Sistema de control de temperatura ( Histeresis Histeresis) Valentina Aguirre Restrepo Universidad Nacional de Colombia Facultad de Minas (
[email protected])
ilibet! Vargas N"#e$ Universidad Nacional de Colombia Facultad de Minas (
[email protected])
I. RESUMEN — Se diseña un sistema de control lazo cerrado, a part partir ir de una una hist histér éres esis is,, que que nos nos perm permit itee el cont contro roll de temperatura en un incubadora, además de utilizar una bombilla como actuador, se utilizó un transductor para poder convertir la señal térmica del ambiente, en una señal eléctrica, que es la que va ser utilizada para el desarrollo de todo el sistema, cabe decir que este sistema no se utiliza ningún dispositivo extraño solo se hace uso de resistencias , amplificadores un relé , que es el que permite el encendido apagado de la bombilla! "ste sistema de control consta de tres partes principales, el acondi acondicio cionad nador or de señale señales, s, que de cierta cierta forma forma nos permit permitee manipular manipular el volta#e arro#ado arro#ado por el sensor sensor para obtener obtener una salida salida que que se acople acople a nuestra nuestrass necesi necesidad dades, es, el volta# volta#ee de referencia que se acomoda según el usuario , para la temperatura en la que se quiere el ambiente , el control por histéresis que hace hace que la temper temperatur atura a fluctué fluctué entre entre valore valoress cerc cercano anoss a la referencia , haciendo que la temperatura en el ambiente sea casi estable! Palabras claves—Histeresis claves—Histeresis ; Amplificadores Amplificadores operacionales operacionales , ganancia , señales
Abstract A s!stem of closed control loop is designed, from a "!steresis, #"ic" allo#s $s to control temperat$re temperat$re in an inc$bator, inc$bator, as #ell as $sing a lig"t b$lb as act$ator, a transd$cer is $sed to convert ambient t"ermal signal, in a signal electric, #"ic" is #"at #ill be $sed for development of t"e entire s!stem, t"is s!ste s!stem m no appli applies es to an devic devicee beca$ beca$se se $sing $sing onl! onl! resist resistor ors, s, amplifiers and a rela!, #"ic" is #"at allo#s t"e s#itc"ing on and off is not $sed t"e b$lb %"is control s!stem consists of t"ree main parts, t"e signal conditioner, #"ic" some"o# allo#s $s to manip$late t"e voltage t"ro#n b! t"e sensor to o$tp$t it matc" o$r needs, t"e reference voltage voltage #"ic" is accommod accommodated ated b! $ser, $ser, to t"e temperat$re temperat$re at #"ic" #"ic" !o$ #ant t"e environment, environment, and control control "!steres "!steresis is #"ic" #"ic" ca$ses ca$ses t"e temperat$re temperat$re to fl$ct$at fl$ct$atee bet#een bet#een val$es close close to t"e reference, ma&ing t"e temperat$re in t"e environment is almost stable 'e!s #ords #ords ( H!steresis H!steresis , operational operational amplifier, amplifier, gain, signal signal
Sebasti%n &'re$ Marn Universidad Nacional de Colombia Facultad de minas (
[email protected])
N*R+,UCC+N
&ara el desarrollo desarrollo del sistema se emplean conceptos conceptos b%sicos de electr electr-ni -nica ca an%log an%loga a vistas vistas en clase clase ampli/ ampli/ica icador dores es operacio operacionales nales en su con/igur con/iguraci-n aci-n inversora inversora sumadora sumadora no inversora seguidora seguidora 0 ganancia adem%s conceptos conceptos b%sicos de control para el /uncionamiento del mismo. Un concepto mu0 importante importante 1ue se empleemple- 0 1ue es la base para este tipo de control es la !ist'resis 1ue a pesar de tratarse de un /en-meno no deseado en este caso se utili$a para el control de temperatura en una re/erencia de 234C permitiendo un rango de 564C por encima o por deba7o de la re/erencia la cone8i-n 0 el /uncionamiento del rel' es mu0 "til en este caso dado 1ue permite permite una cone8i-n m%s sencilla sencilla . II.
M+*VAC+N.
