Invernadero Automatizado
Invernadero Automatizado|Instituto Tecnolgico de Len
Invernadero AutomatizadoProyecto Final
IntegrantesPaloma Maleny Rodrguez Arias.Julio Cesar Campos
Lpez.Carlo A. Ortega Cassano.Jos Manuel Medina Lpez.
26/05/2015
Contenido1.INTRODUCCIN32.JUSTIFICACIN33.OBJETIVO
GENERAL34.ALCANCE DEL PROYECTO35.Descripcin del sistema.46.Diseo y
construccin del prototipo.66.1Caractersticas del material
utilizado.76.2Estructura del PID107.DISEO DEL PROTOTIPO128.CONTROL
EN EL PROTOTIPO139.RESULTADOS DEL
MONITOREO1810.AJUSTES1811.CONCLUSIONES1812.BIBLIOGRAFA18
1. INTRODUCCINLa enseanza de sistemas de control representa un
reto en los planes del estudio de la construccin de nuestro propio
sistema de control. De esta manera tendremos ms solides en lo
aprendido y en lo que estamos trabajando, en este documento
presentamos un sistema de control de temperatura de un invernadero
automatizado. El sistema consiste en un sensor de temperatura, un
controlador PID analgico y una etapa de potencia.2. JUSTIFICACINLa
realizacin de este proyecto est basado en el inters de conseguir el
controlador para llevarlo al mercado enfocado hacia un invernadero
domestico.Los puntos que se deben tomar en cuenta son, la
automatizacin que se requiere para el cuidado de las plantas, tal
como control de temperatura, monitoreo de humedad y riego
controlado.3. OBJETIVO GENERAL
Desarrollar el control de un invernadero automatizado de bajo
costo que permita que los usuarios puedan mantener sus plantas en
buen estado sin necesidad de estar presentes. OBJETIVO:-Aplicar el
control PID al control de temperatura.-Entender el funcionamiento
del controlador PID, aplicado a un sistema de control.-Conocer los
parmetros Kp, Ki, y Kd de un sistema de control.
4. ALCANCE DEL PROYECTOSe contara con el prototipo de un
invernadero en el cual se pueda apreciar el control de temperatura
dentro de las 3 secciones. Lo posibilitara para su apreciacin a
escala
5. Descripcin del sistema.
La temperatura es una de las variables ms utilizadas en la
industria, por ello es necesario tener un conocimiento de los
mtodos para controlar dicha variable. Es por esta razn que surge la
necesidad de implementar un prototipo para el control de
temperatura, que permita apreciar en forma clara un modelo
simplificado de un modelo simplificado de la instrumentacin y las
acciones de control que tiene lugar dentro de los distintos
procesos industriales. Tal es el caso de los controles tipo PID.
Tanto continuos como discretos; y, de esta manera dar una visin
clara del significado de un sistema de control con realimentacin y
su forma de funcionamiento.Esquema del sistema de control de
temperatura.
Fig. 1.1 esquema del sistema de control de temperatura.r=
Referenciae= ErrorU= Controlm= Variable manipulada.y= Salidaym=
variable medida.
Cada uno de los componentes de detallan a continuacin.Para la
generacin del calor se utilizara una lmpara incandescente, la misma
que vara la temperatura cuando cambia el voltaje que llega a sus
terminales. Se utiliza la lmpara debido a su simplicidad y fcil
manejo, ya que las constantes de tiempo para su calentamiento y
enfriamiento son relativamente pequeas con respecto a otros
sistemas trmicos. Se toma como variable de salida y la temperatura
que alcanza la lmpara.El actuador est formando por un circuito de
potencia a base de un triac, el mismo que es el encargado de
producir todos los cambios de voltaje mediante la variacin del
ngulo de disparo dependiendo de las seales provenientes de un
circuito de disparo, el mismo que a su vez trabaja de acuerdo al
valor de las seal de control, la variable manipulada m es valor
eficaz (rms) aplicado a la lmpara a travs del cual se modifica la
intensidad luminosa y por ende la temperatura.El control anlogo est
conformado por amplificadores operacionales Lm741 con la respectiva
configuracin para que acte como controlador PID con la posibilidad
de variar mdiate el uso de potencimetros el valor de las
constantes. Para cerrar el lazo de control es necesario que los
valores de temperatura medidos a la salida de la planta ym sean
transformados en voltajes, para compararlos con el nivel de
referencia r y efectuar el respectivo control. Esta transformacin
se la realiza en el bloque correspondiente a la
realimentacin.Existe la posibilidad de variar la distancia del
sensor a la fuente de calor para realizar las calibraciones
necesarias.
