Reporte de la primera práctica realizada para la materia de Temas Selectos de Automatización de la Licenciatura en Ingeniería en Mecatrónica de la Benemérita Universidad Autónoma de Puebla en el periodo de Primavera 2017, en la cual se implementó un control analógico de temperatura.

1. BENEMÉRITA UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE PUEBLA
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA ELECTRÓNICA
Temas Selectos de Automatización
Primavera 2017
PRÁCTICA 1
Control Analógico en Lazo Cerrado de Temperatura
Dr. Sergio Vergara Limón
Karla Carballo Valderrábano
Matrícula: 201138918
21 de Febrero de 2017

2. Control de Temperatura Analógico en Lazo Cerrado 21 de Febrero de 2017
Control Analógico en Lazo Cerrado de Temperatura
1. Objetivo
Verificar el funcionamiento de un sistema de lazo de control cerrado.
2. Antecedentes
Un sistema de control de lazo cerrado (figura 1) es aquel que en presencia de perturbaciones tiende
a reducir la diferencia entre la salida de un sistema y alguna entrada de referencia. Esto se logra
manipulando alguna variable de entrada del sistema, siendo la magnitud de dicha variable de
entrada función de la diferencia entre la variable de referencia y la salida del sistema.
Figura 1 Diagrama a bloques de un sistema de control de lazo cerrado
El control en lazo cerrado se caracteriza porque existe una realimentación a través de sensores desde
el proceso hacia el sistema de control, que permite a éste último conocer si las acciones ordenadas
a los actuadores se han realizado correctamente sobre el proceso.
El motivo de utilizar realimentación es para reducir el error entre la entrada de referencia y la
salida del sistema, sin embargo, ésta también tiene efectos en características del desempeño del
sistema como:
 Incrementar la ganancia del sistema en un intervalo de frecuencia pero reducirla en
otro (recordando que la ganancia es función de la frecuencia).
 Mejorar la estabilidad o dañarla si no se aplica adecuadamente.
 Reducir los efectos del ruido y las perturbaciones en el desempeño del sistema.
Control Proporcional
Se dice que un control es de tipo proporcional cuando la salida del controlador v(t ) es proporcional
al error e(t ):
𝑣( 𝑡) = 𝐾𝑝 𝑒(𝑡)
que es su equivalente en el dominio s:
𝐺𝑐( 𝑠) =
𝑉(𝑠)
𝐸(𝑠)
= 𝐾𝑝
Puesto que la ganancia Kp del controlador es proporcional, ésta puede ajustarse. En general, para
pequeñas variaciones de ganancia, aunque se logra un comportamiento aceptable en régimen
transitorio, la respuesta de estado estable lleva implícita una magnitud elevada de error. Al tratar
de corregir este problema, los incrementos de ganancia mejorarán las características de respuesta
de estado estable en detrimento de la respuesta transitoria.

3. Control de Temperatura Analógico en Lazo Cerrado 21 de Febrero de 2017
3. Descripción
Con el fin de cumplir el objetivo de esta práctica se propuso implementar un sistema analógico de
control de la temperatura de un foco de 75 Watts, el cual se fue diseñando durante la clase de
Temas Selectos de Automatización, basándose en el diagrama a bloques mostrado anteriormente
en la figura 1, lo cual será explicado en los siguientes párrafos.
3.1 Transductor
El primer elemento a considerar fue el transductor, cuya tarea es convertir la variable física actual
(en este caso la temperatura en °C del foco) a un valor que pueda ser utilizado por el controlador
(un voltaje que mantenga una relación con la temperatura del foco, es decir el valor de la variable
física actual). Como transductor se propuso al sensor de temperatura LM35, el cual proporciona
10mV por °C de temperatura. De acuerdo con la hoja de datos del componente, este sensor puede
ser alimentado desde 4V hasta 20Vpara que pueda detectar temperaturas de entre 2°C a 150°C
como se muestra en la figura 2.
Figura 2 Disposición de un sensor básico de temperatura usando un LM35
Por lo tanto la relación entre el valor de la temperatura actual y el valor de la misma proporcionado
al punto suma es:
𝑉𝑉𝐹 𝐴 = (10 𝑚𝑉 °𝐶⁄ )( 𝑉𝐹)
3.2 Valor deseadode la Variable Física Deseada
En el sistema a implementar es necesario que el usuario introduzca una entrada que indique una
referencia, es decir, que proporcione el valor de la variable física deseado (en este caso la
temperatura). Para cumplir lo anterior se pensó en aplicar un voltaje de 5 V a un trimpot de 50 KΩ,
como se indica en la figura 3. Se optó por un trimpot debido a su sensibilidad, esto recordando la
razón de cambio del transductor descrito anteriormente.
Figura 3 Configuración para introducir el valor deseado de la variable física
De esto se tiene que el valor de la variable física deseada estará definido de la siguiente manera:
𝑉𝑉𝐹𝐷 = (5𝑉)(
𝑅1
50𝐾Ω
)

