Sistema Termico Michael Celis Alejandro Peña José Romero Facultad de Ingeniería Ingeniería electrónica Control I Universidad Distrital Francisco José de Caldas Bogotá, Colombia
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A BSTRACT — Control systems are those dedicated to obtain the desired output of a system or process. A general system takes a number of inputs that come from the system control, called plant, and a system is designed so that, from these entries, modify certain parameters in the system plant, which signals will return to its normal state before any variation.
se muestra el modelo a implementar y las etapas que lo componen.
Keywords—Plant, system
I.
INTRODUCCION
Los sistemas de control son aquellos dedicados a obtener la salida deseada de un sistema o proceso. En un sistema general se tienen una serie de entradas que provienen del sistema a controlar, llamado planta, y se diseña un sistema para que, a partir de estas entradas, modifique ciertos parámetros en el sistema planta, con lo que las señales anteriores volverán a su estado normal ante cualquier variación. II.
DISEÑO DE LA PLANTA PARA UN SISTEMA TERMICO
Para la elaboración de este sistema es necesario establecer un modelo el cual está divido por etapas. En su primera etapa el sistema debe proporcionar una variación de temperatura de por lo menos 30o esta será desarrollada por una etapa de potencia tal que a partir de un voltaje variable entre 0 V y 12 V de baja corriente permita general la variación de calor al interior de un volumen de 1000 cm3 que corresponde a la segunda etapa de nuestro sistema, la generación de calor fue suministrada por un bombillo de 5 W a 12 V de doble filamento que permitió tener una corriente en la etapa de potencia adecuada para su funcionamiento, como tercera etapa de nuestro sistema es la implementación de un sensor de temperatura con su respectivo acondicionamiento proporcionando una estabilidad de 100mV/°C. En la figura 1
Figura 1. Estapas del sistema termico. A. Diseño de la etapa de potencia
Este circuito permite alterar la intensidad de luz emitida por un bobillo de doble filamento de 12v a 5W desde apagado hasta el máximo posible de un potenciómetro de 100KΩ. Gracias a que funciona por modulación de ancho de pulso. El circuito se basa en un integrado NE555 el cual genera el tren de impulsos necesario para controlar el transistor, el cual acciona por pulsos el bombillo. Los componentes entre los terminales 2, 6 y 7 del integrado regulan la frecuencia de oscilación del circuito y, por ende, la intensidad de luz. El mosfet IRF530 figura 2 permite llegar a corrientes muy elevadas dejando a un lado los inconvenientes relacionados con el aumento de temperatura del dispositivo.
Figura 2. Mosfet IRF530.
Figura 3. Implementación del PWM con el IRF530 para el control de intensidad de un bombillo de 12V a 5W. B. Diseño de la estructura del sistema termico
Para esta parte, tomamos como punto de partida y diseño el tipo de material a utilizar, ya que al no escoger un material adecuado, el comportamiento de la temperatura en el espacio podría verse afectado y esto modificaría el modelamiento del sistema. De esta forma el material que encontramos conveniente para este diseño fue una estructura de icopor con un volumen superior al indicado para el laboratorio de 1000 cm3 interior del volumen fue recubierto con un papel que permitiera el aumento de temperatura de forma óptima. C. Diseño delacondicionamientodel sensor de temperatura
Se hizo uso de un sensor LM35, el cual nos presenta una variación de voltaje de 10mV/°C, como la sensibilidad requerida para la variación de temperatura es de 100mV/°C es necesario el diseño de un amplificador que permita obtener la salida adecuada para esto fue necesario que la ganancia entregada por este amplificador sea de 10. Hay que tener en cuenta que la temperatura está variando a medida que la entrada del P WM tenga un voltaje específico, es decir que para un valor de 100% del ciclo útil será el valor máximo de la entrada. Para poder amplificar el voltaje que entrega el sensor LM35 requerimos de una configuración de amplificador operacional no inversor; es decir la ganancia de este debe ser de 10. A continuación se muestra el cálculo de las resistencias y su esquema figura 2.
Rf = 29KΩ y R1=3KΩ
Figura 4. Implementación de amplificador no inversor para el acondicionamiento del sensor de temperatura.
III. PROCEDIMIENTO DE LABORATORIO Para determinar el comportamiento del sistema con respecto al tiempo, es necesario realizar una toma de muestras, después de unir las etapas del diseño. Con esto podremos determinar la respuesta del sistema y poder estimar una función de transferencia que describa el modelo. Con los datos obtenidos se puede proceder a hallar la expresión de la función de transferencia del sistema asumiéndolo como un sistema de primer orden gracias a las características de las gráficas, y asumiendo este tipo de respuesta como una respuesta al escalón la cual tiene como forma estándar de función de transferencia:
Apreciar con exactitud los valores de interés es algo complicado, nos basamos en los datos recogidos para calcular el tiempo de establecimiento al 98% (4τ) y así poder encontrar el tao del sistema.
CONCLUSIONES
Figura 5. Gráfica de la f unción de transferencia junto a la gráfica medida en el osciloscopio
De acuerdo a la tabulación realizada para obtener la respuesta del sistema y a partir de una aproximación de la función de transferencia, con una entrada escalón unitario, la temperatura varia con respecto al tiempo de una forma creciente suave hasta llegar un punto en el cual se estabiliza, es decir la temperatura llega un valor determinado y a medida que el tiempo transcurre este valor no varía, por ende se puede deducir que la respuesta se aproxima a la de un sistema de primer orden. Para la realización de las medidas de temperatura con respecto al tiempo, el dispositivo que se utilizó para la variación de la temperatura fue un bombillo de 12V a 5W, es decir que a medida que variamos el voltaje de entrada, el bombillo requiere una corriente de hasta 550 mA. Por ello se concluye que para las pruebas hechas en el sistema se debe procurar utilizar siempre los mismos elementos de suministro de energía, en este caso la fuente DC de alimentación.
