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Estrategia de control en cascada para regular el nivel de líquido en una estación
de procesos didáctica.

Cascade control strategy to regulate the liquid level in a didactic process station

Diego Fernando Pichoasamin Morales1 , Vicente Paul Astudillo Cortez2 , William Germánico
Yugcha Quinatoa3 , Pablo Cesar Catota Ocapana4 , Byron Daniel Benalcázar Lopez5

1Instituto Tecnológico Universitario Rumiñahui, diego.pichoasamin@ister.edu.ec, Sangolquí, Ecuador.
2Instituto Tecnológico Universitario Rumiñahui, paul.astudillo@ister.edu.ec, Sangolquí, Ecuador.
3Instituto Tecnológico Universitario Rumiñahui, william.yugcha@ister.edu.ec, Sangolquí, Ecuador.
4Instituto Tecnológico Universitario Rumiñahui, pablo.catota@ister.edu.ec, Sangolquí, Ecuador.
5Instituto Tecnológico Universitario Rumiñahui, byron.benalcazar@ister.edu.ec, Sangolquí, Ecuador.

Autor para correspondencia: diego.pichoasamin@ister.edu.ec

Fecha de recepción: 2023.03.17 Fecha de aceptación: 2023.05.16

Fecha de publicación: 2023.07.10

RESUMEN

Se analizó información sobre el control en procesos industriales y las técnicas empleadas para
lograr la estabilidad en la regulación del nivel de líquido en un reservorio, se examinó la respuesta
que presenta la variable de la salida del proceso frente a una perturbación en la planta y las ventajas
que brindan el uso de las estrategias de control en procesos industriales. El objetivo es implementar
una estrategia de control en cascada para regular el nivel de líquido en un reservorio de un módulo
didáctico. Se aplicó el método deductivo para analizar la información de técnicas y estrategias de
control de procesos en los artículos citados. Resultó un diseño de una estrategia cascada
desarrollada en dominio de la frecuencia e implementación en un módulo didáctico para controlar
el nivel de líquido a partir de la variable de flujo del proceso. Se concluyó que la aplicación de una
estrategia en cascada para el control de nivel de líquido genera un proceso estable y de corrección
rápida frente a perturbaciones, partiendo de las técnicas de control proporcional integral PI.

Palabras clave: perturbación; controlador; proceso; nivel; flujo

ABSTRACT

Information on industrial process control and the techniques used to achieve stability in the
regulation of the liquid level in a reservoir was analyzed, the response of the process output variable
to a disturbance in the plant was examined, as well as the advantages of using control strategies in
industrial processes. The objective is to implement a cascade control strategy to regulate the liquid
level in a reservoir of a didactic module. The deductive method was applied to analyze the
information on process control techniques and strategies in the cited articles. It resulted in a design
of a cascade strategy developed in frequency domain and implemented in a didactic module to
control the liquid level from the process flow variable. It was concluded that the application of a

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cascade strategy for liquid level control generates a stable and fast correction process against
disturbances, based on PI integral proportional control techniques.

Key words: disturbances, controller, process, level, flow

INTRODUCCIÓN

A nivel mundial existe una gran cantidad de plantas industriales de procesamiento de alimentos,

sistemas de purificación agua, lácteos, bebidas, entre otros sectores, que manejan diferentes

variables de control como nivel, flujo, temperatura, presión entre otras (Gurjar, Chaudhari, and

Kurode 2021). El nivel de líquido en un reservorio es un parámetro importante en los procesos

industriales, considerando que debe mantenerse el nivel deseado para que el proceso funcione sin

problemas y obtener productos de calidad, como en las plantas de energía nuclear y plantas de

tratamiento de agua. Un factor predominante que afecta la estabilidad de los procesos de control es

el tiempo de retardo que existe en alcanzar la referencia deseada frente al valor real medido,

cambios que se presentan debido a perturbaciones o variaciones en el proceso (Urrea and Páez

2021).

