CONTROL DIGITALPASO 4: IMPLEMENTACIÓN DE CONTROLADORES PRESENTADO POR: OMAR GOMEZ VASQUEZ COD: 1101682891 GRUPO: 203041_25 TUTOR: JOAN SEBASTIAN BUSTOS UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERÍA 2017 INTRODUCCION Un invernadero es una estructura cerrada cubierta por materiales transparentes, dentro del cual se obtienen condiciones artificiales favorables para producir cultivos agrícolas, así dentro de este se consigue un aislamiento tanto térmico como de agentes contaminantes de cultivos. Sin embargo es necesario que estos invernaderos cuenten con dispositivos que permitan controlar y modificar las condiciones del microclima generado. Al finalizar el proyecto se contara con un sistema Tecnificado y automatizado de un invernadero, este contara con sistemas calefacción, ventilación y riego. Que permitirá proteger a los cultivos de factores climáticos como heladas, granizo, sequías, excesos de viento, y demás factores que pudieran perjudicar un cultivo. Con un invernadero así se podrá cultivar plantas todo el año en condiciones óptimas. Permitiendo producir productos agrícolas de excelente calidad, rentables (debido a que se producirá todo el año) y acordes con las exigencias de los mercados. OBJETIVOS GENERAL Realizar Implementar un controlador PID en un microcontrolador PIC 16f877A para un sistema de calefacción. . ESPECIFICOS: Concretar las teorías vistas en el curso y aplicarlas a problemas y situaciones reales. Desarrollar competencias relacionadas con el saber hacer utilizando la comprobación y la experimentación. Mediante el uso del aplicativo Proteus la cual nos permitirá realizar todas las simulaciones necesarias. lo cual permite afianzar y dar un nuevo sentido al conocimiento adquirido. 7 Oven Time Constant (sec)= 10 Heater Time Constant (sec)= 1 Temperature coefficient (V/°C)= 1 Heating Power (W)= 120 Datos requeridos para la solución del problema. Recibe el nombre de controlador el dispositivo que se emplea para realizar uno o varios procesos. La simulación se debe desarrollar en Proteus utilizando el Heated Oven (LumpedModel) y se establecerán los siguientes valores: Temperature Ambient (°C)= 30 Thermal Resistence to Ambient (°C/W)= 0. Implementar un controlador PID en un microcontrolador PIC 16f877A para un sistema de calefacción. Hornos. los encontramos controlando el funcionamiento de muchos dispositivos tanto en nivel Industrial como en equipos del hogar (Teléfonos. Los microcontroladores hacen parte de nuestro diario vivir. es un circuito integrado de alta escala de integración que incorpora la mayor parte de los elementos que configuran un controlador dispone de los siguientes componentes: Procesador o Unidad Central de Proceso . Televisores. Para este ejercicio el controlador que regula el funcionamiento de un sistema de calefacción disponiendo de un sensor que mide la temperatura y cuando traspasa los límites prefijados. genera las señales adecuadas que accionan los actuadores que intentan llevar el valor de la temperatura dentro de un rango estipulado. etc. Un Microcontrolador.). Herramientas de Software que se van a utilizar para la solución del problema dado. Memoria RAM para contener los datos. Diversos módulos para el control de periféricos (temporizadores. . Conversores Analógico/Digital) Generador de impulsos de reloj que sincronizan el funcionamiento de todo el sistema. Líneas de E/S para comunicarse con el exterior. Memoria para el programa tipo ROM/PROM/EPROM. cálculo de parámetros y/o constantes de control PID mediante técnica de sintonización Ziegler–Nichols y se mostrara la