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Regulación de temperatura por enganche de fase - Universidad ...

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Noviembre <strong>de</strong> 1982Regulación <strong>de</strong> <strong>temperatura</strong> <strong>por</strong> <strong>enganche</strong> <strong>de</strong> <strong>fase</strong>Patricio Val<strong>de</strong>rrama, Jaime Glaría *Departamento <strong>de</strong> Electrónica, <strong>Universidad</strong> Técnica Fe<strong>de</strong>rico Santa María, Casilla 110-V, Valparaíso, Chile_________________________________________________________________________________________________________ResumenEl <strong>enganche</strong> <strong>de</strong> <strong>fase</strong> ha sido usado durante medio siglo en el área <strong>de</strong> las telecomunicaciones. A<strong>de</strong>más, ha sido aplicado durante losúltimos tres lustros en el área <strong>de</strong> los motores eléctricos. Este informe contiene algunos comentarios sobre estas aplicaciones, unasinopsis breve <strong>de</strong> la evolución los reguladores correspondientes <strong>por</strong> la vía digital, y un método <strong>de</strong> análisis para tales reguladores.Pero el <strong>enganche</strong> <strong>de</strong> <strong>fase</strong> tiene horizontes más vastos que los supuestos hasta ahora: cualquier proceso con un sensor que generefrecuencias en vez <strong>de</strong> niveles, pue<strong>de</strong> regularse mediante lazos <strong>de</strong> este tipo. El informe presente también contiene algunos comentariossobre esta ampliación <strong>de</strong> horizontes, un regulador digital que continúa la evolución expuesta anteriormente, y la <strong>de</strong>scripción <strong>de</strong> unaregulación <strong>de</strong> <strong>temperatura</strong> realizada con aquel regulador en un lazo <strong>de</strong> <strong>enganche</strong> <strong>de</strong> <strong>fase</strong>. La regulación realizada sólo es preliminar;sin embargo, resulta precisa y confiable.Palabras claves – Regulación <strong>de</strong> <strong>temperatura</strong>; sensores que generan frecuencias; <strong>enganche</strong> <strong>de</strong> <strong>fase</strong>._________________________________________________________________________________________________________1. EL ENGANCHE DE FASEEn 1932, H. <strong>de</strong> Bellescize propuso un tipo especial <strong>de</strong>recepción para señales <strong>de</strong> radio: la recepción sincrónica; en ellase emplean básicamente un oscilador, un mezclador y unamplificador. Para recibir bien una señal emitida y rechazar lasperturbaciones, es esencial la sincronización <strong>de</strong> la respuesta <strong>de</strong>loscilador con la <strong>por</strong>tadora <strong>de</strong> la señal emitida. No <strong>de</strong>be habererrores <strong>de</strong> frecuencia, y la <strong>de</strong>sviación <strong>de</strong> la <strong>fase</strong> <strong>de</strong>be reducirse auna fracción bastante pequeña <strong>de</strong> un período. Eso se logra <strong>por</strong><strong>enganche</strong> <strong>de</strong> <strong>fase</strong> y fue una <strong>de</strong> las primeras aplicaciones <strong>de</strong>dicho <strong>enganche</strong>; pero, <strong>por</strong> diversos motivos, la recepciónsincrónica no se hizo masiva.En 1943, K. Wendt y G. Fre<strong>de</strong>ndall propusieron una forma <strong>de</strong>controlar el barrido <strong>de</strong> la pantalla en los receptores <strong>de</strong>televisión. En ella, los receptores utilizan osciladores confrecuencias naturales algo inferiores a las requeridas y entradaspara pulsos que fuerzan