Table Of Contenten
Departamento de Ingeniería Química.
University ofS outh Florida.
Departamento de Ingeniería Química "Gordon A. and Mary Cain ".
Louisiana State University
Smith, Carlos A.
Control automático de procesos : Teoría y práctica 1
Carlos A. Smith, Armando B. Corripio. --2a. ed. -
México : Limusa Wiley, 2014
xx; 766 pp.: il.; 23 x 17 cm.
ISBN: 978-607-05-0721-2
Rústica
1. Control de prm::esos químicos --Automatización
l. Corripio, Armando B., cout.
Dewey: 660.281 '5 1 22 / S6421 c LC: TP155.75
VERSIÓN AUTORIZADA EN ESPAÑOL DE LA EDICIÓN EN INGLÉS, DISEÑO DE PORTADA: FERNANDO RODRÍGUEZ SÁNCHEZ
PUBLICADA CON EL TÍTULO: DISEÑO DE INTERIORES: SERVICIOS CORPORATIVOS
LIMUS, S.A. DE C.V.
PRINCIPLES ANO PRACTICE OF AUTOMATIC PROCESS
CONTROL
LA PRESENTACIÓN Y DISPOSICIÓN EN CONJUNTO DE
©JOHN WILEY & SONS, INC.
COLABORACIÓN EN LA TRADUCCIÓN: CONTROL AUTOMÁTICO DE PROCESOS.
TEORÍA Y PRÁCTICA
MARCO E. SANJUÁN
INGENIERO MECÁNICO POR LA UNIVERSIDAD DEL NORTE,
SON PROPIEDAD DEL EDITOR. NINGUNA PARTE DE ESTA OBRA
BARRANQUILLA, COLOMBIA.
PUEDE SER REPRODUCIDA O TRANSMITIDA, MEDIANTE NINGÚN
MAESTRÍA Y PH. D. EN CIENCIAS DE LA INGENIERÍA POR LA
SISTEMA O MÉTODO, ELECTRÓNICO O MECÁNICO (INCLUYENDO
UNIVERSITY OF SOUTH FLORIDA, TAMPA, FLORIDA.
EL FOTOCOPIADO, LA GRABACIÓN O CUALQUIER SISTEMA
PROFESOR Y DIRECTOR DEL DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA
DE RECUPERACIÓN Y ALMACENAMIENTO DE INFORMACIÓN), SIN
MECÁNICA, UNVERSIDAD DEL NORTE, BARRANQUILA, COLOMBIA.
CONSENTIMIENTO POR ESCRITO DEL EDITOR.
ALESSANDRO ANZALONE
DERECHOS RESERVADOS:
INGENIERO QUÍMICO POR LA UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL
POLITÉCNICA "ANTONIO JOSÉ DE SUCRE", BARQUISIMERO,
© 2014, EDITORIAL LIMUSA, SA DE C.V.
VENEZUELA.
GRUPO NORIEGA EDITORES
MAESTRÍA POR EL POLYTECHNIC INSTITUTE QF NEW YORK
BALDERAS 95, MÉXICO, D.F.
UNIVERSITY.
C.P. 06040
PH. D. EN INGENIERÍA QUÍMICA POR LA UNIVERSITY OF SOUTH 'E"/ (55) 51 30 07 00
FLORIDA, TAMPA, FLORIDA. l=l 01 (800) 706 91 00
PROFESOR Y DIRECTOR DE INGENIERÍA QUÍMICA, DIRECTOR DE LA ""'1 (55) 51 12 29 03
OFICINA DE INVESTIGACIÓN DE LA UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE <i/f¡¡ [email protected]
PUERTO RICO, SAN JUAN PUERTO RICO.
www.noriega.com.mx
CANIEM Núm. 121
SEGUNDA EDICIÓN EN ESPAÑOL
HECHO EN MÉXICO
ISBN: 978-607-05-0721-2
Este libro está dedicado con todo nuestro amor a Dios, nuestro Seño1~ que con sus
bendiciones diarias lo ha hecho posible.
A los Smith:
Para la "nueva generación": Sophia Cristina y Steven Christopher Livingston;
Carlos Alejandro y Nicolás Santos Smith.
Para la "vieja generación": Tim y Cristina Livingston; Carlos y Jennifer Smith.
Para la "generación más vieja": René y Terina Smith y.familia, quienes siempre están
dispuestos a ayudmé
y,
Para la "generación más querida": Mimi, con mi amor eterno y agradecimiento por ser lo
mejor que me ha sucedido en la vida.
Para la nueva generación de los Corripio:
Nicholas, Robert, Garrett, David y Roman.
A la memoria de nuestro mentor, Charles E. Janes, J1é
Y a nuestra querida patria, Cuba.