metodología de implementación de este controlador en un microcontrolador PIC16F877A. PROTEUS Proteus es un software de diseño electrónico desarrollado por Labcenter Electrónicas que consta de dos módulos: Ares e Isis y que incluye un tercer módulo opcional denominado Electra. Los productos que para su regulación incorporan un microcontrolador disponen de las siguientes ventajas: · Aumento de prestaciones · Aumento de la fiabilidad · Reducción del tamaño en el producto acabado · Mayor flexibilidad Para este sistema de Calefacción se le realizara inicialmente un modelamiento basado en el método de curva de reacción. utilizando como herramienta de validación el software de simulación ISIS Proteus. incluyendo fuentes de alimentación. Es mucho más que un simple programa de dibujo de esquemas electrónicos. todas las características de varias familias de microcontroladores. entre otras.ISIS Mediante este programa podemos diseñar el circuito que deseemos con componentes muy variados. lcd´s. Una de estas prestaciones es VSM. El módulo VSM incluye. . PIC12. en tiempo real. encontrará en ISIS una herramienta excepcional para la realización de atractivos esquemas electrónicos destinados a su publicación en libros. PIC18. generadores de señales y muchas otras prestaciones. Se pueden simular circuitos con microcontroladores conectados a distintos dispositivos. las familias PIC10. PIC16. Combina un entorno de diseño de una potencia excepcional con una enorme capacidad de controlar la apariencia final de los dibujos. una extensión de la aplicación con la cual podremos simular. desde una simple resistencia hasta algún que otro microprocesador o microcontrolador. introduciendo nosotros mismos el programa que queramos que lleven a cabo. displays. Además. etc. como motores. ISIS es el corazón del entorno integrado PROTEUS. Microcontrolador PIC 16F877A. manuales o documentos técnicos. ISIS es la herramienta ideal para una rápida realización de complejos diseños de esquemas electrónicos destinados tanto a la construcción de equipos electrónicos como a la realización de tareas de simulación y prueba. Los diseños realizados en Isis pueden ser simulados en tiempo real. PIC24 y dsPIC33. además del fácil uso de los periféricos. Figura 2. porque cuenta con muchas características.Para poder visualizar los cambios cuando se aplica un peso en la celda de carga. se tiene que realizar la conversión de análogo a digital de dicha señal.9 Microcontrolador PIC 16F887A. para ello se decidió elegir el microcontrolador 16F877A de la familia de MICROCHIP. Se presentan a continuación algunas de las características del PIC: Amplia memoria para datos y programa. en este caso el manejo del LCD. . Memoria reprogramable: La memoria en este PIC es la que se denomina FLASH. . posee dos pines para ello. pero con las instrucciones necesarias para facilitar su manejo. este tipo de memoria se puede borrar electrónicamente. Set de instrucciones reducidas. Soporta modo de comunicación serial. son de tipo Hidráulico. Electrónico o sus combinaciones. Se puede indicar que un Controlador PID responde a la siguiente ecuación: 𝑡 𝐾𝑃 𝜕𝑒(𝑡) 𝑢(𝑡) = 𝐾𝑃 𝑒(𝑡) + ∫ 𝑒(𝑡)𝜕𝑡 + 𝐾𝑃 𝑇𝑑 𝑇𝑖 𝜕𝑡 0 𝐷𝑜𝑛𝑑𝑒: 𝑢(𝑡) → 𝐸𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝐶𝑜𝑛𝑡𝑟𝑜𝑙 𝑃𝑟𝑜𝑐𝑒𝑠𝑜 𝑒(𝑡) → 𝐸𝑟𝑟𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑆𝑒ñ𝑎𝑙 𝐾𝑃 → 𝐺𝑎𝑛𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑃𝑟𝑜𝑝𝑜𝑟𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑙 𝑇𝑖 → 𝐶𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝐼𝑛𝑡𝑒𝑔𝑟𝑎𝑙 𝑇𝑑 → 𝐶𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝐷𝑒𝑟𝑖𝑣𝑎𝑡𝑖𝑣𝑎 