el re-inicio <strong>de</strong> las oscilaciones. La emisiónincluye pulsos <strong>de</strong>stinados a re-iniciar las oscilacionesprematuramente y <strong>de</strong> acuerdo a las frecuencias requeridas. Paraun barrido a<strong>de</strong>cuado, es esencial la sincronización <strong>de</strong> los pulsosque entran realmente a los osciladores, con los emitidos. Estasincronización se logra <strong>por</strong> <strong>enganche</strong> <strong>de</strong> <strong>fase</strong> y fue la primeraaplicación extensa <strong>de</strong> este <strong>enganche</strong> (Gardner, 1979).Posteriormente ha surgido una serie <strong>de</strong> proposiciones queaplican el <strong>enganche</strong> <strong>de</strong> <strong>fase</strong> en el área <strong>de</strong> las telecomunicaciones(<strong>de</strong> preferencia, para <strong>de</strong>modular señales emitidas con<strong>por</strong>tadoras, y para rastrear señales <strong>de</strong> sincronismo). Muchas <strong>de</strong>estas aplicaciones tienen en común con las dos expuestas, elhecho <strong>de</strong> trabajar mientras las frecuencias <strong>de</strong> referenciapermanecen constantes. Cuando las frecuencias <strong>de</strong> referenciacambian, y en especial si lo hacen bruscamente, se producenproblemas: los lazos pue<strong>de</strong>n ocasionar <strong>de</strong>sviaciones <strong>de</strong> frecuenciaque se hacen permanentes en los osciladores.En 1968, R. Millar propuso una forma <strong>de</strong> regular la velocidad<strong>de</strong> motores rotatorios. En ella se usan codificadores que generanpulsos al girar los motores, en lugar <strong>de</strong> tacómetros que generanniveles. Los motores y los codificadores se com<strong>por</strong>tan enconjunto como osciladores controlables; y la regulación se logra<strong>por</strong> <strong>enganche</strong> <strong>de</strong> <strong>fase</strong>. Pero las frecuencias <strong>de</strong> referencia ya noson constantes y el problema anunciado se hace manifiesto. Dehecho, Millar recurrió explícitamente a un reguladorcomplicado para impedir que el lazo se <strong>enganche</strong> en múltiplos osub-múltiplos <strong>de</strong> la frecuencia <strong>de</strong> referencia (Millar, 1968).2. DETECTORES DE FASEEl tema se entien<strong>de</strong> mejor consi<strong>de</strong>rando que el <strong>enganche</strong> <strong>de</strong><strong>fase</strong> es una regulación <strong>de</strong> <strong>fase</strong> realizada básicamente en un lazoformado <strong>por</strong> tres bloques: un regulador (<strong>de</strong>nominadonormalmente <strong>de</strong>tector <strong>de</strong> <strong>fase</strong>), un filtro y un osciladorcontrolable. Véase la figura 1.Fig. 1: Lazo <strong>de</strong> <strong>enganche</strong> <strong>de</strong> <strong>fase</strong>El <strong>de</strong>tector compara las <strong>fase</strong>s <strong>de</strong> las señales oscilantes, S 1 y S 2 ,y, según la diferencia obtenida, entrega otra señal, x, <strong>de</strong>stinada aalterar la conducta <strong>de</strong>l oscilador <strong>de</strong> manera que dicha diferenciase reduzca. El filtro suaviza la señal entregada <strong>por</strong> el <strong>de</strong>tector,pues suele moverse en forma <strong>de</strong>masiado abrupta, yocasionalmente pro<strong>por</strong>ciona medios para mejorar la dinámica<strong>de</strong>l lazo. El oscilador genera la señal S 2 cuya <strong>fase</strong> se quiereenganchar con la <strong>de</strong> S 1 .Hasta la fecha, se ha usado diversos <strong>de</strong>tectores <strong>de</strong> <strong>fase</strong>.Algunos <strong>de</strong> ellos son: multiplicadores,"ands","flip-flops" SR,Los multiplicadores son los <strong>de</strong>tectores más antiguos.Primitivamente, requieren que S 1 y S 2 sean <strong>de</strong> tipo sinusoidal, yfuncionan según insinúa el análisis siguiente:


() t = K ⋅ S () t ⋅ S () tx12⎛ 2 ⋅π⎞ ⎛ 2 ⋅π⎞= K ⋅V⋅ sin⎜θ1+ ⋅t⎟ ⋅V⋅ sin⎜θ2+ ⋅t⎟⎝ T ⎠ ⎝ T ⎠2K ⋅V⎛⎛ 4 ⋅π⎞⎞= ⋅⎜cos( θ1−θ2) − cos⎜θ1+ θ2+ ⋅ t ⎟⎟2 ⎝⎝ T ⎠⎠(1)Mientras el filtro promedie la señal x, el oscilador recibirá:2K ⋅Vx = ⋅ cos( θ1−θ2)(2)2En consecuencia, pue<strong>de</strong> aceptarse como mo<strong>de</strong>lo <strong>de</strong> unmultiplicador a la ecuación (2).Por supuesto, la ecuación (2) se distorsiona fundamentalmentesi las señales empleadas no son sinusoidales. Este problemapue<strong>de</strong> subsanarse pre-formando esas señales antes <strong>de</strong> quelleguen al <strong>de</strong>tector, para lo cual se las pue<strong>de</strong> cuadrar en primerainstancia y pasar <strong>por</strong> un filtro a<strong>de</strong>cuado enseguida. Pero, si seintenta algo así, vale más omitir el filtro, que entraña problemas<strong>de</strong> sintonía, y quedarse con las puras señales cuadradas.Si se usa multiplicadores con estas señales cuadradas, pue<strong>de</strong>nobservarse dos cosas: primero, que la relación entre θ 1 -θ 2 y u(t)mejora ostensiblemente, perdiendo curvatura; y luego, que seestá incurriendo en un gasto inútil pues, si las señales semueven entre V i y V s , sólo hay 4 productos que hacer: V i ⋅V i ,V i ⋅V s , V s ⋅V i y V s ⋅V s . Cuando V i =0, los "ands" trabajan como losmultiplicadores y cuestan mucho menos.Primitivamente, los "ands" requieren señales S 1 y S 2 <strong>de</strong> tipocuadrado, con ciclos <strong>de</strong> trabajo <strong>de</strong> 50%. Para enten<strong>de</strong>r sufuncionamiento, conviene hacer el análisis que sigue, aunqueMoore (1973) sugirió otro más simple: sea t=0 cuando ocurreuna subida <strong>de</strong> S 1 y t=T 0 cuando ocurre la subida siguiente <strong>de</strong> S 2 .Obviamente:0 ≤ T 0< T(3)La k-ésima subida <strong>de</strong> S 1 ocurrirá cuando:La k-ésima bajada <strong>de</strong> S 1 ocurrirá cuando:t = k ⋅T(4)Tt = k ⋅T+(5)2⎛ T ⎞TT ' = ⎜k⋅T+ ⎟ − ( k ⋅T− T0) = −T(9)0⎝ 2 ⎠2La respuesta <strong>de</strong>l “and” será V s durante, y sólo durante, esoslapsos; <strong>por</strong> consiguiente, su valor medio será:En cambio, si:xT− T2 ⎛ 1 T ⎞(10)T ⎝ 2 T ⎠00= ⋅Vs = ⎜ − ⎟ ⋅V sT2≤ 0T < T(11)aparecerá periódicamente esto: subida <strong>de</strong> S 1 , bajada <strong>de</strong> S 2 ,bajada <strong>de</strong> S 1 , subida <strong>de</strong> S 2 . Ambas señales estarán simultáneamenteen V s sólo entre los dos acontecimientos iniciales;vale <strong>de</strong>cir, en lapsos <strong>de</strong> tiempo que duran:⎛T ⎞TT' = ⎜( k −1)⋅T+ T0+ ⎟ − k ⋅T= T0− (12)⎝2 ⎠2La respuesta <strong>de</strong>l “and” será V s durante, y sólo durante, esoslapsos; <strong>por</strong> consiguiente, su valor medio será:TT0−x =T⎛T⎝ T1 ⎞2 ⎠2 0⋅Vs = ⎜ − ⎟ ⋅V s(13)Si se quiere la relación entre θ 1 -θ 2 y x , hay que consi<strong>de</strong>rartambién la relación entre θ 1 -θ 2 y T 0 /T. Esta es:T0θ1−θ2⎛θ1−θ2⎞= − int⎜⎟ (14)T 2⋅π⎝ 2⋅π⎠don<strong>de</strong> int(a) es la parte entera <strong>de</strong> a, <strong>de</strong>finida <strong>por</strong>:( a) ≤ a ∀areal, int( )enteroa − 1 < inta (15)Combinando las ecuaciones (10), (13) y (14), pue<strong>de</strong> aceptarsecomo mo<strong>de</strong>lo <strong>de</strong> un “and” al gráfico <strong>de</strong> la figura 2.La k-ésima subida <strong>de</strong> S 2 ocurrirá cuando:t = k ⋅T+(6)T 0Y la k-ésima bajada <strong>de</strong> S 2 ocurrirá cuando:Tt = k ⋅T+ T0+(7)2Si:T≤ T