El problema radica en los diversos tipos de técnicas y formas existentes para realizar el control de

procesos de nivel de líquidos, que generan una variación en el tiempo de estabilidad y respuesta

frente a perturbaciones o cambios en el nivel de referencia deseado, siendo necesario desarrollar

una estrategia de control que mejore las características de estabilidad del proceso. El objetivo es

analizar la información de técnicas y estrategias de control de procesos industriales que permitan

diseñar e implementar un control para regular el nivel de líquido del tanque de un módulo didáctico.

En aplicaciones de control de nivel industrial, las técnicas de control de la familia Proporcional,

Integral y/o Derivativa son ampliamente utilizadas para regular el nivel de líquido, debido a su

simplicidad en el diseño e implementación, motivo por el cual mejoras en el rendimiento e

implementación de estas técnicas generan un ahorro en costo y tiempo de producción, viéndose un

mayor impacto en volúmenes industriales (Kar and Roy 2018).

Se emplea el método deductivo para examinar la información de diversos artículos de revistas y

conferencias referente al control de procesos industriales que regulan la magnitud de nivel de

líquido y la aplicación de la estrategia en cascada a partir de la relación directa entre el flujo de

líquido que circula por las líneas de tuberías y el nivel de líquido deseado en el reservorio.

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Las técnicas de control P, PI o PID operan en un solo lazo de control y a partir de ellas se establecen

estrategias de control, que ofrecen una mayor rapidez de estabilidad frente a perturbaciones, como

es el caso de la estrategia Cascada, que basa su funcionamiento en dos lazos de control, un externo

denominado maestro y un interno como esclavo, la interacción entre los lazos se enfoca en un

rendimiento óptimo mediante la regulación de variables claves para el control del sistema(Flores

García et al. 2021).

La importancia del control cascada radica en las caracteristicas de robustes y velocidad de respuesta

que brinda al proceso, disminuye los efectos de disturbios internos de entrada o salida del proceso,

corrige las alinealidades e incertidumbres del lazo interno. En el diseño de control Cascada, se

establece a la variable nivel en el lazo externo y al flujo como variable interna, considerando que el

flujo responde más rápido frente a una perturbación y tiempos muertos, bajo esa primicia se establece

en el diseño que la salida del controlador de nivel es el punto de ajuste para el controlador de flujo

(Bequette 2019).

En la implementación se determinó que, ante una perturbación o disminución del flujo que atraviesa la

línea de tubería, esta genera una variación en el nivel de agua del reservorio; mediante la estrategia de

control Cascada en el instante en que se detecta la variación de flujo, el sistema controla la velocidad

de bombeo, haciendo una corrección inmediata y manteniendo el nivel deseado en el reservorio, lo que

genera un sistema más robusto frente a perturbaciones; particular que no sucede con las técnicas de

control de un solo lazo, que esperan se refleje un cambio en el nivel de líquido del reservorio para

actuar, lo que con lleva a un incremento en el tiempo de detección del error e incremento de tiempo en

la estabilización del proceso.

Se concluye que es factible diseñar e implementar la estrategia de control en cascada para regular el

nivel de líquido en un reservorio, partiendo del modelamiento de la planta desarrollado en el software

de Matlab y mediante la interacción entre las técnicas de control de un solo lazo, viéndose reflejada en

la acción inmediata del controlador hacia los actuadores y la rápida respuesta del proceso frente a

perturbaciones de la planta.

MATERIALES Y MÉTODOS

El módulo didáctico empleado para la implementación del control de nivel mediante la estrategia

en Cascada fue la estación PS-2800 del Sistema de entrenamiento en automatización CIM2000,

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que se dispone en países de Latinoamérica como Perú y Ecuador. La estación PS2800 a partir de

su diseño permite manipular y desarrollar el control de variables de nivel, flujo, temperatura y

presión. Para desarrollar el modelamiento matemático de la planta y algoritmo de control se empleó

la plataforma de Matlab, que permitió realizar el cálculo para el diseño de controladores de orden

fraccionario, ya que brinda las herramientas para sintonizar, aproximar, discretizar e implementar

controladores en el dominio de la frecuencia(Dastjerdi et al. 2019).

