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UNIDADES TECNOLÓGICAS DE SANTANDER. CARREÑO BORRERO HÉCTOR FABIÁN. CONTROL PID DE UN 1 SISTEMA DE INYECCIÓN DE DIÓXIDO DE CARBONO PARA EL ENRIQUECIMIENTO CLIMATOLÓGICO DE UN INVERNADERO.

Control PID de un sistema de inyección de dióxido de carbono para el enriquecimiento climatológico de un invernadero Carreño Borrero, Héctor Fabián. Facultad de Ciencias Naturales e Ingeniería Tecnología en Electrónica Unidades Tecnológicas de Santander 2017 

Resumen—El enriquecimiento del clima al interior de un invernadero es fundamental para la producción de flora y frutos de esta. A pesar que en Colombia existen invernaderos con características de control de clima es importante resaltar que la inyección de CO2 es una novedad en nuestro país. El control que se desarrollará en éste artículo está enfocado en administrar dicho gas al interior de un prototipo de invernadero aumentando las posibilidades de producción de vegetales, flores, plántulas y demás especies de flora. La estrategia de control seleccionada es la aplicación de un controlador PID (Proporcional, integral y derivativo) que proporcione un clima con CO2 estable facilitando a las plantas objeto del cultivo realizar su proceso natural de fotosíntesis de manera más eficiente. Para el diseño del controlador se empleó herramientas de análisis matemático y simulaciones al igual que se desarrolló un código de computadora que ejercerá el control desde un microcontrolador de 32 bits como es el Particle Photon. Los actuadores y sensores dispuestos para la regulación del gas serán controlados de manera que minimice el error entre el senso de CO2 y el valor de referencia deseado para el tipo de cultivo. Este controlador es un avance para el desarrollo futuro de equipos que estarán a disposición de los medianos y pequeños agricultores optimizando los procesos de cultivo generando beneficios para sus familias y la sociedad Colombiana.

Índice de Términos— PID, Controlador, Sintonización, CO2, Actuadores, Automatizar.

I. INTRODUCCIÓN El proyecto desarrollado y descrito en este artículo está argumentado en la necesidad de generar un control proporcional, integral y derivativo para la variable Dióxido de Carbono en un invernadero. Los fundamentos teóricos son base primordial para el correcto diseño y de los resultados esperados, para ello fue necesario recurrir a textos especializados en el diseño de control y automatización de autores

como Katsuhiko Ogata [1] así como textos investigativos subidos por la IEEE [2]. También cabe destacar que debido a que el enfoque del proyecto está inclinando hacía la agricultura y la tecnificación de ésta, se indago fabricantes, distribuidores e instaladores de invernaderos a nivel internacional como es el caso de Novedades Agrícolas S.A de España y los fabricantes APR Greenhouse & Technology [3]. El método escogido para el proyecto basado en los textos e indagaciones realizadas, es un sistema de regulación de la inyección de CO2 al interior del invernadero por medio de una válvula proporcional dependiente de la lectura de un microcontrolador ejercida sobre un sensor de gas que junto a otros actuadores busca optimizar los procesos de las plantas en invernadero. El diseño para el prototipo de invernadero seleccionado es el tipo túnel [3] pues cuenta con varias ventajas a la hora de manipular las diferentes variables presentes en el ambiente idóneo para los cultivos y el enriquecimiento con dióxido de carbono no está exento de ello. La descripción del diseño y ensamble, pruebas y resultados están aquí consignados como parte de desarrollo del proyecto de investigación y desarrollo tecnológico para la carrera en el ciclo propedéutico de la tecnología en electrónica de la institución Unidades Tecnológicas de Santander. Cada aspecto considerado busca aportar a la tecnificación del campo para mejorar las condiciones de producción de los pequeños agricultores de la región y de Colombia, así como ser parte de la formación profesional del autor del proyecto.

PROYECTO DE INVESTIGACIÓN, DESARROLLO TECNOLÓGICO Y PRÁCTICA


UNIDADES TECNOLÓGICAS DE SANTANDER. CARREÑO BORRERO HÉCTOR FABIÁN. CONTROL PID DE UN 2 SISTEMA DE INYECCIÓN DE DIÓXIDO DE CARBONO PARA EL ENRIQUECIMIENTO CLIMATOLÓGICO DE UN INVERNADERO. II. DESARROLLO DEL PROTOTIPO

A. Elaboración del prototipo El prototipo está construido a escala de un invernadero tipo túnel debido a que proporciona beneficios [3] tales como:      

  

Se trata de un tipo de invernadero barato y de sencillo montaje. Ofrecen una mejor capacidad de control del clima que el invernadero plano. Permite la instalación de sistemas de climatización. Mayor capacidad de estanqueidad que el invernadero plano. Buen reparto de la luminosidad en el interior del invernadero. Reduce considerablemente el problema de la condensación y el goteo del agua en los cultivos debido a la cubierta curva, la cual favorece la evacuación hacia las paredes del agua proveniente de la condensación en la cubierta plástica. Permite la instalación de ventanas cenitales y laterales. Facilita las operaciones agrícolas con maquinaria. Montaje rápido y sin soldaduras.