próxima subida <strong>de</strong> S 2 ; fuera <strong>de</strong> esos lapsos será –V s . Por tanto,su valor medio será:Fig. 3: Diagrama <strong>de</strong> estados <strong>de</strong> un “flip-flop” SRPara enten<strong>de</strong>r la conducta <strong>de</strong> los “flip-flops” SR pue<strong>de</strong>emplearse un análisis similar al empleado para los “ands”. Si se<strong>de</strong>fine t=0 y t=T 0 como en esa o<strong>por</strong>tunidad, las ecuaciones (3),(4) y (6) siguen siendo válidas.Los lapsos <strong>de</strong> tiempo entre una subida <strong>de</strong> S 1 y la próximasubida <strong>de</strong> S 2 durarán:T − T0 ⎛ T0⎞x = ⋅ ( −Vs) = ⎜ −1⎟⋅V(18)sT ⎝ T ⎠Combinando las ecuaciones (14), (17) y (18), pue<strong>de</strong> aceptarsecomo mo<strong>de</strong>lo <strong>de</strong> un <strong>de</strong>tector <strong>de</strong> <strong>fase</strong> y frecuencia al gráfico <strong>de</strong> lafigura 6.( k ⋅T+ T0) − k ⋅TT0T ' = =(16)La respuesta <strong>de</strong>l “flip-flop” será V s durante, y sólo durante,esos lapsos; <strong>por</strong> consiguiente, su valor medio será:Tx = 0 ⋅V (17)sTCombinando las ecuaciones (14) y (17), pue<strong>de</strong> aceptarsecomo mo<strong>de</strong>lo <strong>de</strong>l “flip-flop” SR al gráfico <strong>de</strong> la figura 4.Fig. 4: Conducta <strong>de</strong> un “flip-flop” SRA estas alturas, el problema <strong>de</strong> la forma <strong>de</strong> las señalesempleadas <strong>de</strong>saparece prácticamente. Sin embargo, existe otroproblema que aparece con claridad si el lazo se usa conreferencia variable: cuando se mueve bruscamente la referencia,los lazos basados en cualquiera <strong>de</strong> los <strong>de</strong>tectores vistos pue<strong>de</strong>nocasionar <strong>de</strong>sviaciones <strong>de</strong> frecuencia que se hacen permanentesen el oscilador. En tales casos, ninguno <strong>de</strong> los <strong>de</strong>tectorespresentados sirve, y la <strong>fase</strong> <strong>de</strong> S 2 “resbala” sistemáticamenterespecto a la <strong>de</strong> S 1 .El regulador empleado <strong>por</strong> Millar (1968) suele <strong>de</strong>nominarse<strong>de</strong>tector <strong>de</strong> <strong>fase</strong> y frecuencia, y obe<strong>de</strong>ce al diagrama <strong>de</strong> estados<strong>de</strong> la figura 5.Fig. 5: Diagrama <strong>de</strong> estados <strong>de</strong> un <strong>de</strong>tector <strong>de</strong> <strong>fase</strong> y frecuenciaPara enten<strong>de</strong>r el funcionamiento <strong>de</strong> este tipo <strong>de</strong> <strong>de</strong>tectores,pue<strong>de</strong> emplearse el análisis usado para los “ands” y los “flipflops”SR. Si se <strong>de</strong>fine t=0 y t=T 0 como entonces, lasecuaciones (3), (4), (6) y (16) siguen siendo válidas. Pero laecuación (17) requiere ciertas distinciones.Si el <strong>de</strong>tector estaba en 0 o V s cuando t=0, seguirá moviéndoseentre 0 y V s . Su respuesta será V s durante los lapsos <strong>de</strong>tiempo entre una subida <strong>de</strong> S 1 y la próxima subida <strong>de</strong> S 2 ; fuera<strong>de</strong> esos lapsos será 0. Por tanto, su valor medio será el indicado<strong>por</strong> la ecuación (17). En cambio, si el <strong>de</strong>tector estaba en -V s o 0cuando t=0, seguirá moviéndose entre -V s y 0. Su respuesta será0 durante los lapsos <strong>de</strong> tiempo entre una subida <strong>de</strong> S 1 y laFig. 