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UNIVERSIDAD PRIVADA ANTENOR ORREGO

FACULTAD DE INGENIERÍA

ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA

PROYECTO CONTROL II

CONTROL DE TEMPERATURA PROGRAMADO

PARA UNA INCUBADORA

Docente:

Guillermo EVANGELISTA ADRIANZÉN

Integrantes:

PAUCAR FLORES; JhonPEÑA GUEVARA; Sandra

Semestre:

2013-II

Trujillo22 noviembre del 2013



ÍNDICE

Resumen

Abstract

I.- INTRODUCCIÓN

CAPITULO I

1. CONTENIDO GENERAL DEL PROYECTO

1.1. TÍTULO DEL PROYECTO1.2. ANTECEDENTES1.3. DESARROLLO1.4. CARACTERÍSTICAS

2. OBJETIVOS

2.1. OBJETIVO GENERAL

2.2. OBJETIVO ESPECÍFICO

3. VARIABLES DIRECTAS E INDIRECTAS DEL PROYECTO

4. LUGAR DONDE ES APLICABLE EL PROYECTO 5. COSTOS Y PRESUPUESTO

CAPITULO II

2. Microcontroladores

2.1. DESCRIPCIÓN GENERAL DEL PIC16F873A

2.2. CARACTERISTICAS GENERALES DEL PIC16F873A

2.3. DIAGRAMA DE BLOQUES DEL PIC16F873A

3. Modulo LCD

4. Sensor de temperatura

5. Sistema de potencia



CAPITULO III

Fundamento teorico

CAPITULO IV



RESUMEN: El presente proyecto desarrolla un módulo de calefacción para unaincubadora. El principal propósito de este proyecto es el de incubarhuevos a una temperatura que deberá ser constante durante los 21

días que dura el periodo de gestación sustituyendo la función de lagallina. Este sistema cuenta con un tablero en el exterior el cualmuestra los parámetros de temperatura programado. Para la realización del proyecto se elabora un control automático detemperatura, nuestro set point que tiene como parámetrosestablecidos el control de una temperatura constante entre un valormínimo y un valor máximo.

ABSTRACT:

This project designs and utilizes a heating module for an incubator.The main purpose of this project is to incubate eggs at a constanttemperature for the 21 day gestation period before the eggs' hatching,replacing the function of the hen. The system consists of an outsideboard which shows the programmed temperature settings. There is anan intricate automatic temperature control to carry out the project,whose set point control parameters are of a constant temperaturebetween a minimum and a maximum value.



CAPITULO I

I. CONTENIDO GENERAL DEL PROYECTO

A. TÍTULO DEL PROYECTO“CONTROL DE TEMPERATURA PROGRAMADO PARA UNAINCUBADORA”

B. ANTECEDENTES

Las pequeñas empresas avicultoras, no cuentan con el presupuesto

requerido para comprar una incubadora industrial debido al elevado costo.

Basados en ésta problemática de las micro-empresas, en éste trabajo se

desarrolla un pequeño prototipo, con la finalidad de a partir de ella sacarcostos, presupuestos y análisis de una incubadora de tamaño real.

C. DESARROLLO

Se plantea desarrollar de la siguiente manera:

El control de temperatura está representado por un Termómetro digital,

en este caso un sensor de temperatura, (LM35) el cual es controladopor una tarjeta electrónica que está a cargo delmicrocontrolador PIC

16F873A.

La temperatura que debe tener está dentro del rango de 30°- 45°C, la

temperatura promedio es de 40ºC.

El sistema de calentamiento, se da a través de lámparas incandescentes

de 100watts, ubicadas en la parte interior del módulo.

Se visualizany controlan los parámetros de control, por medio de un

display LCD, desarrollados dentro del módulo. Se emplean también unventilador de ordenador, estos hacen que tanto

la humedad como el calor circulen dentro de la incubadora en éste caso

sería nuestro modulo.

El módulo está elaborado mediante paredes de madera.