El control de nivel de líquido se lo puede realizar a través de diferentes métodos y técnicas de

control, siendo los más usados controladores de la familia PID, donde la acción de control

proporcional “P” dada por el error actual entre el valor deseado y el medido, acción integral “I”

que funciona en base al error pasado, y, acción derivada predice la tasa de cambio y mitiga el error

para que no ocurra en el futuro, al combinar estas acciones se diseñó la estrategia de control en

cascada(Ionescu et al. 2020)(Jadhav 2020). El diseño del algoritmo de control se ajusta a manipular

la potencia de la bomba de acuerdo con la magnitud del error entre el nivel de referencia(valor

deseado) y el nivel real, mientras mayor sea el error, la potencia de la bomba se incrementa, y,

viceversa a un error pequeño la potencia de la bomba disminuye, a partir de estas técnicas de control

se ha diseñado la estrategia de control en Cascada (YUMURTACI and VERİM 2020).

Primera fase: Descripción de componentes

La planta analizada presenta dos subsistemas de nivel 541 y flujo 535, en la Fig. 1 se detalla el

diagrama PI&D que detalla los equipos, tuberías e instrumentos presentes en el proceso. En el lazo

de control de nivel 541 el trasmisor de nivel LT 541 envía la señal al controlador LC541, quien a

su vez maneja la activación o desactivación de la bomba DC P1.

El lazo de control de flujo 535, permite regular el flujo que circula por la línea de tuberías desde el

reservorio B0 hasta el reservorio B1, mediante el cambio de velocidad de giro del motor de la

bomba DC P1 que es manipulada mediante el controlador FC535, el trasmisor de flujo FT535

permite determinar el flujo que atraviesa por el subsistema.

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Fig. 1. Lazos de control de nivel 541 (a) y lazo de flujo 535(b)

Segunda fase: Modelamiento de sistemas

a. Modelamiento subsistema 541

Se interactúa con el subsistema de nivel en lazo abierto, ver Fig. 2, y la válvula solenoide V500

abierta, se consideró una señal mínima que el controlador envía a la bomba P1 DC para mantener

el nivel de agua del reservorio B1 en un valor estable, posterior a ello, se genera con el actuador

bomba P1 DC una serie de estímulos a una amplitud constante y con variación en el tiempo entre

los estímulos, la respuesta de la planta se registró mediante el sensor de nivel LT 541, el

almacenamiento de información se realizó a través de la herramienta Trend del software del

controlador RSLOGIX5000.

Fig. 2. Modelamiento subsistema de nivel 541

La herramienta Ident permite representar la forma de la función de transferencia de sistemas

dinámicos y asegura una caja negra lineal y no lineal, en base en los datos de bucle abierto que

ingresan y los que salen, proporcionando una construcción precisa y modelos simplificados de

sistemas complejos a partir de series temporales (Al Khafaji et al. 2019), el proceso permite a través

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de datos reales del sistema encontrar un modelo con un grado de correlación alto partir de las

señales de entrada y salida obtenidas en la planta de nivel en lazo abierto (Bermeo Varon, Alvarez,

and Mantilla Arenas 2021).

En el software de Matlab, se ingresó los datos de entrada, salida, y tiempo de muestra obtenido de

la planta, mediante la herramienta System Identification Tool IDENT, Fig. 3, se obtiene los

modelos de aproximación en función de la respuesta de la planta frente a dichos estímulos,

obteniendo un modelo de función de transferencia. Al aplicar la función IDENT, se obtuvo la

estimación con un porcentaje de aproximación del 94.2% para el subsistema de nivel 541, que se

representa mediante la función de transferencia.

Fig. 3. Estimación de la planta del subsistema de nivel 541.

541 2

0.002188
( )

0.495 0.0014
GP s

s s
=

+ +
(1)

b. Modelamiento subsistema 535

Considerando lo estipulado en la sección anterior, se realizó el modelamiento del subsistema de

flujo 535, partiendo del lazo de control abierto, ver Fig. 4, como entrada los estímulos

proporcionados a la bomba centrifuga DC P1 y como salida la magnitud medida por el transmisor

FT535.

