LABORATORIO DE INGENIERÍA DE CONTROL I

Práctica N 3

TEMA: CONTROL DE PI DE ILUMINACION

PROFESOR: Ever Cifuentes

ALUMNO: Juan José Castillo Velásquez

Control de iluminación con control PI usando ATMEGA328

OBJETIVO

Diseñar un controlador de iluminación mediante un control PI, que mantenga un nivel constante de iluminación en una habitación, compensando la falta de luz con un bombillo.

Utilizar adecuadamente el conversor análogo – digital del ATMEGA 328 para su respectiva programación en Bascom e implementación con el Arduino UNO.

Implementar una adecuada interfaz de potencia para las salidas del sistema de control digital (microcontrolador).

COMPONENTES USADOS

Transformador 220VAC – 12VAC Diodos 1N4004 Diodo Zener 1N4728A Resistencias, Potenciómetros Transistores 2N2222 Reguladores 7805 y 7812 LDR Amplificadores operacionales LM324 Optotriac MOC3021 TRIAC BT136 Foco 220V / 20W Arduino Uno

SOFTWARE UTILIZADO

Proteus Isis para la simulación BASCOM AVR para la programación del ATMEGA

FUNDAMENTO TEÓRICO

Control Proporcional-Integral

En realidad no existen controladores que actúen únicamente con acción integral, siempre actúan en combinación con reguladores de una acción proporcional, complementándose los dos tipos de

reguladores, primero entra en acción el regulador proporcional (instantáneamente) mientras que el integral actúa durante un intervalo de tiempo. (Ti= tiempo integral).La Función de transferencia del bloque de control PI responde a la ecuación:

Donde Kp y Ti son parámetros que se pueden modificar según las necesidades del sistema. Si Ti es grande la pendiente de la rampa, correspondiente al efecto integral será pequeña y, su efecto será atenuado, y viceversa.

Respuesta temporal de un regulador PI.

Por lo tanto la respuesta de un regulador PI será la suma de las respuestas debidas a un control proporcional P, que será instantánea a detección de la señal de error, y con un cierto retardo entrará en acción el control integral I, que será el encargado de anular totalmente la señal de error.

DISCRETIZACIÓN DE UN CONTROLADOR PROPORCIONAL-INTEGRAL

Dado el siguiente controlador analógico del tipo PI

es posible emplear la transformación de Tustin

para obtener el controlador PI discreto equivalente

DIAGRAMA DE BLOQUES

DISEÑO DEL CIRCUITO

Entrada de referencia o Set Point

Para ajustar entre el nivel de máxima luminosidad y mínima que debe emitir el foco, usamos un simple potenciómetro. Está conectado entre tierra y 5 voltios.

Realimentación de la señal del LDR

Se dispone de un sencillo divisor de tensión como sigue:

Entonces, cuando se incide luz sobre el LDR, este disminuye su resistencia hasta niveles comprendidos entre 1k – 10kohm. Por ende, el voltaje de realimentación estará cerca de cero voltios.

Aplicando la regla de divisor de voltaje:

En oscuridad o poca presencia de luz, el LDR marca varios Mega ohm. El voltaje máximo enviado hacia el microcontrolador es:

La resistencia de 100k se coloca en paralelo con el LDR, para que la variación de tensión sea gradual y no brusca.

Regulador

Detector de cruce por cero: Para regular potencia en AC, se emplea el control de ángulo de fase. Cuando se trabaja con microcontroladores estos necesitan sincronizarse con la red. Ya que, una vez la onda senoidal cruce el creo, en ese momento el controlador calcula un retardo para

disparar el TRIAC. Dependiendo cuanto sea tal retardo, la potencia emitida por el foco variara entre un 0 y 100%.

Salidas y entradas del ATMEGA328

Las entradas al microcontrolador son: el Voltaje de realimentación del sensor (VLDR), el voltaje de referencia (Vref), y la señal de sincronización de red que envía el detector de cruce por cero. Como única salida se envían los pulsos de disparo del triac.

Esta sección es la que entregara al ATMEGA328 un valor proporcional a la iluminación de la habitación, en voltios mediante un LDR, es decir, es un sensor de luz. Esta primera implementación usa un divisor de tensión, y tiene un rango de 0- 2.5 V

Interfaz de potencia

Ya realizado el algoritmo de control en el microcontrolador, es necesario que los pulsos digitales sean capaces de activar nuestra carga de 220VAC. Obviamente, no es posible. Sin embargo podemos resolver este inconveniente si diseñamos una etapa o interfaz de potencia entre el

Para aislarnos completamente de la red de alimentación, se usan optocopladores. Se utilizó un MOC3021, el cual no posee detector de cruce por cero, ya que el microcontrolador está sincronizado con la red de alimentación. Seguidamente esta un triac BT138X como elemento de conmutación. Así se completa el diseño de la interfaz de potencia.

