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ESCUELA SUPERIOR POLITCNICA DE CHIMBORAZO

FACULTAD DE MECNICA

ESC. ING. MECNICA

CONTROL AUTOMTICOPROF.: Ing. Jorge Lema

PROYECTO: DISEO DE UN SISTEMA DE CONTROL PID DE TEMPERATURA PARA UNA DUCHA ELCTRICA DOMESTICA.

ALUMNOS: Franklin Cunalata Nelson Naranjo Byron Sisa

FECHA: 2012 - 12 04TEMA: DISEO DE UN SISTEMA DE CONTROL PID DE TEMPERATURA PARA UNA DUCHA ELCTRICA DOMESTICA.

Objetivos: Disear un sistema de control de temperatura para obtener una temperatura adecuada y estable en una ducha.

Investigar sobre el control PID y su aplicacin. Realizar los diagramas pertinentes de la propuesta de diseo para el control de la temperatura.

Marco Terico:

CONTROL PID

IntroduccinEl controlador PID (Proporcional, Integral y Derivativo) es un controlador realimentado cuyo propsito es hacer que el error en estado estacionario, entre la seal de referencia y la seal de salida de la planta sea lo menor posible, lo que se logra mediante el uso de la accin integral. Adems el controlador tiene la capacidad de anticipar el futuro a travs de la accin derivativa que tiene un efecto predictivo sobre la salida del proceso.

Los controladores PID son suficientes para resolver el problema de control de muchas aplicaciones en la industria, particularmente cuando la dinmica del proceso lo permite (en general procesos que pueden ser descritos por dinmicas de primer y segundo orden), y los requerimientos de desempeo son modestos (generalmente limitados a especificaciones del comportamiento del error en estado estacionario y una rpida respuesta a cambios en la seal de referencia). Los controladores PID son generalmente usados en el nivel de control ms bajo, por debajo de algunos dispositivos de mediano nivel como PLCs, y sistemas de monitoreo. Sin embargo, su importancia es tal que se convierte en el pan de cada da del ingeniero.

El microprocesador ha tenido una influencia dramtica sobre el desarrollo del controlador PID; ha permitido brindar nuevas oportunidades para implementar funciones adicionales como el ajuste automtico de parmetros y los cambios de modos de control. Para los efectos de estos apuntes, se considera la frase ajuste automtico en el sentido de que los parmetros del controlador se ajustan automticamente en base a la demanda de un operador o de una seal externa, desactivando para ello el controlador.

Es as que quedan por hacer varias mejoras sustanciales con respecto al desempeo de los procesos industriales; por su parte, la industria, a medida que la demanda de productos requiere una mejor calidad, est obligada a mejorar sus lazos de control, lo que a su vez requiere un mayor conocimiento acerca de los procesos y de sus mecanismos de regulacin.El Controlador PID

Es la extensin natural del controlador on-off. Es suficiente para muchos problemas de control. Ms del 95% de los lazos de control utilizan el control PID. Ha sobrevivido a los cambios tecnolgicos Aparicin del microprocesador Planificacin de ganancia Utiliza la realimentacin para rechazar las perturbaciones. Elimina el error estacionario con la accin integral. Puede anticipar el futuro con la accin derivativa. No es trivial ajustarlo para conseguir los mayores beneficios sobre el proceso Tres parmetros de control

El control PID combina las tres acciones:Proporcional (P)Integral (I)Derivativa (D)

Donde:Kp .- Ganancia proporcionalEs la constante de proporcionalidad en la accin de control proporcional Kp pequea , la accin proporcional es pequea Kp grande, la accin proporcional es grandeAccin Proporcional.- Produce una seal de control proporcional a la seal de error.

Ti.- Constante de tiempo integral El tiempo requerido para que la accin integral contribuya a la salida del controlador en una cantidad igual a la accin proporcional.Ti pequeo. Accin integral grande Ti grande..accin integral pequeaAccin Integral.-Proporciona una correccin para compensar las perturbaciones y mantener la variable controlada en el punto de consigna.

Td .- Constante de tiempo derivativa El tiempo requerido para que la accin proporcional contribuya a la salida del controlador en una cantidad igual a la accin derivativa.Td pequeo.. accin derivativa pequeaTd grande...accin derivativa grandeAccin Derivativa.- Anticipa el efecto de la accin proporcional para estabilizar ms rpidamente la variable controlada despus de cualquier perturbacin.

Seleccin del controlador (recomendado):

Lazos de caudal o de presin (dinmicas rpidas, sin retardos y perturbaciones de alta frecuencia): PI. Lazos de nivel (combinacin de varias dinmicas, sin retardo y perturbaciones de media frecuencia): PI o PID. Lazos de temperatura (dinmicas lentas, con o sin retardo y perturbaciones de baja frecuencia) : PI o PID. Lazos de composicin (predomina el retardo debido al analizador): PI, aunque se aconsejan otros tipos de controladores (predictor de Smith). Procesos integradores (procesos trmicos o ciertos lazos de nivel): PD o PID. Control en cascada: PI o PID en el lazo primario, P o PD en el secundario.