Fig. 4. Modelamiento subsistema de flujo535

Se determinó la estimación subsistema de flujo 535 con un porcentaje de aproximación del 87.57%,

que se representa mediante la función de transferencia.

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Fig. 5. Estimación de la planta del subsistema de flujo 535.

535 2

0.045706
( )

0.3472 0.0304
GP s

s s
=

+ +
(2)

Tercera fase: Algoritmos de control

a. Técnica de control del lazo de nivel 541

La sintonización del controlador PI consiste en determinar sus parámetros, entre ellos la

sensibilidad proporcional Kp y la constante de integración ajustable Ki donde la primera parte es

la acción de control proporcional, mientras que la segunda es la acción integral (Panoeiro et al.

2018). Se implementó la técnica de control proporcional integral (PI), enfocándose en la

sintonización de la acción integral que permita obtener un error estacionario que tienda a cero

mediante y la acción proporcional para el control del sobreimpulso; no se consideró la acción

derivativa (Kd) debido a que el nivel del reservorio presenta perturbaciones y vibraciones propias

de la planta por el encendido del actuador y la caída del agua en el reservorio, por lo cual, la acción

derivativa busca corregir los continuos errores, lo que genera saturación en el funcionamiento del

actuador.

��(��) = �� +
��
��

(3)

En la Tabla 1 se detallan las características de diseño del lazo de control 541 y en la Fig. 6 se

visualiza el diagrama de bloques en lazo cerrado.

Tabla 1. Especificaciones de control - lazo de nivel 541

DESCRIPCION MAGNITUD
Rango de nivel de control (SETPOINT, SP) 9 cm a 23 cm
Rango de nivel del proceso (Spam) 14 cm
Alarma alta de control: 0.2 cm sobre el valor del SP.
Alarma baja de control: 0.2 cm bajo el valor del SP.

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Fig. 6. Diagrama de control para el lazo de nivel 541

El diseño de la técnica de control se desarrolló a partir del dominio de la frecuencia, método que

se aplica a menudo para diseñar controladores de orden fraccional PI o PD, en función de la

frecuencia de cruce de ganancia y el margen de fase dados, los parámetros del controlador se

calculan de acuerdo con la especificación de robustez de ganancia. El sistema de control obtenido

puede lograr la robustez para ganar variaciones (Zheng et al. 2017).

El diseño de controladores en dominio de frecuencia, se emplea en diferentes sectores, un análisis

de dominio de frecuencia basado en los diagramas de Bode y Nichols describe las propiedades de

frecuencia del modelo con el compensador diseñado para la amortiguación de oscilaciones, siendo

en este método necesario la especificación del sobre impulso (Mp), el tiempo de estabilidad de la

planta en lazo abierto (To) y el tiempo de estabilidad (Ts) que se desea lograr en el proceso

controlado (Čápková, Kozáková, and Minár 2019); los valores considerados para el diseño del lazo

de nivel 541:

   10%; 800 ; 500Mp To seg Ts seg =  (4)

El diagrama de bode en el software de Matlab permitió representar la función de transferencia en

función de la frecuencia, las medidas margen de fase y de estabilidad relativa del margen de

ganancia; mediante el diagrama de Bode se determinó el valor de la ganancia del módulo y el

ángulo que debe tener la planta en función de la frecuencia de cruce de ganancia. A partir del

dominio de la frecuencia se obtienen los parámetros sintonizados para el regulador PI del lazo de

nivel 541, considerando la formula (1) y (3).

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Fig. 7. Diseño en el dominio de la frecuencia del controlador nivel LT541 en Matlab

1
4.09; 0.04[ ]; 0Kc Ki Kd

seg
= = = (5)

b. Técnica de control del lazo de flujo 535

Considerando lo expuesto en la sección anterior, se realiza el diseño del controlado del lazo de

flujo 5353, en la Fig. 1Fig. 8 se describe las especificaciones del proceso a controlar y el diagrama

de control del lazo.

