Universidad del Azuay, UDA. Facultad de Ciencia y Tecnología, Ingeniería Electrónica
.
APLICACIÓN DE UN CONTROLADOR PID PARA LA ESTABILIZACIÓN DE LA TEMPERATURA SISTEMA DE INCUBACIÓN AVÍCOLA Christian Efraín Beltrán Túquerrez e-mail:
[email protected] [email protected]
Pablo Agustín Cordero Delgado e-mail:
[email protected] [email protected]
Brian Torres Alves e-mail:
[email protected] [email protected] manera, un sistema térmico simulado; con lo cual, se podrán deducir deducir ciertas conclusiones y diferencias entre entre el modelo real y el simulado.
Resumen: A travé travéss del uso de un cont controla rolad dor Pr oporcio rci onal-I nal-I nte ntegra gr al-De l-D eri vativo vativo (PI ( PI D ), desarr sarr ollad llado en el software “Simulink” de “MathWorks”, se estabil estabilii zar zar á un siste si stema ma tér tér mico encargad encarg ado o de mante mantener ner una temp temperatur eratura a ade adecuad cuada a (37.5 (37. 5 °C ° C ) en una incuba incubado dorr a de huevos huevos de galli galli na totalmente totalmente automati automatizad zada. a.
Con el transcurso del tiempo la crianza de pollos ha ido aumentando considerablemente considerablemente en base a su alta demanda de consumo en el sector gastronómico por parte del ser humano a nivel mundial. Es por esto que, se han requerido distintos métodos para la incubación de huevos con el fin de que el proceso sea más eficaz y seguro para las compañías de crianza, reduciendo así la tasa de mortalidad durante el proceso de incubación.
PALABRAS CLAVE: Temperatura, humedad, PID, sensor, control, elementos de potencia, PCB, interfaz de usuario, PWM.
I.
INTRODUCCIÓN
A lo largo de la historia se han conocido distintos métodos de incubación artificial de huevos, desde la cultura egipcia, en la cual, se enterraban los mismos; hasta la actualidad, donde se poseen equipos especializados para este proceso, los cuales, poseen pleno control de los factores críticos de la incubación artificial. Esto, sumado al alto consumo de aves a nivel global y, debido a la alta rentabilidad de los criaderos de estas; por esto, se ha decidido implementar y desarrollar una incubadora automatizada de huevos de gallina, en donde el usuario estará permanentemente informado de los factores más críticos durante este proceso, como es la temperatura, humedad, tiempo transcurrido y tiempo restante de incubación. [1]
Por otra parte, con el avance tecnológico actual, cada persona posee un dispositivo móvil ya sea un teléfono celular, Tablet, etc., causando que exista una conectividad con un gran número de dispositivos mediante el uso de comunicaciones bluetooth, wi-fi, etc. Gracias a la conectividad existente entre las personas y dispositivos, se han desarrollado sistemas de monitoreo para distintos procesos en la industria, industria, por lo que la aplicación aplicación de esto esto a un sistema de incubación automático proporcionaría una mejor respuesta por parte del usuario ante posibles eventos que puedan alterar el proceso de incubación. A continuación, se listan dos trabajos existentes relacionados a la construcción de incubadoras automáticas: [2] J. A. J. Rueda y J. F. V. Caro, «Modelo Funcional de una Incubadora de Huevos para la Industria Avícola,» 20 Agosto 2008. [En línea]. Disponible: http://repositorio.uis.edu http://repositorio.uis.edu.co/jspui/bitstr .co/jspui/bitstream/123456789/6 eam/123456789/6 012/2/140248.pdf.
Como se mencionó anteriormente, uno de los factores con más relevancia en este sistema es la temperatura a la cual deben ser sometidos los huevos durante todo el proceso de incubación y, es por eso que, para mantener este parámetro en estado estable, se ha considerado implementar controlador PID mediante el software “Simulink” de “MathWorks” .
II.
