01-Capítulo 01-Edición 2021-rev 21 02 2021 - Noemi Morales

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Teoría de control automático de procesos – Edición 2021 Cap. 1-Introducción y conceptos generales 
 
Autores: Jorge Caporale y Luciano G. Ferrari Página 1 
 
Capítulo 1 
Conceptos generales del control automático de procesos 
1.1 Introducción 
Previamente a hablar de control automático de procesos, es conveniente repasar qué se entiende 
por proceso en las industrias de la rama química y afines. Un proceso productivo puede ser 
definido como un conjunto de sistemas, máquinas, equipos y operaciones unitarias 
interconectadas, simultáneas y/o secuenciales en las que se producen transformaciones de la 
materia de carácter físico y/o químico, con el fin de obtener productos y/o servicios que 
cumplan con determinados requisitos o estándares de calidad, destinados a satisfacer las 
demandas y expectativas de los consumidores finales o intermedios. Los balances de materia y 
energía con los cuales el/la lector/a está familiarizado/a deberán ser visualizados con sus 
variables evolucionando en el tiempo y afectándose mutuamente con cambios de variada 
magnitud. 
Para cumplir con dichos estándares de calidad y productividad, y trabajar con seguridad para las 
personas y las instalaciones, así como para operar el proceso del modo deseado (uso eficiente de 
la energía, especificaciones de proceso y de productos, etc.), las transformaciones arriba 
mencionadas se deberán llevar a cabo de forma controlada. Intuitivamente sabemos lo que esa 
palabra significa, pero a continuación ampliaremos más sobre cómo llevarlo a la práctica. 
Dado el gran número de interacciones físico-químicas existentes entre las magnitudes 
intervinientes en estas etapas de transformación, resulta necesario contar con metodologías y 
equipamientos que permitan conducir a las mismas dentro de rangos aceptables o valores 
objetivo todo el tiempo en el que el proceso esté operando, aún ante entradas de efectos que 
tiendan a “desequilibrar” o “perturbar” el proceso, o bien ante necesidades del usuario a cargo 
de la operación. La complejidad de estos procesos hace que los mismos no puedan funcionar sin 
la asistencia de sistemas que los automaticen y controlen, ya que, de lo contrario, demandaría de 
una carga de trabajo imposible de lograr si fuese asignada solamente al trabajo manual de los 
seres humanos encargados de la operación del proceso. 
En control automático se definen 4tipos principales de variables asociadas a los procesos o 
sistemas: 
• Variables controladas 
• Variables manipuladas 
• Variables de carga o perturbaciones 
• Valores de consigna 
En control automático, el estudio de las mencionadas variables se efectúa en estado transitorio, 
es decir, se analizan sus evoluciones frente a cambios que afectan al sistema en función del 
tiempo. La figura 1.1-a muestra, a nivel conceptual, un proceso, o sistema, no controlado 
automáticamente, mientras que en la figura 1.1-b se muestra el mismo proceso, pero con control 
automático. Notar que en la 1.1-b se ingresan los valores deseados y se espera que los sistemas 
de control resuelvan los cambios generados frente a los ingresos de las perturbaciones externas 
y/o ante las demandas del usuario, con respecto de los valores deseados. 
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Figura 1.1-a y b 
Los parámetros que indican la calidad del producto o las condiciones de operación del proceso 
se denominan variables controladas. En general, estas variables no pueden ser modificadas 
directamente, sino que debe hacerse por medio de otras, denominadas variables manipuladas, 
en virtud de las relaciones físico-químicas entre las mismas (transporte de materia, energía y 
cantidad de movimiento, reacciones químicas, etc.) 
Entre las variables manipuladas más usadas, se encuentra posición de válvula para modificación 
de un caudal (tasa de flujo), velocidad de giro de motores, paso de álabe, etc. 
Por otro lado, se tiene que todas las variables que afectan a una variable controlada determinada, 
menos la que está siendo manipulada, se definen como variables de carga o perturbaciones. 
Con frecuencia, la variable controlada en un proceso o sistema, puede ser la variable de carga 
para otro. Esto se conoce como interacción de lazos de control. Las variables controladas se 
eligen por criterios de facilidad de medición y de estrecha relación con la calidad de los 
productos y/o por seguridad, mientras que las manipuladas, se adoptan bajo el criterio de que 
afecten de forma apreciable y reproducible a las variables controladas, siempre buscando la 
mejor combinación de parejas variable controlada-variable manipulada. 
Entre las principales combinaciones de variables controladas y la correspondiente variable 
manipulada se pueden listar las de la tabla 1.1, siendo el caudal la variable manipulada de uso 
más extendido: 
Variable 
controlada 
Variable manipulada más comúnmente usada 
Caudal Posición (grado de apertura) de la válvula; velocidad de giro de tornillos 
sinfín/velocidad de desplazamiento de cintas trasportadoras (para el manejo de 
sólidos, pastas, etc.) 
Temperatura Caudal de fluido calefactor/ combustible/refrigerante 
Paso de álabe de aspas de ventilador / regulación de agallas / arranque y paro de 
ventiladores en aeroenfriador 
Presión Caudal de entrada o salida de fluido (gas, vapor o líquido) 
Nivel Caudal de entrada o salida de fluido (gas, vapor o líquido) 
Velocidad de 
rotación 
Caudal de vapor impulsor a turbina/frecuencia de corriente alterna a motor 
eléctrico 
pH Caudal de agente ácido o alcalino 
Composición Caudal de reflujo o temperatura en una torre de destilación, temperatura de 
reacción, etc. 
Tabla 1.1 
PROCESO O SISTEMA 
SIN CONTROL 
AUTOMÁTICO
PROCESO O SISTEMA 
CON CONTROL 
AUTOMÁTICO
Variables 
manipuladas 
(u)
Valores de 
referencia o 
“set-points” (r)
Perturbaciones 
externas (d)
Perturbaciones 
externas (d)
Variables de 
salida (b)
Variables 
controladas 
de salida (c)
a) Proceso o sistema no controlado b) Proceso o sistema controlado
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En las figuras1.2 a 1.6 siguientes, se presentan variantes de lógicas de control de un sistema de 
calentamiento de un líquido contenido en un tanque por medio de vapor de agua, el cual circula 
por un serpentín provisto de una trampa de vapor. En estas figuras, puede apreciarse como, 
teniendo una misma variable controlada (la temperatura del líquido de salida) y una sola 
variable manipulada (el caudal de vapor al serpentín) pueden diseñarse varias arquitecturas de 
control, con diferentes filosofías, complejidades, funcionalidades, ventajas y desventajas. 
En control clásico, se trabaja, en general, con una variable controlada y una manipulada. Estos 
sistemas se denominan de simple entrada-simple salida, o SISO (simple input-simple output). El 
control de sistemas multivariable constituye un paso más avanzado en el control de procesos. 
Estos sistemas se denominan MIMO (multiple input-multiple output). 
1.2 Nomenclatura básica usada en control automático de procesos 
Antes de proseguir con la presentación de los distintos ítems conceptuales, resulta fundamental 
indicar que las principales variables usadas en el control automático de procesos clásico son: 
 
c: Valor de la variable controlada en un instante dado. (*1.1) 
r: Valor fijado, de referencia o especificado por el usuario o “set-point”. Es el valor deseado u 
objetivo, para la variable controlada “c”. (*1.2) 
y: Valor de la salida del controlador al elemento de acción final en un momento dado. (*1.3) 
e: Valor del error en un instante dado, calculado como la diferencia (r – c) 
 
(*1.1) En la industria se simboliza con PV, por process variable (variable de proceso).(*1.2) En la industria se simboliza con SP, por set-point (valor fijado). 
(*1.3) En la industria se simboliza con OP, por output (salida). La salida del controlador es el 
producto del cálculo del algoritmo de control, instante a instante. La misma varía entre el 0 y 
100%. Sin embargo, la señal real puede ser, o bien neumática, o bien eléctrica. En el primer 
caso, el 0% de salida del controlador se corresponde con una presión de 3 psig (libras por 
pulgada cuadrada manométricas), el 50% con 9 psig, y el 100% con 15 psig, siendo los valores 
intermedios obtenidos linealmente. Si la señal es eléctrica, el 0% se corresponde con 4 mA 
(miliamperes), el 50% con 12 mA y el 100% con 20 mA, siendo los valores intermedios 
también linealmente obtenidos. 
 
Es importante señalar que la simbología precedente puede variar dependiendo de la bibliografía 
que se consulte. Sin embargo, en el ambiente industrial, la simbología arriba indicada (SP, PV y 
OP, respectivamente) es usada en prácticamente la totalidad de los casos. En este mismo 
sentido, los elementos de medición, transmisores y controladores se simbolizan con círculos con 
una leyenda en su interior en forma de siglas, ordenada de acuerdo con el idioma inglés, puesto 
que los principales desarrollos en materia de control automático fueron hechos en E.E.U.U. A su 
vez los medios por los cuales fluye la información en el control se simbolizan con líneas de 
trazo o con doble barra invertid espaciadas y de menor espesor a las líneas de flujo (y éstas a su 
vez de menor espesor que las usadas para dibujar los equipos de proceso). Finalmente, se 
simbolizan las válvulas automáticas de control como una válvula común pero con un 
semicírculo en la parte superior de la misma, indicando el motor automático neumático. A 
medida que vaya transcurriendo este capítulo se irán usando y explicando estas simbologías. 
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1.3 Planteo del problema del control de procesos 
Como se indicó más arriba, la relación físico-química, y a la variabilidad en el tiempo entre las 
variables controladas, manipuladas y de carga, define la necesidad de un control de proceso. La 
variable manipulada y las distintas variables de carga pueden aumentar o disminuir la variable 
controlada según el diseño del proceso. Las variaciones de la variable controlada reflejan el 
balance entre las cargas y la variable manipulada. 
 
