UNIVERSIDAD PRIVADA ANTENOR ORREGO FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA
PROYECTO CONTROL II
CONTROL DE TEMPERATURA PROGRAMADO PARA UNA INCUBADORA Docente:
Guillermo EVANGELISTA ADRIANZÉN Integrantes:
PAUCAR FLORES; Jhon PEÑA GUEVARA; Sandra
Semestre:
2013-II
Trujillo 22 noviembre del 2013
ÍN D IC E Resumen Abstract
I.- INTRODUCCIÓN CAPITULO I CONTENIDO GENERAL DEL PROYECTO
1.
1.1. TÍTULO DEL PROYECTO 1.2. ANTECEDENTES 1.3. DESARROLLO 1.4. CARACTERÍSTICAS 2.
OBJETIVOS 2.1. OBJETIVO GENERAL 2.2. OBJETIVO ESPECÍFICO
3.
4. 5.
VARIABLES DIRECTAS E INDIRECTAS DEL PROYECTO LUGAR DONDE ES APLICABLE EL PROYECTO COSTOS Y PRESUPUESTO
CAPITULO II 2.
Microcontroladores 2.1.
DESCRIPCIÓN GENERAL DEL PIC16F873A
2.2.
CARACTERISTICAS CARACTERISTICAS GENERALES DEL PIC16F873A
2.3.
DIAGRAMA DE BLOQUES DEL PIC16F873A
3.
Modulo LCD
4.
Sensor de temperatura
5.
Sistema de potencia
CAPITULO III Fundamento teorico CAPITULO IV
RESUMEN: El presente proyecto desarrolla un módulo de calefacción para una incubadora. El principal propósito de este proyecto es el de incubar huevos a una temperatura que deberá ser constante durante los 21 días que dura el periodo de gestación sustituyendo la función de la gallina. Este sistema cuenta con un tablero en el exterior el cual muestra los parámetros de temperatura programado. Para la realización del proyecto se elabora un control automático de temperatura, nuestro set point que tiene como parámetros establecidos el control de una temperatura constante entre un valor mínimo y un valor máximo.
ABSTRACT: This project designs and utilizes a heating module for an incubator. The main purpose of this project is to incubate eggs at a constant temperature for the 21 day gestation period before the eggs' hatching, replacing the function of the hen. The system consists of an outside board which shows the programmed temperature settings. There is an an intricate automatic temperature control to carry out the project, whose set point control parameters are of a constant temperature between a minimum and a maximum value.
CAPITULO I I.
CONTENIDO GENERAL DEL PROYECTO A.
TÍTULO DEL PROYECTO
“CONTROL DE INCUBADORA”
B.
TEMPERATURA PROGRAMADO PARA
UNA
ANTECEDENTES
Las pequeñas empresas avicultoras, no cuentan con el presupuesto requerido para comprar una incubadora industrial debido al elevado costo. Basados en ésta problemática de las micro-empresas, en éste trabajo se desarrolla un pequeño prototipo, con la finalidad de a partir de ella sacar costos, presupuestos y análisis de una incubadora de tamaño real.
C.
DESARROLLO
Se plantea desarrollar de la siguiente manera:
El control de temperatura está representado por un Termómetro digital, en este caso un sensor de temperatura, ( LM35) el cual es controlado por una tarjeta electrónica que está a cargo del microcontrolador PIC
16F873A.
La temperatura que debe tener está dentro del rango de 30 °- 45°C, la temperatura promedio es de 40ºC.
El sistema de calentamiento, se da a través de lámparas incandescentes de 100watts, ubicadas en la parte interior del módulo.
Se visualizany controlan los parámetros de control, por medio de un display LCD, desarrollados dentro del módulo.
Se emplean también unventilador de ordenador, estos hacen que tanto la humedad como el calor circulen dentro de la incubadora en éste caso sería nuestro modulo.
El módulo está elaborado mediante paredes de madera.
D. CARATERISTICAS DEL PROYECTO Sistema automático de Temperatura, con lectura digital. Termómetro digital, por medio del LM35. Visualización de parámetros por medio de un display LCD exterior. Ventilación forzada mediante 1 ventilador de ordenador.
E. OBJETIVOS GENERAL:
Aplicar los conocimientos obtenidos en el curso de CONTROL II. El objetivo general del presente trabajo de investigación consisteen diseñar un Termóstato programado para una incubadora y facilitael trabajo del operario.
