Control de Invernadero

APROVECHAMIENTO SOLAR PARA EL CONTROL INVERNADERO

JULIAN RICARDO GONZALEZ BARRETODIEGO FERNANDO CEBALLOS POLOCHE

UNIVERSIDAD LA SALLE INGENIERA EN AUTOMATIZACIN CONTROL Y SENSRICABOGOTA D.C.2015APROVECHAMIENTO SOLAR PARA EL CONTROL INVERNADERO

JULIAN RICARDO GONZALEZ BARRETODIEGO FERNANDO CEBALLOS POLOCHE

PROYECTO FINAL

JORGE RANGEL

UNIVERSIDAD LA SALLE INGENIERA EN AUTOMATIZACIN CONTROL Y SENSRICABOGOTA D.C.2015CONTENIDO

INTRODUCCION 1. MARCO TERICO 2. INVERNADERO 3. PROTOTIPO 3.1 INVERNADERO 3.2 SISTEMAS DE PERSIANAS 3.3 CONSTRUCCIN DE PROTOTIPO 4. CARACTERSTICA DE SENSOR DE TEMPERATURA / HUMEDAD 4.1 CARACTERIZACIN 5. SISTEMA, MODELOS Y REDUCCIN DE BLOQUES 5.1 MODELAMIENTO DE INVERNADERO 5.2 MODELAMIENTO DE PERSIANAS 6. FUNCIN DE TRANSFERENCIA 6.1 FUNCIN DE TRANSFERENCIA PERSIANAS 6.2 FUNCIN DE TRANSFERENCIA INVERNADERO 7. REALIMENTACIN 7.1 REALIMENTACIN DE PERSIANAS 7.2 REALIMENTACIN DE INVERNADERO 8. CONSTRUCCIN DE CONTROL ANALGICO 8.1 SIMULACIN 9. ERROR EN REGIMEN ESTACIONARIO 10. ANLISIS Y CONCLUSIONES

INTRODUCCIN

En este avance se dar a conocer cmo va a ser el sistema de potencia de nuestro sistema para el control del calentador del invernadero, se dar a conocer la simulacin y los diferentes elementos a usar para poder lograr el control PWM para poder regular la velocidad del calentador desde la red AC, de esa manera teniendo nuestra etapa analgica podamos controlar junto al sensor de temperatura, la temperatura interna del invernadero.

1. MARCO TERICO

2. INVERNADERO 3. PROTOTIPO 3.1 INVERNADERO El diseo del invernadero nos basamos en la bsqueda de informacin acerca de los diseos utilizados para los diferentes invernaderos, materiales usados, prototipos hechos, etc. Lo que se realizo fue el diseo en solidworks del invernadero el cual nos basamos en las dimensiones que se colocaron en la propuesta de trabajo final, segn la investigacin este tipo de invernaderos para las estructuras se construye con madera, tubos de PVC y tubos de acero galvanizado; y los materiales para cubrir son vidrio, fibra de vidrio y variedad de plsticos. Los materiales escogidos fueron madera y acrlico debido ms que todo por costos y por facilidad de manejo de los materiales. A continuacin se podr observar el diseo del invernadero.Vista SuperiorVista Frontal

Vista DerechaVista Isomtrica

Fig. 1 Diseo en Solid Works 3.2 SISTEMA DE PERSIANAS El sistema de persianas se realiz con la ayuda de un sistema de piones.Este sistema de piones se realiz de tal manera el servomotor acoplado a un pin pudiera hacer el movimiento rotatorio sobre otro que esta junto a una cremallera que tiene como funcin traspasar el movimiento rotacional del servo a un movimiento rectilneo que pasara por 4 poleas ms para nuevamente generar el movimiento rotatorio que har mover cada uno de las persianas.

Fig.2 Sistema de cremalleras http://concurso.cnice.mec.es/cnice2006/material107/mecanismos/mec_cremallera-pinon.htmComo lo indican ambas figuras, la idea es que se pueda realizar un prototipo de persianas por medio de estos dos movimientos, de esa manera lograr abrir las cuatro persianas de manera que se pueda controlar los tres ngulos controlados analgicamente por el sensor fotoresisitivo, donde gracias al movimiento rectilneo de la cremallera es posible que ambas se muevan simultneamente. Tanto los piones como las poleas son ambas hechas en plstico. Estas estarn sujetas en la parte del invernadero, creando la simulacin de apertura de persianas.