Figura 1.2 
El problema del control es el de determinar el único valor de la variable manipulada que 
establece un equilibrio entre todos los efectos sobre la variable controlada y mantener 
estacionaria esta variable en el valor deseado, a lo largo del tiempo. Otros factores tales como 
forma y velocidad de respuesta (dinámica del sistema o proceso) e interface hombre-“máquina” 
con el operador también son importantes en el diseño de sistemas de control, como se detalla a 
continuación. 
El problema del control puede ser resuelto de varias maneras, cada una correspondiente a una 
filosofía básica de diseño de los sistemas de control, a saber: 
• Sistemas con realimentación (feedback en inglés) generan la señal de control en base a 
la diferencia entre los valores de medición real y a la de referencia. Estos sistemas 
pueden arreglarse de modo de poseer un lazo anidado dentro de otro, dando lugar al 
control con realimentación en cascada. 
• Sistemas con avanacción o en avance (feedforward en inglés), la señal de control se 
genera a partir de valores basados en las distintas variables de carga a medida que éstas 
van afectando al proceso. 
• Sistemas combinados realimentación-avanacción (feedback-feedforward). 
1.4 Control por realimentación (feedback control) 
Esta arquitectura de controles la más usada, superando a las otras ampliamente, por su relativa 
sencillez y a la gran robustez que permite lograr, la cual está basada principalmente en comparar 
permanentemente, o bien con una alta frecuencia, a “c” con “r”. Un esquema básico puede verse 
en la figura 1.3. En la misma se aprecian los tres elementos básicos de control: el sensor de la 
variable que se desea controlar (“c”), el controlador, que compara dicho valor con el de 
referencia (“r”) y calcula y envía la orden (“y”) y el elemento de acción final (válvula) que 
opera sobre la variable manipulada. 
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En esta filosofía de control, es muy importante reconocer las 3 etapas lógicas del control 
automático: 
Etapa 1: Medición del valor instantáneo de la variable controlada (medición por medio de un 
elemento sensor) y transmisión al controlador. 
Etapa 2: Comparación del valor deseado (fijado al controlador) con el valor medido, por medio 
de la sustracción (valor deseado – valor medido = error) 
Etapa 3: Ejecución de una acción de control correctiva por medio de un algoritmo en base al 
error calculado en la Etapa 2 y transmisión de la misma al elemento de acción final para 
efectuar un cambio en la variable manipulada que haga que la variable controlada modifique su 
valor en el sentido de reducir, o eliminar, la diferencia con el valor deseado. 
Las 3 etapas se ejecutan en forma de ciclo o bucle, una y otra vez, es decir 
E.1E.2E.3E.1…etc. 
 
Figura 1.3 
Mientras “c” sea igual a “r”, el controlador no cambiará su salida “y” de la que en ese momento 
tenga. Sin embargo, si “c” cambia como consecuencia de la entrada de una perturbación, o bien 
el usuario ingresa un nuevo valor de “r”, el controlador cambiará su salida “y”, con lo que la 
magnitud de la variable manipulada se verá modificada, repercutiendo en “c”. Aquí se observa 
el concepto de lazo cerrado de control. Es decir, hay un ciclo cerrado de medición, 
transmisión, comparación, cálculo de una salida por medio de un algoritmo, transmisión, 
cambio del valor de la variable manipulada, y efecto sobre la variable controlada. Si esta 
secuencia se interrumpe en algún paso de la misma, el lazo de control se abre, y se pierde el 
control automático por realimentación. Es muy importante notar que para que esta lógica se 
ejecute de forma exitosa, debe estar presente lo que se conoce como realimentación negativa. 
La realimentación negativa provoca estabilidad, mientras que la realimentación positiva, 
inestabilidad. Más adelante se explicará este concepto, pero se adelanta que la realimentación 
negativa se basa en la forma de calcular el error, siendo e=r-c. Si por ejemplo “r” es 
incrementado, quedando “c” fijo, “e” subirá y el controlador deberá incrementar a “y” para que 
aumente la magnitud de la variable manipulada y luego “c” también se incremente (por ej. en un 
calentador con vapor). Cuando “c” alcance a “r”, el sistema dará un valor de “y” de equilibrio. 
Si “c” sube por encima de “r”, “e” será negativo, lo que hará que “y” disminuya, haciendo que 
“c” luego también baje. 
Observación: Debe tenerse en cuenta que toda variable debe medirse mediante un instrumento 
específico, denominado elemento (por ejemplo TE, por medidor de temperatura, FE por 
CONDENSADO
TRAMPA 
DE VAPOR
VAPOR (PV, TV)
MOTOR
AGITADOR
SERPENTÍN
ECUALIZADOR 
DE PRESIÓN
ENTRADA DE 
LÍQUIDO FRÍO “A” 
(FLA; TA1)
SALIDA DE LÍQUIDO 
CALIENTE “C” (FLC; T2)
MOTOR
BOMBA DE 
ENGRANAJES
ENTRADA DE LÍQUIDO 
FRÍO “B” (FLB; TB1)
TE
TT
TCAIRE DE 
INSTRUMENTOS 20 psig
ELEMENTO MEDIDOR 
DE TEMPERATURA 
(SENSOR)
TRANSMISOR DE 
TEMPERATURA
CONTROLADOR DE 
TEMPERATURA
y
REFERENCIAS DE LAS LÍNEAS:
SENAL ELÉCTRICA (4-20 mA): 
SEÑAL NEUMÁTICA (3-15 psig):
SEÑAL DEL CONTROLADOR A LA VÁLVULA DE CONTROL DE VAPOR
SET-POINT 
(VALOR FIJADO DE 
TEMPERATURA)
3-15 PSIG
POSICIONADOR 
ELECTRO-
NEUMÁTICO (I/P)
SEÑAL NEUMÁTICA 
A LA VÁLVULA DE 
CONTROL
LI
r
c
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medidor de caudal o flujo, etc.), luego debe ser transmitido por un dispositivo conocido como 
transmisor mediante una línea de transmisión (neumática o eléctrica) al controlador. La señal 
de salida del controlador es transmitida al elemento de acción final (i.e. válvula de control) por 
medio de una línea de transmisión, llegando directamente al mismo o bien primero al 
posicionador. 
1.5 Control en cascada 
El arreglo de un controlador cuya salida es el set-point de otro controlador, cada uno en su lazo 
cerrado por realimentación, es conocido como controlador en cascada, como se muestra en la 
figura 1.4.El controlador de temperatura (denominado “amo”) en vez de actuar directamente 
sobre la válvula de vapor, actúa sobre el set-point del control de caudal de vapor (denominado 
“esclavo”).De esta manera, las perturbaciones que se podrían producir sobre la temperatura de 
salida del líquido caliente por fluctuaciones en el caudal de vapor, son eliminadas por el propio 
controlador de caudal, antes de afectar a la temperatura. Para que el lazo de control en cascada 
opere correctamente, el lazo “esclavo” debe ser más rápido (aprox. 5 veces, de acuerdo con 
algunos autores) que el lazo “amo”. Esto es debido a que las órdenes del lazo amo deben ser 
ejecutadas y resueltas con rapidez por el lazo esclavo, para que no se genere inestabilidad. 
Como el lazo esclavo es, en general, de caudal, el ajuste del mismo puede hacerse para que 
actúa de forma rápida en la práctica, sin mayores inconvenientes. 
1.6 Control en avanacción o en avance puro (feedforward control) 
Mientras el control con realimentación es reactivo por naturaleza y responde al efecto de un 
cambio en el valor de la variable controlada (“c”), los sistemas con avanacción responden 
directamente a las variaciones en las perturbaciones, antes de que éstas afecten al valor de “c”. 
Ambos controladores, por realimentación y por avanacción puros, responderán ante cambios en 
“r”; los del primer caso por comparación entre “r” y “c”, y en el segundo, comparando a “r” y al 
valor estimado de “c”. En la figura 1.5, se aprecia un esquema básico. Los transmisores miden 
los valores de las variables de carga, mientras una unidad de cálculo, basada en un modelo 
matemático del sistema (balances de materia y energía en estado transitorio), computa la señal 
correcta de control para el valor de referencia y las condiciones de cargas existentes. De esta 
manera, los cambios en las condiciones de carga provocan un cambio directo de la señal de 
control sin esperar que se modifique la variable controlada. 
 
Figura 1.4 
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Por lo general, esta técnica es más complicada, más costosa y se requiere una mayor 
comprensión del proceso que en los sistemas con realimentación. Por lo tanto, el control con 
avanacción puro normalmente se reserva para aplicaciones difíciles y críticas, pero también 
lineales y altamente predecibles, ya que no está presente la etapa de verificación de “c” con “r”. 
En caso de aplicarse debe hacerse con prudencia, ya que el no reconocimiento de imponderables 
puede ocasionar severas consecuencias en el proceso. 
 
