desviación. Los miembros de la familia
de controladores PID, incluyen tres acciones: proporcional (P), integral (I) y derivativa (D).
Estos controladores son los denominados P, I, PI, PD y PID.
 Acción de control proporcional, da una salida del controlador que es proporcional
al error, es decir, u(t)=KP*e(t), que describe desde su función transferencia queda:
CP (s) = KP. Donde Kp es una ganancia proporcional ajustable. Un controlador
proporcional puede controlar cualquier planta estable, pero posee desempeño
limitado y error en régimen permanente (off-set).
 Acción de control integral, da una salida del controlador que es proporcional al error
acumulado, lo que implica que es un modo de controlar lento.

t
tdteKi
0
)(*)(U(t)
S
K
(s)Cp
La señal de control u(t) tiene un valor diferente de cero cuando la señal de error e(t) es
cero. Por lo que se concluye que dada una referencia constante, o perturbaciones, el error
en régimen permanente es cero.
 Acción de control proporcional-integral, se define mediante

t
tdte
Ti
K
tKp
0
)(*)()(U(t)
Donde Ti se denomina tiempo integral y es quien ajusta la acción integral. La función de
transferencia resulta:

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






Tps
Kp
1
1Cpi(s)
Con un control proporcional, es necesario que exista error para tener una acción de
control distinta de cero. Con acción integral, un error pequeño positivo siempre nos daría
una acción de control creciente, y si fuera negativa la señal de control seria decreciente.
Este razonamiento sencillo nos muestra que el error en régimen permanente será siempre
cero.
 Acción de control proporcional-derivativa, se define:
dt
tde
TdKptKpe
)(
**)(U(t) 
Donde Td es una constante de denominada tiempo derivativo. Esta acción tiene
carácter de previsión, lo que hace más rápida la acción de control, aunque tiene la
desventaja importante que amplifica las señales de ruido y puede provocar saturación en
el actuador. La acción de control derivativa nunca se utiliza por sı sola, debido a que solo es
eficaz durante periodos transitorios. La función transferencia de un controlador PD resulta:
TdKpsKp **(s)CPD 
Por ejemplo, si durante la conducción de un automóvil, de repente, se produce alguna
situación anómala (como un obstáculo imprevisto en la carretera, u otro vehículo que
invade parcialmente nuestra calzada), de forma involuntaria, el cerebro envía una respuesta
casi instantánea a las piernas y brazos, de forma que se corrija velocidad y dirección de
nuestro vehículo para sortear el obstáculo. Si el tiempo de actuación es muy corto, el
cerebro tiene que actuar muy rápidamente (control derivativo) y, por tanto, la precisión en
la maniobra es muy escasa, lo que derivará a efectuar movimientos muy bruscos de forma
oscilatoria. Estos movimientos bruscos pueden ser causa un accidente de tráfico. En este
caso, el tiempo de respuesta y la experiencia en la conducción (ajuste del controlador
derivativo) harán que el control derivativo producido por el cerebro del conductor sea o no
efectivo.
 Acción de control proporcional-integral-derivativa, esta acción combinada reúne
las ventajas de cada una de las tres acciones de control individuales. La ecuación de
un controlador con esta acción combinada se obtiene mediante:

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dt
tde
TdKptdte
Ti
K
tKpe
t
)(
**)()()(U(t)
0
 
Y su función transferencia resulta:






 Tds
Tis
Kp *
1
1(s)CPID
Como ejemplo de un sistema de control PID, podemos poner la conducción de un
automóvil.
Ejemplos de Acciones de Control:
 Considerando el sistema de control del nivel de líquido de la siguiente figura, en
donde se usa una válvula electromagnética para
controlar el flujo de entrada. Esta válvula está
abierta o cerrada. Con este control de
dos posiciones, el flujo de entrada del agua es una
constante positiva o cero.
 Se desea controlar el caudal de un flujo de entrada en un reactor químico. En primer
lugar se tiene que poner una válvula de control del caudal de dicho flujo, y un
caudalímetro, con la finalidad de tener una medición constante del valor del caudal
que circule. El controlador irá vigilando que el caudal que circule sea el establecido
por nosotros; en el momento que detecte un error, mandará una señal a la válvula
de control de modo que esta se abrirá o cerrará corrigiendo el error medido. Y
tendremos de ese modo el flujo deseado y necesario. El PID es un cálculo
matemático, lo que envía la información es el PLC.
 Se desea mantener la temperatura interna de un reactor químico en su valor de
referencia. Se debe tener un dispositivo de control de la temperatura (puede ser un
calentador, una resistencia eléctrica,...), y un sensor (termómetro). El P, PI o PID irá
controlando la variable (en este caso la temperatura). En el instante que esta no sea
la correcta avisará al dispositivo de control de manera que este actúe, corrigiendo
el error. De todos modos, lo más correcto es poner un PID; si hay mucho ruido, un
PI, pero un P no nos sirve mucho puesto que no llegaría a corregir hasta el valor
exacto.

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Conclusión:
Un controlador es un bloque electrónico encargado de controlar uno
omás procesos. Al principio los controladores estaban formadosexclusivamente por
componentes discretos, conforme la tecnología
fuedesarrollándose se emplearon procesadores rodeados de memorias, circuitos de
entrada y salida. Actualmente los controladores integran todos los dispositivos
mencionados en circuitos integrados que conocemos con el nombre de
microcontroladores. Los controladores son los instrumentos diseñados para detectar y
corregir los errores producidos al comparar y computar el valor de referencia con el valor
medido del parámetro más importante a controlar en un proceso.