9l control de la temperatura es un control de gran utilidad para el mundo industrial 0 dom'stica por lo tanto e8isten di/erentes dise#os 1ue permiten 1ue este cumpla su ob7etivo en este caso se eligi- el control por medio de !ist'resis dado 1ue resulta m%s sencillo en cuanto su /uncionamiento pero m%s m%s cost costos osoo dado dado 1u 1uee la /rec /recue uent ntee vari variac acii-nn entr entree el encendido 0 apagado del actuador puede ocasionar da#os en el sistema sin embargo este circuito resulta una estrategia m%s econ-mic econ-micaa por1ue por1ue solo se utili$ara utili$arann elementos elementos de ba7os costo como lo son resistencia resistencia ampli/icadores ampli/icadores 0 un rel'. ,9FNC+N ,9 A A&CAC:N ; Se utili$a el control de la temperatura para un incubadora de !uevos 1ue necesita una temperatura de m%s o menos 234C para la gestaci-n de los mismos el sistema de control empleado como 0a se !aba mencionado es por !ist'resis lo 1ue ocasiona 1ue la temperatura vari' en valores cercanos al valor de re/erencia 0 no este del todo estabili$ada lo 1ue resulta ideal para una simulaci-n m%s cercana al incubaci-n de las gallinas. III.
IV.
,9SARR++ ,9 9<&9RM9N*+
9ste sistema de control la$o cerrado consta de tres partes principales ; • • • •
Acondicionador de se#ales. Controlador por !ist'resis (Comparaci-n) Volta7e de re/erencia Actuador
Cada una de estas etapas /ormas parte /undamental del /uncionamiento del circuito es decir si cual1uiera de ellas /altara el sistema en su totalidad colapsara. Siguiendo conceptos b%sicos del control se reali$a el diagrama de blo1ues 1ue describe el comportamiento del sistema con los siguientes par%metros; Controlador ; =ist'resis Re/erencia ; Volta7e de re/erencia Actuador ; la bombilla Medidor ; M23 (sensor) • • •
sin embargo la con/iguraci-n sumadora del ampli/icador genera 1ue la se#al promedio se invierta entonces es necesario colocar a la salida un ampli/icador operacional en su con/iguraci-n inversora con ganancia unitaria. siguiendo el es1uema mostrado en la /igura 6;
$igura &! '&( Monta7e para el promedio de
la se#al del sensor.
os valores para cada elemento utili$ado se encuentran consignados en la tabla >;
•
)abla %. Valores para dise#o 1ue
9l es1uema de diagrama de blo1ues representado en la /igura >.
del sistema esta
arro7a el promedio del volta7e del sensor.
Rd Rc R
.6B >DB >B
*eniendo en cuenta 1ue el /uncionamiento del sumador est% dado por la ecuaci-n (>);
(>) C. Acondicionador de señales: $igura %! ,iagrama de bo1ues para el sistema de control.
A. Actuador:
&ara este sistema se re1uiere controlar la temperatura a partir de un valor de re/erencia. 234C este control va estar dado por una !ist'resis 1ue por medio de una bombilla va aumentar la temperatura cuando sea necesario 0 la va a apagar cuando la temperatura e8ceda dic!o valor de re/erencia. B. Voltaje del sensor :
&ara !acer muc!simo m%s e/iciente 0 m%s con/iable el control se utili$an cuatro M23 para tener una medida m%s con/iable de toda la incubadora si se desea tener un Vs "nico se conectan los 2 sensores en una con/iguraci-n de ampli/icador operacional sumadora con ganancia de >?2 de este modo obtener un promedio de las tres tensiones
Se utili$a un transductor de re/erencia M23 este transductor arro7a una di/erencia de tensi-n de >EmV?4C este tipo de transductor nos arro7a valores de tensi-n a partir de se#ales en 4C 0 sigue el comportamiento descrito en la /igura 6 sin embargo a pesar de ser mu0 e/iciente la tensi-n de salida es del orden de los mV mu0 pe1ue#a para e traba7o 1ue se necesita !acer por esta ra$-n se dise#a un acondicionador de se#ales 1ue describa un comportamiento como est% ilustrado en la /igura 6 . 9s necesario un ampli/icador operacional en su con/iguraci-n inversora con una ganancia A de > 0 otro en con/iguraci-n sumadora con ganancia unitaria 0 una /uente adicional de Gv para garanti$ar el /uncionamiento de la /igura 6.