[3] W. V. A. Rodríguez y C. O. R. Vera, «Tesis de Grado,» 22 Septiembre 2006. [En línea]. Disponible: https://www.dspace.espol.edu.ec/bi https://www.dspace.espol.edu.ec/bitstream/123456789/ tstream/123456789/33 264/1/5783.pdf.
REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA
Mediante la utilización del software Simulink, se plantea implementar y desarrollar un controlador PID para un sistema térmico, cuya función de transferencia dependerá de dos factores de entrada: bombilla de calor y la diferencia de temperaturas (producida naturalmente o forzadamente) entre el ambiente y el interior de la incubadora; para de esta manera, lograr estabilizar la temperatura a un valor fijo. Para corroborar los resultados obtenidos en la práctica, se implementará, de igual 1
Universidad del Azuay, UDA. Facultad de Ciencia y Tecnología, Ingeniería Electrónica
.
III.
METODOLOGÍA
A. DESCRIPCIÓN BÁSICA DEL SISTEMA.
= ℎ + ( − )
Partiendo de lo siguiente:
El diagrama de bloques que se presenta en la Fig. 1, muestra una descripción general de la configuración básica del sistema de incubación, donde solamente se destacan aquellos elementos principales de interés.
=
1
1 = ℎ + ( − )
+ = ℎ +
Aplicando la Transformada de Laplace se obtiene: () + () = () + () ()( + 1) = () + () () =
() + () ( + 1)
En donde:
es la temperatura de salida. es la temperatura de entrada. es la resistencia térmica. es la capacitancia térmica. es el flujo de calor .
C. DETALLE DE LA CONFIGURACIÓN BÁSICA
DEL SISTEMA. Basándose en el diagrama de bloques presentado en la Fig. 1, se describen a continuación las características que representan cada uno de los bloques:
Fig. 1. Diagrama de bloques representativo del sistema de incubación.
Los datos que se presentan en esta interfaz son los siguientes:
B. MODELADO MATEMÁTICO Partiendo de la ecuación que define el flujo de calor en sistemas térmicos, en donde la variación de la temperatura de salida por la capacitancia térmica es igual al calor que genera un sistema externo más el flujo de masa del aire por la diferencia de temperaturas influyentes en el sistema. [3] = [ ℎ + ( − )]
Interfaz de usuario: Lo conforma la interfaz gráfica de usuario d el software “Simulink”, de “MathWorks”, lo cual permite al usuario visualizar y modificar los datos de entrada para el control del sistema de incubación.
o o o o
[4]
2
Punto de estabilidad. Constante Proporcional (Kp). Constante Integrativa. (Ki) Constante Derivativo. (Kd)
Universidad del Azuay, UDA. Facultad de Ciencia y Tecnología, Ingeniería Electrónica
.
Sensor de temperatura y humedad: Se emplea el sensor DHT22 como elemento de detección, el cual envía los datos de temperatura y humedad hacia la tarjeta de control principal [4]. Circuito de control electrónico: Una tarjeta electrónica programable, Arduino Mega, conformada por un microcontrolador ATMEGA 2560 R3 y con la programación adecuada permite el control de todas las características físicas del sistema de incubación. De igual manera permite la comunicación entre la incubadora y la interfaz de usuario. Fig. 2. Modelado del sistema de control en el software “Simulink” de “MathWorks”.
Elementos de potencia: Los elementos de potencia hacen referencia a cada uno de los periféricos, a través de los cuales, se controla el encendido y apagado de las cargas de corriente alterna. Dichas cargas son las siguientes: bombilla de luz (foco de 40W), lámpara de calor (150W), cubeta de volteo conformada por un motor síncrono de 120Vrms y un arreglo mecánico.
E. ELABORACIÓN DE SOFTWARE EN ARDUINO Para elaborar el software del sistema embebido se deberá dividir el proceso en dos partes. La primera parte, misma que es apreciable en la Fig. 3, es aquella en donde se configuran todos los puertos, librerías, se definen las variables y se inicializan valores de los puertos analógicos como digitales.