3.1 CONSTRUCCIN DE PROTOTIPO Para la realizacion del prototipo los materiales que se utilizaron son los siguientes: Cinco piones de plstico. Cinco regletas lineales de plstico. Cuatro recortes de madera Madecor. Un retazo de acrlico. Tres retazos de madera MDF (Persianas). Un Servomotor de 5 V. Tres ejes de plstico. Un calefactor. Un retazo de aluminio (Sostenimiento del motor y la regleta).Para la construccion del prototipo se compraron algunos elementos fundamentales el cual se pudo ensamblar y enlazar estas piezas para darle forma y un aspecto agradable al prototipo como se observara en la siguiente imagen.

Fig. 3 Ensamble de prototipo.En la siguiente imagen se observa el acople del motor con el engranaje y el acondicionamiento que se le hizo para que se realizara el movimiento del sistema mecnico que mueve las persianas.

Fig. 4 Acople y acondicionamiento del sistema de persianas.Ms adelante se continu por lo ms complejo y difcil de ajustar debido a que tocaba colocar el motor en una parte en donde los engranajes tenga un buen torque y buen movimiento para mover todo el sistema mecnico que debe mover las persianas de una manera simple y sutil, adems de esto se tuvo en cuenta la distancia en que tenan que estar lo piones para un buen movimiento y no se salieran los piones de la regleta. A continuacin se observara el prototipo final en las dos siguientes imgenes:

Fig. 5 Prototipo final persianas abiertas.

Fig. 6 Prototipo final persianas cerradas.4. CARACTERSTICA DE SENSOR DE TEMPERATURA / HUMEDAD La caracterizacin del sensor de temperatura y humedad, HSM-20G, el cual nos permite controlar y conocer los valores de voltaje segn la temperatura y la humedad. Para poder lograr encontrar las caractersticas estticas del sensor, primero se debe conocer como fsicamente el sensor se configura en salidas y entrada, como lo muestra la siguiente figura.

Fig. 7 Sensor HSM-20G

Dada esta configuracin es posible con un circuito anlogo poder medir de manera correcta los valores de voltaje, dependiendo de una temperatura y humedad. Fig. 8 Conexin de sensor HSM-20GEste circuito anlogo permite obtener los valores de salida de voltaje de las dos caractersticas esenciales del sensor. Para poder realizar una adecuada caracterizacin, se calent agua donde aumentado su temperatura y junto a un termmetro podamos determinar el voltaje y dependiendo de la el calor y la humedad generada por el aumento del agua, llegado hasta los 42 grados centgrados. Realizando esta operacin y tomando datos cada 2 grados centgrados, se obtuvieron las siguientes tablas de caracterizacin. 4.1 CARACTERIZACIN

Temperatura Temperatura (C)Voltaje (V)

200,7

220,71

240,71

260,72

280,73

300,74

320,75

340,79

360,82

380,85

400,9

420,97

Tabla.1 Valores de relacin Temperatura Vs Voltaje

Grfica.1 Lnea de tendencia de sensor.

Humedad: Humedad %RHVoltaje (V)

10,77

20,99

31,38

41,58

52,07

62,48

72,71

82,98

93,22

Tabla.2 Valores de relacin Humedad Vs Voltaje

5. SISTEMA, MODELOS Y REDUCCIN DE BLOQUES

5.1 MODELO DE INVERNADERO Para poder realizar un control apropiado, lo primero que se debe realizar es la modelacin del prototipo, donde se puedan relacionar todos los aspectos fsicos que hacen parte de un completo control. Primero se debe realizar las ecuaciones de balance de energa de cada factor fsico que afecta el clima dentro del cultivo:

Fig. 9 Planta del invernadero parte temperatura. Balance energas en las persianas

Qsolar = Radiacin solar absorbida por el cultivoQTermica = Intercambio de radiacin trmica en el cultivo.QSensible = Calor sensible entre el cultivo y el aire interior.QLatente = Calor debido a la transpiracin.ESHOJ = Espesor de la hoja.CPCUL = Capacidad calorfica del cultivo.FFCBSUE = Factor de forma entre la cubix|erta y el suelo.dVX/dt = Variacin de la temperatura del cultivo con respecto al tiempo.Para poder establecer la radiacin solar por el cultivo, se realiz una investigacin donde se lograra un promedio de radiacin solar en Bogot, debido a que este cambiara respecto al tiempo y el da, de esa manera lograr que todo el sistema sea estable respecto a una sola radiacin. Se encontr que:La radiacin entrante recibida por la superficie en Bogot es del 51%, lo que equivale a

El calor sensible en el interior del invernadero es:

n = Moles de la sustancia.Cv = Calor especifico a volumen constante.t2 = Temperatura final.t1 = Temperatura inicial.