)abla &! Valores para los elementos del acondicionador
R> R6 R V8
GDB >DB >DB Gv
D. VOLTAJE DE REFERECIA
9l control en este caso se reali$a sobre este valor de re/erencia dado 1ue se necesita una temperatura promedio apro8imada de 234c el volta7e de re/erencia puede ser modi/icado a partir de un potenci-metro (resistencia variable) dependiendo de la necesidad del usuario a partir de la siguiente cone8i-n;
$igura *! Comportamiento gra/ico del M23
$igura +! Comportamiento de la salida en el
acondicionador de
se#ales.
A partir de las anteriores especi/icaciones se !ace el monta7e circuital de la siguiente manera;
$igura -! '&( 9s1uema circuital para el volta7e de re/erencia .
Siendo; (3) 9n este caso se usa seguidor de volta7e 1ue nos permite tener un valor de re/erencia muc!simo m%s preciso dado 1ue el ampli/icador operacional en esta con/iguraci-n disminu0e el ruido de la se#al. )abla *! Valores de los elementos de Vre/.
$igura !'&( 9s1uema circuital del acondicionador
Vcc Ra Rb
de se#ales. E.
,-nde;
(6)
(2) (G)
>3v >EDB >DB
ETA!A DE COTROL !OR HI"TERE"I"
A partir de la tensi-n de salida 1ue obtenemos del acondicionador de se#ales 0 el volta7e de re/erencia previamente de/inido por el potenci-metro se dise#a un control por !ist'resis 1ue me permite la comparaci-n entre ambas tensiones con el es1uema ilustrado en la /igura;
$igura .! '&( "s1uema circuital para el control con !ist'resis.
=a0 1ue tener en cuenta 1ue el sistema debe moverse en un anc!o de banda H es decir debe tolerar un valor de temperatura por encima 0 por deba7o de la re/erencia de esta /orma se da un /uncionamiento muc!simo m%s e/iciente 0 se evita posibles da#os en el actuador (bombilla) por apagados 0 encendidos mu0 /recuentes sin de7ar de lado el ob7etivo principal 1ue es controlar la temperatura en 5234C.
Se 1uiere activar la bombilla a partir de un rel' aprovec!ando 1ue en la salida se obtiene un volta7e de JVsat 0 LVsat de esta /orma el rel' estara en circuito cerrado para valores positivos en la salida lo cual indica 1ue la temperatura en el ambiente est% por deba7o de la re/erencia para esta situaci-n por medio del rel' se conduce corriente a la bombilla !aciendo 1ue esta encienda si por el contrario la salida esta LVsat en el rel' se ocasionara un circuito abierto impidiendo el paso de corriente a la bombilla !a0 1ue tener en cuenta 1ue la corriente de salida de todo el sistema como tal no es su/iciente para toda la potencia 1ue consume la bombilla por esta ra$-n es necesario conecta una /uente adicional de >6EV . 9l es1uema del monta7e circuital utili$ado se encuentra en la /igura.
&ara este dise#o solo va permitirse 1ue la temperatura sea m%8ima de 2 4 C 0 mnima de 26 4 C para dic!os valores de temperatura 0 utili$ando la ecuaci-n (2) se tienen valores de tensi-n de >E.Ev 0 I.>6v respectivamente 1ue corresponden a los valores VU* (Volta7e de umbral superior) 0 V* (volta7e de umbral in/erior) 0 el anc!o de banda va estar dado por la ecuaci-n (3); () $igura /.9s1uema para la cone8i-n del
*eniendo en cuenta 1ue el /uncionamiento de este "ltimo dise#o consiste en !acer la comparaci-n de las dos tensiones arro7ando a la salida un valor de JVsat cuando Vre/ K Va 0 de LVsat cuando Vre/ Va >O. A partir del anc!o de bando podemos obtener un valor de n con la e8presi-n ()
rel'.
9n un principio se pens- en utili$ar un rel' de estado s-lido por /acilidad en la cone8i-n 0 simplicidad en los c%lculos sin embargo el rel' electromagn'tico es m%s econ-mico 0 cumple con la misma /unci-n adem%s en el monta7e ocupa menos espacio.
