Revista Conectividad
Julio diciembre 2023 ISSN:2806-5875
pp. 98-114 Correo: revista@ister.edu.ec
Volumen 4, Número 2
Revista Semestral del Instituto Tecnológico Universitario Rumiñahui 98
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 Morales
1
, Vicente Paul Astudillo Cortez
2
, William Germánico
Yugcha Quinatoa
3
, Pablo Cesar Catota Ocapana
4
, Byron Daniel Benalcázar Lopez
5
1
Instituto Tecnológico Universitario Rumiñahui, diego.pichoasamin@ister.edu.ec, Sangolquí, Ecuador.
2
Instituto Tecnológico Universitario Rumiñahui, paul.astudillo@ister.edu.ec, Sangolquí, Ecuador.
3
Instituto Tecnológico Universitario Rumiñahui, william.yugcha@ister.edu.ec, Sangolquí, Ecuador.
4
Instituto Tecnológico Universitario Rumiñahui, pablo.catota@ister.edu.ec, Sangolquí, Ecuador.
5
Instituto Tecnológico Universitario Rumiñahui, byron.benalcazar@ister.edu.ec, Sangolquí, Ecuador.
Autor para correspondencia: diego.pichoasamin@ister.edu.ec
Fecha de recepción: marzo 2023 Fecha de aceptación: julio 2023
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
cascade strategy for liquid level control generates a stable and fast correction process against
disturbances, based on PI integral proportional control techniques.
Revista Conectividad
Julio diciembre 2023 ISSN:2806-5875
pp. 98-114 Correo: revista@ister.edu.ec
Volumen 4, Número 2
Revista Semestral del Instituto Tecnológico Universitario Rumiñahui 99
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.
Revista Conectividad
Julio diciembre 2023 ISSN:2806-5875
pp. 98-114 Correo: revista@ister.edu.ec
Volumen 4, Número 2
Revista Semestral del Instituto Tecnológico Universitario Rumiñahui 100
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 quido 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 pida 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,
Revista Conectividad
Julio diciembre 2023 ISSN:2806-5875
pp. 98-114 Correo: revista@ister.edu.ec
Volumen 4, Número 2
Revista Semestral del Instituto Tecnológico Universitario Rumiñahui 101
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.
Revista Conectividad
Julio diciembre 2023 ISSN:2806-5875
pp. 98-114 Correo: revista@ister.edu.ec
Volumen 4, Número 2
Revista Semestral del Instituto Tecnológico Universitario Rumiñahui 102
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
Revista Conectividad
Julio diciembre 2023 ISSN:2806-5875
pp. 98-114 Correo: revista@ister.edu.ec
Volumen 4, Número 2
Revista Semestral del Instituto Tecnológico Universitario Rumiñahui 103
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
ss
=
++
(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.
Revista Conectividad
Julio diciembre 2023 ISSN:2806-5875
pp. 98-114 Correo: revista@ister.edu.ec
Volumen 4, Número 2
Revista Semestral del Instituto Tecnológico Universitario Rumiñahui 104
Fig. 5. Estimación de la planta del subsistema de flujo 535.
535
2
0.045706
()
0.3472 0.0304
GP s
ss
=
++
(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.
Revista Conectividad
Julio diciembre 2023 ISSN:2806-5875
pp. 98-114 Correo: revista@ister.edu.ec
Volumen 4, Número 2
Revista Semestral del Instituto Tecnológico Universitario Rumiñahui 105
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