D. CARATERISTICAS DEL PROYECTO

Sistema automático de Temperatura, con lectura digital.

Termómetro digital, por medio del LM35.

Visualización de parámetros por medio de un display LCD exterior.

Ventilación forzada mediante 1 ventilador de ordenador.

E. OBJETIVOS

GENERAL:

Aplicar los conocimientos obtenidos en el curso de CONTROL II. El objetivo general del presente trabajo de investigación consisteen

diseñar un Termóstato programado para una incubadora y facilitaeltrabajo del operario.

ESPECÍFICO

Diseñar y construir un sistema de control de temperatura; utilizando unmicro controlador (PIC) que muestre la temperatura en un display deLCD, y ala ves dar funcionamiento a un ventilador para mantener latemperatura deseada.

LUGAR DONDE ES APLICABLE EL PROYECTO

Para las microempresas Avicultoras

CAPITULO II

1. MICROCONTROLADORES:

Un microcontrolador es un circuito integrado que incluye en su interiorlas tres unidades funcionales de una computadora: CPU, Memoria yUnidades de E/S, es decir, se trata de un computador completo en unsolo circuito integrado.

Microcontrolador PIC gamaalta



1.1. DESCRIPCIÓN GENERAL DEL PIC16F873A:

El PIC16F873 es un microcontrolador de Microchip, en la cual cuenta con tres bloquesde memoria en este PIC los cuales son:

memoria FLASH de programa, memoria de Datos (RAM) memoria EEPROM de datos.

1.2. DIAGRAMA DE BLOQUES DEL PIC16F873A:

En las siguientes figuras se muestra a manera de bloques la organización interna del

PIC16F877, Se muestra también junto a este diagrama su diagrama de patitas, para

tener una visión conjunta del interior y exterior del Chip.

Distribución de pines del microcontrolador PIC 16F837A

2. EL MÓDULO LCD:

2.1. DEFINICIÓN:

Las pantallas de cristal líquido LCD o display LCD (Liquid Cristal Display)

para mensajes tienen la capacidad de mostrar cualquier carácter

alfanumérico, permitiendo representar la información que generacualquier equipo electrónico de una forma fácil y económica.

LCD de 2x16



2.2. CARACTERÍSTICAS GENERALES DEL MÓDULO LCD 16x2:

Consumo muy reducido, del orden de 7.5mW

Desplazamiento de los caracteres hacia la izquierda o a la derecha.

Memoria de 40 caracteres por línea de pantalla, visualizándose 16

caracteres por línea.

Movimiento del cursor y cambio de su aspecto.

Permite que el usuario pueda programar 8 caracteres.

Pueden ser gobernados de 2 formas principales:

Conexión con bus de 4 bits

Conexión con bus de 8 bits

3. SENSOR DE TEMPERATURA LM35:

El LM35 es un sensor de temperatura con una precisión calibrada de 1ºC y un rango

que abarca desde -55º a +150ºC. El sensor se presenta en diferentes encapsulados

pero el mas común es el TO-92 de igual forma que un típico transistor con 3 patas, dos

de ellas para alimentarlo y la tercera nos entrega un valor de tensión proporcional a la

temperatura medida por el dispositivo. Con el LM35 sobre la mesa las patillas hacia

nosotros y las letras del encapsulado hacia arriba tenemos que de izquierda a derecha

los pines son: VCC - Vout - GND.

La salida es lineal y equivale a 10mV/ºC por lo tanto:

+1500mV = 150ºC

+250mV = 25ºC

-550mV = -55ºC

Sensor de temperatura LM35



4. SISTEMA DE POTENCIA

Consiste de un generador de tiempo proporcional, una etapa deaislamiento y un interruptor de estado sólido (Triac). El circuito generadorde tiempo proporcional recibe la señal de salida del controlador PID(señal de control) y la transforma en un pulso cuya duración esproporcional a la señal de control.

