CONTROL 

EN CASCADA
APLICADO A UN:

NIVEL EN UN TANQUE

PROFESOR:  ING. JUAN CARLOS COPA
 FUNDAMENTOS DEL CONTROL EN CASCADA
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A veces, dos controladores pueden hacer un mejor

trabajo al mantener una variable de proceso donde la
desee.

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Cuando hay varios sensores disponibles para medir

condiciones en un proceso controlado, un sistema de
control en cascada a menudo puede funcionar mejor
que un controlador tradicional de medición única.

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ESQUEMA DE UN PROCESO DE NIVEL  EN TANQUE 

PROCESO DE NIVEL 
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PROCESO DE NIVEL  EN TANQUE 

Para manipular la altura del liquido en el tanque, se

tiene que actuar sobre el caudal que pasa por la
válvula de control V-1, abriendo o cerrado la válvula.

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CONTROL DE UN PRODESO DE NIVEL  

Si consideramos la presión en la entrada de la válvula

V-1, se puede hacer una relación del caudal que
depende de la presión de entrada por la abertura de la
válvula.

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CONTROL DE UN PRODESO DE NIVEL  

Con la instalación de un medidor de Caudal, en la

tubería de ingreso al tanque a la salida de la válvula V-
1, se realiza un control secundario de caudal, para
controlar los cambios de perturbación de carga en la
presión de entrada. De tal manera que se garantice
siempre tener el caudal que se desea en la entrada del
tanque.

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CONTROL EN CASCADA, VARIABLES NIVEL Y CAUDAL DE UN PRODESO DE NIVEL  

El caudal que se desea, es aquel caudal que llena el

tanque en el nivel que se necesita, por lo tanto se hace
indispensable que el control de nivel, le dé el setpoint
al control de caudal.

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CONTROL DE UN CALENTADOR DE AGUA

Se muestra un controlador tradicional que mide la temperatura

dentro del tanque y manipula la abertura de la válvula de vapor
para agregar más o menos calor a medida que el agua entrante
perturba la temperatura del tanque. Esta disposición funciona lo
suficientemente bien si el suministro de vapor y la válvula de vapor
son lo suficientemente consistentes para producir otro cambio de
X% en la temperatura del tanque cada vez que el controlador
solicita otro cambio de Y% en la abertura de la válvula.

CALENTADOR DE AGUA
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CONTROL DE UN CALENTADOR DE AGUA, VARIABLE TEMPERATURA

CALENTADOR DE AGUA
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O bien, la válvula de vapor podría comenzar a pegarse a medida

que la fricción pasa factura mecánica con el tiempo. Eso alargaría
el tiempo requerido para que la válvula se abra en la medida
requerida por el controlador y reduciría la velocidad a la que
cambia la temperatura del tanque en respuesta a un esfuerzo de
control dado.

CALENTADOR DE AGUA
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CAUDAL DE VAPOR
El sistema de control en cascada podría resolver estos dos
problemas.

Un segundo controlador se hace cargo de la manipulación de la

apertura de la válvula en función de las mediciones de un segundo
sensor que controla el caudal de vapor.

En lugar de dictar qué tan ampliamente debe abrirse la válvula, el

primer controlador ahora le dice al segundo controlador cuánto
calor desea en términos de un caudal de vapor deseado.

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CAUDAL DE VAPOR

El segundo controlador manipula la abertura de la válvula hasta

que el vapor fluya a la velocidad solicitada. Si esa tasa resulta ser
insuficiente para producir la temperatura deseada del tanque, el
primer controlador puede solicitar una tasa de flujo más alta, lo que
induce al segundo controlador a proporcionar más vapor y más
calor (o viceversa).

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CAUDAL DE VAPOR

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CAUDAL DE VAPOR

Eso puede parecer una forma complicada de lograr el mismo

resultado que el primer controlador podría lograr por sí solo, pero
un sistema de control en cascada debería ser capaz de
proporcionar una compensación mucho más rápida cuando se
altera el flujo de vapor.

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CAUDAL DE VAPOR

En la disposición original del controlador único, una caída en la

presión del suministro de vapor primero tendría que bajar la
temperatura del tanque antes de que el sensor de temperatura
pudiera notar la perturbación.