En el dominio de la frecuencia.CONTROLADOR PID Los controladores industriales en la actualidad utilizan esquemas de control PID o PID modificado. Los controladores PID analógicos. el controlador PID se puede escribir como: 1 𝑈(𝑆) = 𝐾𝑃 (1 + + 𝑇𝑑 𝑆) 𝐸(𝑆) 𝑇𝑖 𝑆 Para la Sintonización de Controlador Mediante Ziegler-Nichols en lazo abierto el proceso puede definirse según la siguiente función de transferencia: 𝐾0 𝑒 −𝑠𝜏0 𝐺(𝑠) = 1 + 𝛾0 𝑠 𝐷𝑜𝑛𝑑𝑒: . Neumático. Según Ziegler-Nichols. Se aplica una entrada escalón y se registra la respuesta de la salida hasta que se estabiliza en un punto de operación. 𝝉𝟎 = 𝒕𝟏 − 𝒕𝟎 . 𝑻𝒅 = 𝟎. 𝜏0 . 𝑲𝟎 = 𝒖𝟏 − 𝒖𝟎 Se parte de un sistema estable en 𝑦(𝑡) = 𝑦0 para 𝑢(𝑡) = 𝑢0 .𝐾0 . las relaciones de estos coeficientes con los parámetros del controlador son: 𝜸𝟎 𝑲𝑷 = 𝟏. 𝒚𝟏 − 𝒚𝟎 𝜸𝟎 = 𝒕𝟐 − 𝒕𝟏 . 𝟓𝝉𝟎 𝑲𝟎 𝝉𝟎 CONTROLADOR DIGITAL PID La funcion de transferencia para el controlador PID sera: 𝑇 (1 − 𝑧 −1 ) 𝑈(𝑧) = 𝐾𝑃 [1 + + 𝑇𝑑 ] 𝐸(𝑧) 𝑇𝑖 (1 − 𝑧 −1 ) 𝑇 La cual se puede expresar como: 𝑈(𝑧) 𝐾𝑃 𝑇 1 𝐾𝑃 𝑇𝑑 = 𝐾𝑃 + −1 + (1 − 𝑧 −1 ) 𝐸(𝑧) 𝑇𝑖 (1 − 𝑧 ) 𝑇 . 𝑻𝒊 = 𝟐𝝉𝟎 . 𝛾0 → 𝑆𝑒 𝑜𝑏𝑡𝑖𝑒𝑛𝑒𝑛 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑟𝑒𝑠𝑝𝑢𝑒𝑠𝑡𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 𝑒𝑛 𝑙𝑎𝑧𝑜 𝑎𝑏𝑖𝑒𝑟𝑡𝑜 𝑎 𝑢𝑛𝑎 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑒𝑠𝑐𝑎𝑙𝑜𝑛. 𝟐 . Diseño paralelo de controlador PID Para la implementación y simulación del controlador PID se utilizara el software ISIS Proteus. Constante de tiempo de establecimiento 4. Potencia de Calentamiento. Figura 1. Resistencia térmica 3. Coeficiente de temperatura 6. se debe verificar mediante PROTEUS. . Para el diseño. Constante de tiempo de calentamiento 5. al cual se le pueden variar sus características funcionales tales como: 1. si el modelo matemático que describe el comportamiento del sistema corresponde a la ecuación de la función de transferencia. Este software ofrece el modelo esquemático de un Sistema de Calefacción denominado OVEN. Temperatura Ambiente de trabajo 2. Para obtener la respuesta del sistema en lazo abierto ante una entrada escalón (curva de reacción).En la categoría “transducers” existe un componente llamado “OVEN” El modelo esquemático OVEN contiene un terminal sensor T que entrega un voltaje proporcional a la temperatura del sistema. este terminal entregara 1V/°C. según se muestra en la Figura 2. De acuerdo a los parámetros establecidos anteriormente. el cual interactúa con el sistema OVEN mediante el uso de un Voltage Probe1 OV1 (T). el terminal T entregara 100V. se utiliza el sistema de análisis interactivo de ISIS Proteus Interactive Analysis (Graph Mode Tool). para una temperatura de 100°C. . Observar que para realizar la entrada escalón de 0V a 10V se utiliza un interruptor SW1. . De la recta de máxima pendiente se deducen los parámetros 𝛾0 .Figura 2. 𝐾0 𝑦 𝜏0 definidos por el análisis en lazo abierto de Ziegler-Nichols. Esquemático para análisis de respuesta ante entrada escalón. 𝟓𝟔 Por tanto el modelo del sistema de calefacción queda definido así: 𝐾0 𝑒 −𝑠𝜏0 𝑒 −𝒔 𝐺(𝑠) = → 𝐺(𝑠) = 90. basada en la respuesta del escalón: 𝛾0 𝐾𝑃 = 1.138 𝐾𝑃 𝑇 𝑏= = 0.5𝜏0 = 0.0069 𝑇𝑖 . 𝑇𝑖 = 2𝜏0 = 2. 𝑦1 − 𝑦0 𝛾0 = 𝑡2 − 𝑡1 .138.5 𝒔 Los parámetros 𝐾𝑃 . 𝑇𝑑 se calculan según la regla de sintonización de Ziegler-Nichols. 𝝉𝟎 = 𝟏 . 𝑲𝟎 = 𝟗𝟎. Determinación de los parámetros por método de curva de reacción. 𝑇𝑑 = 0.Figura 3.1 𝑠 según criterio 𝑇 < Parámetros del controlador discreto: 4 𝑎 = 𝐾𝑃 = 0. 𝜏0 = 𝑡1 − 𝑡0 . 𝑇𝑖 .2 = 0. 𝟓 .5 𝐾0 𝜏0 Ahora se reemplazan los valores y se establece un periodo de muestreo 𝜏0 𝑇 = 0. 