CAPITULO III

1. Marco Teórico

1.1 Transfo rmada Z

2. Materiales y EquiposEs necesario un ordenador con el software MATLAB 2011a (o superior)instalado. Para esta guía no se requiere de librerías adicionales.

El motivo principal para tratar con la transformada Z consiste en que latransformada de Fourier no converge para todas las secuencias; lo que hacenecesario plantear una transformación que cubra una más amplia gama deseñales.

Adicionalmente, la transformada Z presenta la ventaja que en problemasanalíticos, el manejo de su notación, expresiones y álgebra son con frecuencia

más convenientes.

Es un modelo matemático utilizado en el análisis y la síntesis de sistemas decontrol entiempo discreto. El papel de la transformada z en sistemas entiempo discreto es similar al de la transformada de Laplace en sistemas en

tiempo continuo.



El empleo de la transformada Z en señales discretas tiene su equivalente en latransformada de Laplace para señales continuas y cada una de ellas mantienesu relación correspondiente con la transformada de Fourier.

La transformada de Fourier de una secuencia x (k) se define como:

Z [X (KT)]=x (z)=

Z [X (KT)]=x (0)+x (T)

A. FUNCIONES ELEMENTALES

ESCALÓN UNITARIO

Se define de la siguiente forma:

X (z)=

X (z)=

X (z)=1++++….

ENTONCES:

X (Z)=

=

RAMPA UNITARIA

Lo definimos de la siguiente manera:

X (KT)=kT, para k=0, 1, 2,3…. 0, para k

X (z)=

X (z)=

X (z)=T ( )



ENTONCES:

X (Z)=

POTENCIAL:

X(z)=

X(z)=

X(z)=1+

ENTONCES:

X(Z)=

EXPONENCIAL:

X (Z)=

X (Z)

X (Z)=1++

ENTONCES:

X (Z)=

=

SENO:

Se define de la siguiente forma:

ENTONCES:

X (Z)=



b) Sistemas de Control

Es un conjunto de componentes físicos conectados o relacionados entre sí,de manera que regulen o dirijan su actuación por sí mismos, es decir sinintervención de agentes exteriores (incluido el factor humano), corrigiendo

además los posibles errores que se presenten en su funcionamiento.Un sistema de control es un arreglo de componentes físicos diseñados, detal manera que se pueda manipular, dirigir o regular a sí mismo o a otrosistema, a través de una acción de control.

A. Los Sistemas son Típicamente de dos Tipos:

Lazo Abierto. Es aquel en el cual no se mide la salida ni se realimenta para

compararla con la entrada.

Figura (1)

Lazo Cerrado o Control Realimentado. El control realimentado se refierea una operación que, en presencia de perturbaciones, tiende a reducir ladiferencia (error) entre la salida de un sistema y alguna entrada de

referencia (R) y lo continúa haciendo con base en esta diferencia.

Figura (2)

Lazo Cerrado con Controlador. Utilizar un control realimentado en

ocasiones no es suficiente para reducir el error, para ello se requiere uncontrolador, éste detecta la señal de error, que por lo general, está en unnivel de potencia muy bajo, y lo amplifica a un nivel lo suficientemente alto,para disminuir el error.



B. Tipos de Controladores

Los controladores industriales se clasifican de acuerdo con sus acciones decontrol, como:

Control ON/OFF Control I Control P (ventajosamente para el control de nivel) Control D Control PI (ventajosamente para el control de flujo o control de presión de

liquito) Control PID (ventajosamente para el control de temperatura)

De estos controladores especificaremos directamente el control PID queaprendemos en clases y vemos más del tema.

C) SISTEMA DE CONTROL DEL PID

Control PID

Un PID (Proporcional Integral Derivativo) es un mecanismo de control porrealimentación que se utiliza en sistemas de control industriales.Un controlador PID corrige el error entre un valor medido (PV) y el valor que sequiere obtener (Sp) calculándolo y luego sacando una acción correctoraquepuede ajustar acorde al proceso.