Figura 1.5 
1.7 Control en avanacción con realimentación (feedforward-feedback control) 
Un método combinado se presenta en la figura 1.6. En este sistema, se opera a través de las 
variables de carga (avanacción), pero con el apoyo de la realimentación. Dada su mayor 
complejidad, y costo asociado, se emplea solo en aplicaciones muy críticas, en donde el valor de 
la variable controlada solo deba apartarse de forma mínima del valor del set-point. 
1.8 Control Si-No (on-off control) 
Otro tipo de algoritmo de control más primitivo que el PID, también usado en control por 
realimentación, es el control Si-No (On-Off). En el mismo el usuario no especifica un set-point, 
sino que debe indicar un valor mínimo y otro máximo como admisibles. A la separación de 
estos dos valores, se la denomina banda muerta. En un sistema de calentamiento de agua con 
pasaje de corriente a través de una resistencia eléctrica, por ejemplo, el algoritmo Si-No opera 
de la siguiente forma: Si el valor de PV supera alcanza al máximo de la banda muerta, el 
sistema desconecta el pasaje de corriente eléctrica, por lo que la temperatura del agua comienza 
a disminuir. La misma disminuye hasta que alcanza al valor mínimo de la banda, momento en el 
cual el controlador conecta la corriente eléctrica, haciendo que la temperatura comience a subir, 
y así sucesivamente. Se tendrá entonces, que la temperatura controlada oscilará con una forma 
sinusoidal, cuyo período dependerá de la velocidad de respuesta del proceso (esto detallará más 
adelante en este material), acotada aproximadamente entre los valores de la banda muerta. Si 
reducimos la banda muerta, la frecuencia de conexión y desconexión del elemento de acción 
final, aumentará. Esta situación someterá al mismo a un desgaste mayor, aumentando la 
velocidad de falla del mismo, De esta forma, en el control Si-No deberá resignarse cierta 
oscilación del valor de la variable controlada. Es uno de los sistemas más antiguos, sencillos y 
CONDENSADO
TRAMPA 
DE VAPOR
VAPOR
MOTOR
AGITADOR
SERPENTÍN
FLA; TA1
SALIDA DE LÍQUIDO 
CALIENTE “C” (FLC; T2)
MOTOR
BOMBA DE 
ENGRANAJES
FLB; TB1
TE
TT
TC
TEA FEA
TTA FTA
TEB FEB
TTB FTB
AIRE INST.
TEV
TTV
PTV
PEV
FTV
FEV
SET-POINT
LI
y
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económicos de implementar, pero no puede aplicarse en proceso en donde se requiera un valor 
específico y estable de PV. Este tema se ampliará más adelante en este material. 
1.9 Formas especiales del control por realimentación 
Se desarrollan a continuación las estrategias de control por rango dividido y control por 
relación, como formas especiales de control por realimentación. Al final de este material se 
analizarán otras formas especiales más complejas. 
1.9.1 Control con rango dividido (split range control) 
En esta estrategia de control, la salida del controlador, se bifurca y se envía simultáneamente a 
dos elementos de acción final, i.e. válvulas de control (ver figura 1.8). Es importante señalar que 
al hacer esto último, las mencionadas válvulas (o la salida de la señal del controlador) deben 
estar calibradas adecuadamente, como se explicará a continuación, y que debe analizarse y 
definirse muy bien la estrategia, ya que, de lo contrario, la bifurcación de señales llevará a un 
mal funcionamiento con posibles daños en las instalaciones y en la calidad de los productos. 
Como se indicó más arriba, la salida del controlador, “y” u “OP”, en la práctica varía entre 0 y 
100%. En una estrategia de control con una sola válvula de control, la salida del controlador 
coincide con el porcentaje de apertura de dicha válvula. Sin embargo, en la estrategia de rango 
dividido, con dos válvulas de control, “A” y “B”, pueden presentarse tres situaciones, a saber: 
 
 
Figura 1.6 
 
a) Rango dividido tipo “a”: Cuando la salida del controlador (“y” u “OP”) vaya del 0 al 
50%, la válvula de control “A” irá del 100% (para 0% de salida del controlador) a 0% 
(con 50% de salida del controlador). Con valores de OP desde el 50% al 100%, la 
válvula “A” permanecerá cerrada, mientras que la válvula “B”, comenzará abrir a partir 
de 50% de OP y estará completamente abierta cuando la salida del controlador sea del 
100%. En el 50% de salida del controlador, ambas válvulas estarán cerradas. Esta 
división de rango de controlador se logra calibrando las válvulas de control.En este 
caso, la válvula “B” estará completamente abierta con una presión de aire de 3 psig y 
estará completamente cerrada a las 9 psig, mientras que la “A” comenzará a abrirse a las 
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9 psig y estará completamente abierta a las 15 psig. Es decir, las válvulas usadas en 
estrategias de rango partido se calibran para completar su carrera en la mitad de 
variación de presión que las normales (1.5*). Ver figura 1.7-a. 
b) Rango partido tipo “b”:En este caso, cuando OP va del 0 al 50%, la válvula “A” va 
del 100% al 0% y la válvula “B” permanece en el 100%, mientras que cuando OP va del 
50% al 100%, la válvula “A” permanece en el 0% y la válvula “B” va del 100% al 0%. 
Ver figura 1.7-b. 
c) Rango partido tipo “c”: En este caso, cuando OP va del 0 al 50%, la válvula “A” va 
del 0% al 100%, mientras que cuando OP va del 50% al 100%, la válvula “A” 
permanece en el 100% y la válvula “B” va del 0% al 100%. Ver figura 1.7-c. 
 
 
Figura 1.7-a Figura 1.7-b 
 
Figura1.7-c 
 
(*1.5) Es decir se parte el rango 3 a 15 psig (o 4-20 mA) en dos rangos, 3 a 9 psig y 9 a 15 psig (4 a 12 
mA y 12 mA a 20 mA). 
 
En cada uno de estos casos, se observa como el rango del controlador, de 0 al 100%, se reparte 
en 2 “mitades”, 0% a 50%, y 50% a 100%. La respuesta de las válvulas posee una pendiente de 
2, ya que las válvulas “A” y “B” recorren la totalidad de su carrera, para cada mitad del rango 
del controlador. 
 
El ejemplo de la figura 1.8además de incluir un control en cascada, posee un control por rango 
partido del tipo “a”, arriba indicado. Dicho reactor requiere de un sistema de calentamiento 
inicial con vapor de agua para llevar los productos de la reacción al valor requerido, de modo 
que la misma se inicie, y luego un sistema de enfriamiento con agua para regular la liberación 
de calor (exotermia) de la reacción. Cuando la temperatura de reacción es significativamente 
menor a la deseada (c < r) el controlador producirá una salida del 100%, con lo que la válvula 
“B” estará totalmente abierta (entrada de vapor) y la válvula “A” estará completamente cerrada 
(entrada de agua). A medida que la temperatura de reacción sube hacia el valor deseado, la 
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
%
 d
e
 a
p
e
rt
u
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e
 la
 v
ál
vu
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Salida del controlador (OP, %) 
Rango partido tipo "a"
A (%) B (%)
0
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0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
%
 d
e
 a
p
e
rt
u
ra
 d
e
 la
 v
ál
vu
la
Salida del controlador (OP, %) 
Rango partido tipo "b"
A (%) B (%)
0
10
20
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50
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0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
%
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u
ra
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e
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 v
ál
vu
la
Salida del controlador (OP, %) 
Rango partido tipo "c"
A (%) B (%)
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salida del controlador ser irá aproximando al 50%. Al llegar a este punto, se tendrá que “c=r”. 
Entonces ambas válvulas estarán cerradas. Si “c” sube por encima de “r”, la salida del 
controlador seguirá bajando. A medida que OP baja por debajo del 50%, la válvula “A” 
comenzará a abrir, dejando entrar agua, para refrigerar la reacción. En la figura 1.8 se muestra 
un esquema de este sistema. 
Cuando el rango partido se implementa con un controlador neumático, es necesario calibrar 
adecuadamente las válvulas de control (en capítulos posteriores se detallará más este concepto). 
Dicho controlador, producirá una salida de 3 a 15 psig, por lo cual el rango se dividirá de 3 a 9 
psig y de 9 a 15 psig. Si el controlador es del tipo electrónico en la forma de un equipo 
individual, su salida será de 4 a 20 mA y se deberá calibrar los posicionadores de las válvulas de 
4 a 12 mA para una válvula, y de 12 a 20 mA para otra. Por el contario, si el controlador 
pertenece a un sistema computarizado de control, se programa dentro del mismo para que tenga 
dos salidas, cada una de ellas producto de las siguientes fórmulas, basadas en la salida del 
controlador, OP, dependiendo del tipo de rango partido: 
 
• Tipo de rango partido “a”: OP_A(%)=100-2*OP(%), para 0%<OP<49,99% (e. 1.1) 
OP_A(%)=0%, para 50%<OP<100% (ec. 1.2) 
OP_B(%)=0%, para 0%<OP<49,99% (ec. 1.3) 
OP_B(%)=2*OP(%)-50%, para 50%<OP<100% (ec. 1.4) 
• Tipo de rango partido “b”: OP_A(%)=100-2*OP(%), para 0%<OP<49,99% (ec. 1.5) 
OP_A(%)=0%, para 50%<OP<100% (ec. 1.6) 
OP_B(%)=100%, para 0%<OP<49,99% (ec. 1.7) 
OP_B(%)=100-2*[OP(%)-50], para 50%<OP<100% (ec. 1.8) 
• Tipo de rango partido “c”: OP_A(%)=2*OP(%), para 0%<OP<49,99% (ec. 1.9) 
 OP_A(%)=100%, para 50%<OP<100% (ec. 1.10) 
 OP_B(%)=0%, para 0%<OP<49,99% (ec. 1.11) 
 OP_B(%)=2*[OP(%)-50], para 50%<OP<100% (ec. 1.12) 
 