6: Conducta <strong>de</strong> un <strong>de</strong>tector <strong>de</strong> <strong>fase</strong> y frecuenciaLamentablemente, el análisis presentado supone que lafrecuencia <strong>de</strong> S 1 y la <strong>de</strong> S 2 son iguales, <strong>de</strong> modo que resultainútil para explicar cómo estos <strong>de</strong>tectores corregirían las<strong>de</strong>sviaciones <strong>de</strong> frecuencia. El análisis necesario escapa a lasposibilida<strong>de</strong>s <strong>de</strong> este escrito; sin embargo, ya lo hemos hecho yla conclusión es que estos <strong>de</strong>tectores no pue<strong>de</strong>n evitar el<strong>enganche</strong> en frecuencias inapropiadas.Los <strong>de</strong>tectores <strong>de</strong> <strong>fase</strong> y frecuencia son ampliaciones <strong>de</strong> los“flip-flops” SR, como se aprecia comparando las figuras 4 y 6.Ampliaciones nuevas llevan a dispositivos con diagramas <strong>de</strong>estado como los que muestra la figura 7, los cualescorrespon<strong>de</strong>n a lo que pudiera <strong>de</strong>nominarse contadoresascen<strong>de</strong>nte-<strong>de</strong>scen<strong>de</strong>ntes saturables. (Debe agregarse unasaturación en ambos extremos, <strong>por</strong>que los contadoresascen<strong>de</strong>nte-<strong>de</strong>scen<strong>de</strong>ntes habituales cambian <strong>de</strong> V B a V -A siocurre una subida <strong>de</strong> S 1 , y <strong>de</strong> V -A a V B si ocurre una subida <strong>de</strong>S 2 . Hay algunos <strong>de</strong>talles constructivos más a<strong>de</strong>lante).Fig. 7: Diagrama <strong>de</strong> estados <strong>de</strong> un contador ascen<strong>de</strong>nte<strong>de</strong>scen<strong>de</strong>ntesaturablePara enten<strong>de</strong>r el funcionamiento <strong>de</strong> estos contadores, pue<strong>de</strong>seguirse el análisis hecho para los <strong>de</strong>tectores <strong>de</strong> <strong>fase</strong> yfrecuencia. Si se <strong>de</strong>fine t=0 y t=T 0 como entonces, lasecuaciones (3), (4), (6) y (16) siguen siendo válidas. Si a<strong>de</strong>másse consi<strong>de</strong>ra, generalizando, que el <strong>de</strong>tector estaba en V i cuandot=0, pue<strong>de</strong> concluirse que su respuesta será V i+1 durante loslapsos <strong>de</strong> tiempo entre una subida <strong>de</strong> S 1 y la subida próxima <strong>de</strong>S 2 , y que fuera <strong>de</strong> esos lapsos será V i . Por tanto, su valor medioserá:xT0 ( V −Vi)(19)T= Vi+ ⋅i+1Combinando las ecuaciones (14) y (19), pue<strong>de</strong> aceptarsecomo mo<strong>de</strong>lo <strong>de</strong> un contador ascen<strong>de</strong>nte-<strong>de</strong>scen<strong>de</strong>nte saturableal gráfico <strong>de</strong> la figura 8.


quiere regular. Como su compresor es hermético y no tiene víaspara la actuación, a ese equipo se le ha agregado un calefactorcontrolable y un agitador, como pue<strong>de</strong> verse en la figura 9.Fig. 9: PlantaUn análisis físico simple lleva al siguiente mo<strong>de</strong>lo para elinterior <strong>de</strong>l recipiente:Fig. 8: Conducta <strong>de</strong> un contador ascen<strong>de</strong>nte-<strong>de</strong>scen<strong>de</strong>ntesaturablePor supuesto, el análisis hecho recién supone también que lafrecuencia <strong>de</strong> S 1 y la <strong>de</strong> S 2 son iguales, <strong>de</strong> modo que no sirvepara explicar cómo los contadores corregirían las <strong>de</strong>sviaciones<strong>de</strong> frecuencia. Sin embargo, existe un enfoque simplificado quepermite aproximarse a la compresión <strong>de</strong>l fenómeno.Si la frecuencia <strong>de</strong> S 1 se mantuviese constante en un valor F 1 ,y si la frecuencia <strong>de</strong> S 2 se mantuviese constante en 0, la cuentaascen<strong>de</strong>ría sostenidamente (en forma escalonada) hasta