Elementos de baja potencia: Los elementos de baja potencia están conformados por periféricos que permiten el control desde la tarjeta principal hacia las cargas de cd, como son: ventiladores para distribución y disipación de calor, pantalla táctil y antena Bluetooth para la transmisión de información hacia un dispositivo móvil, de los datos presentes en la incubadora (temperatura, humedad y tiempo transcurrido de la incubación).
D. MODELADO DEL SISTEMA DE CONTROL Para este apartado se puede observar la Ecuación 1 adjuntada a continuación, la cual es la función de transferencia obtenida del sistema de control térmico.
+ ∙
1 −1
+
1 1 + ∙ −1
(1)
Fig. 3 Elaboración del software (Inicialización de variables).
Por otro lado, se tiene esa misma ecuación de transferencia, representada en diagrama de bloques, mismo que se puede observar en la Fig. 2.
Por otro lado, se tiene la otra sección del software, misma que se encargará de hacer la lectura del sensor de temperatura y humedad, realizar la modulación de ancho de pulso aplicándolo en la luz infrarroja y, del mismo
3
Universidad del Azuay, UDA. Facultad de Ciencia y Tecnología, Ingeniería Electrónica
.
G. DESARROLLO DE SOFTWARE EN SIMULINK
modo comunicarse de manera serial con el software “Simulink”. Esto es apreciable en la Fig. 4 presentada a continuación.
Por otro lado, se puede observar en la Fig. 6 la elaboración del software en “Simulink” en “MathWorks”. En este apartado es donde se realiza el controlador PID y donde se pueden agregar los valores a cada factor influyente del mismo.
Fig. 6 Elaboración del software en “Simulink” de “MathWorks”.
H. DISEÑO Y ELABORACIÓN DE LA MAQUETA. Este apartado, se dividirá en dos partes, la primera es aquella, en donde se muestran todas las dimensiones y diseño de la incubadora, al igual que su modelado en 3D. Véase las figuras Fig. 7, Fig. 8 y Fig. 9.
Fig. 4 Elaboración del software en Arduino.
F. COMUNICACIÓN
ENTRE
SIMULINK
Y
ARDUINO Como se pudo denotar en el apartado anterior, la comunicación entre el software “Simulink” y el sistema embebido, en este caso el “Arduino MEGA” , es serial.
Esta comunicación es caracterizada por enviar y recibir un bit a la vez. Es importante mencionar que, para que el software y el microcontrolador puedan comunicarse, estos deben estar configurados con la misma tasa de baudios y tamaño de buffer, como se denota a continuación en la Fig. 5.
Fig. 7. Diseño de la pared trasera de la incubadora.
Fig. 5. Configuración de la tasa de baudios y tamaño del buffer para la comunicación serial de “Simulink” con “Arduino”.
4
Universidad del Azuay, UDA. Facultad de Ciencia y Tecnología, Ingeniería Electrónica
.
Fig. 8. Diseño de la puerta de la incubadora.
Fig. 10. Modelado en 3D de la incubadora.
La segunda parte, corresponde a la estructura de la incubadora ya terminada y su proceso de ensamblaje, es decir colocar todos los sensores, ventiladores, la cubeta y circuitos electrónicos dentro de la misma. Todo este proceso se puede observar en la Fig. 11 y Fig. 12 respectivamente.
Fig. 9. Diseño de las paredes laterales de la incubadora.
Por otra parte, el modelado 3D se puede apreciar en la Fig. 10, denotada a continuación. Fig. 11. Estructura de la incubadora terminada.
5
Universidad del Azuay, UDA. Facultad de Ciencia y Tecnología, Ingeniería Electrónica
.
IV.
RESULTADOS ALACANZADOS A. RESPUESTA DE LA PLANTA EN LAZO
ABIERTO En este apartado se analiza la respuesta de la planta con los diferentes valores del control PID, adjuntados de misma manera con su respectivo gráfico. De esta manera, se podrá determinar la velocidad de estabilidad del sistema y del mismo modo el valor en el cual lo hace. Es necesario recalcar que, el tiempo para llegar al punto de estabilidad será alto para cualquier parámetro establecido. En la Fig. 15 se pueden observar los valores del controlador PID con los se obtiene una óptima estabilidad de la incubadora.