Esta nueva edición presenta algunos cambios, como la reorganización de material, nuevo mate
rial añadido y la eliminación de algunas partes. Sin embargo, el objetivo del libro continúa siendo
el mismo: presentar los fundamentos de la teoría de control y la práctica del control automático
de procesos.
CON ESTE LIBRO LOS ESTUDIANTES
• Desarrollar modelos matemátic~s de procesos dinámicos para el análisis, diseño y ope
ración de sistemas de control.
Entender cómo funcionan los componentes básicos de los sistemas de control.
• Diseñar y sintonizar controladores por retroalimentación.
• Aplicar diversas técnicas para mejorar el control por retroalimentación, entre las que se
incluyen control en cascada, control de relación, control override, control selectivo, con
trolfeedforward, control multivariable e interacción entre lazos de control.
• Dominar los fundamentos de la simulación dinámica de los sistemas de control utilizan
do MATLABMR y Simulink:MR.
• Se ha ampliado la exposición sobre el desarrollo de balances dinámicos (capítulo 3).
Presentamos y explicamos cómo desanollar modelos dinámicos para sistemas físicos
relacionándolos con los balances de estado estacionario, que conocen bien los estudian
tes. Esta presentación ayuda a familiarizar a los estudiantes con las ecuaciones diferen
ciales y aumenta su confianza.
Se pone un mayor énfasis en la seguridad y la calidad del producto en los ejemplos y pro
blemas, especialmente en los capítulos 9, 10 y 11 y en el apéndice E sobre estudios de
casos operativos.
• En todo el libro se han integrado problemas y ejemplos de modelaje y simulación por
computadora. Para una fácil identificación, los problemas que requieren simulación se
identifican con el icono de una computadora.
• El capítulo 13 presenta la simulación dinámica, los principios de la simulación de proce
sos y los componentes de control y de instrumentación. La mayoría de los problemas al
final de este capítulo proporcionan soluciones de simulación alternativas a los problemas
identificados con el icono de una computadora a lo largo del libro.
En el sitio del libro en la Red, el estudiante tiene a su disposición ejercicios de sintoni
zación muy realistas (apéndice D).
• Una presentación sobre el diseño de los sistemas de control a nivel de planta (plantwide
control) así como las instrucciones para su implementación con dos estudios de caso nue
vos (capítulo 12 y apéndice B).
• Dos estudios de caso nuevos sobre diseño (apéndice B).
Prefacio
Estudios de casos operativos (apéndice E).
• Una exposición más extensa sobre los sistemas de control distribuidos por sus
siglas en inglés) en el capítulo 10.
• El empleo de los símbolos recomendados por la Instrnmentation, Systems and Automa
tion Society (ISA) para diagramas conceptuales, los cuales eliminan la necesidad de dife
renciar entre la instrnmentación neumática, eléctrica o digital de los diversos esquemas
de control.
• Se ha eliminado en esta edición el material sobre control de computadora (capítulos 14 y
15) que incluye la transfonnada z, controladores discretos y la estabilidad de los sistemas
de control por muestreo porque se considera que son conceptos para un nivel superior.
Los cambios que hemos hecho en esta edición están más orientados a la práctica e implementa
ción de estrategias de control en la gran mayoría de las industrias.
PARA LA DE CONTROLADORES
El apéndice D describe algunos procesos para practicar la sintonización de controladores por retro
alimentación, controladores en cascada, controladores feedforward, y el apareamiento y sintoniza
ción de controladores en sistemas de control multivariable. Estas prácticas han sido utilizadas por
los autores en cursos universitarios y en cursos especiales para ingenieros en la industria durante
muchos años; las prácticas (Control Tuning Labs) están disponibles en el sitio del libro en la Red.
SIMULACIONES
La simulación dinámica de procesos es una técnica muy útil y realista para estudiar el compor
tamiento y desempeño de los sistemas de control de procesos. Muchos problemas en el libro
están marcados con el icono de una computadora que indica que pueden resolverse por medio
de la simulación.
En el capítulo 13 se explica cómo desarrollar simulaciones dinámicas con base en la técni
ca de modelaje dinámico desarrollada en los capítulos 3 y 4, y en los modelos de instrnmenta
ción desarrollados en el capítulo 5.
Se presentan dos métodos:
• Simulaciones de sistemas lineales utilizando la representación de funciones de transfe
rencia.
• Simulación de sistemas de control utilizando modelos basados en principios físicos.
Los ejemplos que se presentan utilizan el programa SimulinkMR que fonna parte de
MATLABMR porque es uno de los programas de simulación en bloque más poderosos, común
mente disponible para estudiantes e ingenieros. Todas las simulaciones en el libro, así como
otras en las que hemos utilizado VisSimrvrR, están disponibles en el sitio del libro en la Internet.
