Control De Temperatura Pid

Resumen
L a materia de control es indispensable en un alumno de Ing. Electrónica así mismo el estudio de sistemas de control de todo tipo es por ese motivo que en esta práctica, presentamos un sistema de control de temperatura de agua, basado en un calentador eléctrico. El sistema consiste en un sensor de temperatura de circuito integrado, un controlador PID analógico y una etapa de potenciaque se detallaran a continuación en el desarrollo de esta práctica.
Introducción
El sistema que se propone en esta práctica consiste en un controlador PID analógico, basado en amplificadores operacionales de propósito general. El controlador está implementado de tal manera que fácilmente se distinguen cada una de las partes del controlador: sumador, acción proporcional, acción integral y acciónderivativa. El sistema también cuenta con una etapa de potencia, que se conoce como “PWM” para regular la potencia entregada a un calentador eléctrico.
Se conecta el calentador eléctrico con el recipiente lleno de agua, y la temperatura se mide mediante un sensor de temperatura integrado (LM35). Considerando que se cuenta con una fuente de alimentación y un multímetro, el resto de los componentestiene un precio inferior a los $100 pesos. Esto representa una excelente inversión si se considera los beneficios obtenidos desde el punto de vista didáctico.
Descripción del sistema
En la figura 1 se muestra un diagrama típico de un sistema de control de lazo cerrado de temperatura el cual va ser implementado en esta práctica. El sistema está integrado por un controlador PID, una etapa depotencia y un sensor con su amplificador de señal.

Diagrama esquemático del sistema de lazo cerrado de temperatura.
En la siguiente figura se muestra gran parte del circuito electrónico que se implementara en esta práctica y así sucesivamente se explicara a detalle cada una de sus etapas como su función en este circuito.

Figura 2. Diagrama esquemático del circuito completo del sistema decontrol.
Controlador PID
El controlador utilizado es un controlador PID paralelo, el cual está constituido por una etapa de acción de control proporcional, una etapa derivativa y una etapa integral. El controlador tiene entonces una función de transferencia dada por:
Us=Kp1+1Tis+TdsE(s)
Donde Kp es la constante de acción proporcional, Ti es la constante de tiempo de la acción integral, Td es laconstante de tiempo de la acción derivativa, E(s) es la señal de error y U(s) es la señal de control.
En la figura 2, se muestra un diagrama simplificado de la implementación electrónica utilizada, la cual consta de cuatro etapas. Por facilidad de implementación, se utilizaron circuitos integradores y derivadores inversores, así como un sumador inversor y un circuito de control de ganancia (acciónproporcional, Kp) inversor. Esto genera tres etapas inversoras, y para compensar el signo, se añadió un amplificador diferencial que calcula el error, pero con signo negativo. De esta manera, el circuito da la apariencia de tener retroalimentación negativa, pero en realidad no es así.

En la siguiente figura se muestra el circuito esquemático del controlador PID construido con amplificadoresoperacionales.

En este caso, las constantes Kp, Ti y Td se ajustan mediante las resistencias VR3, R17 y R18 respectivamente. La implementación presentada no resulta óptima en cuanto al número de amplificadores operacionales utilizados; sin embargo, tiene la ventaja de separa claramente cada una de las funciones del controlador, por lo cual es más fácil de entender su funcionamiento y más fácil decorregir cualquier desperfecto. Por ejemplo, si se desconecta la retroalimentación y se aplica como señal de referencia una señal cuadrada de un generador de funciones, se puede observar en un osciloscopio la señal de salida de cada una de las etapas, y en especial del integrador y el derivador.
Etapa de potencia y aislamiento.
En la figura 5 se puede observar el diagrama de bloques de la etapa...