𝐾0 = 𝑢1 − 𝑢0 𝜸𝟎 = 𝟏𝟐.56 1 + 𝛾0 𝑠 1 + 12. se implementa un divisor de voltaje para adecuar la señal del sensor a niveles permitidos por el conversor A/D del microcontrolador. que para una temperatura de 100°C (100V) el conversor recibirá 1V. es decir.69 𝑇 IMPLEMENTACION DE CONTROLADOR DIGITAL PID EN MICROCONTROLADOR Para la implementación del controlador se requiere de un conversor Análogo/Digital para ingresar el voltaje entregado por el sensor T del modelo OVEN. se utiliza un divisor de voltaje con factor 100. 𝐾𝑃 𝑇𝑑 𝑐= = 0. El control se realiza mediante una señal PWM proporcional a la señal generada por el controlador. Dado que este sensor entrega 1V/°C. . Para este circuito se trabaja con el microcontrolador PIC16F877A el cual a continuación se presenta la distribución de los pines. desarrollado en el Sofware ISIS Proteus y con el compilador de PIC C. FUENTE: http://microcontroladores-mrelberni. .com/modulo-ccp-pic- introduccion/ A continuación se presenta el circuito a implementar en el Sistema. .Figura 4. para el Sistema de Calefacción. Diagrama esquemático de controlador PID en microcontrolador y resultado de la simulación mediante Interactive Analysis. . De acuerdo a las condiciones establecidas para el Sistema de Calefacción.Se configuran los parámetros del sistema de la siguiente manera: Para la realización del código fuente se utilizó el compilador PIC C Compiler. 0 para llegar a un Set Point 𝑟(𝑘𝑇) = 100°𝐶. . dado que este valor es la temperatura ambiente de trabajo del sistema OVEN.Por medio de las resistencias 𝑅1 = 100𝐾Ω y 𝑅2 = 1𝐾Ω La configuración mostrada en la Figura 4 permite obtener un divisor de voltaje con factor 100. La simulación inicia con una magnitud de temperatura igual a 30°𝐶 en 𝑡 = 0𝑠. Para la escalizacion de la señal de salida 𝑦(𝑘𝑇) en el código fuente se debe multiplicar por un factor de 100 debido al factor de división que se utilizó para adecuar la señal del sensor del sistema OVEN obteniendo de esta manera Temperatura_Limite=1000. se puede realizar la variación del código fuente para que el valor de referencia 𝑟(𝑘𝑇) o Set Point pueda ser ingresado por usuario y obtener de esta manera la respuesta del sistema. . Se visualiza el código implementado en el microcontrolador.El sistema de control propuesto. realizando la variación de las dos fuentes en los tiempos correspondientes según lo indica la guía de actividades. . para el instante de tiempo 𝑡 = 50 𝑠. . se conmuta nuevamente a la fuente de alimentación BAT1 de 10V. Obteniendo una respuesta del controlador siguiendo el valor del Set Point de Temperatura correspondiente ha 100°𝐶. se conmuta otra fuente de alimentación BAT2 de 30V y para el instante de tiempo 𝑡 = 120 𝑠. se utiliza una de alimentación BAT1 de 10V.En el circuito esquemático se ingresan las perturbaciones al sistema se debe hacer lo siguiente donde para el instante de tiempo 𝑡 = 0 𝑠. Ajustando el valor del periodo de muestreo para el retardo. 𝑇𝑑 . . Damos a conocer los respectivos resultados obtenidos de las pruebas de funcionamiento del sistema de calefacción y observamos cómo se comporta el controlador digital de temperatura y analizamos y desarrollamos cada paso solicitado en la guía de actividades.CONCLUSIONES El diseño de un controlador PID está en la obtención de los parámetros del Sistema de Calefacción que se desea controlar. Se puede observar en las gráficas expuestas en el Interactive Analisys que el controlador sigue el valor del Set Point de Temperatura correspondiente a 100°𝐶. dado que a partir de estos parámetros se utilizan reglas de sintonización para hallar las constantes del controlador 𝐾𝑃 . 𝑇𝑖 .