 
Figura 1.8 
AGUA ENF.
VAPOR
R
E
C
IR
C
U
LA
C
IÓ
N
001
FRC
002
TRC
001
PR
001
LR
LG
001
001
TRC
MOTOR 
DEL 
AGITADOR
AGITADOR
CAMISA DE 
CALENTAMIENTO/
ENFRIAMIENTO
VALVULA DE ALIVIO 
DE PRESIÓN
BOMBA DE 
RECIRCULACIÓN
PSV
A ANTORCHA O AL SISTEMA DE 
RECUPERACIÓN DE GASES
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1.9.2 Control por relación (ratio control) 
El control por relación se aplica en aquellas situaciones en donde se desee mantener la relación 
de caudales entre dos corrientes determinadas en un valor dado. Es decir, si una de ellas cambia, 
la otra deberá cambiar de modo que su relación permanezca en el valor deseado. De las dos 
corrientes de fluido, se manipulará, generalmente, aquella que sea más fácil, o menos 
problemático cambiar. 
En las figuras 1.9, 1.10 y 1.11 se muestran tres formas de implementar esta estrategia. La 
estrategia de la figura 1.9 consiste en medir los caudales de las corrientes A y B, dividir ambos 
valores para determinar la relación FB/FA. Este valor medido será la variable controlada, es 
decir, c=FB/FA, la cual es enviada a un controlador RC (ratio controller), en donde se lo 
compara con el valor deseado de FB/FA (set-point “r”) para ejecutar una acción de modificación 
de la posición de la válvula de control para variar el caudal FB de modo de que c = r. Esta forma 
de control puede usarse para mantener una relación en una combustión o atomización a la 
entrada de un horno de proceso, por ejemplo, pudiéndose ser A la corriente de fuel-oil y B la de 
vapor de pulverización. 
 
 
Figura 1.9 
La estrategia de la figura 1.10 es diferente, en el sentido en que se mide el valor del caudal de la 
corriente A, FA, y este valor se multiplica por la relación deseada FB/FA previamente ingresada 
en el multiplicador, obteniendo el valor “deseado” de FB. Este valor será el “set-point” del 
controlador de caudal (FC: flow controller) de la corriente FB, la cual será modificada para 
satisfacer el valor de FB/FA deseado. 
 
En la figura 1.11 se indica otra estrategia solo aplicable a aquellos casos en donde los caudales 
de ambas corrientes se pueden manipular sin generar problemas en el proceso. En la misma, el 
valor deseado o set-point del caudal FB es multiplicado por la relación deseada FA/FB 
previamente ingresada en el multiplicador, obteniendo el valor del set-point al controlador de la 
corriente A. 
 
Teoría de control automático de procesos – Edición 2021 Cap. 1-Introducción y conceptos generales 
 
Autores: Jorge Caporale y Luciano G. Ferrari Página 12 
 
 
Figura 1.10 
 
 
Figura 1.11 
 
De las tres estrategias de control por relación indicadas, la de la figura 1.9 constituye la de 
control por relación puro, las otras 2 son adaptaciones hechas en base a controladores de caudal. 
Es importante remarcar que si en cualquiera de estastres estrategias las corrientes A y B se unen 
en un punto de mezcla próximo, la manipulación de una de ellas afectará en alguna medida a la 
otra corriente. Esta situación se hará muy evidente en la estrategia de la figura 1.11, la cual no 
está recomendada en lo absoluto para estos casos, como se indicó más arriba. Esta situación se 
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denomina acoplamiento de lazos y puede ser causante de inestabilidad de los mismos. Sin 
embargo, la estrategia mostrada en la figura 1.11 posee la ventaja de que se relacionan 
directamente los set-points, en vez de valores medidos de caudal con set-points. Esto es 
importante porque los valores de las variables controladas naturalmente van a variar en el 
tiempo, afectando este “movimiento” al set-point del otro lazo y pudiendo hacer que ambos 
lazos de control comiencen a “bailar”. Finalmente, es importante remarcar que en las figuras 
1.9, 10 y 11 se han usado líneas de señal neumática, pero aplican sin problemas las señales 
eléctricas. Además, se han dibujado los transmisores de caudal y los elementos que hacen la 
resta para calcular los errores, solo a los fines de que los esquemas expliquen bien la lógica de 
control. Estos ítems fueron obviados en los otros esquemas solo a los fines de simplificar los 
esquemas. En los diagramas de flujo, los puntos de resta de los controladores no se dibujan. Se 
detallarán solo aquellos pertenecientes a operaciones especiales. 
1.10 Servo control vs. control por regulación 
El concepto de servo control se refiere a cuando el controlador actúa sobre la variable 
manipulada como consecuencia de que el usuario realizó un cambio en el valor del set-point, es 
decir, responde a una demanda del usuario, permaneciendo las perturbaciones invariables. El 
control por regulación se refiere a la situación en la cual el set-point no es modificado, pero 
entran perturbaciones o cargas al sistema que hacen variar a la variable controlada, sacándola 
del valor deseado. En estos casos el controlador deberá modificar las variables manipuladas de 
modo de compensar por estas variaciones. Debido a la diferente dinámica y magnitud en la que 
las variables manipuladas y las perturbaciones pueden afectar a la variable controlada, pueden 
verse diferencias en la performance de un determinado controlador frente al problema servo que 
al de regulación. En la realidad, el controlador pasará una mayor parte de su tiempo 
resolviendo problemas de regulación que servo. Sin embargo, ambas situaciones, servo y 
regulación, pueden darse simultáneamente en determinadas condiciones. Más adelante en este 
material se simularán lazos de control y se podrán observar ambas situaciones. 
1.11 El controlador con realimentación (conceptualmente) por dentro 
En la figura 1.12 puede verse como, a partir de las señales de SP y PV, se calcula el error por 
sustracción, y como estos valores son llevados a la interface hombre-máquina. El valor del error 
es enviado al bloque en donde se halla el algoritmo de control, para producir el valor de OP. Sin 
embargo, cuando el controlador se halla en modo manual, la seña del OP es introducida desde 
afuera por el operador (OP manual). Obsérvese el interruptor que conecta el punto (1) con el (2) 
para modo automático, y el (1) con el (3) para modo manual. En la práctica, la misma interface 
se emplea para modificar el SP (solo en modo automático), para ver el PV, y para modificar el 
OP manualmente (solo en modo manual). El OP en modo automático solo puede visualizarse. A 
continuación se detalla la interface “hombre-máquina”. 
1.12 Interface del controlador con el operador, algoritmos y modos de operación 
La misma es conocida como interface “hombre-máquina” y es la que le provee de información 
al usuario que está operando u obteniendo información de un controlador dado. Esta interface 
proveerá información sobre los valores de la variable controlada o de proceso (“c” o PV), el 
valor de la salida del controlador al elemento de acción final (“y” u OP) y del valor deseado o 
fijado (“r” o SP). 
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Figura 1.12 
El valor de OP (y), es fruto del cálculo u operación hecha por el algoritmo de control, el cual 
generalmente es del tipo “PID” (por proporcional, integral y derivativo), en base a la diferencia 
entre el valor de SP (r) y el de PV (c) y de los parámetros de ajuste del controlador tales como la 
ganancia proporcional (Kc), el tiempo integral (Ti) y el tiempo derivativo (Td), tal como se 
muestra en la siguiente ecuación, la cual se estudiará en profundidad más adelante en este 
material. 
Algoritmo PID ideal: ���� = ������ + ���� � ����
�
� �� + ��� 
������� + ��!���"# �ec. 1.13� 
El mismo algoritmo expresado en términos de incrementos finitos, para ser calculados por una 
computadora, por ejemplo, es: 
���(� ≅ �����(� + ���� * ���(�
�+!
�+�
∆�� + ��� ∆���(�∆�� + ���(-.� �ec. 1.14� 
Se aclara que cada marca comercial tiene variantes propias del algoritmo PID. El valor de OP en 
los controladores industriales toma valores comprendidos entre 0 y 100%. PV y SP toman 
valores comprendidos en el rango de medición del elemento sensor, es decir entre el mínimo y 
el máximo del mismo, y en la unidad correspondiente (°C, bar, etc.). Más abajo se explica mejor 
este concepto. 
Otros modos de control usados son el proporcional puro y el proporcional más integral. El 
primero de ellos fue el primero en ser desarrollado, luego de Si-No, Sin embargo, el modo P+I, 
o simplemente PI, es el más usado, debido a que es que mejor performance presenta sin las 
complicaciones de implementación del modo derivativo, cuyo uso queda reservado a 
aplicaciones especiales. A continuación se indican las ecuaciones de estos dos algoritmos: 
 Algoritmo proporcional �P� ideal: ���� = ������ + �2� �ec. 1.15� 
 
En el algoritmo P, a yR0 se lo denomina bias o reset manual. El mismo es la salida que dará el 
controlador cuando r=c, es decir, cuando e=0. Este valor es muy importante porque de lo 
contario la salida sería cero, lo cual es físicamente ilógico. El mismo se puede modificar 
manualmente desde la parte de ajustes del controlador. Al introducir el modo integral, la integral 
reemplaza al valor de yR0, por lo que se introduce el concepto de reset automático. Más adelante 
en este material se profundizará este tema. 
 