Fig 2. Gas Licuado Presurizado

C. Diseño de Hardware Los elementos como sensores, actuadores, circuitos de control (Microcontrolador) y de potencia que fueron empleados fueron: Sensores: Han sido empleados dos sensores del tipo electroquímicos que envían una señal análoga que transmite la cantidad de CO2 que está presente en un radio de alcance. El sensor MG811 [4]está al interior del invernadero puesto que sus características de fabricación permiten una mayor fidelidad del senso, por otra parte el sensor MQ135 [5] está instalado al exterior del prototipo con la finalidad de sensar la cantidad de CO2 que existe en el ambiente sin enriquecimiento con el gas. (a)

(b)

Fig 1. Prototipo invernadero tipo túnel.

El prototipo fue elaborado en material de construcción liviana conocida como estructura para Drywall usado generalmente para la elaboración de cielos falsos en viviendas y oficinas por su bajo costo y fácil instalación. B. Suministro de CO2 El suministro de CO2 para enriquecer el clima del invernadero es el gas licuado presurizado en un tanque de acero y un regulador de presión que permitiera un flujo constante de gas al interior del prototipo.

Fig 3. MQ135 (a), MG811 (b)

Válvula motorizada: La válvula motorizada de la marca US Solid está destinada a la regulación del flujo del gas. Para esto se modificó el dispositivo integrándole al interior un potenciómetro lineal de 100 K Ohm de manera que a partir de un divisor de voltaje se pueda identificar el ángulo de apertura actual de la válvula.

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de acoplamiento, carga y conexiones como son resistencias eléctricas, condensadores, borneras, bases integrados, pass cord, cable UTP, tarjeta PCB, etc.

Fig 4. Modificación de la válvula motorizada US Solid

Extractor de aire: Es un ventilador a 12 VDC [6] usado generalmente como extractor de calor en computadoras de escritorio ordinarias. Este dispositivo ayudará a extraer el CO2 cuando así el controlador lo requiera. Válvula solenoide: El dispositivo a 12 VDC [6] será encargado de dosificar la mezcla química de bicarbonato de sodio y ácido cítrico. Fuente de poder: Será la encargada de alimentar todo el circuito. Es un dispositivo usualmente encontrado como fuente switchada de computadoras de escritorio donde se usarán para el proyecto sus voltajes de salida de 12 VDC y 5 VDC [6] Circuitos integrados: Para el diseño del circuito de control y potencia se emplean dos integrados muy conocidos en el mercado [6] el L239D (driver motores DC) y el LM371 (Regulador de voltaje).

Fig 5. LM317 y L239D

Microcontrolador: Es un módulo desarrollado por el fabricante Particle donde emplea un microcontrolador [7] STM32F205 120Mhz ARM Cortex M3 y chip Wi-Fi Cypress BCM43362.

D. Montaje final del prototipo y equipo de control El montaje final se elaboró para dar una apariencia de equipo de fabricación, donde la comunicación Equipo-Invernadero se establece a través de conexión con Pass Cord y conectores RJ45 facilitando el transporte de la unidad de control y el prototipo por separado.

Fig 7. Presentación del prototipo y consola de control

III. PROCESOS DEL AUTOMATISMO El proceso de control inicia cuando se desea un valor de referencia de CO2 al interior del invernadero, es entonces donde el sensor MG811 mide la cantidad de ppm (partes por millón) que hay presentes en el ambiente del prototipo. Una vez el controlador obtiene el valor de concentración debe establecer un error entre el valor deseado y el real de tal forma que ejecute una acción sea de la válvula motorizada o el extractor de aire. Cuando el CO2 sea mayor a la concentración deseada la válvula motorizada debe cerrarse completamente, es decir, a 0°. Por otra parte cuando el gas presente en la lectura del sensor sea menor a la concentración deseada el extractor debe estar inhabilitado y la válvula motorizada debe abrirse hasta un máximo de 10° dependiendo de la acción de control que se requiera para estabilizar el sistema interno del invernadero.