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3.3 Punto Suma y Controlador
El controlador del tipo proporcional junto con el punto suma fue propuesto mediante un arreglo de
amplificadores operacionales (figura 4), el cual está compuesto por un seguidor de voltaje para el
voltaje de la variable física deseada; un amplificador inversor con ganancia unitaria, para
multiplicar por -1 al valor de la variable física actual y así realizar una realimentación negativa (los
valores de las resistencias R2 y R3 son los mismos); y un sumador inversor con ganancia variable,
para realizar la resta de los dos valores deseado y actual de la variable física, y al mismo tiempo
realizar el control proporcional al multiplicar el error por un valor K, definido por la relación del
valor del potenciómetro y las resistencias R4 y R5(las cuales también tienen el mismo valor entre
sí).
Figura 4 Configuración para el punto suma y el controlador
De esta manera las expresiones del error y la señal obtenida del controlador son:
𝜀 = −(𝑉𝑣𝑓𝑑 − 𝑉𝑣𝑓𝑎)
𝑓( 𝜀) = 𝑘 𝑝 𝜀 =
𝑅6
𝑅4
𝜀 = −
𝑅6
𝑅4
(𝑉𝑣𝑓𝑑 − 𝑉𝑣𝑓𝑎)
Con:
𝑅2 = 𝑅3
𝑅4 = 𝑅5
3.4 Planta
El último elemento a analizar fue la planta, esta no solo consiste en el sistema a controlar, es decir,
el foco (se propuso usar grasa de silicón para lograr un equilibrio térmico entre el foco y el sensor),
sino que integra a la adaptación de la señal de control para que ésta influya en el anteriormente
mencionado. Para esto se propuso utilizar un Opto-TRIAC que activara a su vez a un TRIAC
teniendo una carga inductiva (foco).
Empezando por el Opto-TRIAC se decidió por el MOC3031, debido a que este cuenta con la
función de detección de cruce por cero, lo que ayuda a proteger al TRIAC de algún encendido
accidental al final de cada medio ciclo de la corriente en el circuito principal (generado por un
desfase entre la tensión y la corriente causado por cargas reactivas), que provoque un salto de voltaje
(afectando al dv/dt) lo que puede dañar al mismo; gracias a esta función del OptoTRIAC, éste se
accionará únicamente en el cruce por cero y luego se apagará, con lo que se soluciona el problema
mencionado. Habiéndolo escogido, se buscó en su hoja de datos la configuración del mismo para

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cargas inductivas, la cual se muestra en la figura 5. En esta el valor de R10 depende de la cantidad
de corriente que necesita el led del Opto-TRIAC para funcionar (según la hoja de datos es de 15mA)
y de su voltaje de encendido (según la hoja de datos comúnmente es de 1.25V, pero que será medido
experimentalmente). Por lo tanto el valor de esta resistencia está definido como:
𝑅10 =
𝑉𝐶𝐷
15𝑚𝐴
De acuerdo a la hoja de datos los valores propuestos para los demás componentes de este circuito
son:
𝑅11 = 180ΩΩ
𝑅11 = 1𝐾Ω
𝐶1 = 0.1𝜇𝐹
Figura 5 Configuración de MOC3031 para activar TRIAC's teniendo una carga inductiva
Para terminar de proteger al TRIAC contra sobretensiones se propuso agregar al circuito anterior
un circuito de protección Snubber (figura 6), el cual para cargas inductivas consta de un circuito
RL conectado entre las terminales MT1y MT2 del TRIAC. Este circuito evita los encendidos
accidentales (explicado anteriormente) y de encendidos prematuros, causados por picos de voltaje
en la alimentación principal.
Figura 6 Configuración de MOC3031 para activar TRIAC's teniendo una carga inductiva con protección Snubble
Como se mencionó anteriormente el Opto-TRIAC necesita de un voltaje para comenzar a funcionar
(el cual será medido experimentalmente). Para suministrar este último y no afectar a la señal de
control se propuso añadir un sumador inversor (figura 7) entre el punto suma y controlador descrito