Teoría de control automático de procesos – Edición 2021 Cap. 1-Introducción y conceptos generales 
 
Autores: Jorge Caporale y Luciano G. Ferrari Página 15 
 
Algorit. proporcional+integral �PI� ideal: ���� = ������ + ���� � ����
�
� �� + ��!���"# �ec. 1.16� 
 
La anteriormente mencionada interface permite además seleccionar el modo deseado de 
operación, siendo los principales, modo automático (AUTO), manual (MAN) o cascada (CAS). 
Modo automático: El usuario solo puede modificar el valor del set-point y el controlador 
calculará momento a momento el valor de OP producto de la diferencia entre SP y PV y del 
algoritmo y de los valores de los parámetros de ajustes que en ese momento se hayan fijado 
(más adelante se ampliará este tema). En este modo, en la figura 1.12, la llave selectora se 
conecta con el “generador de respuesta PID” (puntos 1 con 2). Por otro lado, en el modo 
manual, el usuario solo podrá modificar al valor de OP, el cual irá directamente al elemento de 
acción final (i.e. válvula de control neumática). 
Modo manual: En este caso, la mencionada llave selectora se conecta con el generador de 
salida manual (puntos 1 con 3) y el OP es ingresado por el operador. Además, el SP 
automáticamente se hace igual al PV, y permanece así hasta que se pase a modo automático. 
Esta función es muy importante,y se debe a que al retornar de manual a automático el SP no 
debe haber quedado en el antiguo valor, ya que esto produciría que el controlador volvería a 
tener la referencia previa, y por lo tanto un error muy grande. Esto se conoce como transición 
anti-salto o “bumpless transition” en inglés. 
 
En la figura 1.12, al seleccionar el modo manual, la llave selectora se desconecta del generador 
de respuesta PID y se conecta con el “generador de salida manual”. En la figura 1.13 se muestra 
un modelo de interface de un controlador de caudal, indicando los modos específicos que se 
pueden seleccionar, así como también los colores de identificación en formato de barras, el 
“puntero” del set-point y el rango de medición del instrumento. Por rango de medición se define 
a la diferencia entre el máximo y mínimo que un instrumento dado es capaz de medir, 
considerando claro está a estos dos valores extremos, y no solo a la diferencia. Al rango se lo 
denomina “spam” (i.e. PV máx – PV mín. = Rango o Spam). 
 
Modo cascada: En este caso, el modo toma una complejidad conceptual mayor, la cual será 
explicada a continuación. Al seleccionar el modo cascada, el controlador pasará a estar en 
modo “esclavo”. Previamente debe haberse configurado la estrategia detener otro controlador 
que será el “amo” en el lazo de control en cuestión. Por ejemplo, un controlador de temperatura 
suele ser el “amo” y otro de caudal de vapor de calefacción será el “esclavo”. El set-point del 
lazo esclavo ya no podrá ser modificado por el usuario, sino que se determinará de forma 
automática por una operación matemática interna del sistema, de la siguiente manera: 
SP del lazo esclavo=(%OP del lazo amo/100)*Rango del lazo esclavo (ec. 1.17) 
Al igual que al pasar de manual a automático existe un modo “anti-salto” cuando se pasa de 
automático a cascada. El mismo se basa en que cuando el lazo esclavo está en modo automático, 
no puede recibir orden del lazo cascada, puesto que su SP lo podrá fijar directamente el usuario. 
En este caso, el lazo amo no puede enviar su señal a nadie, y su OP no será producto del cálculo 
del algoritmo de control, sino que tendrá un valor de inicialización conocido como “INIT” que 
será igual a: 
OP INIT lazo “amo” = (PV del lazo esclavo/Rango del lazo esclavo)*100 (ec. 1.18) 
 
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La sigla INIT es por initialization (inicialización) y tiene por objetivo otorgar sincronismo en el 
pasaje de automático a cascada. 
Las pestañas que se muestran en la figura 1.13 permiten acceder a diferentes menús del 
controlador, por ejemplo, en el de tendencia se mostrarán las gráficas de PV, OP y SP en 
función del tiempo, en la de ajustes se podrán modificar los parámetros del algoritmo de control 
PID (más adelante se estudiará este tema en profundidad) y alarmas se podrán especificar los 
valores y límites de alarmas asociadas al controlador. 
Por otro lado, el interruptor de reconocimiento de alarmas (en inglés alarm acknowledgement) 
sirve para silenciar una alarma sonora y/o lumínica, la cual se ha activado por un valor 
anormalmente alto o bajo, y peligroso o potencialmente perjudicial, de la variable que se está 
controlando, mientras el operador de tablero de la sala de control trabaja para llevarla al valor 
normal. El objetivo de la misma es evitar el estrés y la distracción que un sonido repetitivo y 
fuerte puede generar en dicho operador. El mismo debe solo permite el silenciado de la parte 
sonora, valga la redundancia, quedando la alarma lumínica activada, y este silenciado es solo 
temporal, reactivándose al cabo de unos minutos si no se restableció el valor de PV. Debe ser 
usado de forma responsable y no negligentemente. Los sistemas modernos de control guardan 
un registro de todo lo hecho por el operador encargado del tablero de control. Esto se conoce 
como listado de eventos. 
 
Figura 1.13 
En la figura 1.30 se muestra un controlador electrónico, para montar en panel de la sala de 
control, con la interface hombre máquina integrada en su frente. 
XX-FRC-YYY
(Nombre del controlador)
SP
PV
OP %
EU
EU
m3/dEU
AUTO MAN
% (EU) %A
la
rm
a
s
30,15
800,0
800,6
0
(0,0)
100
0
50
25
75
100
(2050,0)
75
(1537,5)
50
(1025,0)
25
(512,5)
CAS
Selector del modo 
de operación
Indicador 
numérico
Interruptor para 
reconocer las 
alarmas
Indicador de la 
unidad de medida 
usada
Indicador gráfico 
de barras
Interruptor 
para cerrar la 
pantalla
Interruptor 
para anclar 
la pantalla
Diseño de la interface virtual “hombre-
máquina” de un controlador
INTERFACE TENDENCIA AJUSTES ALARMAS
Pestañas para seleccionar 
los menús disponibles
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1.13 El controlador ante arranques, paradas y emergencias del proceso 
En condiciones de arranques y emergencias, se hará uso del modo manual del controlador, a 
través del cual, las personas experimentadas a cargo de la operación del tablero de control irán 
guiando el proceso hasta una condición operativa deseada y estable. Una vez alcanzada la 
misma, se podrá pasar a modo automático. Una vez estable en modo automático, se pasará al 
modo cascada, en caso de aplicar. Ante una emergencia, los controladores deberán pasarse a 
modo manual, con el fin de hacer lo propio y parara la planta o proceso de forma segura. Debe 
recordarse que los controladores son diseñados para actuar como reguladores en un rango 
acotado de diseño. 
1.14 Elementos de acción final 
Los elementos de acción final son piezas de equipamiento que son los encargados de recibir la 
señal del controlador y llevar a cabo la modificación en la magnitud de la variable manipulada. 
Entre los principales grupos se encuentran las válvulas automáticas neumáticas (ver ítem 1.17), 
los variadores de velocidad de los motores eléctricos por variación de frecuencia eléctrica, los 
pistones neumáticos e hidráulicos, los servomecanismos eléctricos, etc. 
Para el control automático de procesos, el elemento de acción más ampliamente usado es la 
válvula automática neumática (ver ítem 1.17), seguido por los variadores de velocidad de giro 
de motores por variación de frecuencia. Las válvulas automáticas son muy usadas ya que 
permiten variar el caudal de los elementos que se usan como las variables manipuladas más 
usadas, tales como caudal de vapor para regular temperatura o para regular la velocidad de giro 
de una turbina, caudal de salida de gases para regular una presión, etc. Sin embargo, al 
introducir fricción, las válvulas de control generan una degradación de la energía útil (presión 
del fluido) en calor y vibraciones. La combinación con variadores de frecuencia en motores 
eléctricos permite hacer un uso más racional de la energía, reduciendo estas degradaciones. 
1.15 Disposición de los controladores en las salas de control y paneles de control 
Los controladores se disponen en salas especiales dentro de las plantas industriales, 
denominadas salas de control. Las interfaces “hombre-máquina” indicadas se ubican en 
“paneles”, los cuales se pueden clasificar dentro de los siguientes principales tipos: 
• Gráficos: Consisten en una representación simbólica del proceso y los instrumentos 
están en un panel físico siguiendo el flowsheet del proceso. La disposición puede ser 
sobre una mesa inclinada tipo “tablero de dibujo” y verticalmente sobre una pared, a la 
altura de la vista de las personas. 
• Semi-gráficos: Constan de dos partes; una superior donde está indicado el flowsheet 
con la indicación simbólica de los instrumentos numerados y una parte inferior donde se 
distribuyen los instrumentos individualizados con los mismos números indicados en la 
flowsheet. (ver imagen 1.1) 
• No gráficos: Los controladorese indicadores están agrupados sin ninguna 
representación gráfica, individualizados sólo por sus números (ver Imagen 1.2) 
• Virtuales: Se representan mediante la proyección en una pantalla de PC y monitores de 
LED en las paredes de la sala de control; los controladores se encuentran agrupados en 
armarios llamados nichos y sus señales se envían a los controladores que se hallan en 
PC’s especiales, las cuales envían las señales hacia la planta y hacia las mencionadas 
pantallas, las cuales representan en las pantallas. La interface mostrada en la figura 1.13 
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pertenece a este tipo, la cual se despliega haciendo “doble clic” sobre el controlador 
seleccionado (ver Imágenes 1.3 y 1.4). 
Los tres primeros tipos son propios de plantas más antiguas, mientras que los del último tipo son 
propios de plantas modernas. 
Las salas de control en donde se hallan alojados los controladores deben poseer una 
construcción robusta, tipo “bunker”, a prueba de siniestros, así como también una presurización 
especial con aire tomado de una fuente lejana segura, puesto que, ante una emergencia en la 
planta, los operadores de tablero deberán seguir operando para llevar la planta a una condición 
segura. 
La forma de mostrar las mediciones de las variables involucradas en el control al personal de la 
planta se puede dividir en dos grandes grupos: 
a) Indicación local: La misma se hace en el lugar (equipo de proceso) donde se halla 
ubicado el elemento de medición de la variable. A este tipo de indicación se la suele 
denomina “de campo” (por field, en inglés) 
b) Indicación remota: Las mediciones de las variables son transportadas por líneas 
neumáticas o eléctricas hasta la sala de control, o lugar donde se halla ubicada una 
interfaz con el operador. 
Ambas coexisten en las plantas de procesos industriales y permiten realizar una verificación 
cruzada de las mediciones. Pueden ser de diferente tecnología, por ejemplo, para la medición de 
temperatura se puede tener de forma local un medidor de par bimetálico con indicación 
analógica (tipo “reloj”) en el lugar y un elemento de medición tipo termo-resistencia, siendo su 
señal transportada a la sala de control por medio de cables. Para el caso de presión se tendrá un 
manómetro de tipo tubo de Bourdon en campo (ver imagen 1.14) y un indicador de presión 
electrónico, del tipo capacitivo, para llevar la señal a la sala de control. Actualmente el trasporte 
de señales se hace por medio de diferencias de potencial y corrientes eléctricas (4 a 20 mA). La 
tecnología más antigua consistía en hacerlos por medio de señales de presión (3-15 psig). 
 