ESPECÍFICO
Diseñar y construir un sistema de control de temperatura; utilizando un micro controlador (PIC) que muestre la temperatura en un display de LCD, y ala ves dar funcionamiento a un ventilador para mantener la temperatura deseada .
LUGAR DONDE ES APLICABLE EL PROYECTO
Para las microempresas Avicultoras
CAPITULO II 1.
MICROCONTROLADORES: Un microcontrolador es un circuito integrado que incluye en su interior las tres unidades funcionales de una computadora: CPU, Memoria y Unidades de E/S, es decir, se trata de un computador completo en un solo circuito integrado.
Microcontrolador PIC gamaalta
1.1. DESCRIPCIÓN GENERAL DEL PIC16F873A: El PIC16F873 es un microcontrolador de Microchip, en la cual cuenta con tres bloques de memoria en este PIC los cuales son:
memoria FLASH de programa, memoria de Datos (RAM) memoria EEPROM de datos.
1.2. DIAGRAMA DE BLOQUES DEL PIC16F873A: En las siguientes figuras se muestra a manera de bloques la organización interna del PIC16F877, Se muestra también junto a este diagrama su diagrama de patitas, para tener una visión conjunta del interior y exterior del Chip.
Distribución de pines del microcontrolador PIC 16F837A
2. EL MÓDULO LCD: 2.1.
DEFINICIÓN: Las pantallas de cristal líquido LCD o display LCD (Liquid Cristal Display) para mensajes tienen la capacidad de mostrar cualquier carácter alfanumérico, permitiendo representar la información que genera cualquier equipo electrónico de una forma fácil y económica.
LCD de 2x16
2.2. CARACTERÍSTICAS GENERALES DEL MÓDULO LCD 16x2: Consumo muy reducido, del orden de 7.5mW Desplazamiento de los caracteres hacia la izquierda o a la derecha. Memoria de 40 caracteres por línea de pantalla, visualizándose 16 caracteres por línea. Movimiento del cursor y cambio de su aspecto. Permite que el usuario pueda programar 8 caracteres. Pueden ser gobernados de 2 formas principales:
Conexión con bus de 4 bits
Conexión con bus de 8 bits
3. SENSOR DE TEMPERATURA LM35: El LM35 es un sensor de temperatura con una precisión calibrada de 1ºC y un rango que abarca desde -55º a +150ºC. El sensor se presenta en diferentes encapsulados pero el mas común es el TO-92 de igual forma que un típico transistor con 3 patas, dos de ellas para alimentarlo y la tercera nos entrega un valor de tensión proporcional a la temperatura medida por el dispositivo. Con el LM35 sobre la mesa las patillas hacia nosotros y las letras del encapsulado hacia arriba tenemos que de izquierda a derecha los pines son: VCC - Vout - GND. La salida es lineal y equivale a 10mV/ºC por lo tanto: +1500mV = 150ºC +250mV = 25ºC -550mV = -55ºC
Sensor de temperatura LM35
4. SISTEMA DE POTENCIA Consiste de un generador de tiempo proporcional, una etapa de aislamiento y un interruptor de estado sólido (Triac). El circuito generador de tiempo proporcional recibe la señal de salida del controlador PID (señal de control) y la transforma en un pulso cuya duración es proporcional a la señal de control.
CAPITULO III 1. Marco Teórico 1.1 Transfo rm ada Z
y Equipos Es2.unMateriales modelo matemático utilizado en el análisis y la síntesis de sistemas de Es control necesario un ordenador el software MATLAB 2011a superior)en entiempo discreto . con El papel de la transformada z en(osistemas instalado. estaes guía no sealrequiere de librerías adicionales. tiempoPara discreto similar de la transformada de Laplace en sistemas en tiempo continuo.
El motivo principal para tratar con la transformada Z consiste en que la transformada de Fourier no converge para todas las secuencias; lo que hace necesario plantear una transformación que cubra una más amplia gama de señales. Adicionalmente, la transformada Z presenta la ventaja que en problemas analíticos, el manejo de su notación, expresiones y álgebra son con frecuencia más convenientes.