6. Control de Temperatura Analógico en Lazo Cerrado 21 de Febrero de 2017
anteriormente y la planta, en el cual de acuerdo a la relación entre las resistencias conferirían a la
señal de control el voltaje de encendido y multiplicará por -1 a estos mismos.
Figura 7 Sumador inversor para añadir el voltaje de encendido del Opto-TRIAC a la señal de control
3.5 Sistema de Control Analógico
Tomando como base lo explicado anteriormente se propuso como valor para las siguientes resistencias del
sistema de control 1KΩ:
𝑅2 = 𝑅3 = 𝑅4 = 𝑅5 = 𝑅7 = 𝑅9 = 1𝐾Ω
Al medir el voltaje de encendido del MOC3031 se obtuvo:
𝑉𝐶𝐷 = 1.15𝑉
Por lo tanto:
𝑅8 = 𝑅9
𝑉𝐶𝐷
𝑉𝑠𝑠
= (1 𝐾Ω)
1.15 𝑉
14 𝑉
= 12 𝐾Ω
y:
𝑅10 =
𝑉𝐶𝐷
15𝑚𝐴
=
1.15𝑉
15𝑚𝐴
= 76Ω
Para finalizar se propusieron como valores de la red de protección del TRIAC los siguientes:
𝑅13 = 47Ω
𝐶2 = 0.1𝜇𝐹
La figura 8 muestra eldiagrama esquemático completo del sistema de control en lazo cerradode temperatura
de un foco.
Figura 8 Sistema de Control Analógico de Lazo Cerrado, sin incluir LM35

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3.6 Resultados esperados
Al implementar un sistema de control proporcional, se espera lograr llegar a una respuesta del
mismo que tenga cierto equilibrio entre el sobreimpulso de la respuesta, su error en estado estable
y su tiempo de respuesta, sabiendo que al aplicar una ganancia muy pequeña el sistema será lento
pero con un sobreimpulso menor al que existirá al tener una ganancia alta. Para lograr esto se
realizará un sondeo para obtener el valor de la ganancia adecuada, variando el potenciómetro de
ganancia. Una vez que se halle al mismo, se quiere que el sistema sea robusto ante cualquier
perturbación externa.
4. Materiales
 1 sensor de temperatura LM35
 1 regulador de voltaje 7805
 4 Amplificadores Operacionales
TL081CN
 1 Optotriac MOC3031
 1 Triac BTA12
 1 foco de 75 Watts
 1 trimpot de 50KΩ
 6 resistencias de 1KΩ
 1 resistencia de 56KΩ (ganancia de
control)
 1 resistencia de 22KΩ (ganancia de
control)
 1 resistencia de 12KΩ
 2 resistencias de 33Ω
 1 resistencia de 180Ω
 1 resistencia de 47Ω a 5 Watts
 1 resistencia de 1KΩ a 5 Watts
 2 capacitores de 0.1µF a 250V
 1 arduino UNO
 Cinta de aislar
 Grasa de silicón (disipadora de calor)
 1 enchufe para contacto de 127V
5. Equipo
 2 multímetros
 1 fuente de computadora (fuente de voltaje simétrica)
 Caimanes (incluyendo algunos de potencia)
 Protoboard
 Cable para protoboard
 Cable calibre 14.
 1 banco de terminales
 1 computadora con Labview 2014 y su extensión LINX MakerHub instalados.
6. Procedimiento
6.1 Modo de conexiones
En esta práctica se debe tener cuidado puesto que se está trabajando al mismo tiempo con la señal
eléctrica analógica de la línea de la compañía de luz y la señal de baja potencia de los circuitos de
control y del sensor. Para esto se recomienda separar los circuitos de baja y alta potencia, el primero
se puede implementar en un protoboard (figura 9), incluyendo las alimentaciones provenientes de
la fuente de voltaje simétrica, de la cual, mediante el regulador de voltaje 7805 se obtendrá el voltaje
de 5V para alimentar al sensor y a la señal de referencia, junto a esto estarán conectados los
amplificadores operacionales que conforman al punto suma y el controlador, así como el Opto-
TRIAC.