ACCION PROPORCIONAL

La razón por la que el control on-off resulta en oscilaciones es que el sistemasobreactúa cuando ocurre un pequeño cambio en el error que hace que lavariable manipulada cambie sobre su rango completo. Este efecto se evita enel control proporcional, donde la característica del controlador es proporcionalal error cuando éstos son pequeños (La acción de control es simplementeproporcional al error de control.)

Note que un controlador proporcional actúa como un controlador on-off cuandolos errores de control son grandes.

ACCION INTEGRAL

La función principal de la acción integral es asegurar que la salida delproceso concuerde con la referencia en estado estacionario. Con elcontrolador proporcional, normalmente existiría un error en estadoestacionario.



ACCION DERIVATIVA

La función de la acción derivativa es mantener el error al mínimocorrigiéndolo proporcionalmente con la velocidad misma que seproduce (acción predictiva); de esta manera evita que el error se

incremente.

y(t)=MV (t)= ∫

Figura (3)

A. Ubicación de un regulador PID en un sistema de control

La anterior, nos muestra la forma en que está ubicado un regulador PIDdentro de un sistema de compensación. Es importante hacer notar que elpunto de referencia o consigna en estos sistemas, por lo general, cambiasus valores, en la forma de un escalón, esto se debe a que dicha variablepor lo regular es indicada por un operario de una forma arbitraria. De estemodo el cambio más abrupto esperado será este escalón, y tomaremos encuenta variaciones del tipo escalón para el análisis de estabilidad, ya quees el caso, en plantas industriales y procesos de producción.

Figura (4)



B. Análisis de controles proporcional, integral y derivativo

En el algoritmo de control proporcional, la salida del controlador es proporcional a laseñal de error, que es la diferencia entre el punto objetivo que se desea y la variable deproceso. En otras palabras, la salida de un controlador proporcional es el producto dela multiplicación de la señal de error y la ganancia proporcional.

Esto puede ser expresado matemáticamente como

P=

Donde:

P es la señal de salida del controlador Kpes la ganancia proporcional Epes el error del proceso (referencia menos variable medida).

Control integral y PI

Uno de los métodos para eliminar el error en estado estacionario que se da,en un sistema de control que cuenta únicamente con un controladorproporcional, es agregando una desviación en la salida del controlador.Para que el error del proceso resulte nulo, el valor de esa desviación seajusta manualmente con el valor nominal de la carga.

P=

Donde Po, es la desviación en la salida del controlador.

Control derivativo

En un control con acción derivativa se hace una corrección que esproporcional a la derivada del error respecto al tiempo.

Acción Derivativa=

Donde:

: es un cambio en el error.

: es la ganancia del control derivativo

El controlador derivativo es útil porque responde a la rapidez de cambio deerror y puede producir una corrección significativa antes de que la magnitudreal del error sea grande. Por esta razón se dice, a veces, que el controlderivativo se anticipa al error y de esta manera inicia una prematuracorrección del error, sin embargo, a pesar de su utilidad no puede usarsesolo, porque no responde a un error en estado estable, por lo tanto, debeusarse en combinación con otras acciones de control.



Características:

a) Tiene efecto únicamente en la parte transitoria, por eso disminuye lasOscilaciones, estabilizándose más rápido “se anticipa al error”.b) Se basa en la pendiente del error.

c) En estado estable nunca actúa y por eso nunca se encuentra un controlDerivativo solo.

Respuesta al escalón producida por un control PD

Figura (5)

C. PID en Tiempo Discreto

U (Z)=E (Z) ()

+c (1-)

Función de Transferencia

Los lazos de control continuo, están formados de tal forma que los componentes del

sistema, siempre tienen información sobre la variable controlada, la cual es comparadaen todo momento con la consigna y en base a esto realizar una acción correctiva o decompensación. Esto no sucede en los sistemas de control discreto, ya que en éstos lainformación de la variable controlada o el error, entre esta variable y la consigna, solose obtiene durante el instante de muestreo. La transformada z es utilizada para elanálisis y diseño de sistemas discretos, en los que asumimos un periodo de muestreoconstante y que será el mismo para cualquier cantidad de muestreados en nuestrosistema, además de poseer la misma fase.