El empleo de la transformada Z en señales discretas tiene su equivalente en la transformada de Laplace para señales continuas y cada una de ellas mantiene su relación correspondiente con la transformada de Fourier. La transformada de Fourier de una secuencia x (k) se define como:
Z [X (KT)]=x (z)= Z [X (KT)]=x (0)+x (T) A. FUNCIONES ELEMENTALES ESCALÓN UNITARIO Se define de la siguiente forma:
X (z)= X (z)= X (z)=1+ + + +…. ENTONCES:
X (Z)==
RAMPA UNITARIA Lo definimos de la siguiente manera: X (KT)=kT, para k=0, 1, 2,3…. 0, para k X (z)= X (z)= X (z)=T ( )
ENTONCES:
X (Z)= POTENCIAL:
X(z)= X(z)= X(z)=1+ ENTONCES:
X(Z)= EXPONENCIAL:
X (Z)= X (Z) X (Z)=1+ + ENTONCES:
X (Z)= = SENO: Se define de la siguiente forma:
ENTONCES:
X (Z)=
b) Sistemas de Control Es un conjunto de componentes físicos conectados o relacionados entre sí, de manera que regulen o dirijan su actuación por sí mismos, es decir sin intervención de agentes exteriores (incluido el factor humano), corrigiendo además los posibles errores que se presenten en su funcionamiento. Un sistema de control es un arreglo de componentes físicos diseñados, de tal manera que se pueda manipular, dirigir o regular a sí mismo o a otro sistema, a través de una acción de control.
A. Los Sistemas son Típicamente de dos Tipos:
Lazo Abierto. Es aquel en el cual no se mide la salida ni se realimenta para compararla con la entrada.
Figura (1)
Lazo Cerrado o Control Realimentado. El control realimentado se refiere a una operación que, en presencia de perturbaciones, tiende a reducir la diferencia (error) entre la salida de un sistema y alguna entrada de referencia (R) y lo continúa haciendo con base en esta diferencia.
Figura (2)
Lazo Cerrado con Controlador. Utilizar un control realimentado en ocasiones no es suficiente para reducir el error, para ello se requiere un controlador, éste detecta la señal de error, que por lo general, está en un nivel de potencia muy bajo, y lo amplifica a un nivel lo suficientemente alto, para disminuir el error.
B. Tipos de Controladores Los controladores industriales se clasifican de acuerdo con sus acciones de control, como:
Control ON/OFF Control I Control P (ventajosamente para el control de nivel) Control D Control PI (ventajosamente para el control de flujo o control de presión de liquito) Control PID (ventajosamente para el control de temperatura) De estos controladores especificaremos directamente el control PID que aprendemos en clases y vemos más del tema.
C) SISTEMA DE CONTROL DEL PID
Control PID
Un PID (Proporcional Integral Derivativo) es un mecanismo de control por realimentación que se utiliza en sistemas de control industriales. Un controlador PID corrige el error entre un valor medido (PV) y el valor que se quiere obtener (Sp) calculándolo y luego sacando una acción correctoraque puede ajustar acorde al proceso.
ACCION PROPORCIONAL
La razón por la que el control on-off resulta en oscilaciones es que el sistema sobreactúa cuando ocurre un pequeño cambio en el error que hace que la variable manipulada cambie sobre su rango completo. Este efecto se evita en el control proporcional, donde la característica del controlador es proporcional al error cuando éstos son pequeños (La acción de control es simplemente proporcional al error de control.) Note que un controlador proporcional actúa como un controlador on-off cuando los errores de control son grandes.
ACCION INTEGRAL La función principal de la acción integral es asegurar que la salida del proceso concuerde con la referencia en estado estacionario. Con el controlador proporcional, normalmente existiría un error en estado estacionario.
ACCION DERIVATIVA La función de la acción derivativa es mantener el error al mínimo corrigiéndolo proporcionalmente con la velocidad misma que se produce (acción predictiva); de esta manera evita que el error se incremente.
y(t)=MV (t)= ∫
Figura (3)
A. Ubicación de un regulador PID en un sistema de control
La anterior, nos muestra la forma en que está ubicado un regulador PID dentro de un sistema de compensación. Es importante hacer notar que el punto de referencia o consigna en estos sistemas, por lo general, cambia sus valores, en la forma de un escalón, esto se debe a que dicha variable por lo regular es indicada por un operario de una forma arbitraria. De este modo el cambio más abrupto esperado será este escalón, y tomaremos en cuenta variaciones del tipo escalón para el análisis de estabilidad, ya que es el caso, en plantas industriales y procesos de producción.
