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Sistema Termico
Michael Celis
Alejandro Pea Jos Romero
Facultad de Ingeniera Ingeniera electrnica
Control I Universidad Distrital Francisco Jos de Caldas
Bogot, Colombia [email protected]
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ABSTRACT Control systems are those dedicated to obtain the
desired output of a system or process. A general system takes a
number of inputs that come from the system control, called plant,
and a system is designed so that, from these entries, modify
certain parameters in the system plant, which signals will return
to its normal state before any variation.
KeywordsPlant, system
I. INTRODUCCION
Los sistemas de control son aquellos dedicados a obtener la
salida deseada de un sistema o proceso. En un sistema general se
tienen una serie de entradas que provienen del sistema a controlar,
llamado planta, y se disea un sistema para que, a partir de estas
entradas, modifique ciertos parmetros en el sistema planta, con lo
que las seales anteriores volvern a su estado normal ante cualquier
variacin.
II. DISEO DE LA PLANTA PARA UN SISTEMA TERMICO
Para la elaboracin de este sistema es necesario establecer un
modelo el cual est divido por etapas. En su primera etapa el
sistema debe proporcionar una variacin de temperatura de por lo
menos 30o esta ser desarrollada por una etapa de potencia tal que a
partir de un voltaje variable entre 0 V y 12 V de baja corriente
permita general la variacin de calor al interior de un volumen de
1000 cm3
que corresponde a la segunda etapa de nuestro sistema, la
generacin de calor fue suministrada por un bombillo de 5 W a 12 V
de doble filamento que permiti tener una corriente en la etapa de
potencia adecuada para su funcionamiento, como tercera etapa de
nuestro sistema es la implementacin de un sensor de temperatura con
su respectivo acondicionamiento proporcionando una estabilidad de
100mV/C. En la figura 1
se muestra el modelo a implementar y las etapas que lo
componen.
Figura 1. Estapas del sistema termico.
A. Diseo de la etapa de potencia
Este circuito permite alterar la intensidad de luz emitida por
un bobillo de doble filamento de 12v a 5W desde apagado hasta el
mximo posible de un potencimetro de 100K. Gracias a que funciona
por modulacin de ancho de pulso. El circuito se basa en un
integrado NE555 el cual genera el tren de impulsos necesario para
controlar el transistor, el cual acciona por pulsos el bombillo.
Los componentes entre los terminales 2, 6 y 7 del integrado regulan
la frecuencia de oscilacin del circuito y, por ende, la intensidad
de luz. El mosfet IRF530 figura 2 permite llegar a corrientes muy
elevadas dejando a un lado los inconvenientes relacionados con el
aumento de temperatura del dispositivo.
Figura 2. Mosfet IRF530.
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Figura 3. Implementacin del PWM con el IRF530 para el control de
intensidad de un bombillo de 12V a 5W.
B. Diseo de la estructura del sistema termico
Para esta parte, tomamos como punto de partida y diseo el tipo
de material a utilizar, ya que al no escoger un material adecuado,
el comportamiento de la temperatura en el espacio podra verse
afectado y esto modificara el modelamiento del sistema. De esta
forma el material que encontramos conveniente para este diseo fue
una estructura de icopor con un volumen superior al indicado para
el laboratorio de 1000 cm3 interior del volumen fue recubierto con
un papel que permitiera el aumento de temperatura de forma
ptima.
C. Diseo delacondicionamientodel sensor de temperatura
Se hizo uso de un sensor LM35, el cual nos presenta una variacin
de voltaje de 10mV/C, como la sensibilidad requerida para la
variacin de temperatura es de 100mV/C es necesario el diseo de un
amplificador que permita obtener la salida adecuada para esto fue
necesario que la ganancia entregada por este amplificador sea de
10. Hay que tener en cuenta que la temperatura est variando a
medida que la entrada del PWM tenga un voltaje especfico, es decir
que para un valor de 100% del ciclo til ser el valor mximo de la
entrada. Para poder amplificar el voltaje que entrega el sensor
LM35 requerimos de una configuracin de amplificador operacional no
inversor; es decir la ganancia de este debe ser de 10. A
continuacin se muestra el clculo de las resistencias y su esquema
figura 2.
Rf = 29K y R1=3K
Figura 4. Implementacin de amplificador no inversor para el
acondicionamiento del sensor de temperatura.
III. PROCEDIMIENTO DE LABORATORIO
Para determinar el comportamiento del sistema con respecto al
tiempo, es necesario realizar una toma de muestras, despus de unir
las etapas del diseo. Con esto podremos determinar la respuesta del
sistema y poder estimar una funcin de transferencia que describa el
modelo.
Con los datos obtenidos se puede proceder a hallar la expresin
de la funcin de transferencia del sistema asumindolo como un
sistema de primer orden gracias a las caractersticas de las
grficas, y asumiendo este tipo de respuesta como una respuesta al
escaln la cual tiene como forma estndar de funcin de
transferencia:
Apreciar con exactitud los valores de inters es algo complicado,
nos basamos en los datos recogidos para calcular el tiempo de
establecimiento al 98% (4) y as poder encontrar el tao del
sistema.
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Figura 5. Grfica de la funcin de transferencia junto a la grfica
medida en el osciloscopio
CONCLUSIONES
De acuerdo a la tabulacin realizada para obtener la
respuesta del sistema y a partir de una aproximacin de la funcin
de transferencia, con una entrada escaln unitario, la temperatura
varia con respecto al tiempo de una forma creciente suave hasta
llegar un punto en el cual se estabiliza, es decir la temperatura
llega un valor determinado y a medida que el tiempo transcurre este
valor no vara, por ende se puede deducir que la respuesta se
aproxima a la de un sistema de primer orden.
Para la realizacin de las medidas de temperatura con respecto al
tiempo, el dispositivo que se utiliz para la variacin de la
temperatura fue un bombillo de 12V a 5W, es decir que a medida que
variamos el voltaje de entrada, el bombillo requiere una corriente
de hasta 550 mA. Por ello se concluye que para las pruebas hechas
en el sistema se debe procurar utilizar siempre los mismos
elementos de suministro de energa, en este caso la fuente DC de
alimentacin.