Prefacio ix
DEL CONTENIDO
El capítulo 1 explica cómo surge la necesidad del control automático de procesos, así como las
definiciones de algunos ténninos usados en el campo y los conceptos de control por retroali
mentación y control feedforward, sus ventajas y desventajas.
El capítulo 2 presenta las herramientas matemáticas usadas en el análisis y diseño de los sis
temas de control de procesos, la transfomrnda de Laplace y la linealización. Se hace énfasis en
la determinación de las características cuantitativas de la respuesta de los procesos -tiempo de
asentamiento, frecuencia de oscilación y razón de amortiguamiento-en vez de en la detennina
ción exacta de la respuesta analítica. Este enfoque permite al estudiante analizar la respuesta de
los sistemas dinámicos sin tener que llevar a cabo la tediosa evaluación de los coeficientes
mediante la expansión en fracciones parciales. El capítulo también presenta las respuestas de los
sistemas de primer orden, segundo orde'n y de orden superior.
Los capítulos 3 y 4 presentan el área general de la dinámica de procesos. La práctica del
control automático de procesos requiere, antes que nada, una comprensión cabal del comporta
miento dinámico y de estado estacionario de los procesos; éste es el primer objetivo de estos
capítulos. El desarrollo de los modelos matemáticos dinámicos de procesos -modelaje-es una
herramienta importante para el análisis, diseño y operación de los sistemas de control; el mode
laje es el segundo objetivo de los capítulos 3 y 4. Se ha añadido a este capítulo una sección
donde se demuestra a los estudiantes que el desarrollo de los modelos dinámicos o de estado no
estacionario se basa en los balances de estado estacionario que ya han aprendido anteriormente
en el curso de su formación como ingenieros. El desarrollo de estos modelos requiere el uso de
todos los aspectos de la ingeniería de procesos.
El capítulo 5 hace una breve presentación sobre sensores, transmisores y válvulas de con
trol, y una presentación muy detallada sobre los controladores por retroalimentación. Este capi
tulo se debe estudiar en conjunto con el apéndice donde se presentan los principios de
operación de los sensores, transmisores y válvulas de control más comunes.
Los capítulos 6 y 7 presentan el diseño y la sintonización de los controladores por retroali
mentación. El capítulo 6 también hace un análisis de la estabilidad de los lazos de control por
retroalimentación. Recalcamos el método de sustitución directa para determinar la ganancia últi
ma y el periodo último del lazo. Manteniendo el mismo espíritu del capítulo 2, los ejemplos y
problemas están relacionados con la detenninación de las características de la respuesta del lazo,
y no con la respuesta analítica exacta. En varios ejemplos y problemas se emplea la simulación.
El capítulo 8 hace una breve introducción a la técnica del lugar de las raíces y una presen
tación detallada de la técnica de respuesta de frecuencia así como su uso para el análisis y estu
dio de la estabilidad en los sistemas de control.
Los capítulos 9 a 12 examinan a detalle varias técnicas de control que complementan y opti
mizan el control por retroalimentación. El capítulo 9 ofrece una descripción detallada del con
trol en cascada, la cual incluye consideraciones de estabilidad, la sintonización del controlador
maestro y consideraciones para su implementación efectiva y exitosa. Esta técnica de control se
utiliza muy a menudo como parte de otras estrategias.
El capítulo 1O presenta las estrategias de control de relación, control override (o sobre
mando) y control selectivo; todas estas estrategias se presentan utilizando ejemplos industriales.
X Prefacio
Este capítulo establece con claridad que el control overríde y el control selectivo se utilizan
comúnmente como estrategias de protección para mantener las variables del proceso dentro de los
límites para garantizar la seguridad del personal y del equipo, así como la calidad del producto.
También se presenta un ejemplo de control de relación para demostrar los aspectos de la seguridad
de un proceso de combustión. Todos los ejemplos al final del capítulo son resultado de nuestra
experiencia en la industria. También se presentan en este capítulo los sistemas de control distri
buidos (DCS, por sus siglas en inglés) y las diferentes maneras de programarlos o configurarlos.
El capítulo 11 presenta un análisis completo del control feedforward. Contiene una expli
cación detallada de los controladores feedforward lineales y no lineales. Incluye muchos ejem
plos de procesos industriales donde esta estrategia ha sido exitosa.