6. Diseo y construccin del prototipo.Tomando en cuenta que el
propsito de este prototipo es general el control de la temperatura
en una planta, y que el prototipo va a ser utilizada para la
apreciacin del cambio de temperatura y su control con un ventilador
y un resistencia en este caso un foco, se selecciona entonces un
rango de operacin que es de 25c.Otra de las consideraciones que se
tomaron en cuenta, se refieren a la facilidad de manejo que el
prototipo debe tener, tanto en el mantenimiento, uso, posibles
remplazo de partes. Para la produccin de calor se puede utilizar
cualquier tipo de elemento resistivo construido para el efecto,
para la produccin de enfriamiento se puede utilizar cualquier
ventilador.El prototipo est formado por un mdulo que contiene:-
Circuito de control que incluye un PID- Circuito de sensores.-
Circuito de potencia que incluye lmpara y ventiladores.- Fuente de
alimentacin. La lmpara, los sensores y los ventiladores se instalan
en la parte interior del mdulo, en un soporte especial, de tal
forma que la distancia entre los sensores y la lmpara pueda ser
regulada. Los dispositivos de sealizacin: potencimetros e
interruptores se ubican en la parte superior del mdulo. Los
sensores se colocan en un soporte mvil cerca de la lmpara y se
conectan a los circuitos de accionamiento de seal a travs de un
selector de sensor, para tener la temperatura medida, los
ventiladores se colocan cerca de la lmpara para lograr enfriar el
sistema si este excede. El circuito de potencia se activa mediante
la seal proveniente del circuito de disparo, y genera una seal de
control de fase directa que permite variar el voltaje eficaz
aplicado a la lmpara y el ventilador por ende variar el encendido
del foco y el ventilador para variar el calor.El circuito de
disparo que conjuntamente con el de potencia constituyen el
actuador del sistema, esta conformado por un circuito detector de
cruce por cero, mas-menos cero. Si es menor enciende la resistencia
(foco) si es mayor enciende el ventilador. El control PID anlogo
esta basado en amplificadores operacionales, la referencia y los
valores de las constantes kp, ki y kd se ingresan mediante
potencimetros ubicados en el panel de control.
6.1 Caractersticas del material utilizado.
Sensor de temperatura LM35Un Lm35 puede funcionar apartir de los
5v (en corriente continua), sea por alimentacin simple o por doble
alimentacin . Sus caractersticas ms importantes se describen a
continuacin. Configurado para ser ledo en grados Celsius Factor de
escala lineal de +10 mV/C Rango de trabajo entre -55 C hasta 150 C
Apropiado para aplicaciones remotas Bajo costo Funciona con
tensiones entre 4 v hasta 30 V Menos de 60 uA de consumo Baja
impedancia de salida, 0.1 W, para cargas de 1 mA.
Sensor LM35.
Lmpara incandescente.Como receptor elctrico se comportan como
una resistencia hmica tanto en corriente continua como en corriente
alterna, debido a la inercia trmica que tiene en corriente alterna
no se produce el efecto estroboscpico. Temperatura de calor (TC):
3000 K Flujo luminoso: entre 2500 y 45000 lm. Eficacia luminosa: 25
lm/w Vida media (anunciada por el fabricante en condiciones de
laboratorio): aprox 2000 horas. Potencia desde 20 a 2000 w
Lmpara halgena
Ventilador Sistema de enfriamiento. Tensin de voltaje: 12V DC
Coriente de entrada de 0.25A (maximo). Flujo de aire: 16.32 cfm
(maximo) Velocidad de ventilador: 2,000 rpm Nivel de ruido: 29
dBA(maximo) Temperatura en funcionamiento: -10 C 70 C. Dimensiones
80 x 80 x 25 mm; 60g
Ventilador.Fuente de alimentacinFuente de poder Start power
supply
Fuente start power supply.Amplificador Operacional LM741El Ua
741es un amplificador operacional manolitico de altas
caracteristicas. Se ha diseado para una amplia gama de aplicaciones
analgicas. No requiere compensacin en frecuencia. Est protegido
contra cortocircuitos. Tiene capacidad para anular el voltaje de
offset. Posee un alto rango de tensin en modo comn y voltaje.