 
Imagen 1.1 
 
 
 
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Imagen 1.2 
 
Imagen 1.3 
 
Imagen 1.4 
 
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1.16 Alarmas y paros de emergencia 
En todo proceso hay límites que las variables que describen el funcionamiento del mismo no 
deben superar a fin de evitar problemas en los productos y equipos y para que no se superen los 
límites recomendados y físicos de los equipos. Por tal razón dichas variables deben poder 
medirse de forma confiable. Además, los sistemas de información de los valores de las variables 
deben contarse con dispositivos que alerten a los operadores que se están alcanzando valores 
previos a dichos límites. Cuando un valor se acerca a un límite, se emitirá una alerta del tipo 
lumínica y sonora. Estos dispositivos estarán dispuestos en el panel correspondiente, de forma 
visible a los operadores. El sonido poseerá una intensidad diferente en función de la gravedad de 
la alarma. Si la alarma persiste, el operador la puede reconocer (como se mencionó previamente 
en este capítulo), quedando la indicación lumínica activada hasta que el valor de la variable 
retorne a la normalidad. Las alarmas se suelen organizar en bajas, muy bajas, altas y muy altas. 
Cuando un valor de una variable crítica para el proceso o sistema, supera los valores de alarma 
muy alta, o se va por debajo de los valores por muy bajo, se accionarán sistemas que llevarán a 
la parada del proceso a una parte del mismo, llevándolo a una posición segura. Debido a que 
esta situación es extrema, las mediciones que llevan a accionar estas paradas deben ser 
confiables. En sistemas modernos, se emplean 3 mediciones por cada una de estas variables 
críticas, en un sistema denominado “por votación”. La lógica de estos sistemas es que al menos 
2 medidores deben estar indicando que se ha sobrepasado un límite (o se está por debajo del 
mismo)para que la medición sea tomada como válida. Otro sistema es el que se denomina de 
medición redundante, el cual emplea 2 medidores. El objetivo de esta metodología es que, si 
uno de ellos falla, se tiene un de reserva. 
Los paros de emergencia también pueden accionarse de forma manual, mediante un pulsador 
debidamente señalizado y protegido. El mismo solo se usará en situaciones extremas, como, por 
ejemplo, incendios en sectores del proceso o aledaños al mismo. 
1.17 Válvulas de control neumáticas 
Las mismas son esencialmente válvulas, las cuales poseen un cuerpo y un elemento de 
obturación, que antepone una resistencia al pasaje de fluido, con la capacidad de interrumpirlo 
totalmente al cierre(es importante recordar que las válvulas de control no están diseñadas para 
un bloqueo 100% efectivo (i.e. cierre total), si no, para la regulación de caudal., y de un 
conjunto actuador, el cual es el responsable de graduar la apertura de la válvula, basándose en el 
aporte de energía externa, en la forma de aire comprimido, y de la señal enviada por el 
controlador. La presión del aire comprimido es transformada en fuerza al actuar sobre un 
diafragma flexible de un material resistente como el neopreno. Esta fuerza se contrapone la 
hecha por resortes de compresión, dispuestos en oposición al diafragma. 
Por razones de seguridad, la posición que toma la válvula ante un corte total del aire 
comprimido (cerrada o abierta), viene definida por el arreglo de entrada superior o inferior del 
aire y la forma de obturación del tapón. Ante un corte del aire comprimido, por una emergencia, 
los resortes llevarán la válvula a una posición, la cual debe ser aquella que proporcione 
seguridad al proceso o sistema. 
En las siguientes figuras, se detalla lo indicado más arriba, presentándose cuatro tipos (A), (B), 
(C) y (D): 
Teoría de control automático de procesos – Edición 2021 Cap. 1-Introducción y conceptos generales 
 
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Figura 1.14 
 
Figura 1.15 
De estas dos figuras puede observarse que los tipos A y C poseen un tapón que obtura desde 
arriba, es decir al descender el vástago, mientras que en las B y D, esto ocurre al ascender el 
vástago. Se puede apreciar, según indican las flechas, el lugar por el cual circula el fluido 
cuando el tapón no está completamente cerrado. 
Luego, en los tipos A y B se tiene que la presión de aire comprimido comandada por la salida 
del controlador ingresa al actuador de la válvula por arriba, mientras que en los tipos C y D, lo 
hace por debajo. Es importante remarcar que, la señal del controlador llegar primero a otro 
dispositivo, el posicionador, el cual es, es si mismo, un controlador proporcional con alta 
ganancia, siendo el encargado de enviar la presión de aire a la mencionada válvula. Los 
posicionadores neumáticos, reciben una señal de presión de aire, comprendida entre 3-15 psig 
(libras por pulgada cuadra manométricas), de un controlador neumático,y, con un suministro de 
aire comprimido de potencia, auto-regulado desde 100 psig a 20 psig, distribuyen el aire al 
actuador de la válvula (ver imagen 1.12). El desplazamiento del vástago resultante es 
realimentado al posicionador por medio de una palanca mecánica, bajo la lógica de un lazo de 
control cerrado de realimentación, lo cual permite un posicionamiento preciso de la válvula, es 
decir, que si, por ejemplo, la salida del controlador es de 55%, efectivamente la válvula esté en 
el 55% de su carrera. El brazo de realimentación también sirve para corregir cambios en la 
posición de la válvula debidos a variación de presión en la cámara interna en donde se halla el 
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obturador y el tabique (más adelante en este material se verá que los tapones poseen diseños 
especiales para tratar de compensar estos efectos de la presión del fluido). Otro tipo de 
posicionador, es el electro-neumático, el cual recibe una señal del controlador de 4 a 20 mA 
(miliamperios), y transforma la señal a la válvula de control de 3 a 15 psig, de forma 
proporcional (ver imagen 1.31). 
La relación entre la apertura de la válvula de control y el caudal que pasa por la misma, depende 
del diseño del conjunto tapón u obturador y asiento de la misma, siendo cada tipo útil en 
diferentes aplicaciones. En las siguientes figuras se pueden apreciar diferentes tipos de tapones 
de diseño básicos(cada marca comercial posee diseños específicos) y sus curvas características: 
 