Muestreado mediante impulsos

Figura (7)

D. Sintonización del PID

En esta sección presentaremos las formas de obtener los valores óptimos de lasconstantes [P], [I], [D], de un controlador en base a los parámetros encontrados porexperimentos hechos en el sistema.

Existen fundamentalmente 2 tipos de experimentos para reconocer un sistema, estosson:

Lazo abierto o respuesta al escalón Respuesta en frecuencia o lazo cerrado.

Los experimentos deberán hacerse siempre midiendo el tiempo en segundos.Para los 2 tipos de experimento se presentaran las fórmulas clásicas

Ziegler-Nichols Astron y Hagglund

Estos Métodos entregan los valores óptimos K , Ti , Td para la ecuación PID

*Más información sobre este tema se puede obtener en los manuales deInstrumentación Arian Control & Automatización.

d) Modelamiento de Sistemas de Primer Orden

A. Función de transferencia de un proceso

Todos los procesos pueden ser caracterizados por su función de transferencia. Aunque las variables de entrada y de salida, pueden ser descritas por funciones en eldominio del tiempo f(t) , son comúnmente representadas en el dominio de la frecuenciacomo transformadas de Laplace F(s) , debido a que se pueden analizar con másfacilidad.Consecuentemente, la función de transferencia de un proceso puede ser definidacomo la transformada de Laplace de la función en el tiempo de la variable desalida, dividida la transformada de Laplace.



G(S) = Función de transferencia del proceso, en el dominio de la

frecuencia

H(S) = Transformada de Laplace de la variable de salida en el tiempo

Q(S) = Transformada de Laplace de la variable de entrada en el tiempo

Figura (8)

B. Procesos de primer orden

Se definen de esta manera, los procesos industriales que constan de unelemento resistivo, y un elemento capacitivo. Lo Procesos de primer ordenpueden representar

con la misma función de transferencia G(s).

Donde, siguiendo la notación común a todos los libros de texto

y (s ) Transformada de Laplace de la salida del sistema(Por Ej. temperatura, nivel, etc.)

u (s ) Transformada de Laplace de la entrada del sistema(Por Ej. potencia de los calefactores)

K p = ganancia estática (staticgain) Es la ganancia o amplificación delsistema para una entrada constante (ganancia DC)

L =tiempo muerto (dead time) Es el tiempo que transcurre desde que seprovoca un cambio en la entrada hasta que aparece algún cambio en lasalida.

T =tiempo característico (characteristic time) Como su nombre lo dice, esun tiempo característico del sistema de primer orden. Se puede pensarcomo el tiempo que toma a la salida cambiar un 63% de su cambio total,cuando se aplica un cambio en la entrada .Como se verá este corresponde

a la constante RC de un filtro pasa bajo o la inercia térmica de un horno.



En este caso usamos el Modelamiento de un Horno

Figura (9)

Y (t ) Temperatura instantánea (grados Celsius) P (t ) Potencia instantánea de los calefactores (Watts) Po (t ) Potencia perdida por disipación de calor al ambiente (Watts) M Masa del material en el horno (Kg) Ce Calor especifico del material

La potencia perdida por disipación se puede aproximar linealmente por la formula.

Donde:

Ya Temperatura de ambiente exterior. K 1 Constante de disipación de energía

Luego por conservación de energía

Sustituyendo P (t ):

Se escribe ahora la función de transferencia del sistema:

=

Dónde:

Ganancia estática del sistema

Tiempo característico

L= Tiempo muerto

Observe que T es proporcional a la masa y calor específico del material



e) sistema de calefacción

En este sistema se ensayaron varias opciones, resistencias de brasero, resistencia de

calefactor, etc., pero en todas se observaron que la temperatura era muy elevada

difícil de controlar. Y después de varios ensayos encontramos Lámpara

Incandescente, la cual nos satisface bastante y para controlar la potencia se empleara

un control monofásico por ángulo de disparo mediante un triac.