Componentes Resistencias, capacitores y potencimetros. Son
componentes electrnicos que tienen la propiedad de oponerse al paso
de la corriente elctrica.Loscapacitores o condensadoresson
elementos lineales y pasivos que pueden almacenar y liberar energa
basndose en fenmenos relacionados con campos elctricos.Los
potencimetros limitan el paso de la corriente elctrica (Intensidad)
provocando una cada de tensin en ellos al igual que en una
resistencia, pero en este caso el valor de la corriente y la tensin
en el potencimetro las podemos variar solo con cambiar el valor de
su resistencia.
Resistencias; Capacitores; Potencimetro.
6.2 Estructura del PIDUn controlador PID se caracteriza por
combinar tres acciones (P, I y D) mediante el siguiente algoritmo
de control:
Este algoritmo est considerado como el PID estndar por la ISA
(Instrument Society of America). - Accin proporcional (P):es la
accin que produce una seal proporcional a la desviacin de la salida
del proceso respecto al punto de consigna. - Accin integral (I):es
la accin que produce una seal de control proporcional al tiempo que
la salida del proceso ha sido diferente del punto de consigna. -
Accin derivativa (D):es la accin que produce una seal de control
proporcional a la velocidad con que la salida del proceso est
cambiando respecto del punto de consigna.Cada accin de control
tiene una respuesta caracterstica: - La accin proporcional vara
instantneamente con el error y alcanza un valor estacionario cuando
lo alcanza ste. - La accin integral tiene en cuenta la historia
pasada del error y se anula cuando se hace cero. - La accin
derivativa predice los cambios en el error y se anula cuando
alcanza un valor estacionario.
Circuito PID con LM741.
7. DISEO DEL PROTOTIPO
Prototipo Invernadero.
Prototipo dimensiones Invernadero.
Distribucin de espacio.8. CONTROL EN EL PROTOTIPO . El
controlador PIDEl controlador es un elemento en el sistema en lazo
cerrado que tiene como entrada la seal de error y produce una
salida que se convierte en la entrada del elemento correctivo. La
relacin entre la salida y la entrada del controlador con frecuencia
se denomina ley de control. Existen tres formas de dicha ley:
proporcional, integral y derivativo.Con el control proporcional la
salida del controlador es directamente proporcional a su entrada;
la entrada es la seal de error, e, la cual es una funcin l del
tiempo. De esta manera;
Donde Kp es una constante llamada ganancia proporcional. La
salida del controlador depende solo de la magnitud del error en el
instante en el que se considera. La funcin de transferencia,
G0(s)para el controlador es:
El controlador es, en efecto, solo un amplificador con una
ganancia constante. En cierto tiempo, un error grande produce una
salida grande del controlador. La ganancia constante, sin embargo,
tiende a existir solo sobre cierto rango de errores que se conoce
como banda proporcional. Analgicamente el controlador proporcional
se puede realizar con un amplificador operacional conectado como
amplificador inversor como se muestra donde el voltaje de salida
est dado por:
ProporcionalCon el control integral la salida del controlador es
proporcional a la integral de la seal de error con el tiempo, es
decir,
Donde Ki es la constante denominada ganancia integral. Y la
funcin de transferencia est dada por:
Elaboracin del controlador PID analgicoPara obtener la
temperatura deseada, se necesita una seal de referencia, la cual se
puede obtener de un potencimetro alimentndolo con 5v. La seal de
entrada ser comparada con la seal de retroalimentacin para poder
obtener posteriormente otra seal de salida. Este proceso se logra a
travs del amplificador sustractor. Cuando se aplica un voltaje de
entrada a las dos terminales del sustractor, la seal de salida ser
la diferencia de estas dos seales multiplicado por una ganancia y
con el signo contrario, debido a la configuracin del amplificador.
La figura 3 muestra la configuracin de esta primera etapa donde el
voltaje de salida est dado por;
Como la ganancia para este circuito es unitaria:
Figura 3La parte proporcional, que es la siguiente en el diseo
del circuito, consta de dos amplificadores operacionales en
configuracin de amplificador inversor. La figura 4 muestra la
conexin de este circuito. Donde:
Figura 4El voltaje se salida de U2 ser el mismo que el del
amplificador sustractor debido a la ganancia unitaria pero con
polaridad invertida. La resistencia variable de retroalimentacin de
U3 es la ganancia del control P.El control integral y derivativo se
conectan en paralelo con el proporcional, de esta forma se obtiene
el circuito de la figura 5:
Figura 5Donde:
Y el circuito completo junto con la etapa de potencia:
Figura 6
El circuito de la figura 6 muestra el diagrama completo del
control PID. Como se puede observar, la seal de referencia tiene
conectado un generador de funciones, la razn de este es que para
que el controlador I Y D puedan realizar la funcin se tiene que
aplicar un tren de pulsos, en este caso una onda cuadrada con una
amplitud mxima de 5v y alrededor de los 100Khz, la cual, despus de
pasar por el integrador, este arroja una seal diente de sierra y el
derivador unos pulsos en forma de spikes, de lo contrario si se
siguiera aplicando una seal constante (caso del proporcional), el
integrador y el derivador no realizaran ninguna funcin y causaran
ruido al sistema. Las tres seales del control PID pasan luego a ser
sumadas por el ltimo operacional, el cual enva la seal a la etapa
de potencia que est en configuracin PUSH-PULL. Cuando hay una seal
positiva, independientemente de la magnitud, el ltimo amplificador
hace un cruce por cero y manda un voltaje de saturacin positivo o
negativo dependiendo de la polaridad de la seal de entrada.
9. RESULTADOS DEL MONITOREO
Fall la alimentacin debido a esto la respuesta del lm 35 que es
en mili volts al entrar como seal para comparar en el comparador se
saturaba debido a una mala alimentacin y eso nos arrojaba un
voltaje muy elevado de milivolts hasta 24V adems de que la seal no
era.Debido al los fallos obtenidos en el circuito PID anlogo se
opto por hacerlo en Arduino (PID digital) Al hacer el PID digital
obtuvimos otro tipo de errores en los cuales la seal no era clara y
no respetaba las ganancias (Kp, Kd, Ki). As que se decidi hacer un
sistema de control On/Off digital teniendo el monitoreo cada
segundo de la temperatura y al obtener temperaturas mayores a 27 se
encendan ventiladores tomando la accin de enfriadores y al
disminuir de 27 se encendan unos focos de 12V 50W para tomar accin
de calentadores.
10. AJUSTESUna vez terminado el proyecto se ajusto la
temperatura para que el sistema pudiera reaccionar al cambio de
estado entre enfriar y calentar, adems de que fuera una temperatura
optima para el tipo de vegetacin dentro del invernadero. Tambin se
hicieron ciertos cambios en el circuito de cambio de estado de los
relevadores que cambiaban de ventilador a foco, reduciendo el
circuito y el nmero de componentes para que el sistema sea ms
econmico
11. CONCLUSIONESNo se obtuvieron los resultados esperados debido
a que la seal era muy pequea del lm35 adems de que no se contaba
con las fuentes de alimentacin necesarias pero al decidir cambiar
por el sistema de control On/off de lazo cerrado se obtuvieron
resultados muy satisfactorios tales como una buena velocidad de
respuesta, un circuito ms sencillo, mas optimo y aplicable en este
tipo de sistemas.
BIBLIOGRAFA
Ingenieria de Control 2da Edicion, W.
boltonhttps://sergoalvarado.files.wordpress.com/2009/01/sistemas-de-control-automatico-benjamin-c-kuo.pdfhttp://www.udb.edu.sv/udb/archivo/guia/electronica-ingenieria/sistemas-de-control-automatico/2013/i/guia-5.pdf
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