El capítulo 12 presenta los temas de control multivariable y la interacción del lazo de con
trol. La presentación sobre el cálculo de la matriz de ganancias relativas (RGM, por sus siglas
en inglés) y el diseño de desacopladores es igual a la exposición presentada en la edición ante
rior. La sección 12-6 es nueva y plantea la necesidad del control a nivel de planta; aquí se des
criben algunos lineamientos cuyo objetivo es reducir la tarea del diseño de sistemas de control
a nivel de planta. En al apéndice B se describen algunos procesos más para llevar a la práctica
estos lineamientos en el diseño de sistemas de control de un proceso completo.
El capítulo 13 presenta los fundamentos de la simulación dinámica de los sistemas de con
trol de procesos utilizando MATLAB. Se presentan dos métodos diferentes: la simulación de las
funciones de transferencia lineales de procesos y controladores, y la simulación más básica de
los modelos matemáticos de procesos en el dominio del tiempo. Este último método enfatiza la
importancia de usar las condiciones iniciales correctas para que la respuesta de proceso comien
ce en estado estacionario. Muchos profesores de control automático de procesos utilizan el curso
como un oportunidad para enseñar a los estudiantes las elegantes e interesantes manipulaciones
algebraicas que el uso de la transformada de Laplace nos ofrece, pero muchos otros prefieren
concentrarse en los aspectos, igualmente interesantes, del análisis y diseño de los sistemas de
control, evitando el álgebra. Probablemente los profesores del segundo grupo prefieran presen
tar primero el capítulo 13 y utilizar luego la simulación en vez del álgebra para estudiar la res
puesta de los procesos de los capítulos 3 y 4, y de los sistemas de control de los capítulos 7, 1O ,
11 y 12. Para facilitar este enfoque, los ejemplos y problemas en el capítulo 13 tienen como base
la simulación de procesos en los ejemplos y problemas de todo el libro. Todas estas simulacio
nes están disponibles en el sitio del libro en la Red.
Al igual que en la edición anterior, el apéndice A presenta los símbolos y nomenclatura que
se utilizan comúnmente en la instrumentación y en los diagramas de control. En este libro
empleamos los símbolos recomendados por la Instrumentation Society of America para
los diagramas conceptuales, evitando de esta manera diferenciar entre las aplicaciones de siste
mas neumáticos, eléctricos y basados en computadora de los diferentes esquemas de control. Por
lo tanto, todas las señales relacionadas con la instrumentación se expresan en porcentaje del
rango en vez de en mA o psig.
El apéndice B continúa con el tema del control a nivel de planta que se aborda en la sec
ción 12-6. El apéndice comienza con un ejemplo donde se detalla la puesta en práctica de los
Prefacio Xi
criterios que se describen en la sección 12-6; enseguida se exponen varios estudios de caso para
practicar el diseño de sistemas de control para procesos completos.
El apéndice D así como el sitio del libro en la Red presentan diversos procesos para prac
ticar las técnicas descritas en los capítulos 7, 9, 11y12; es decir, ejemplos para sintonizar con
troladores por retroalimentación, controladores en cascada, controladores feedforward y las
técnicas de control multivariable. Estas prácticas, desanolladas con Lab VIEWMR, están dispo
nibles en el sitio del libro en la Red.
El apéndice E presenta cinco casos que integran el material presentado en los capítulos 5, 6
y 7. Estos casos están escritos para reflejar una situación industrial a la que pudiera enfrentarse
un joven ingeniero.
RECURSOS DISPONIBLES PARA ,EL ESTUDIANTE
Los estudiantes que adquieran este libro tienen a su disposición los siguientes recursos en la
dirección www.noriegadigital.com.
• Simulaciones: simulaciones de los ejemplos en el libro y otras utilizando VisSimMR.
Prácticas para la sintonización de controladores los autores
han desanollado varios procesos (descritos en el apéndice D) para practicar la sintoniza
ción de controladores por retroalimentación, controladores en cascada, controladores
feedforward, y el apareamiento y la sintonización de controladores en un sistema multi
variable. Estas prácticas han sido utilizadas por los autores durante muchos años en cur
sos universitarios y de capacitación para ingenieros en la industria. Fueron desanolladas
utilizando LabVIEWMR, un producto de National InstrnmentsMR.
El sitio del libro en la Red ofrece un Lab VIEW PlayerMR gratuitamente para que los estudian
tes puedan visualizar las prácticas.
RECURSOS DISPONIBLES PARA LOS PROFESORES
Todas las simulaciones del libro, los ejemplos y soluciones de los problemas, al igual que las
simulaciones que utilizan VisSimMR están disponibles en el sitio del libro en la Red.
Asimismo, los profesores que adopten este libro para sus cursos tienen a su disposición:
Manual de soluciones
• Galería de con las del texto
• Ilustraciones del texto en formato PowerPoint
• Prácticas para la sintonización de controladores
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