Actuador Bombilla de 220 Vac

f) sistema de ventilación:

Se empleara dos venti ladores de ordenadores , de 12V la función de los ventiladoreshará que tanto la humedad como el calor circulen dentro de la incubadora.



III. MATERIALES Y EQUIPOS REQUERIDOS

1. MATERIALES:MATERIALES CANTIDAD

Tarjeta de control – PIC 16F873A 1Tarjeta de PID – PIC 16F877A 1

Caja de madera 2Bombillo calentador de 100 watts 1Sensor de temperatura – LM35 1

Software’s(Mplab,Proteus,Matlab) 1Ventiladores de 12V 1

2. EQUIPOS:

EQUIPOS CANTIDADProgramador PICKIT 1

Multimetro 1Fuente de 5 v (pic’s) y 12 v (tarjeta relé) 1

Osciloscopio 1

PROCEDIMIENTO

a) Cálculo de la función de transferencia:

Los sistemas dinámicos de primer orden se pueden representar por la misma funciónde transferencia:

G(S)=

NOTACIONES DADAS:

Y( S) transformada de Laplace de la salida del sistema.Y( S) transformada de Laplace de la entrada del sistema.

Los parámetros a hallar en este modelo son 3 y estos caracterizan en formaaproximada un sistema lineal de primer orden.

Ganancia estática

Tiempo muerto

Tiempo característico



Donde se obtiene:

To=0 seg

T1=1.6

T2=96.7 seg

Segundo punto de intersección:

(31 segundos, 1,26 v)

Primer punto de intersección:

(1.6;0.84 v)

m=

como en T=t1=1.6 seg y=yo=0.84v=23.285ªc y pendiente m=0.01428 V/seg

calculamos T2 ya que en T2=y=y1=Bmax=1.95v =53ªc

35,44

Teniendo los valores de estos parámetros

La planta se modela:



En lazo cerrado:

PID:

EL PROCESO DE FUNCIONAMIENTO:



Diagrama de lazo cerrado



DISEÑO DEL CIRCUITO ESQUEMÁTICO

CIRCUITO PID

CIRCUITOS DISEÑADOS EN MULTISIM

DISEÑO DEL PIC 16F873A



EN - 3D

PLACA REALIZADA



ETAPA DEL VENTILADOR CON 12V

EN-3D

PLACA REALIZADA



CIRCUITO PID CON PIC 16F877A

ETAPA DE INTENSIDAD LUMINOSA





PROGRAMACION EN MPLAB:











V. CONCLUCIONES

Se puede diseñar un controlador discreto empíricamente haciendo pruebas delazo abierto, en un sistema de primer orden, y utilizar las ecuacionescorrespondientes para el tipo de controlador que se necesite

Por medio de la implementación electrónica y varias pruebas fue posiblecomprender con más facilidad el funcionamiento del sistema.

Se cumplieron los objetivos mencionados anteriormente y se obtuvo una buenamedida de temperatura a pesar del error que presenta, el cual se consideradespreciable. Indicadores (SP, temperatura), lo que lo convierte en un sistemafácil de manejar.

VI. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS

[1]. Angulo Martínez, José Ma. Angulo Usategui. “Microcontroladores PIC. Diseño

practico y aplicaciones” .Editorial. Mc Graw Hill. Barcelona España, 2003.376p.

[2]. Enrique Palacios, Fernando Remiro, Lucas J. López – “Microcontrolador

PIC16F877A. Desarrollo de proyectos, 2ª edición” . Editorial Alfaomega Ra-Ma.

México

[3]. Control de Sistemas en Tiempo Discreto Segunda EdicionKatsuhikoOgata.

[4]. Apuntes de clases del curso de CONTROL 2 – IngSaul Linares

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