Figura (4)
B. Análisis de controles proporcional, integral y derivativo
En el algoritmo de control proporcional, la salida del controlador es proporcional a la señal de error, que es la diferencia entre el punto objetivo que se desea y la variable de proceso. En otras palabras, la salida de un controlador proporcional es el producto de la multiplicación de la señal de error y la ganancia proporcional. Esto puede ser expresado matemáticamente como
P=
Donde:
P es la señal de salida del controlador Kpes la ganancia proporcional Epes el error del proceso (referencia menos variable medida).
Control integral y PI
Uno de los métodos para eliminar el error en estado estacionario que se da, en un sistema de control que cuenta únicamente con un controlador proporcional, es agregando una desviación en la salida del controlador. Para que el error del proceso resulte nulo, el valor de esa desviación se ajusta manualmente con el valor nominal de la carga. P=
Donde Po, es la desviación en la salida del controlador.
Control derivativo
En un control con acción derivativa se hace una corrección que es proporcional a la derivada del error respecto al tiempo. Acción Derivativa= Donde: :
es un cambio en el error.
: es la ganancia del control derivativo El controlador derivativo es útil porque responde a la rapidez de cambio de error y puede producir una corrección significativa antes de que la magnitud real del error sea grande. Por esta razón se dice, a veces, que el control derivativo se anticipa al error y de esta manera inicia una prematura corrección del error, sin embargo, a pesar de su utilidad no puede usarse solo, porque no responde a un error en estado estable, por lo tanto, debe usarse en combinación con otras acciones de control.
Características: a) Tiene efecto únicamente en la parte transitoria, por eso disminuye las Oscilaciones, estabilizándose más rápido “se anticipa al error”.
b) Se basa en la pendiente del error. c) En estado estable nunca actúa y por eso nunca se encuentra un control Derivativo solo.
Respuesta al escalón producida por un control PD
Figura (5)
C. PID en Tiempo Discreto
U (Z)=E (Z)
( )
+c (1- )
Función de Transferencia Los lazos de control continuo, están formados de tal forma que los componentes del sistema, siempre tienen información sobre la variable controlada, la cual es comparada en todo momento con la consigna y en base a esto realizar una acción correctiva o de compensación. Esto no sucede en los sistemas de control discreto, ya que en éstos la información de la variable controlada o el error, entre esta variable y la consigna, solo se obtiene durante el instante de muestreo. La transformada z es utilizada para el análisis y diseño de sistemas discretos, en los que asumimos un periodo de muestreo constante y que será el mismo para cualquier cantidad de muestreados en nuestro sistema, además de poseer la misma fase.
Muestreado mediante impulsos
Figura (7)
D. Sintonización del PID En esta sección presentaremos las formas de obtener los valores óptimos de las constantes [P], [I], [D], de un controlador en base a los parámetros encontrados por experimentos hechos en el sistema. Existen fundamentalmente 2 tipos de experimentos para reconocer un sistema, estos son:
Lazo abierto o respuesta al escalón Respuesta en frecuencia o lazo cerrado.
Los experimentos deberán hacerse siempre midiendo el tiempo en segundos. Para los 2 tipos de experimento se presentaran las fórmulas clásicas Ziegler-Nichols Astron y Hagglund
Estos Métodos entregan los valores óptimos K , Ti , Td para la ecuación PID
*Más información sobre este tema se puede obtener en los manuales de Instrumentación Arian Control & Automatización.
d) Modelamiento de Sistemas de Primer Orden A. Función de transferencia de un proceso Todos los procesos pueden ser caracterizados por su función de transferencia. Aunque las variables de entrada y de salida, pueden ser descritas por funciones en el dominio del tiempo f(t) , son comúnmente representadas en el dominio de la frecuencia como transformadas de Laplace F(s) , debido a que se pueden analizar con más facilidad. Consecuentemente, la función de transferencia de un proceso puede ser definida como la transformada de Laplace de la función en el tiempo de la variable de salida, dividida la transformada de Laplace.
G(S) = Función de transferencia del proceso, en el dominio de la frecuencia H(S) = Transformada de Laplace de la variable de salida en el tiempo Q(S) = Transformada de Laplace de la variable de entrada en el tiempo
Figura (8)
B. Procesos de primer orden Se definen de esta manera, los procesos industriales que constan de un elemento resistivo, y un elemento capacitivo. Lo Procesos de primer orden pueden representar con la misma función de transferencia G(s).