Fig. 8. Diagrama de control para el lazo de control 535

Tabla 2. Especificaciones lazo de control 535

DESCRIPCION MAGNITUD
Rango de flujo de control (SP): 12 L/min a 6 L/min.
Rango de flujo del proceso (Spam): 6 L/min.
Alarma alta de control: 0.3 L/min sobre el valor del SP.
Alarma baja de control: 0.3 L/min bajo el valor del SP

Los valores considerados para el diseño son el sobre impulso (Mp), tiempo de estabilidad de la

planta en lazo abierto (To) y el tiempo de estabilidad controlado (Ts) del lazo de flujo 535.

   10%; 45 ; 40Mp To seg Ts seg =  (6)

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A partir del dominio de la frecuencia se obtienen los parámetros sintonizados para el regulador PI

del lazo de flujo 535, en función de la formula (2) y (3).

1
0.25; 0.135[ ]; 0Kc Ki Kd

seg
= = = (7)

Cuarta fase: Diseña de la estrategia de control Cascada

Para el diseño de la estrategia cascada, se empleó las técnicas de control, PI lazo de flujo 535 y PI

lazo de nivel 541, al combinar estas dos técnicas se controló el nivel de líquido del reservorio B1

en función del flujo, esa última es la variable intermedia del proceso. Las características del sistema

de control en cascada puede sintonizar simultáneamente los bucles primario y secundario, y, evitar

el paso de reidentificación del método de sintonización de secuencial tradicional (Xu, Fan, and

Zhao 2020). El control en cascada permite corregir los errores del proceso más rápido que cuando

se dispone de un solo lazo de control, debido a que este control consta de dos elementos de

detección, lo que permite que el sistema sea más sensible.

Fig. 9. Diagrama de bloques del sistema de control en cascada

Se determinó al lazo externo (maestro) al subsistema 541, y, el lazo interno (esclavo) al subsistema

535, ver Fig. 9; el regulador LC541 será quien genere una señal de referencia para el regulador

secundario FC535, formado de esta manera la estructura de control en cascada.

Considerando que la línea de tubería que une la bomba DC P1 hasta el reservorio B1, tuviese una

gran distancia y de pronto disminuye el flujo que bombea el actuador, provoca que el flujo que

atraviesa la línea de tubería también disminuya, siendo un flujo insuficiente para mantener el nivel,

la técnica de control PI de un solo lazo detectará la disminución de nivel luego de un tiempo

determinado cuando el LT541 registre la disminución en el reservorio, momento en la cual iniciará

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con la corrección del sistema, lo que incrementa el tiempo necesario para estabilizar el sistema

frente a perturbaciones o cambios de referencia de nivel de líquido (SP).

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Resultados

Se implementó el control en cascada en el módulo didáctico, lo que permitió visualizar el

comportamiento real de la planta del proceso, en la Fig. 10 se detalla los resultados obtenidos al

realizar una prueba de funcionamiento, que se basó en colocar una referencia (SP) de nivel de agua

de 16 cm, partiendo que el reservorio se encontraba vacío.

Fig. 10. Implementacion de la estrategia de control cascada

La Fig. 10 indica el comportamiento del proceso de control de nivel (izquierda) y el funcionamiento

del controlador esclavo relacionado al flujo del proceso (derecha), se evidenció que la variable

controlada de nivel (PV maestro) se estabilizó en un tiempo menor a 360 segundos, considerando

que el tanque se encontraba vacío, sin líquido; a partir de ese tiempo el sistema presenta estabilidad;

se contempló en el diseño de los algoritmos de control un sobreimpulso menor al 10%, en la prueba

se obtuvo un sobreimpulso de 16.11cm al colocar el SP en 16 cm que corresponde al 0.68 %,

cumpliendo las características de diseño del algoritmo de control para el nivel del reservorio.