OBSERVACIONES:

Cuando el valor de la salida este en ‘1’ (5V) el LED del OptoTriac MOC3021 se encenderá brindando corriente de puerta al TRIAC interno, como este componente no puede trabajar con corrientes muy altas, solo se utilizara para entregar una corriente de puerta a otro TRIAC de mayor potencia, controlando de esta manera el encendido del bombillo.

De forma práctica, se observó que los valores del LDR, van aproximadamente desde 400Ω, iluminado, y 2 MΩ en oscuridad.

Se observa que nuestro rango teórico de 0 – 5V, es algo menor, de 0.06 a 4.88 V, de cualquier manera esto representa una mejora en la sensibilidad.

Al implementar observamos que el foco parpadeaba y estaba algo inestable, por eso ajustamos los valores de ki y kp para que pueda funcionar correctamente.

Para que no haya incovenientes con la luz le colocamos una tapa de lapicero al Ldr para que no intervenga la luz del ambiente.

DIAGRAMA DE BLOQUES

INICIO

Interrupcion 1 => Falling Interrupcion 2 => Compare1A= 14 Kp = 2.3Ki = 0.001T = 0.0083

DO

LOOP

PROGRAMACION EN BASCOM

$regfile = "m328pdef.dat"$crystal = 16000000'$hwstack = 32'$swtack = 10'$framesize = 16

Dim Vref As Word 'Voltaje de ReferenciaDim Vldr As Word 'Voltaje del LDRDim Error As IntegerDim Error0 As IntegerDim Uk As Integer 'señal de controlDim Area As IntegerDim A0 As IntegerDim Prop As IntegerDim Ik0 As IntegerDim Integral As IntegerDim Rampa As IntegerDim Rampa1 As Integer

Dim Kp As SingleDim Ki As SingleDim T As Single

Kp = 2.3 'Constante proporcinalKi = 0.001 'Constante IntegralT = 0.0083 'Periodo de muestreo

Config Portc = InputConfig Portb = Output

Config Adc = Single , Prescaler = Auto , Reference = AvccStart Adc

Config Timer1 = Timer , Prescale = 1024 , Clear Timer = 1On Compare1a ProcesoCompare1a = 4Enable Compare1a

Config Int0 = Low LevelOn Int0 CapturaEnable Int0

Rampa = 0Rampa1 = 0Ik0 = 0Error0 = 0

Enable Interrupts

Do

LoopEnd

'Señal de control Uk en base a algoritmo PI

Captura:

Disable Compare1a Timer1 = 0

Rampa1 = 0 Rampa = 0

'Componente Proporcional

Portb.0 = 0 Vref = Getadc(0) Vldr = Getadc(1) Error = Vldr - Vref Prop = Error * Kp

'Componente Integral '***Area A0 = Error0 + Error Area = A0 * Ki Area = Area * T Area = Area / 2 Integral = Ik0 + Area

'Señal de control PI Uk = Integral + Prop

If Uk < 0 Then Uk = 0 End If If Uk > 1023 Then Uk = 1023 End If Ik0 = Integral Error0 = Error Enable Compare1a Return

'Activacion del triac Proceso:

If Uk <= Rampa And Uk >= Rampa1 Then Portb.0 = 1 Disable Compare1a End If If Uk > Rampa Then Portb.0 = 0

End If

| Rampa = Rampa1 + 32 Return'--------------------------------------------------------------------

'fin de la rutina de interrupción

SIMULACION DEL CIRCUITO COMPLETO EN ARDUINO UNO:

IMPLEMENTACION DEL CIRCUITO

CONCLUSIONES

• Para el proceso de discretización del modelo, la frecuencia de funcionamiento del microcontrolador es la frecuencia de muestreo.

• Tuvimos que cambiar la frecuencia de trabajo del microprocesador de 1Mhz a 8Mhz ya que no podía generar la rampa correctamente para así poder compararla con el valor Uk del control PI.

• Observamos que para una mejor linealidad de la respuesta de la intensidad del foco, se tiene que analizar la linealidad del sensor LDR, para ello se tiene que hacer una configuración diferente para una mayor linealidad.

.Comprobamos que con la ganancia kp el proceso responde rápidamente y que con la ganancia ki elimina el problema del error en estado estacionario frente a perturbaciones de carga constante

Otra de las razones intuitivas del ki que ayuda a comprender los beneficios de la acción integral es que, cuando se introduce, la existencia de un pequeño error durante un intervalo prolongado de tiempo puede dar lugar a un gran valor de la señal de control

BIBLIOGRAFIA

K. Ogata – Ingeniería de Control Moderna 4ta ed.

Benjamin C. Kuo – Sistemas de Control Automático 7ma ed.

Norman S. Nise – Sistemas de Control para Ingeniería 3 ed.