p = La presin atmosfrica de Bogot es 0.74 atm.V = El volumen del invernadero es 28 cm x 21 cm x 15 cm = 8820 cm3 = 0.00882 m3 = 8.82 L.n = Nmero de moles. R = El valor de constante del gas del aire es de 0.082.t = La temperatura promedio en que debe estar el invernadero es de 30 C = 303.15 K

t2 = 30 C = 303.15 K t1 = 5 C = 278.15 K

Uno de los aspectos importantes es la generacin de calor latente de la planta, esta cambia la humedad respecto al tiempo, como nuestra planta controla humedad tambin, el calor latente cambiara por la ecuacin de humedad de un invernadero. Balance de humedad en el cultivo:

FA = Flujo de aire.TRACUL = Flujo de transpiracin del cultivo.DAIR = Densidad del aire.V = Volumen del invernadero.ASUET = rea del suelo total.dVV/dt = Variacin de la humedad absoluta del aire con respecto al tiempo.Para el flujo de aire lo que se realizo fue buscar la frmula del flujo de aire.

Q = Flujo del aire.VAire = Velocidad del aire en Bogot.AT = rea total del invernadero.La velocidad del aire en Bogot es aproximadamente de rea total del invernadero:

El flujo total de aire es de:

TRANCUL ser igual al calor latente de la plata, debido a que se va a controlar la humedad respecto al tiempo. De esa manera dejar todo en trminos de TRACUL que es la transpiracin del cultivo que tiene una relacin El espesor de hoja de pimentn:

La Capacidad calorfica del cultivo se determina respecto a la siguiente formula:

Para hallar el FFCBSUE se encontr una tabla que es la siguiente:

Fig. 10 Factor de forma de la radiacin para rectngulos de diferentes lados.Para hallar nuestro factor de forma nuestras medidas son las siguientes:D = 15 cm; X = 21 cm; Y = 28 cm.

Al haber obtenido estos resultados se observa la tabla y da un valor aproximado de 0.4.De esa manera es posible determinar la ecuacin dado los valores de cada factor de entrada y salida de la planta.

5.2 MODELO DE PERSIANAS

Fig. 11 Modelamiento mecnico de persianas

Transformada de Laplace.

Diagrama de bloques.

Nodo W4



Nodo W5



;

Diagrama de bloques total.

Fig. 12 Diagrama de bloques de persianas 6 FUNCIN DE TRANSFERENCIA 6.1 FUNCIN DE TRANSFERENCIA PERSIANAS

Trayectorias directas.;

Lazos.

6.2 FUNCIN DE TRANSFERENCIA INVERNADERO De esa manera esa sera la ecuacin donde se manejan las energas dependiendo a la temperatura y la humedad. Se simplifica las constantes: Se aplica la place para hallar la funcin de transferencia

Esta sera la funcin de transferencia, donde la salida del sistema es la suma de la variacin de la temperatura y la humedad respecto al tiempo, y entrada del sistema, es el calor que transmite el actuador de calor para todo el sistema.

7 REALIMENTACIN 7.1 REALIMENTACIN EN INVERNADERO Con la funcin de transferencia es posible establecer con matlab como es el comportamiento de la funcin a diferentes perturbaciones: Un escaln

Grafica. 2 Perturbacin tras seal escaln Con el escaln la funcin de transferencia tiene un cambio luego de un cambio. Rampa

Grafica 3. Perturbacin tras seal rampa Sinodal

Grafica 4. Perturbacin tras seal sinusoidal Observando como el sistema se comporta a diferentes perturbaciones, es posible en Matlab, determinar el controlador PI donde el sistema pueda dado una relacin indicar cmo se comporta toda la planta.

Grafica 5. Planta con controlador PI del invernadero.De esa manera como se muestra en la grfica, ser la seal de salida de toda la planta dado un controlador PI, que tiene como uso proporcional una mejora en la seal y logran un control total de la planta. 7.2 REALIMENTACIN EN PERSIANAS Con la funcin de transferencia de las persianas, es posible conocer como es comportamiento con realimentacin y con el controlador, para poder tener un control sobre el motor, y la apertura de este.

Grafica. 6 Perturbacin tras seal escaln

Grafica. 7 Perturbacin tras seal rampa

Grafica. 8 Perturbacin tras seal sinusoidalCada una de estas graficas indica como se comportara el sistema con varias perturbaciones. Tiempo.

El control PI nos ayuda a ver el comportamiento del sensor y la planta, de esa manera con Matlab es posible encontrar este control, para que la planta tras perturbaciones tenga un comportamiento estable.

Grafica. 9 Planta con controlador PI de las persianas.

8. CONSTRUCCIN DE CONTROL ANALGICO MOC3021La serie MOC302XM MOC301XM y son pticamente aisladas dispositivos controladores triac. Estos dispositivos contienen un gas diodo emisor de infrarrojos y una luz activada silicio interruptor bilateral, que funciona como un triac. Estn diseados para la interconexin entre los controles electrnicos y triacs poder para controlar cargas resistivas e inductivas para 115 operaciones VAC.