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Figura 9 Sensor, regulador de voltaje, punto suma, controlador, Opto-Triac y Triac en protoboard
Para hacer las conexiones de los elementos que van unidos a la toma de corriente de la comisión,
se necesita utilizar un banco de terminales, el cual admite una corriente de hasta 10 A, además de
construir o comprar caimanes con cable de un calibre más grueso. En la figura 10 se muestra la
conexión del foco, con su socket que va unido a las resistencias de 5 Watts de potencia y al cable
de alimentación, al igual el circuito snubber.
Figura 10 Circuito de mayor consumo de potencia conectado sobre un banco de terminales
Otro aspecto importante es que el foco y el sensor de temperatura deben estar muy bien acoplados
térmicamente para conseguir los resultados esperados, por esto es necesario aplicar un poco de
grasa de silicón entre ellos y asegurar el sensor al foco por medio de cinta de aislar como se muestra
en la figura 11.
Figura 11 Acoplamiento térmico entre el sensor de temperatura y el foco

9. Control de Temperatura Analógico en Lazo Cerrado 21 de Febrero de 2017
6.2 Mediciones
Para verificar el funcionamiento del sistema de control se deben monitorear la señal de salida del
mismo, en este caso será la señal emitida por el sensor y el voltaje de referencia (proporcionado por
el potenciómetro ubicado a la entrada del sistema de control), cada una de ellas con un multímetro.
Además de esto se propuso obtener estos datos por medio del software Labview, su extensión LINX
MakerHub y una tarjeta de desarrollo Arduino UNO, desarrollando un programa en el cual se
indican los puertos de la tarjeta en el que se conectarán las dos señales de la temperatura deseada y
la real, las obtiene, muestra los valores de las mismas en una gráfica y un cuadro de texto y además
las almacena para su posterior análisis. En las figuras 12 y 13 se muestran el panel frontal y el
diagrama a bloques de dicho programa.
Figura 12 Panel Frontal del programa realizado en LabView para monitorear al sistema
Figura 13 Diagrama a bloques del programa realizado en LabView para monitorear al sistema