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CAUDAL DE VAPOR

Con el segundo controlador y el segundo sensor en el trabajo, la

tasa de flujo de vapor se puede medir y mantener de manera
mucho más rápida y precisa, permitiendo que el primer controlador
trabaje con la creencia de que sea cual sea el caudal de vapor que
quiera, de hecho, sin importar lo que suceda con la presión del
vapor.

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CAUDAL DE VAPOR

El segundo controlador también puede proteger al primer

controlador del deterioro del rendimiento de la válvula. Es posible
que la válvula todavía se desacelere a medida que se desgasta o
se pega, y el segundo controlador podría tener que trabajar más
duro como resultado, pero el primer controlador no se vería
afectado mientras el segundo controlador sea capaz de mantener
el flujo de vapor en el nivel requerido.

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CAUDAL DE VAPOR

Sin la aceleración que ofrece el segundo controlador, el primer

controlador vería el proceso cada vez más lento. Es posible que
aún pueda alcanzar la temperatura deseada del tanque por sí solo,
pero a menos que un operador perceptivo note el efecto y lo
reajuste para que sea más agresivo al responder a las
perturbaciones en la temperatura del tanque, también se volvería
más y más lento.

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CAUDAL DE VAPOR

Del mismo modo, el segundo controlador puede suavizar cualquier

peculiaridad o falta de linealidad en el rendimiento de la válvula,
como un orificio que es más difícil de cerrar que de abrir. Es posible
que el segundo controlador tenga que luchar un poco para lograr el
caudal de vapor deseado, pero si puede hacerlo lo suficientemente
rápido, el primer controlador nunca verá los efectos del
comportamiento peculiar de la válvula

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ELEMENTOS DE CONTROL EN CASCADA.

El diagrama de bloques de control en cascada muestra un sistema

de control en cascada genérico con dos controladores, dos
sensores y un actuador que actúan sobre dos procesos en serie.
Un controlador primario o maestro genera un esfuerzo de control
que sirve como punto de ajuste para un controlador secundario o
esclavo. Ese controlador a su vez usa el actuador para aplicar su
esfuerzo de control directamente al proceso secundario.
El proceso secundario genera una variable de proceso secundario
que sirve como esfuerzo de control para el proceso primario.

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ELEMENTOS DE CONTROL EN CASCADA.

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ELEMENTOS DE CONTROL EN CASCADA.

La geometría de este diagrama de bloques define un bucle interno

que involucra al controlador secundario y un bucle externo que
involucra al controlador primario.

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ELEMENTOS DE CONTROL EN CASCADA.

El bucle interno funciona como un sistema de control de
retroalimentación tradicional con un punto de ajuste, una variable
de proceso y un controlador que actúa en un proceso mediante un
actuador.

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El bucle externo hace lo mismo excepto que usa todo el bucle

interno como su actuador.

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El controlador de temperatura del tanque sería primario ya que

define el punto de ajuste que el controlador de flujo de vapor debe
alcanzar.

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El agua en el tanque, la temperatura del tanque, el vapor y la tasa

de flujo de vapor sería el proceso primario, la variable del proceso
primario, el proceso secundario y la variable del proceso
secundario, respectivamente (consulte el Diagrama de bloques de
control en cascada). La válvula que utiliza el controlador de flujo de
vapor para mantener el caudal de vapor sirve como actuador que
actúa directamente en el proceso secundario e indirectamente en el
proceso primario.

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REQUISITOS

Naturalmente, un sistema de control en cascada no puede resolver

todos los problemas de control de retroalimentación, pero puede
resultar ventajoso si en las circunstancias correctas:
• El bucle interno tiene influencia sobre el bucle externo. Las
acciones del controlador secundario deben afectar la variable
del proceso primario de una manera predecible y repetible;
de lo contrario, el controlador primario no tendrá ningún
mecanismo para influir en su propio proceso.