LAS DUCHAS ELCTRICAS

Las duchas elctricas son unidades muy pequeas instaladas a poca distancia del lugar donde se requiere el agua caliente. Son alimentados con electricidad y se activan automticamente por flujo o manualmente con un interruptor. Su uso se reduce a unas pocas aplicaciones comerciales o domsticas.Tienen un elevado consumo elctrico van desde 1500 a 5000 W. Solo tienen un uso prctico en pases de clima templado, dada su baja capacidad de calentamiento. Podemos encontrar ejemplos de su uso instalados directamente a lavamanos o como las famosas duchas de punto, muy utilizadas en viviendas econmicas en pases de clima templado.En su interior una ducha consta nicamente de una resistencia calentadora. Es el objetivo de este capitulo, dar a entender el la estructura y los principios de funcionamiento de este componente.

Resistencia Calentadora.Las resistencias calentadoras convierten energa elctrica en calor. Procedimiento descubierto por James Prescott Joule cuando en 1841 al hacer circular corriente elctrica a travs de un conductor se liber calor por encontrar resistencia.En la actualidad las resistencias calentadores se utilizan para infinidad de aplicaciones. La gran mayora de ellas son fabricadas con un alambre de una aleacin de nquel (80%) y cromo (20%). Esta aleacin soporta temperaturas muy altas (1000 C), es resistivo (condicin necesaria para generar calor), es muy resistente a los impactos y es inoxidable.

MICROCONTROLADORES PIC

El PIC es un circuito altamente integrado que contiene todos los elementos de un computador aunque delimitadas prestaciones que esta contenida en un microchip gracias a su reducido tamao suele incorporarse en el propio dispositivo de control.

Definicin de PIC: Peripheral Interface Control, comnmente llamado Microcontrolador.

La figura muestra el uso de los microcontroladores en los diversos campos de la vida moderna.

Sus caractersticas son:- Es una microcomputadora en un solo chipEl PIC integra CPU, RAM, ROM y dispositivos de I/O.- Puede leer variables analgicas (ciertos modelos)El PIC 16F874A maneja 8 canales de entrada analgica.- RISC (Reduced Instruction Set Computer)Solo 35 instrucciones pueden ser decodificadas.- Encapsulado pequeo (DIP 8 - 40 pines)Se puede conectar en equipos pequeos.- Tecnologa de bajo consumo de potencia (0.8W) y alta velocidadSe puede usar con batera y a una frecuencia mxima de 20MHz.- Alta corriente I/O(20 - 25mA)Se pueden manejar LEDs directamente.- Bajo costoUn PIC tiene costos totalmente accesibles y economicos.

Su Forma de uso:-Se escribe el programa en un archivo de texto con extensin .asm-Se compila por medio de la aplicacin MPLAB-Se carga por medio de un circuito especial, el programa ya compilado en unarchivo con extensin .hex-Se prueba el programa en breadboard o en un entrenador especial

PROTEUS

Proteus es un software de diseo electrnico desarrollado por Labcenter Electrnicas que consta de dos mdulos: Ares e Isis principalmente.ISIS.- Con la utilizacin de este programa se podr disear el circuito que se requiera, con componentes muy variados, desde una simple resistencia hasta un microprocesador o microcontrolador, incluyendo fuentes de alimentacin, generadores de seales, etc. Los diseos realizados en Isis pueden ser simulados en tiempo real. Se pueden simular circuitos con microcontroladores conectados a distintos dispositivos, como motores, lcds, displays, etc. Sus libreras incluyen, las familias de PIC10, PIC12, PIC16, PIC18, PIC24 y PIC33.

ISIS es la herramienta ideal para una rpida realizacin de complejos diseos de esquemas electrnicos destinados tanto a la construccin de equipos electrnicos como a la realizacin de tareas de simulacin y prueba.

DESARROLLO DEL DISEO Y SELECCIN DE COMPONENTES DEL CONTROLADOR DE TEMPERATURA

Anlisis y determinacin de los requerimientos. Mediante investigaciones realizadas sobre las caractersticas del proceso que se desea trabajar, se conocen algunos parmetros con los cuales debe contar el sistema automatizado. Los cuales se detallan a continuacin.

La temperatura. *La temperatura a la salida del agua en los hogares de la ciudad, se encuentra entre 22C y 26C aproximadamente, dependiendo de la estacin del ao en que se encuentre, siendo esta menor durante las noches de invierno y mayor durante los das de verano.

*Las temperaturas disponibles en las duchas en el mercado se encuentran entre 38C y 90C aproximadamente, pero un rango de temperatura para darse un bao es de 40C a 48C ya que temperaturas mayores pueden ocasionar quemaduras en la piel de las personas. Para el presente diseo se considerar una temperatura mxima de 48C.

*El cuerpo humano pu