(P) Se obtuvo un valor de nQ 2E.63 0 se obtuvieron los siguientes valores para las resistencias 1ue componen el controlador; )abla +. Valores para el
R2 nR2
control por !ist'resis.
.6DB 6G.E3DB $igura 0! Rel'
F.
Eta#a de #otencia.
electromagn'tico2O.
V.
M+N*A9 9N SU *+*A,A,;
$igura %1. 9s1uema circuital del monta7e en su
VI.
R9SU*A,+S $"i%ulaciones &
Se !i$o la simulaci-n del sistema siguiendo el es1uema ilustrado en la /igura I 0 se observ- 1ue el dise#o cumple con la indicaciones especi/icadas se observa en la /igura >E 1ue el volta7e de comparaci-n Vcomp oscila entre el volta7e de umbral superior (VU*) 0 el volta7e de umbral in/erior (V* ) como se esperaba 0 7usto cuando el Vcomp tome cual1uiera de los valores anteriormente mencionados la salida va a ser
totalidad !
JVsat o Vsat seg"n sea el caso sin embargo se observa 1ue el cambio no es instant%neo esto es debido a la acci-n de la !ist'resis en el sistema. a lnea > (> ) indica el cambio de Vsat a L Vsat cuando el volta7e de comparaci-n Vcomp es menor al volta7e Vs( valor promedio de la tensi-n dada por cada uno de los M23) 6 nos muestra el paso de LVsat a Vsat cuando Vcomp es superior a Vs
$igura %%! Comportamiento de Vcomp Va 0 salida total del sistema Vo.
VII. •
•
•
•
•
C+NCUS+N9S: *odo el dise#o para este sistema se !i$o basado en la notas de clases 0 se supusieron comportamientos ideales para cada uno de los dispositivos sin embargo al reali$ar el monta7e en el laboratorio se observaron cambios en los resultados debido a 1ue los elementos ocasionaban cada en la tensi-n del volta7e de re/erencia 0 dem%s medidas por esta ra$-n se utili$- un potenci-metro 1ue nos permita regular la re/erencia seg"n la necesidad. 9n el mercado e8iste gran variedad de transductores sin embargo en este caso se pre/iri- utili$ar el M23 1ue nos permite convertir la se#al de la temperatura directamente de 4C a mV a!orr%ndonos etapas en el acondicionador de se#ales . 9ste tipo de control se le conoce como control la$o cerrado en este caso la realimentaci-n del circuito se da implcitamente atreves del transductor 1ue nos permite un censo de la temperatura para poder !acer la comparaci-n con el volta7e de re/erencia. 9n este caso el elemento actuador va a ser una bombilla 1ue presenta problemas con el desarrollo del sistema en su totalidad dado 1ue la !ist'resis ocasiona un apagado 0 encendido 1ue aun1ue no son mu0 /recuentes podra ocasionar da#os en el dispositivo esta observaci-n se tienen en cuenta al momento de escoger el anc!o de banda 9l control por !ist'resis esta dado para un anc!o de banda de E.I v es de decir para 5 64C por encima o
•
VIII.
>O 6O 2O
por deba7o de la re/erencia es decir m%8ima temperatura permitida en el sistema es de 24C 0 una temperatura mnima de 264C a pesar de 1ue el anc!o de banda es relativamente angosto 0 podra ocasionar apagado 0 encendido de la bombilla /recuentemente no se tiene ning"n problema dado 1ue el cambio en la temperatura es lento. 9l rel' utili$ado /ue de tipo electromagn'tico este tipo de rel' provoca una cada de tensi-n en la salida la cual podemos ignorar 0a 1ue solo necesitamos la activaci-n del rel' para tensiones 1ue se encuentren dentro del rango sin importar su valor 0 no a/ecta el desarrollo del sistema como tal.
R9F9R9NCAS; &resentaci-n TAplicaciones electr-nica an%loga +rlando de es"s Arcila Monto0a /acultad de minas. &oersim nc (6E>>). &SM ,emo Version (I.>.G.>EE) So/tare de c-mputoO. Woburn MA U.S.A; So/tntegration. (THricoXeeD n.d.)HricoXeeD. (n.d.). '()E.