Fig 6. Particle Photon Series

Otros componentes: Los demás componentes son

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Fig 10. Relación Voltaje vs Ángulo

Fig 8. Funcionamiento del prototipo y unidad de control

IV. CONTROL Para el control es necesario diseñar dos controladores PID en cascada [8], uno destinado a controlar la posición de la válvula motorizada y el otro a controlar la inyección de CO2 al invernadero siendo este último quien modifica el valor de referencia de apertura de la válvula según la cantidad de gas requerida para estabilizar el sistema en un punto deseado.

Y  58.072  X  7 4

(1)

Identificación de la planta La identificación de la planta y su función de transferencia se estableció con la ayuda de la aplicación de MATLAB System Identification donde a partir de la lectura de sensor en lazo abierto del sistema se obtuvo la función de transferencia más cercana a la respuesta del mismo.

A. Control PID de la válvula motorizada Para el sistema de apertura de la válvula el autor generó un sistema de control proporcional, integral y derivativo (PID) donde se manipule el grado de apertura de la válvula motorizada. La válvula por medio de este control trabajará con un mínimo grado de apertura de 0° y uno máximo de 90°.

Fig 11. Planta identificada para la válvula motorizada

Fig 9. Ángulo de apertura de la válvula motorizada

Para la lectura de este sensor fue necesario relacionar el voltaje presente en el divisor de voltaje del potenciómetro con el ángulo de apertura mínimo (0°) y el máximo (90°).

La función de transferencia equivalente para esta identificación de la planta de la válvula motorizada es: 12.7 G ( s)  (2) s (3.3825 s  1) Esta función se obtuvo como respuesta a la acción de una señal escalón de magnitud 3.3 voltios que es el máximo voltaje que emite el microcontrolador Particle Photon al driver del motor de la válvula. El tiempo de muestreo es de 0.2 segundos para la señal obtenida del sensor agregando un integrador a la función de transferencia para aproximar el modelo matemático a la respuesta real del sistema al impulso .

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Sintonización del controlador PID de la válvula motorizada Con la ayuda de MATLAB y la Control System Toolbox para el análisis y sintonía del control que se ejerce sobre la planta de la válvula anteriormente expuesta en la ecuación (2) se determina el valor para las constantes proporcional, integral y derivativa que tendrán una respuesta dependiente del SetPoint o valor de referencia deseado, es decir, el ángulo de apertura que debe tener la válvula.

Fig 12. Diagrama de bloques de la Toolbox

Donde los valores de las constantes son:

Kp  0.93 Ki  0.0824

(3)

Kd  2.67 Respuestas a la sintonía Simulación En la Control System Toolbox de Matlab y simulink se simuló la respuesta al sistema con la sintonización. La respuesta a un ángulo de referencial de 10 grados fue la siguiente:

Fig 14. Respuesta experimental a la sintonía de la válvula

B. Control PID del sistema de inyección de CO2 El controlar la inyección de dióxido de carbono al interior del prototipo de invernadero es el principal objetivo de este proyecto. Por medio de la hoja de características de los sensores dadas por los fabricantes se determinó las ecuaciones respectivas para la lectura de la concentración del gas, donde dichas lecturas posteriormente serán objeto del control para lograr estabilizar el sistema. Para el control se modelo matemáticamente el sistema con la finalidad de crear el control PID sintonizado a partir de las herramientas de Matlab. El objetivo es estabilizar el sistema hacía el valor de referencia y que el ambiente al interior del invernadero se mantenga enriquecido de CO2. MQ135 Sensor

Fig 13. Respuesta simulada a la sintonía de la válvula

Experimental Una vez realizada la simulación se obtuvo la siguiente respuesta experimental del sistema unos valores de referencia de 10, 20, 30 y 90 grados progresivamente. Fig 15. Sensibilidad del sensor MQ135 [5]

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Se puede obtener a partir de la gráfica del fabricante la ecuación que representa el gráfico de concentración así: Y  118  X 2.909

(4)

MG811 Sensor

Fig 18. Planta equivalente a la función de transferencia (6)

Fig 16. Sensibilidad del sensor MG811 [4]

La sintonización usando la Control System Toolbox de Matlab a partir de la planta del sistema se obtiene los valores de Kp, Ki y Kd correspondientes para obtener la acción de control sobre los Actuadores. El diagrama de bloques para la simulación del sistema usado en Simulink de Matlab es el siguiente:

Se puede obtener a partir de la gráfica del fabricante la ecuación que representa el gráfico de concentración así: (5) Y  1.75314  10 44  X 16.6009 Identificación de la planta La identificación de la planta fue obtenida a través de la aplicación identificación de sistema y PID Tunner de Matlab. Donde se obtuvo una señal que representa las partes por millón presentes al interior del invernadero en un determinado tiempo hasta llegar a un punto de estabilidad o máxima concentración.