Figura 1.16 
 
Figura 1.17 
Para cada tipo de tapón, se tienen las siguientes funciones: 
567�89: :�;� = ; �ec. 1.19� 
=8í? @A8�B8�8: :�;� = √;�ec. 1.20� 
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FGA89 HIB@�7�8J�: :�;� = KLMN�ec. 1.21� 
O6H�BPó96@8: :�;� = 1K − �K − 1�; �ec. 1.22� 
Para un dado valor de la apertura de la válvula, “x”, el caudal F vendrá dado por: 
S = �:�L�T∆UV �ec. 1.23� 
Siendo K una constante característica de la válvula provista por el fabricante de la misma y f(x) 
vendrá dada por las relaciones o curvas arriba indicadas. El ∆P será la diferencia de presión en 
la válvula y ρla densidad del fluido. En control automático nos es de interés determinar la 
relación entre el caudal F y la posición de apertura “x”. A “x” se la suele igualar a la salida del 
controlador “y” u “OP”, como se ha indicado previamente. 
Para las válvulas de control, se tiene un criterio de seguridad ante un corte en el suministro de 
aire de instrumentos, en referencia a si son aire para cerrar (tipos A y D) o de aire para abrir 
(tipos B y C). En tal situación de corte, se debe elegir la válvula que lleve al proceso a la 
condición segura. Así, en corrientes que agregan energía al sistema (ingreso de combustible a un 
horno o calentado, vapor de calefacción o motriz, etc.) se deben elegir válvulas aire para abrir, 
también conocidas como normal cerradas (NC: normal closed) o falla cerradas (FC: fail 
closed), es decir, que sin presión de aire, el resorte cierra la válvula (tipos B y C), mientras que 
para aquellas corrientes que extraen energía del sistema (agua o aire de refrigeración, corriente 
de reflujo en torres de destilación, venteo de gases o vapores en tambores, etc.) deben ser del 
tipo aire para cerrar (tipos A y D), o normal abiertas (NO: normal open) o falla abierta 
(FO: fail open). 
Las válvulas de control deben instalarse en un arreglo denominado cuadro de control, para 
poder sacarlas de servicio cuando requieren ser reparadas. Aguas arriba y debajo de la válvula 
de control deben colocarse válvulas de bloqueo del tipo esclusa, conocidas también como de 
compuerta, quedando la válvula de control en el centro. Entre, cada válvula esclusa y la de 
control debe ir una conexión de menor diámetro, en general 3/4 pulgadas, también con válvulas 
esclusas, denominadas purgas. Las mismas cumplen la función de poder drenar el producto 
contenido en el circuito de la válvula de control. Antes de la primer válvula esclusa y después de 
la segunda hay una conexión, la cual posee una válvula de regulación manual del tipo globo, o 
bien dos válvulas, una esclusa y luego una válvula tipo globo. El agregado de la válvula esclusa 
no es obligatorio, pero es considerada una buena práctica ya que son más robustas para efectuar 
un bloqueo efectivo. Las válvulas globo son para regular de forma manual, cuando la válvula de 
control se desmonta para reparación. Todas las mencionadas válvulas van montadas por medio 
de bridas o, para servicios más severos, soldadas (por ejemplo, para el caso de vapor de altas 
presiones). Las uniones roscadas o de bridas roscadas, no se recomiendan, o bien estar 
prohibidas para aplicaciones de altas presiones o de productos corrosivos, peligrosos o 
inflamables. En aplicaciones especiales, los actuadores pueden ser hidráulicos (con presión de 
aceite), pero en la gran mayoría de los casos en la industria de procesos químicos, se emplea 
aire comprimido como servicio para el accionamiento de las válvulas automáticas. En capítulos 
posteriores se ampliará este tema. En las imágenes1.5 a 1.8 se muestran imágenes de válvulas de 
control y de sus internos (para la imagen 1.8 ampliar lo suficiente apreciar los detalles).Se 
sugiere leer el “Handbook of Control Valves” de Emerson-Fisher para quien desee ampliar 
sobre los detalles constructivos y diferentes diseños de los internos de las válvulas de control. 
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Imagen 1.5 Imagen 1.6 Imagen 1.7 
 
 
Imagen 1.8: Corte longitudinal de una válvula de control neumática 
 
(“Tapón” u obturador) 
(“Asiento”) 
(“Bonete”) 
Bridas del cuerpo 
(“Soportes”) 
(“Señal del posicionador/controlador”) 
(En color rojo solo por claridad) 
(Placa soporte) 
(Actuador) 
(Sentido de avance del fluido) 
Lubricador 
Camisa del obturador 
Tornillos de fijación del bonete 
Tornillos de fijación 
del empaque 
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Imagen 1.9: Cuadro de control neumática con bloqueos, by-pass y posicionador neumático. Los 
bloqueos y el by-pass permiten entregar la válvula de control para su verificación o reparación 
 
 
Imagen 1.10: Esquema tipo P&ID de cuadro de control de caudal en bombas centrífugas 
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Imagen 1.11: Placa-orificio con tomas de 
medición de presión 
 
Imagen 1.12: Válvula de control con 
posicionador neumático 
 
 
Imagen 1.13: Conjunto bridas porta-placa 
orificio, juntas y bulones 
 
Imagen 1.14: Manómetro 
 
 
Imagen 1.15: Celda de presión diferencial (DP Cell) 
 
 
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Imagen 1.16: Principio de medición de caudal por Bernoulli-Venturi 
 
Imagen 1.17: Vena contracta y turbulencia generada por la placa orificio 
 
Imagen 1.18: Vena contracta y recuperación de presión en una placa de orificio 
Teoría de control automático de procesos
 
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Imagen 1.19: Placa
Imagen 1.20: Tubos Venturi: Se emplean para medir caudales de gases y vapores en casos en 
donde la pérdida permanente de presi
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: Placa-orificio con compensación por temperatura 
 
Se emplean para medir caudales de gases y vapores en casos en 
donde la pérdida permanente de presión debe ser minimizada 
Introducción y conceptos generales 
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Se emplean para medir caudales de gases y vapores en casos en 
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Imagen 1.21: Elementos de medición de nivel 
 
Imagen 1.22: Elementos de medición de temperatura 
 
 
 
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Imagen 1.23: Medidor de caudal por efecto Coriolis 
 
 
Imagen 1.24: Tubos en vibración cuando no hay flujo: Ambos vibran en fase. La frecuencia 
natural de vibración de las ramas permite calcular la densidad del fluido contenido en las 
mismas. 
 
 
Imagen 1.25: Tubos en vibración cuando hay flujo: Vibran de forma ondulante y hay desfasaje 
entre ellos. 
 
 
Imagen 1.26: Las ramas de los tubos en “U” se desfasan en su vibración. El caudal másico es 
proporcional al desfaje en tiempo entre las ramas 
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Imagen 1.27: Cuadro de control de nivel y controlador proporcional neumático montado 
localmente, con indicación local 
 
Imagen 1.28: Control proporcional neumático local “LC” del tipo balanceado de la imagen 
1.27(“proportional band” o banda proporcional, BP=100/Kc). Con “raise level” se varia el set-
point de nivel. 
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Imagen 1.29: Controlador neumático PID marca Emerson/Fisher. 
 
Imagen 1.30: Controlador electrónico PID marca Yokogawa. 
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Imagen 1.31: Válvula de control con posicionador I/P (electro-neumático) 
 
Imagen 1.32: Arquitectura de un sistema de control distribuido (DCS) 
 
Imagen 1.33: Arquitectura de un sistema de control distribuido (DCS) con redes Profibus y 
Profinet 
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Imagen 1.34: Controladores de un sistema de control distribuido (DCS) 
1.18 Líneas de transmisión de señal de mediciones y control 
La comunicación entre los distintos componentes del lazo de control, se llevan a cabo de las 
siguientes maneras: 
a) Señales neumáticas: Las mismas son las primeras que se empezaron a usar en el 
control automático de procesos antes de que la electrónica tuviese el nivel de desarrollo 
que ha venido teniendo, y creciendo, desde 1980. Las señales neumáticas consisten en 
presiones de aire en el rango de 3 a 15 psig. Las líneas de transmisión son tubos de 
cobre o acero inoxidable en diámetros de 6 mm (1/4 de pulgada) o 12,7 mm (1/2 
pulgada). Se siguen empleando en instalaciones previas a 1980 o bien en zonas de 
atmósferas explosivas. Se simbolizan con una línea continua fina con doble barra 
inclinada a la derecha espaciadas de forma equidistante 
 ( ) 
b) Señales eléctricas: Las mismas son cables eléctricos de materiales conductores, de 
materiales como el cobre o aleaciones de este material, aisladas eléctricamente y con 
protecciones malladas para minimizar la inducción de corrientes parásitas fruto de 
campos electromagnéticos variables generados por los instrumentos cercanos. Las 
mismas operan con diferencias de potencial (mili voltios) que se traducen en 
intensidades de corriente en el rango de 4 a 20 mA. No se usa el rango empezando de 0 
mA, ya que esta intensidad de corriente es indicación de falla o corte de una línea o de 
un elemento del lazo. Los sistemas de auto-diagnóstico de los lazos indicarán una falla 
ante una lectura de 0 mA. Se simbolizan con una línea de trazos, de un espesos menor a 
la de los equipos de proceso (-----------). Debido a la posible formación de chipas 
eléctricas, se requiere de cierre a roscas especiales para que las conexiones y los 
equipos pueden ser usados en zonas con atmósferas explosivas. 
c) Transmisión inalámbrica (wireless):Esta tecnología de comunicación ha ido tomando 
más protagonismo en los últimos años. Sin embargo, el nivel de confianza, seguridad y 
robustez que demanda la comunicación en un lazo de control ha hecho que las mismas 
estén reservadas a aplicaciones de medición únicamente. Por ejemplo, en parques 
extensos de tanques almacenamiento, las mediciones de nivel de líquido, presión y 
temperatura de los mismos se hacen en el tanque y se transmiten a la sala de control vía 
inalámbrica. Excepto que una variable esté muy cercana a un valor riesgoso, un corte de 
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la señal no representará un peligro inminente y se tendrá tiempo para ir a solucionarlo, 
situación que no es aceptable en un lazo de control automático. 
1.19 Principios de las mediciones de las principales variables de proceso 
Como se indicó, toda variable que se quiera controlar, se debe poder medir en control por 
realimentación y/o las variables de entrada en control en avance. Para medir una determinada 
variable, en general se emplean principios indirectos. Entre los casos más usados tenemos: 
1.19.1 Caudal: 
• Placa de orificio, boquilla o tubo Venturi: Se genera una pérdida de carga (i.e. 
presión) idealmente reversible por aumento de la velocidad producto de colocar una 
reducción de sección en la cañería. El caudal volumétrico resulta directamente 
proporcional a la raíz cuadrada de la pérdida de carga, i.e. W ∝ √∆U. Por lo tanto, se 
mide ∆U = UY − UN y se calcula el caudal o tasa de flujo F. Deben ir siempre colocados 
antes de las válvulas de control y en tramos rectos de cañería que reducir al mínimo los 
errores debidos a turbulencias (ver imágenes 1.11y 1.13 a 1.20). 
• Por efecto Coriolis (caudal másico):Miden el caudal másico de corrientes de fluidos, 
inclusive con gases y sólidos en suspensión. Se basa en el desfasaje en tiempo en la 
vibración asimétrica de dos tubos en “U” por lo cuales circula el caudal (mitad del 
caudal por cada uno) basado en el principio de conservación de la cantidad de 
movimiento angular de acuerdo con el fenómeno de Coriolis Permiten medir caudal 
másico, densidad y vienen equipados con medidor de temperatura. Son equipos muy 
precisos y exactos y de mayor costo que los de placa de orificio o Venturi (ver imágenes 
1.23a 1.26). 
• Vortex (generación de vórtices):Miden caudal volumétrico basado en la generación de 
vórtices por interposición de restricciones en el medidor. Estos vórtices viajan 
arrastrados por el movimiento del fluido, fenómeno denominado “calle de los vórtices 
de von Kármán”, los cuales generan zonas de mayor y menor presión, produciendo 
pequeñas diferencias de presión, las cuales hacen oscilar un sensor pendular. La 
frecuencia de oscilación de este sensor determina el valor medido de caudal. Este sensor 
posee un medidor de temperatura adosado. 
• Mediante turbinas de rotación: La velocidad de giro de la turbina se emplea como 
medida directa del caudal volumétrico. 
• Por efecto electromagnético: Se emplea para medir líquidos conductores (soluciones 
salinas). Elcaudal de líquido se hace pasar por un campo magnético que cambia su 
polaridad con una determinada frecuencia para evitar la electrólisis del líquido. Los 
iones presentes en el líquido se desvían al pasar por el campo magnético, debido a la 
fuerza que experimenta una partícula cargada eléctricamente al moverse en un campo 
magnético (WZZ⃗ = \]ZZ⃗ x_ZZ⃗ �, generando una polarización. Esta diferencia de potencial, que 
varía sinusoidalmente, es usada como medida del caudal circulante. 
• Por efecto de dispersión térmica: Se emplea para la determinación del caudal másico 
de gases y vapores y se basa en la capacidad de estas sustancias, y de la velocidad a la 
que se mueven, de remover calor. Posee dos elementos, uno mide la temperatura real 
del gas o vapor, y el otro, también posee una medición de temperatura y además es 
calentado por una resistencia interna por el agregado de una determinada intensidad de 
corriente de modo de siempre mantener una diferencia constante de temperatura de, por 
ejemplo, 50°C. El flujo de gas o vapor remueve calor del elemento calentado, y lo 
Teoría de control automático de procesos – Edición 2021 Cap. 1-Introducción y conceptos generales 
 