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7. Resultados experimentales
Antes de utilizar los valores propuestos en esta práctica para la red snubber (una resistencia de 47Ω
y un capacitor 0.1µF), se había probado con una resistencia de de 4.7Ω y un capacitor 10µF, con
los cuales el foco se mantenía encendido siempre, primeramente se decidió cambiar el valor de
temperatura por el propuesto y mantener el capacitor, sin embargo esto provocaba un calentamiento
de la resistencia, por lo se decidió cambiar éste también por el propuesto, con el que se realizaba el
control de la temperatura sin ningún calentamiento en la resistencia.
Una vez que se tuvo al sistema con los valores correctos para la red snubber, se procedió a analizar
la señal de respuesta del mismo con diferentes valores de ganancia:
 El primer valor usado fue un valor de ganancia de 2, posicionando al potenciómetro
de ganancia en 2 KΩ, sin embargo los resultados de este intento no fueron exitosos,
pues en este caso el voltaje de control no alcanzaba a encender al foco.
 El siguiente valor utilizado fue una ganancia de 10 (potenciómetro en 10 KΩ), en
este caso se lograba controlar al sistema con gran exactitud, variando tan solo por
una décima de grado centígrado de temperatura, sin embargo, en presencia de
perturbaciones (se soplaba al foco) el sistema no era lo suficientemente robusto para
mantener la temperatura deseada, bajando su temperatura hasta 3°C.
 El tercer valor fue de 56 (potenciómetro en 56 KΩ), este valor de dio robustez al
sistema, no se veía afectado por perturbaciones externas pero quedaba muy por
debajo de la temperatura deseada (hasta 1°C) además de que era muy lento para
llegar al valor deseado.
 El cuarto y último valor fue de 78 (potenciómetro en 78 KΩ), con este valor no solo
era robusto, sino que era más rápido, con un sobreimpulso de 0.4°C y con una
variación de alrededor de 0.2°C alrededor de la temperatura deseada.
Debido a los resultados explicados anteriormente, se optó por dejar el circuito con una ganancia de
78. Una vez obtenido esto, se observó el cambio de la intensidad del foco durante el proceso de
control, éste iniciaba con la máxima intensidad cuando se encontraba muy lejos de la temperatura
deseada, y una vez que pasaba la misma, el foco empezaba a parpadear bajando su intensidad
gradualmente hasta intentar estabilizar la temperatura, teniendo una pequeña oscilación de 0.1 a
0.2°C, en las figura 14 se muestran imágenes del sistema con una temperatura deseada de 60.5°C,
en la figura 14 a) el foco en su máxima intensidad al estar a 43°C, la b) el foco está apagado en un
valor de 60.8°C, la c) muestra al foco con el filamento ligeramente encendido a una temperatura de
60.7°C, la d) se ve el filamento un poco más iluminado también con una temperatura de 60.7°C y
en la e) se ve el foco más iluminado pero no en su máxima intensidad a 60.6°C.

11. Control de Temperatura Analógico en Lazo Cerrado 21 de Febrero de 2017
a) b)
c) d)
e)
Figura 14 Sistema de control de temperatura con una temperatura deseada de 60.5°C y una temperatura actual de a)
43°C, b) 60.8°C, c) 60.7°C, d) 60.7°C, e) 60.6°C
Finalmente en la figura 19 se observan la temperatura deseada y la real, naranja y azul
respectivamente, del sistema buscando establecer primero una temperatura deseada de 35°C y
posteriormente alrededor de 43°C.

12. Control de Temperatura Analógico en Lazo Cerrado 21 de Febrero de 2017
Figura 15 Temperaturas real (azul) y deseada (naranja) del sistema de control de temperatura analógico en lazo cerrado
8. Conclusiones
Con esta práctica se pudo constatar que a pesar de que este sistema sea sencillo en cierto grado,
conlleva un repaso y/o aprendizaje de varios temas. Como conclusión se puede decir que el sistema
logró la respuesta esperada, pues logró tener un equilibrio entre un sobreimpulso, un error de
alrededor de 0.2°C y un tiempo de respuesta relativamente pequeño, dado que a pesar de que se
trata de un sistema térmico, en el cual la transmisión de energía calorífica es lenta, se mostraba un
comportamiento aceptable del mismo sistema. Además se comprobó que si la ganancia del sistema
de control fuera más pequeña, el sistema sería más lento, como se vio en los resultados, y en caso
de que fuera más grande, esta sería más rápida pero con un sobreimpulso mayor, por lo que se debe
sacrificar un poco el sobreimpulso por un tiempo de respuesta menor y viceversa. También se
comprobó que si la ganancia de control es muy pequeña, el sistema pierde sensibilidad, es decir,
ante ciertas diferencias entre las temperaturas actual y deseada el foco no presenta cambios, esto
debe ser considerado al momento de diseñar el control, pues se debe tomar en cuenta que los
cambios grados de temperatura se presentan tan sólo en milivolts para el sistema de control.
Otro aspecto que llamó la atención de esta práctica fue la importancia de la correcta selección de
los valores de la red Snubber, pues como se vio en los resultados obtenidos, esto puede conducir a
que el sistema no funcione como se espera, ya sea que la temperatura no sea controlada, o se tenga
un calentamiento no deseado de los demás componentes electrónicos.
Con todo lo anterior, se puede decir que la práctica fue realizada con éxito.