Fig. 12 Montaje de componentes y ventiladores en la incubadora.
Por último, se puede observar en la Fig. 13 la vista frontal de maqueta ya finalizada y con los componentes ya colocados dentro de la misma, mientras que en la Fig. 14, se observan todas las placas electrónicas que intervienen para el correcto funcionamiento de la misma. Fig. 15 Parámetros del sistema de control PID ingresados en “Simulink”.
Una vez agregados los parámetros descritos en la Fig. 15, se obtiene la curva de la temperatura correspondiente a la Fig. 16 denotada a continuación.
Fig. 13. Incubadora terminada, vista frontal. Fig. 16 Curva de la salida del sistema c on los parámetros de PID previamente ingresados.
De la misma manera, como se puede observar en la Fig. 17, se han cambiado los valores de los factores proporcional y derivativo del control, obteniendo así, una nueva respuesta, misma que puede ser apreciada en la Fig. 18.
Fig. 14. Incubadora y circuitería de control, vista posterior.
Fig. 17 Parámetros del sistema de control PID ingresados en “Simulink”.
6
Universidad del Azuay, UDA. Facultad de Ciencia y Tecnología, Ingeniería Electrónica
.
Es de suma importancia también acotar que, el sistema es sobre amortiguado cuando se realizó la segunda prueba (correspondientes a la Fig. 17 y Fig. 18 respectivamente), mientras que en la tercera prueba realizada (Fig. 19 y Fig.20 respectivamente), se obtuvo un tiempo de respuesta muy similar a la primera prueba que, es donde se obtuvo el mejor tiempo estabilidad y, por lo tanto, mejor respuesta del sistema. Fig. 18 Curva de la salida del sistema con los parámetros de PID previamente ingresados.
VI.
Un sistema de incubación automatizado proporciona al usuario final de mayor seguridad, debido a que este permite visualizar los factores críticos durante el proceso de incubación. De igual manera, el agregar un controlador PID en este sistema, da un valor agregado de seguridad al mismo, ya que frente a cualquier perturbación en la temperatura (elemento más importante durante el proceso de incubación), este reaccionará y lo estabilizará a 37.3°C lo más rápido posible, reduciendo de esta manera, la tasa de mortalidad de las crías. En el controlador PID, se debe tener en cuenta el valor que se le da a cada factor del mismo, ya que depende de estos el tiempo de estabilización de la incubadora, al igual que puede comportarse como un sistema sub amortiguado como uno sobre amortiguado.
Finalmente, se han cambiado el valor proporcional del sistema a dos mil, mientras que el valor integrativo del controlador se ha reducido a la unidad, esto se puede observar en la Fig. 19. Con estos valores se obtiene una tercera respuesta del sistema, misma que puede ser apreciada en la Fig. 20.
Fig. 19 Parámetros del sistema de control PID ingresados en “Simulink”.
VII.
Fig. 20 Curva de la salida del sistema con los parámetros de PID previamente ingresados.
V.
[2] J. A. J. Rueda «Modelo Funcional de una Incubadora de Huevos para la Industria Avícola». [3]W. V. A. Rodríguez, «Control de un sistema industrial». [4] Benjamin C. Kuo, «Sistemas de Control Automàtico», Séptima Edición. Prentice Hall.
Según se pudo apreciar en las pruebas realizadas en el apartado anterior, se puede mencionar que la temperatura fue controlada eficientemente (37.3-37.8°C). Es importante acotar que, el sistema se comporta como uno de lazo abierto, hasta alcanzar el punto en el cual debe estabilizarse. De igual manera, basándose en el punto anterior, se puede verificar que, el sistema se estabilizó en menor tiempo obteniendo los siguientes valores en el control PID:
REFERENCIAS
[1] Elsitio Avicola, «Incubación artificial».
ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS
CONCLUSIONES
Factor Proporcional: 3500. Factor Integrativo: 0.5. Factor Derivativo: 0.
7