Fig. 13 MOC3021Calculo de PWM

De esa manera se obtiene el PWM que ser el que controlara la resistencia del calentador. Con la etapa de potencia que ayuda a mantener la corriente y la potencia disipada es posible ver como se cambia la resistencia.

Fig. 14. Etapa de potencia Con la etapa de potencia, se realiz el control del calentador con el sensor de temperatura, dado una referencia que permite tener un valor aproximado de la temperatura dado un voltaje que permitir aumentar o disminuir la corriente en la etapa de potencia, lo que logra un control en la temperatura del invernadero. Para el control de las persianas se realiz con la misma referencia de la temperatura, de esa manera cuando la temperatura sea muy baja las persianas se abran y cuando la temperatura alcance el valor promedio se cierra para aprovechar todo el calor. 8.1 SIMULACIN Simulacin del PWM:

Fig. 15 Simulacin de PWM El PWM como se indic antes controlara la seal para la resistencia. Para la generacin de PWM se hizo uso de un Opto-acoplador PC817, y para la parte operacional basado en amplificadores se us un LM324, que permitiera generar una seal por pulso. Todo alimentado con 12 voltios VCC y 6 voltios VCC/2.

Fig. 16 PWM Este PWM tiene un valor pico a pico de 1.2 Voltios. Una vez simulado, se realiz el montaje en Protoboard, con elementos indicados para poder lograr un PWM tal y como se indic en la simulacin, con los elementos apropiados para generar un PWM real. Fig. 17 PWM fsico Disparo Con la ayuda del osciloscopio fue posible ver la seal PWM, donde como se indica tiene un valor pico a pico de 1.2 voltios, al igual que una frecuencia de 120 Hz, esto debido a que el cruce por cero donde por hacer uso por Triac para el disparo, se debe usar este valor de frecuencia. Una vez generado el PWM, es posible realizar la etapa de acoplamiento de disparo, esta etapa se realiz con Opto-triac MOC3021 junto a un Triac de potencia, esto ayuda a controlar desde el PWM la carga, en este caso se us un bombilla, luego un calentador.

Fig. 18 Etapa de potencia Como se indic, esto se aplica a la carga tal pueda controlarse la intensidad lumnica de la bombilla o el calor generado por el calentador.

Fig. 19 Control de calentador con PWM Una vez implementada la simulacin en Protoboard es posible conocer cmo se comporta la carga, con el osciloscopio podemos observar esta seal, teniendo en cuenta que la punta lgica va en neutro, puesto que deseamos conocer la seal de est. La imagen indica que se est realizando la variacin sobre la carga, donde se est cortando la seal para generar el ngulo de disparo, debido al Triac y a la configuracin del PWM, como se muestra a continuacin en la imagen. Como se puede observar una vez se vari el valor del PWM, la seal sobre la carga cambiara, donde a un menor ancho de pulso este tambin bajara, en este caso el valor pico a pico generado sobre la carga es de 232 Voltios. Luego se realiza la simulacin de la referencia para el control de temperatura Fig. 20 Valores de referencia Cuando el sensor llega al valor de la temperatura requerida, con un lm324 es posible comparar ambos valores para poder indicar si la resistencia se enciende a cierto valor de corriente. Simulacin de persianas

Fig. 21 Simulacin de control de persianas Con la ayuda de un L293B que es un integrado que tiene interno el puete H, se realiz un control dada la misma referencia para el control de temperatura del calentador, la diferencia es que en este caso se usan dos comparadores para que se pueda activar la direccin del motor. Esta sera la simulacin de todo el circuito de control analgico

Fig. 22 Control de invernadero y persianas

9. ERROR EN REGIMEN ESTACIONARIO Sistema de control de temperatura del invernadero.

El sistema de control es de tipo 1.

Sistema de control del movimiento de persianas del invernadero.

El sistema control es de tipo 1.

10. ANLSIS Y CONCLUCIONES Se establecieron todas las caractersticas de una planta y control de esta dado una caracterizacin un modelamiento que ayuda a obtener valores reales al prototipo de control. Se logr realizar un controlador PI, en el que se pudiera determinar un control bajo ciertas caractersticas de temperatura y apertura de persianas. Los factores y perturbaciones ajenas al control, pueden ser de gran conflicto para lograr un control sin error, para ello hay que tener encuentra en el control un control ms avanzado, como lo es el control PID. El control es importante y vital para el funcionamiento mecnico y lgico de una planta. Se deben tener en cuenta tanto el modelamiento como la simulacin para lograr determinar una estabilidad y un funcionamiento apropiado de este bajo un controlador y un sensor que rige el funcionamiento este.

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