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enfría. Al detectarse que la diferencia de temperatura baja de 50°C, el circuito 
electrónico del sistema automáticamente envía más corriente para compensar el mayor 
enfriamiento. Dicha intensidad de corriente es una medida directa del caudal de gases o 
vapores que está circulando. Estos equipos son fáciles de instalar, exactos, precisos (0,5 
a 1% del rango) y poseen un muy amplio rango de medición (de caudales muy bajos a 
muy altos) 
1.19.2 Temperatura: La temperatura se mide por medio de dos principios, básicamente. Uno 
de ellos está basado en que la resistividad de ciertos metales varía con la temperatura, 
aumentando a medida que la temperatura sube y disminuyendo a medida que la misma 
baja. Estos sensores se montan en un circuito tipo puente de Wheatstone, en donde se 
puede medir la resistencia con gran precisión, y de esa medición, se calcula el valor de 
la temperatura. El otro método es por medio de termocuplas, el cual se base en el 
principio del termopar. Éste consiste en dos cables de dos metales diferentes, la cual 
produce una pequeña diferencia de potencial eléctrico que es función de la temperatura. 
Poseen un rango de medición más amplio que las termo-resistencias, pero son menos 
precisas (ver imagen 1.22). Para temperaturas más altas se emplean detectores de 
intensidad de radiación, conocidos como pirómetros. Dicha intensidad de radiación está 
relacionada con la emisividad y la temperatura del cuerpo a medir. 
1.19.3 Presión: Se emplean sensores formados por un diafragma que se deforma por la presión 
y cual acciona un capacitor variable, lo cual es medido y convertido por un circuito 
electrónico. Con este método se pueden medir presiones y diferencias de presión. La 
medición de caudal por placa de orificio arriba mencionada es definitiva una medición 
de diferencia de presión (ver imágenes 1.14 y 1.15. En este último caso no será una 
celda de diferencia de presión sino un medidor-transmisor de presión). 
1.19.4 Nivel: Dependiendo del servicio se emplean diferentes instrumentos que se basan en 
diferentes principios. Uno de ellos es el del desplazamiento de un flotante hermético y 
sumergido en un tubo, adosado al recipiente de proceso, mediante una toma de bajo 
nivel y una de alto. El nivel del líquido en el recipiente de proceso se equilibra con el 
del tubo del medidor por “vasos comunicantes”. A medida que el nivel sube, el flotante 
se sumerge más de líquido, lo cual produce una mayor fuerza de flotación sobre el 
mismo, El flotante se desplaza solo unos milímetros, los cuales, a través de un brazo de 
palanca, mueven un capacitor variable, señal que es medida, procesada y convertida en 
nivel por un circuito electrónico. Otro método consiste en medir la presión diferencial 
entre las fases gas o vapor sobre el líquido y la presión total que incluye la columna de 
líquido, por lo que se tiene que h=∆p/(ρg). Para el caso de mediciones en tanques de 
almacenamiento de líquidos, gases licuados o en silos para el almacenaje de sólidos a 
granel, se emplean radares, los cuales envían una señal de ultrasonido y miden el tiempo 
de rebote de la onda para calcular la distancia (altura) libre (ver figuras 1.21) 
1.19.5 Velocidad de rotación: Se emplean tacómetros mecánicos del tipo “regulador de Watt” 
o bien ruedas dentadas con dientes cuadrados y detectores láser o capacitivos que 
“cuentan” las revoluciones por unidad de tiempo. 
1.19.6 pH: Se emplean electrodos específicos, de medición y de referencia para determinar 
dicha variable. 
1.19.7 Composición: Este es uno de los campos más amplios, pero en general se emplean 
analizadores en línea, tal como el caso de cromatógrafos. Estas mediciones son más 
difíciles de obtener y de respuesta más lenta por la complejidad de los medidores. 
Requieren además de un mayor mantenimiento y re-calibraciones periódicas, además de 
poseer un mayor costo operativo (gases carrier, columnas de retención, etc.) 
Teoría de control automático de procesos – Edición 2021 Cap. 1-Introducción y conceptos generales 
 
Autores: Jorge Caporale y Luciano G. Ferrari Página 37 
 
El campo de la medición e instrumentación es muy amplio, siendo toda una especialidad en sí 
misma. Debe tenerse en cuenta que desde el punto de vista del control automático se requiere 
poder de medir de forma correcta y transmitir de forma rápida dicho valor al controlador. Para 
profundizar en los detalles de la instrumentación usada en control automático, se recomienda la 
obra Instrumentación Industrial del autor Antonio Creus Solé y videos tutoriales como los de 
Endress + Hauser, disponibles en Youtube. 
1.20 Lazo abierto vs. lazo cerrado 
La figura 3 muestra un lazo cerrado de control. La salida del controlador afecta a la medición y 
viceversa. Este lazo cerrado posibilita el control a través de la realimentación. Si este efecto se 
rompe en cualquier dirección, el lazo se dice que está abierto, y ya no hay más control con 
realimentación. Un lazo de realimentación se puede abrir por distintas razones. 
• Colocación del controlador en manual, lo cual hace que la salida permanezca constante 
(a menos que sea modificada por el operador) aún cuando cambie la medición. 
• Rotura del sensor o transmisor, con lo cual termina la capacidad del controlador de 
observar la variable controlada. 
• Saturación de la salida del controlador a 0 o 100% de la escala, con lo que termina la 
capacidad del controlador de actuar sobre el proceso. 
• Atascamiento del actuador de válvula a causa de la fricción o residuos en la válvula 
Cuando un lazo de control no parece estar operando adecuadamente, lo primero a verificar es si 
el lazo está o no cerrado. A menudo, se gasta mucho tiempo en tratar de ajustar un controlador 
cuando el problema está en alguna otra parte en el lazo. 
1.21 Realimentación positiva vs. negativa 
Aun cuando el lazo se encuentre cerrado, queda por verificar si la acción del controlador es 
positiva o negativa, lo que es crucial para el desempeño del lazo. Para que se consiga 
estabilidad, la acción del controlador debe ser tal que se oponga a la variación de la variable 
controlada. Así, en el ejemplo de la figura 1.3, si hacemos que la acción sea positiva el sistema 
se vuelve inestable. Con una acción o realimentación positiva, en efecto, cuando pasamos de 
manual a automático, un aumento en la temperatura de salida del líquido origina un aumento en 
la cantidad de vapor de calefacción lo que a su vez aumenta aún más la temperatura 
desequilibrando al proceso(figura 1.18). Con esta lógica de acción (realimentación positiva), si 
en lugar de aumentar, la temperatura de salida disminuye, también lo haría la entrada de vapor 
con lo que el líquido continuará