Donde, siguiendo la notación común a todos los libros de texto
y (s ) Transformada de Laplace de la
salida del sistema
(Por Ej. temperatura, nivel, etc.) u (s ) Transformada de Laplace de la entrada del sistema (Por Ej. potencia de los calefactores)
K p = ganancia estática (staticgain) Es la ganancia o amplificación del
sistema para una entrada constante (ganancia DC)
L =tiempo muerto (dead time) Es el tiempo que transcurre desde que se
provoca un cambio en la entrada hasta que aparece algún cambio en la salida.
T = tiempo característico (characteristic time) Como su nombre lo dice, es
un tiempo característico del sistema de primer orden. Se puede pensar como el tiempo que toma a la salida cambiar un 63% de su cambio total, cuando se aplica un cambio en la entrada .Como se verá este corresponde a la constante RC de un filtro pasa bajo o la inercia térmica de un horno.
En este caso usamos el Modelamiento de un Horno
Figura (9) Y (t ) P (t ) Po (t ) M Ce
Temperatura instantánea (grados Celsius) Potencia instantánea de los calefactores (Watts) Potencia perdida por disipación de calor al ambiente (Watts) Masa del material en el horno (Kg) Calor especifico del material
La potencia perdida por disipación se puede aproximar linealmente por la formula.
Donde: Ya Temperatura de ambiente exterior. K 1 Constante de disipación de energía
Luego por conservación de energía
Sustituyendo P (t ):
Se escribe ahora la función de transferencia del sistema:
=
Dónde:
L=
Ganancia estática del sistema Tiempo característico Tiempo muerto
Observe que T es proporcional a la masa y calor específico del material
e) sistema de calefacción En este sistema se ensayaron varias opciones, resistencias de brasero, resistencia de calefactor, etc., pero en todas se observaron que la temperatura era muy elevada difícil de controlar. Y después de varios ensayos encontramos Lámpara Incandescente, la cual nos satisface bastante y para controlar la potencia se empleara un control monofásico por ángulo de disparo mediante un triac.
Actuador
Bombilla de 220 Vac
f) sistema de ventilación: Se empleara dos ventiladores
, de 12V de ordenadores
la función de los ventiladores
hará que tanto la humedad como el calor circulen dentro de la incubadora.
III. MATERIALES Y EQUIPOS REQUERIDOS 1. MATERIALES: MATERIALES Tarjeta de control – PIC 16F873A Tarjeta de PID – PIC 16F877A Caja de madera Bombillo calentador de 100 watts Sensor de temperatura – LM35 Software’s(Mplab,Proteus,Matlab) Ventiladores de 12V
CANTIDAD 1 1 2 1 1 1 1
2. EQUIPOS: EQUIPOS Programador PICKIT Multimetro Fuente de 5 v (pic’s) y 12 v (tarjeta relé) Osciloscopio
CANTIDAD 1 1 1 1
PROCEDIMIENTO a) Cálculo de la función de transferencia: Los sistemas dinámicos de primer orden se pueden representar por la misma función de transferencia:
G(S)= NOTACIONES DADAS: Y( S) transformada de Laplace de la salida del sistema. Y( S) transformada de Laplace de la entrada del sistema. Los parámetros a hallar en este modelo son 3 y estos caracterizan en forma aproximada un sistema lineal de primer orden.
Ganancia estática Tiempo muerto Tiempo característico
Donde se obtiene: To=0 seg T1=1.6 T2=96.7 seg
Segundo punto de intersección: (31 segundos, 1,26 v)
Primer punto de intersección: (1.6;0.84 v)
m=
como en T=t1=1.6 seg y=yo=0.84v=23.285ªc y pendiente m=0.01428 V/seg calculamos T2 ya que en T2=y=y1=Bmax=1.95v =53ªc 35,44
Teniendo los valores de estos parámetros La planta se modela:
En lazo cerrado:
PID:
EL PROCESO DE FUNCIONAMIENTO:
Diagrama de lazo cerrado
DISEÑO DEL CIRCUITO ESQUEMÁTICO
CIRCUITO PID
CIRCUITOS DISEÑADOS EN MULTISIM DISEÑO DEL PIC 16F873A
EN - 3D
PLACA REALIZADA
ETAPA DEL VENTILADOR CON 12V
EN-3D
PLACA REALIZADA
CIRCUITO PID CON PIC 16F877A
ETAPA DE INTENSIDAD LUMINOSA
PROGRAMACION EN MPLAB:
