Proyecto Invernadero por PID

INSTITUTO TECNOLÓGICO DE LEÓN

Invernadero Automatizado Proyecto Final Integrantes

Paloma Maleny Rodríguez Arias. Julio Cesar Campos López. Carlo A. Ortega Cassano. José Manuel Medina López.

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Contenido 1.

INTRODUCCIÓN............................................................................................. 3

2.

JUSTIFICACIÓN.............................................................................................. 3

3.

OBJETIVO GENERAL...................................................................................... 3

4.

ALCANCE DEL PROYECTO............................................................................. 3

5.

Descripción del sistema.................................................................................... 4

6.

Diseño y construcción del prototipo....................................................................6 6.1

Características del material utilizado.............................................................7

6.2

Estructura del PID.................................................................................... 10

7.

DISEÑO DEL PROTOTIPO............................................................................. 12

8.

CONTROL EN EL PROTOTIPO.......................................................................13

9.

RESULTADOS DEL MONITOREO...................................................................18

10.

AJUSTES.................................................................................................. 18

11.

CONCLUSIONES....................................................................................... 18

12.

BIBLIOGRAFÍA.......................................................................................... 18

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1. INTRODUCCIÓN La enseñanza de sistemas de control representa un reto en los planes del estudio de la construcción de nuestro propio sistema de control. De esta manera tendremos más 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 analógico y una etapa de potencia. 2. JUSTIFICACIÓN La realización de este proyecto está basado en el interés de conseguir el controlador para llevarlo al mercado enfocado hacia un invernadero domestico. Los puntos que se deben tomar en cuenta son, la automatización 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 parámetros Kp, Ki, y Kd de un sistema de control.

4. ALCANCE DEL PROYECTO Se 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 apreciación a escala

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5. Descripción del sistema. La temperatura es una de las variables más utilizadas en la industria, por ello es necesario tener un conocimiento de los métodos para controlar dicha variable. Es por esta razón 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 instrumentación 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 visión clara del significado de un sistema de control con realimentación y su forma de funcionamiento. Esquema del sistema de control de temperatura.

Fig. 1.1 esquema del sistema de control de temperatura. r= Referencia e= Error U= Control m= Variable manipulada. y= Salida ym= variable medida. 3

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Cada uno de los componentes de detallan a continuación. Para la generación del calor se utilizara una lámpara incandescente, la misma que varía la temperatura cuando cambia el voltaje que llega a sus terminales. Se utiliza la lámpara debido a su simplicidad y fácil manejo, ya que las constantes de tiempo para su calentamiento y enfriamiento son relativamente pequeñas con respecto a otros sistemas térmicos. Se toma como variable de salida “y” la temperatura que alcanza la lámpara. El actuador está 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 variación del ángulo de disparo dependiendo de las señales provenientes de un circuito de disparo, el mismo que a su vez trabaja de acuerdo al valor de las señal de control, la variable manipulada “m” es valor eficaz (rms) aplicado a la lámpara a través del cual se modifica la intensidad luminosa y por ende la temperatura. El control análogo está conformado por amplificadores operacionales Lm741 con la respectiva configuración para que actúe como controlador PID con la posibilidad de variar médiate el uso de potenciómetros 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 transformación se la realiza en el bloque correspondiente a la realimentación. Existe la posibilidad de variar la distancia del sensor a la fuente de calor para realizar las calibraciones necesarias.

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6. Diseño y construcción del prototipo. Tomando en cuenta que el propósito de este prototipo es general el control de la temperatura en una planta, y que el prototipo va a ser utilizada para la apreciación del cambio de temperatura y su control con un ventilador y un resistencia en este caso un foco, se selecciona entonces un rango de operación que es de 25°c. 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 producción de calor se puede utilizar cualquier tipo de elemento resistivo construido para el efecto, para la producción de enfriamiento se puede utilizar cualquier ventilador. El prototipo está formado por un módulo que contiene: - Circuito de control que incluye un PID - Circuito de sensores. - Circuito de potencia que incluye lámpara y ventiladores. - Fuente de alimentación. La lámpara, los sensores y los ventiladores se instalan en la parte interior del módulo, en un soporte especial, de tal forma que la distancia entre los sensores y la lámpara pueda ser regulada. Los dispositivos de señalización: potenciómetros e interruptores se ubican en la parte superior del módulo. Los sensores se colocan en un soporte móvil cerca de la lámpara y se conectan a los circuitos de accionamiento de señal a través de un selector de sensor, para tener la temperatura medida, los ventiladores se colocan cerca de la lámpara para lograr enfriar el sistema si este excede. El circuito de potencia se activa mediante la señal proveniente del circuito de disparo, y genera una señal de control de fase directa que permite variar el voltaje eficaz aplicado a la lámpara 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.

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El control PID análogo esta basado en amplificadores operacionales, la referencia y los valores de las constantes kp, ki y kd se ingresan mediante potenciómetros ubicados en el panel de control.

6.1 Características del material utilizado.

Sensor de temperatura LM35 Un Lm35 puede funcionar apartir de los 5v (en corriente continua), sea por alimentación simple o por doble alimentación ±. Sus características más importantes se describen a continuación. ±        

Configurado para ser leído 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.

Lámpara incandescente. 6

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Como receptor eléctrico se comportan como una resistencia óhmica tanto en corriente continua como en corriente alterna, debido a la inercia térmica que tiene en corriente alterna no se produce el efecto estroboscópico.     

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

Lámpara halógena

Ventilador Sistema de enfriamiento.       

Tensión 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

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Ventilador. Fuente de alimentación Fuente de poder Start power supply

Fuente start power supply. Amplificador Operacional LM741 El Ua 741 es un amplificador operacional manolitico de altas caracteristicas. Se ha diseñado para una amplia gama de aplicaciones analógicas.    

No requiere compensación en frecuencia. Está protegido contra cortocircuitos. Tiene capacidad para anular el voltaje de offset. Posee un alto rango de tensión en modo común y voltaje.

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Componentes Resistencias, capacitores y potenciómetros. Son componentes electrónicos que tienen la propiedad de oponerse al paso de la corriente eléctrica. Los capacitores o condensadores son elementos lineales y pasivos que pueden almacenar y liberar energía basándose en fenómenos relacionados con campos eléctricos. Los potenciómetros limitan el paso de la corriente eléctrica (Intensidad) provocando una caída de tensión en ellos al igual que en una resistencia, pero en este caso el valor de la corriente y la tensión en el potenciómetro las podemos variar solo con cambiar el valor de su resistencia.

Resistencias;

Capacitores;

Potenciómetro.

6.2 Estructura del PID Un controlador PID se caracteriza por combinar tres acciones (P, I y D) mediante el siguiente algoritmo de control:

Este algoritmo está considerado como el PID estándar por la ISA (Instrument Society of America). 

- Acción proporcional (P): es la acción que produce una señal proporcional a la desviación de la salida del proceso respecto al punto de consigna. 9

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

- Acción integral (I): es la acción que produce una señal de control proporcional al tiempo que la salida del proceso ha sido diferente del punto de consigna.



- Acción derivativa (D): es la acción que produce una señal de control proporcional a la velocidad con que la salida del proceso está cambiando respecto del punto de consigna.

Cada acción de control tiene una respuesta característica: 

- La acción proporcional varía instantáneamente con el error y alcanza un valor estacionario cuando lo alcanza éste.



- La acción integral tiene en cuenta la historia pasada del error y se anula cuando se hace cero.



- La acción derivativa predice los cambios en el error y se anula cuando alcanza un valor estacionario.

Circuito PID con LM741.

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7. DISEÑO DEL PROTOTIPO

Prototipo Invernadero.

Prototipo dimensiones Invernadero.

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Distribución de espacio. 8. CONTROL EN EL PROTOTIPO - . El controlador PID El controlador es un elemento en el sistema en lazo cerrado que tiene como entrada la señal de error y produce una salida que se convierte en la entrada del elemento correctivo. La relación 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 señal de error, e, la cual es una función l del tiempo. De esta manera; Salida=K p e 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 función de transferencia, G0(s)para el controlador es: G0 ( s )=K p 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. Analógicamente el controlador

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proporcional se puede realizar con un amplificador operacional conectado como amplificador inversor como se muestra donde el voltaje de salida está dado por: V 0=−(

R2 )V R1 i

Vo

Vi

Proporcional

Con el control integral la salida del controlador es proporcional a la integral de la señal de error con el tiempo, es decir,

Donde Ki es la constante denominada ganancia integral. Y la función de transferencia está dada por:

-

Elaboración del controlador PID analógico

Para obtener la temperatura deseada, se necesita una señal de referencia, la cual se puede obtener de un potenciómetro alimentándolo con 5v. La señal de entrada será comparada con la señal de retroalimentación para poder obtener posteriormente otra señal de salida. Este proceso se logra a través del amplificador sustractor. Cuando se aplica un voltaje de entrada a las dos terminales del sustractor, la señal de salida será la diferencia de estas dos señales multiplicado por una ganancia y con el signo contrario, debido a la configuración del amplificador. La figura 3 muestra la configuración de esta primera etapa donde el voltaje de salida está dado por;

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V sal =

−R 4 (Señal de referencia−Señal de retroalientacion) R2

Como la ganancia para este circuito es unitaria: V sal =−( Señal de referencia−Señal de retroalientacion)

R1 1.0kΩ U1 R3

Señal de referencia Señal de retroalimentacion

270kΩ R2 270kΩ

741 R4 270kΩ

Figura 3

La parte proporcional, que es la siguiente en el diseño del circuito, consta de dos amplificadores operacionales en configuración de amplificador inversor. La figura 4 muestra la conexión de este circuito. Donde:

V sal =−V ¿ ParaU 2 V −R 3 (¿¿ ¿)Para U 3 R1 V sal =¿

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U3 U2 Señal del sustractor

R2

R1

741

741 1kΩ

39kΩ

R4 R3 1kΩ 50 % Key=A

39kΩ

Figura 4

El voltaje se salida de U2 será el mismo que el del amplificador sustractor debido a la ganancia unitaria pero con polaridad invertida. La resistencia variable de retroalimentación 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:

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Invernadero Automatizado | U4 C1

R7

0.22nF

R6

741 1kΩ

10Ω

R5 R3 10Ω 100kΩ 50 % Key=A

U2 R2

R1

741 1kΩ

39kΩ

R4 39kΩ

U5 R10 R11 10Ω 1kΩ 0% Key=A

1kΩ

R9 100kΩ C2 0.22nF

Figura 5 Donde: Vsal=−R3 C 1

dVin Para el derivador dt t

Vsal=

R8

741

−1 ∫ V dt Para elintegrador R 11 C2 0 ¿

Y el circuito completo junto con la etapa de potencia:

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100kΩ Key=A

R14

60 %

XFG1

270kΩ

R12

270kΩ

R17

Figura 6

17 270kΩ

R13

741

R18 270kΩ

U1 R2

10Ω

R7

R11 10Ω 1kΩ 0% Key=A

R10

39kΩ

0.22nF

C1

R5

U4

0.22nF

C2

100kΩ

R9

741

39kΩ

R4

741

U5

U2

R3 10Ω 100kΩ 50 % Key=A

741

1kΩ

R8

1kΩ

R1

1kΩ

R6

R15 1kΩ 0% Key=A

741

U3

15V

-15V

VEE

TIP42A

Q3

TIP41A

Q2

VCC

M1

-

+

θ

R16

50 %

100kΩ Key=A VDD 5V

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El circuito de la figura 6 muestra el diagrama completo del control PID. Como se puede observar, la señal de referencia tiene conectado un generador de funciones, la razón de este es que para que el controlador I Y D puedan realizar la función se tiene que aplicar un tren de pulsos, en este caso una onda cuadrada con una amplitud máxima de 5v y alrededor de los 100Khz, la cual, después de pasar por el integrador, este arroja una señal diente de sierra y el derivador unos pulsos en forma de spikes, de lo contrario si se siguiera aplicando una señal constante (caso del proporcional), el integrador y el derivador no realizarían ninguna función y causarían ruido al sistema. Las tres señales del control PID pasan luego a ser sumadas por el último operacional, el cual envía la señal a la etapa de potencia que está en configuración PUSH-PULL. Cuando hay una señal positiva, independientemente de la magnitud, el último amplificador hace un cruce por cero y manda un voltaje de saturación positivo o negativo dependiendo de la polaridad de la señal de entrada.

9. RESULTADOS DEL MONITOREO

Falló la alimentación debido a esto la respuesta del lm 35 que es en mili volts al entrar como señal para comparar en el comparador se saturaba debido a una mala alimentación y eso nos arrojaba un voltaje muy elevado de milivolts hasta 24V además de que la señal no era. Debido al los fallos obtenidos en el circuito PID análogo se opto por hacerlo en Arduino (PID digital) Al hacer el PID digital obtuvimos otro tipo de errores en los cuales la señal no era clara y no respetaba las ganancias (Kp, Kd, Ki). Así que se decidió hacer un sistema de control On/Off digital teniendo el monitoreo cada segundo de la temperatura y al obtener temperaturas mayores a 27° se encendían ventiladores tomando la acción de enfriadores y al disminuir de 27 se encendían unos focos de 12V 50W para tomar acción de calentadores.

10. AJUSTES Una vez terminado el proyecto se ajusto la temperatura para que el sistema pudiera reaccionar al cambio de estado entre enfriar y calentar, además de que fuera una temperatura optima para el tipo de vegetación dentro del invernadero. 18

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También 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 número de componentes para que el sistema sea más económico

11. CONCLUSIONES No se obtuvieron los resultados esperados debido a que la señal era muy pequeña del lm35 además de que no se contaba con las fuentes de alimentación 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 más sencillo, mas optimo y aplicable en este tipo de sistemas.

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12. BIBLIOGRAFÍA Ingenieria de Control 2da Edicion, W. bolton https://sergoalvarado.files.wordpress.com/2009/01/sistemas-de-controlautomatico-benjamin-c-kuo.pdf http://www.udb.edu.sv/udb/archivo/guia/electronica-ingenieria/sistemas-decontrol-automatico/2013/i/guia-5.pdf

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