Fig 19. Diagrama de bloques en Simulink para control PID de inyección de CO2

La sintonización para el controlador es la siguiente:

Kp  0.2258 Ki  0.01767

(7)

Kd  0.0285 Respuesta a la sintonía Simulación De acuerdo con la sintonización en la ecuación (7) y mediante Simulink y sus diagramas de bloques se obtuvo la siguiente respuesta simulada:

Fig 17. Identificación de la planta a lazo abierto

Donde cuya función de transferencia está dada por: G ( s) 

719 .3 212 .8s  1

(6)

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Fig 20. Respuesta simulada en Simulink


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Experimental La respuesta experimental se obtuvo luego de programar el microcontrolador con los parámetros de sintonización.

Fig 22. Respuesta experimental del Control PID con sintonización fina Fig 21. Respuesta experimental a la sintonización del PID para inyección de CO2

Se puede concluir las siguientes características del gráfico anterior: Tabla 1. Características experimental Constantes controlador PID

Kp 0.2258

Sobrepaso

gráfico

Sobrepaso máximo al cabo de 3000 décimas segundo

de

respuesta

Tabla 2. Características de la respuesta del control PID con sintonización fina Constantes controlador PID

Set point (ppm)

Sobrepaso

Retardo de accionamiento (décimas segundo)

de 800

37.5%

Sobrepaso máximo al cabo de 3000 décimas de segundos

Retardo de accionamiento

7.2%

100

(Décimas de segundos)

=

Ki = 0.01767 Kd 0.0285

Set point (ppm)

del

Una vez realizada la sintonía fina y ejecutada de manera experimental se obtienen estos resultados:

800

40%

12.5%

500

=

Sintonía fina Partiendo de la anterior sintonización se realizó una sintonía fina con el propósito de mejorar la acción de control y reducir el rizado de la señal. La sintonía fina consiste en ir aumentando los valores de las constantes en pequeñas proporciones dependiendo de la respuesta que se vaya obteniendo hasta llegar a la más estable y óptima para el control. La sintonía fina luego de varias pruebas quedó con los siguientes parámetros de control: Kp  0.24

Ki  0.02

(8)

Kd  0.03 Donde la respuesta experimental a la sintonía fue:

V. CONCLUSIONES Para el control PID de CO2 se contó inicialmente con una válvula motorizada que no tenía un sensor de posición, así que la solución fue la adaptación de un potenciómetro lineal que proporcionara mediante divisor de voltaje dicha información al controlador para que éste la escalara a un valor angular. Posteriormente se realizó el diseño de un control PID independiente que manipulara el grado de apertura de la válvula. Este control quedó en cascada con el PID general de inyección de CO2 donde es quien envía el ángulo al segundo control para lograr la apertura necesaria para la inyección del gas al prototipo. Las simulaciones realizadas mediante Simulink de MATLAB permitieron observar el posible funcionamiento de las sintonías del controlador PID

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y posteriormente compararse con las respuestas experimentales, las cuales demostraron ser más rápidas que las simuladas aunque manteniendo la forma de control. Aun siendo sintonizado el controlador por medio de la Control System toolbox de MATLAB fue necesario hacer una sintonización fina para mejorar el desempeño del controlador y bajar los sobrepasos que se obtuvieron en la sintonía inicialmente. VI. BIBLIOGRAFÍA [1] [2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8] [9]

K. Ogata, Ingeniería de Control Moderna Tercera edición, México: Prentice-Hall, 1998. H. R. A. Ali Madady, «Stabilization of integral plus dead-time processes by digital PI controller,,» IEEE, 2013. N. Agrícolas, «Novedades Agrícolas,» 2016. [En línea]. Available: http://www.novedadesagricolas.com. D. MG811, «Datasheet MG811,» [En línea]. Available: http://image.dfrobot.com/image/data/SEN0159/CO2 b%20MG811%20datasheet.pdf. D. MQ135, «Datasheet MQ135,» [En línea]. Available: http://www.chinatotal.com/Product/meter/gas-sensor/MQ135.pdf. D. Electrónicas, «MQ135,» [En línea]. Available: http://www.didacticaselectronicas.com/index.php/se nsores/modulo-sensor-de-gas-mq-135-detail. Particle, «Particle Photon Series,» [En línea]. Available: https://www.particle.io/products/hardware/photonwifi-dev-kit. K. Ogata, Sistemas de control en tiempo discreto, 1996. M. G. Cano, CONTROL HIDROPÓNICO, 2013.

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