Tabla 3. Resultado de control de nivel mediante estrategia cascada

Consideraciones de diseño del controlador 541 Resultados del control de nivel en cascada
Sobreimpulso Mp≤10% del SP
16cm+10% = 17.6[cm] max.

Mp: 16.11 [cm] equivalente al 0.68% del SP

Tiempo de estabilidad: Ts≤500 [seg]
Ts: 360 [seg]; desde los 245 seg no sobrepasa las
alarmas alta y baja, error del proceso menor al 1%

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Alarma alta de control: 0.2[cm] sobre el SP. No presenta alarma alta
Alarma baja de control: 0.2[cm [ bajo el SP. No presenta alarma baja

La estrategia de control cascada que se aplicó al módulo didáctico, consideró dos reguladores en

su diseño, el regulador maestro correspondiente al lazo de nivel LC541 y el regular esclavo al lazo

de flujo FC535; la estrategia permitió tener un error menor al 1% cuando se encuentra en la zona

de estabilidad (Ts).

Discusión

La estrategia cascada es empleada por diferentes autores para el control de procesos industriales

considerando en su diseño, bucles primarios externos) y secundarios (internos), la salida del

modelo de proceso secundario se utiliza como entrada para el proceso primario, lo que permite

diseñar controladores en cascada paralelos para plantas inestables, el autor sugiere una estrategia

simple, donde el lazo primario se considere un controlador Proporcional-Integral (PI) y para el lazo

secundario se utilice un controlador Proporcional (P), en el presente documento se diseñó

controladores PI para los dos subsistemas de nivel y flujo de la planta (Pashaei and Bagheri 2020).

El autor Mehedi et al (2019) describe a la estructura en cascada mediante un bucle interior y un

bucle exterior, se diseña cada bucle por separado, la ventaja de esta estructura es que los dos

controladores lineales se dimensionan por separado, configurando a la señal de salida del

controlador de bucle externo como la señal de referencia del controlador de bucle interno (Mehedi

et al. 2019); se concuerda con el autor que a través de técnicas de control simples de la familia PI

se pueden establecer estrategias de control avanzadas como el control en cascada.

En la información revisada de artículos científicos existen modelos similares que emplean

diferentes magnitudes como el nivel, presión, temperatura, flujo, entre otros y diferentes técnicas

de control empleadas en la industrial, que adoptaron la estrategia en cascada para el control de sus

procesos. En este documento se comprobó las ventajas que brinda el diseño e implementación del

control cascada para un módulo didáctico que maneja las variables de nivel y flujo; la

implementación de la estrategia en un escenario físico permitió verificar la estabilidad del proceso

y la respuesta eficiente del proceso frente a perturbaciones que se generen.

CONCLUSIONES

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Se concluye que a partir de las técnicas de control de Proporcional Integral (PI) es factible diseñar

e implementar una estrategia de control más robusta y estable, como el control en Cascada, en la

cual se involucran magnitudes intermedias del proceso, a fin de disminuir el tiempo de retardo

entre la variable medida y la respuesta del sistema.

La estrategia de control en cascada se aplica en procesos que dispongan dos lazos de control y que

estén relacionadas entre sí, como nivel y flujo, se diseña considerando al lazo de control más rápido

como esclavo y al otro lazo como maestro, estrategia que es aplicable para un proceso que necesite

regular el nivel de líquido en un reservorio.

Para el control de nivel de líquido en un tanque que se encuentra a distancias considerables respecto

a la ubicación del actuador (bomba DC P1) del proceso, la estrategia en cascada detecta la

disminución del caudal que atraviesa la línea de tubería de forma inmediata y realiza la corrección

directa sobre el actuador, sin esperar a que pase un tiempo hasta que el error se vea reflejado en el

nivel del reservorio para posteriormente corregir el error, es ahí que la estrategia cascada genera

un menor tiempo de estabilización del proceso que al usar las técnicas de control independientes.

AGRADECIMIENTOS

El autor agradece al Tecnológico Universitario Rumiñahui, por el apoyo brindado para la

publicación del presente articulo científico.

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