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REQUISITOS

• El bucle interno es más rápido que el bucle externo. El proceso

secundario debe reaccionar a los esfuerzos del controlador
secundario al menos tres o cuatro veces más rápido que el
proceso primario al controlador primario. Esto le da al
controlador secundario suficiente tiempo para compensar las
perturbaciones del bucle interno antes de que puedan afectar el
proceso primario.

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REQUISITOS

• Las perturbaciones del bucle interno son menos graves que las
perturbaciones del bucle externo. De lo contrario, el controlador
secundario corregirá constantemente las perturbaciones del
proceso secundario y no podrá aplicar esfuerzos correctivos
consistentes al proceso primario.

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REQUISITOS

Los calentadores de agua alimentados con vapor, como en el

ejemplo, son particularmente susceptibles de control en cascada
porque al aumentar o disminuir la velocidad del flujo de vapor
aumenta o disminuye la temperatura del tanque sin actuadores
adicionales, una válvula puede manipular una velocidad de flujo de
vapor casi instantáneamente en comparación con el ritmo lento
donde el vapor puede calentar el agua en un tanque grande, y las
perturbaciones en la presión del suministro de vapor son
relativamente poco frecuentes y fácilmente compensadas por el
controlador de flujo de vapor.
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DIAGRAMA DE BLOQUES DE CONTROL EN CASCADA

Un sistema de control en cascada reacciona a los fenómenos

físicos que se muestran en azul y procesa los datos que se
muestran en verde.

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DIAGRAMA DE BLOQUES DE CONTROL EN CASCADA

 Punto de ajuste - temperatura deseada para el agua en el tanque

 Controlador primario (maestro): mide la temperatura del agua en
el tanque y le pide al controlador secundario más o menos calor
 Controlador secundario (esclavo): mide y mantiene el caudal de
vapor directamente
 Actuador - válvula de flujo de vapor
 Proceso secundario: vapor en la línea de suministro

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DIAGRAMA DE BLOQUES DE CONTROL EN CASCADA

 Perturbaciones del lazo interno: fluctuaciones en la presión del

suministro de vapor
 Proceso primario - agua en el tanque
 Alteraciones del circuito externo: fluctuaciones en la temperatura
del tanque debido a condiciones ambientales no controladas,
especialmente fluctuaciones en la temperatura de entrada
 Variable del proceso secundario: caudal de vapor
 Variable primaria del proceso - temperatura del agua del tanque

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DESAFÍOS

El control en cascada también puede tener sus inconvenientes. Lo

más notable es que el sensor y el controlador adicionales tienden a
aumentar los costos generales del equipo. Los sistemas de control
en cascada también son más complejos que los controladores de
medición única, que requieren el doble de ajuste. Por otra parte, el
procedimiento de ajuste es bastante sencillo: primero ajuste el
controlador secundario, luego el controlador primario utilizando las
mismas herramientas de ajuste aplicables a los controladores de
medición única.

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DESAFÍOS

Sin embargo, si el ajuste del bucle interno es demasiado agresivo y

los dos procesos operan en escalas de tiempo similares, los dos
controladores pueden competir entre sí hasta el punto de hacer que
el sistema de bucle cerrado sea inestable. Afortunadamente, esto
es poco probable si el bucle interno es inherentemente más rápido
que el bucle externo o si la afinación lo obliga a ser.

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DESAFÍOS

Y no siempre está claro cuándo el control en cascada valdrá la

pena el esfuerzo y los gastos adicionales. Hay varios ejemplos
clásicos que generalmente se benefician del control en cascada,
que a menudo implica un caudal como la variable del proceso
secundario, pero generalmente es más fácil predecir cuándo un
sistema de control en cascada no ayudará que predecir cuándo lo
hará.

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CONCEPTOS CLAVE:

Cuando más de un elemento puede afectar una sola variable de

proceso, tratar cada uno por separado puede hacer que el proceso
sea más fácil de controlar.
Una variable de proceso que depende de más de una medición
podría necesitar más de un controlador.

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REFERENCIAS
[1] Jean‐François DULHOSTE, Control de Procesos para Ingenieros
[2] Vance VanDoren, PhD, Control Engineering, Fundamentals of 
cascade control
[3] Sergio A. Castaño,  Control en Cascada