llegar ala saturación. Si la frecuencia <strong>de</strong> S 2 no fuese 0 pero sí inferior aF 1 , el ascenso sería más lento. Si la frecuencia <strong>de</strong> S 2 semantuviese constante en el valor F 2 =F 1 , la cuenta se mantendríaoscilando entre dos niveles. Si F 2 fuese superior a F 1 , la cuenta<strong>de</strong>scen<strong>de</strong>ría hasta llegar a la otra saturación. Y si F 1 se hiciese0, el <strong>de</strong>scenso sería más pronunciado. Este com<strong>por</strong>tamiento esmuy similar al <strong>de</strong> la ecuación siguiente:( Vi 1−Vi) ⋅∫( f1− f2)x =+⋅ dt(20)don<strong>de</strong> f 1 y f 2 son las frecuencias (variables) <strong>de</strong> S 1 y S 2 , respectivamente.Se está suponiendo V i+1 -V i constante para todo ientre –A y B-1.Por lo que se refiere a este informe, aceptaremos comomo<strong>de</strong>lo aproximado <strong>de</strong>l contador ante señales con frecuenciasdiferentes, mientras no se llegue a saturaciones, a la ecuación(20).Con esto, el horizonte <strong>de</strong> las aplicaciones para los lazos <strong>de</strong><strong>enganche</strong> <strong>de</strong> <strong>fase</strong> resulta mucho más vasto que lo dicho hastaahora.3. UNA PLANTAEl <strong>enganche</strong> <strong>de</strong> <strong>fase</strong> presupone la generación <strong>de</strong> <strong>fase</strong>s, y esopresupone oscilaciones. Lo esencial para este tipo <strong>de</strong>regulación, es que la planta sea un oscilador controlable. Ahorabien, cualquier proceso con un sensor que genere frecuencias envez <strong>de</strong> niveles, pue<strong>de</strong> tomarse como un oscilador controlable; y,<strong>por</strong> tanto, se lo pue<strong>de</strong> regular mediante un lazo <strong>de</strong> <strong>enganche</strong> <strong>de</strong><strong>fase</strong> que use, como <strong>de</strong>tector, un contador ascen<strong>de</strong>nte<strong>de</strong>scen<strong>de</strong>ntesaturable.Consi<strong>de</strong>ramos a continuación un equipo <strong>de</strong> refrigeraciónNeslab Cryocool CC-60, para laboratorios, cuya <strong>temperatura</strong> sedTG ⋅ ( Ta− T ) + Pc= C ⋅ + P (21)fdtdon<strong>de</strong> G es la conductancia térmica entre el recipiente y elambiente, T a es la <strong>temperatura</strong> <strong>de</strong>l ambiente (perturbación), T esla <strong>temperatura</strong> <strong>de</strong>l recipiente y su contenido (variable regulada),P ç es el caudal <strong>de</strong> calor suministrado <strong>por</strong> el calefactor(actuación), C es la capacidad calórica <strong>de</strong>l recipiente y sucontenido, y P f es el caudal <strong>de</strong> calor extraído <strong>por</strong> el compresor(40 [W]).Linealizando (aunque en esta o<strong>por</strong>tunidad no es necesario) yaplicando la transformación <strong>de</strong> Laplace:G ⋅( T () s − T()s ) + P ( s) = C ⋅ ( s ⋅ T( s) − ( T( 0 ) − T )) + P ( s)ac−f(22)Por lo tanto, consi<strong>de</strong>rando en general que A(s) es latransformada <strong>de</strong> a-a, don<strong>de</strong> a es el valor nominal <strong>de</strong> a:T1GC⋅ s + 1G() s = ⋅ P () s − ⋅ P () s+CGc1⋅ Ta⋅ s + 1() s1GfC⋅ s + 1GC⋅−+ GC⋅ s + 1G( T ( 0 ) − T )(23)Este mo<strong>de</strong>lo muy simplificado se confirma en buena medida<strong>por</strong> el <strong>de</strong>scenso prácticamente exponencial obtenido al enfriar elrecipiente sin hacer uso <strong>de</strong>l calefactor. Observando ese<strong>de</strong>scenso, se lo pue<strong>de</strong> expresar bien así:− to 900[s]oT = 37[ C] ⋅ e − 24,5[ C] (24)Aplicando la transformación <strong>de</strong> Laplace:T() soo37[ C] 24,5[ C]=−s + 1s900[s](25)De las ecuaciones (23) y (25), y consi<strong>de</strong>rando que P c =0[W],P f =40[W], T a =12,5[°C] y T(0 - )=12,5[°C], se <strong>de</strong>duce que:


o0,925[ C/W]900[s] ⋅ s + 1() s =⋅ P () s −⋅ P () sT+1900[s]c⋅ Ta⋅ s + 1() so0,925[ C]900[s] ⋅ s + 1[ T ( 0 ) − T ]900[s] ⋅−+900[s] ⋅ s + 1f(26)En consecuencia, aceptaremos como mo<strong>de</strong>lo <strong>de</strong> la planta aesta ecuación (26).4. EL SENSORLövborg (1965), Maher (1967), Holm (1968), e Ikeuchi,Furukawa y Matsumoto (1975) han sugerido convertidores <strong>de</strong><strong>temperatura</strong> en frecuencia. Por ahora, sin embargo, el sensorconsiste en el oscilador aestable simple que muestra la figura10. Allí, R 1 =12⋅10 3 [Ω], C 1 =533⋅10 -9 [F] y C 2 =10⋅10 -9 [F]. R t esla resistencia <strong>de</strong> un termistor UUA33J4, <strong>de</strong> Omega Engineering.Fig. 11: Esquema <strong>de</strong>l reguladorPara cerrar el lazo, en esta ocasión se emplea la salidaanalógica, cuya variación está comprendida entre 0[V] y 10[V].De acuerdo con el análisis simplificado <strong>de</strong>l capítulo 2:10 [V]= ⋅∫( f1 − f2) ⋅ dt = 0,039[V]⋅∫( f1− f ) ⋅ dt (32)255x2Linealizando y aplicando la transformación <strong>de</strong> Laplace:0,039[V]s() s⋅ ( F () s − F () s )x+( 0 )−X =1 2− xs(33)Fig. 10: SensorEl tiempo <strong>de</strong> carga <strong>de</strong>l con<strong>de</strong>nsador (con respuesta alta) estádado <strong>por</strong>:3−9( R + 12 ⋅10[ Ω]) ⋅ 5,33⋅10[ F]t = 0,6931⋅(27)ctEl tiempo <strong>de</strong> <strong>de</strong>scarga (con respuesta baja) está dado <strong>por</strong>:−t = 0,6931⋅R ⋅ 5,33⋅109 [ F](28)ctEn consecuencia, aceptaremos como mo<strong>de</strong>lo <strong>de</strong>l regulador aesta ecuación (33).6. EL FILTROPara suavizar los movimientos escalonados <strong>de</strong>l contador, nohace falta agregar un filtro: la constante <strong>de</strong> tiempo <strong>de</strong> la plantabasta y sobra. De hecho, sobra; y, <strong>por</strong> eso, resulta aconsejable<strong>de</strong>dicar el filtro, no a sosegar el contador, sino a apurar laplanta. Para ello se ha utilizado el bloque <strong>de</strong> a<strong>de</strong>lanto quemuestra la figura 12.Y la resistencia <strong>de</strong>l termistor obe<strong>de</strong>ce a la <strong>temperatura</strong> según(Rojas y Glaría, 1982):o4998[ C]o−3 T + 312,6[ CR = 1,118 ⋅10[ Ω]⋅ e] (29)tPor consiguiente, la frecuencia <strong>de</strong> oscilación es:f2=4,43⋅10−3[ Hz]1+ 8,26 ⋅10−10[ Ω]⋅ e4998T + 312,6o[ C]o[ C](30)Linealizando en torno a T=-12[°C] y aplicando latransformación <strong>de</strong> Laplace:Fo() s 2,67[ Hz/ C] T()s≈ (31)2⋅En consecuencia, aceptaremos como mo<strong>de</strong>lo <strong>de</strong>l sensor a estaecuación (31).5. EL REGULADORSe trata <strong>de</strong> un contador ascen<strong>de</strong>nte-<strong>de</strong>scen<strong>de</strong>nte saturable con256 estados posibles. Cada uno <strong>de</strong> estos estados se expresasimultáneamente en código binario (mediante 8 respuestasbinarias) y en forma analógica (mediante 1 respuesta analógica).La construcción <strong>de</strong>l regulador sigue el esquema <strong>de</strong> la figura 11(Alegría y Glaría, 1981)Fig. 12: FiltroLa segunda parte <strong>de</strong>l filtro es en realidad un regulador PD(Glaría, 1981). La primera parte, en cambio, es un filtro pasabajoscon una constante <strong>de</strong> tiempo <strong>de</strong> apenas 22,4⋅10 -3 [s], lacual resulta <strong>de</strong>spreciable para la dinámica general <strong>de</strong>l lazo, perofundamental para evitar los impulsos <strong>de</strong>smedidos que generaríael PD solo ante el movimiento escalonado <strong>de</strong>l contador.En vista <strong>de</strong> lo anterior, el com<strong>por</strong>tamiento <strong>de</strong>l bloque <strong>de</strong>a<strong>de</strong>lanto pue<strong>de</strong> suponerse concentrado en su segunda parte.Consi<strong>de</strong>rando la ganancia gran<strong>de</strong> y las impedancias <strong>de</strong> entradaaltas <strong>de</strong>l amplificador operacional:1x ≈220 ⋅10−9v − x⋅∫⋅ dt3[F] 100 ⋅10[ Ω]Linealizando y aplicando la transformación <strong>de</strong> Laplace:( )(34)1x 0 − xX () s ≈ ⋅ ( V( s)− X( s)) + −(35)22[s] ⋅ ssDe ello se <strong>de</strong>duce:() s ≈ ( 22[s] ⋅ s + 1) ⋅ X( s)− 22[s] ⋅ ( x( 0 ) − x)V (36)−


En consecuencia, aceptaremos como mo<strong>de</strong>lo <strong>de</strong>l filtro a estaecuación (36).6. EL ACTUADORSe trata <strong>de</strong> un seguidor <strong>de</strong> emisor, según muestra la figura 13.() s() sT17 s ⋅ s(41)≈2T s 2 ⋅ς⋅ sa F1=0 + + 12ω ωNNF2() s tD⋅ s + 1(42)≈2F1() s s 2 ⋅ς⋅ sTa = 0+ + 12ω ωNNF2() s o T[ ]() so≈ 2,67 Hz / C ↔ ≈ 0,37[ C/Hz](43)T sF s()2[]()don<strong>de</strong> t D =22[s], ω N =8,0⋅10 -3 [rad/s] y ζ=0,16.Fig. 13: ActuadorConviene <strong>de</strong>stacar que el transistor ha sido incluido en elcalefactor, y que la razón para ello radica en un problema <strong>de</strong>linealidad. En cualquier resistor lineal, el voltaje y la corrienteson inter<strong>de</strong>pendientes; así, el calor disipado resulta <strong>de</strong>pendiente<strong>de</strong>l voltaje o <strong>de</strong> la corriente mediante una relación no-lineal:2v 2P = v ⋅i= = i ⋅ RR(37)En el caso <strong>de</strong> la figura 14, <strong>de</strong>spreciando lo que ocurre en labase <strong>de</strong>l transistor, el voltaje <strong>de</strong>l conjunto formado <strong>por</strong> eltransistor y el resistor queda fijo y el caudal <strong>de</strong> calor disipadoresulta <strong>de</strong>pendiente <strong>de</strong> la corriente mediante una relación lineal:Ahora bien:<strong>de</strong> modo que:P ≈ 15 [V] ⋅i≈ 15[V]⋅ i(38)ci ≈ icecv − 0,7[V]≈25[ Ω]e(39)v − 0,7[V]P ≈ 15[V]⋅ ≈ 0,60[W/V] ⋅ ( v − 0,7[V] ) (39)c25[ Ω]Linealizando y aplicando la transformación <strong>de</strong> Laplace:P c() s 0,60[W/V] ⋅ V()s≈ (40)En consecuencia, aceptaremos como mo<strong>de</strong>lo <strong>de</strong>l actuador aesta ecuación (40).7. EL LAZO DE REGULACIÓNRecopilando las ecuaciones 26, 31, 33, 36 y 40, se obtiene eldiagrama <strong>de</strong> bloques <strong>de</strong> la figura 14.Fig. 14: Diagrama <strong>de</strong> bloques <strong>de</strong>l lazoPor tanto, con el lazo cerrado se obtienen las transferenciasque siguen:8. RESULTADOS Y CONCLUSIONESEl lazo construido tiene <strong>de</strong>ficiencias bastante obvias. Porejemplo, utiliza un sensor no-lineal. A<strong>de</strong>más, presenta un factor<strong>de</strong> amortiguamiento ζ muy pobre. (El PD <strong>de</strong>bió tener untiempo <strong>de</strong>rivativo mayor). Sin embargo, se com<strong>por</strong>tasorpren<strong>de</strong>ntemente bien en torno a –12[°C]. El tiempo <strong>de</strong>asentamiento, 4/(ζ⋅ω N ), es cercano a 3100[s], y, sin embargo, ellazo alcanza a la referencia en unos 300[s]. En esto influye t D , ytambién el carácter digital <strong>de</strong>l contador, que es prácticamente unintegrador carente <strong>de</strong> fugas, imperturbable y saturable sinenrollamiento.Lo dicho recién merece un espacio para sí mismo en otroinforme, al igual que las conclusiones sobre el <strong>enganche</strong> <strong>de</strong> <strong>fase</strong>como forma <strong>de</strong> regulación en general.Por ahora, pue<strong>de</strong> <strong>de</strong>cirse que: los lazos <strong>de</strong> <strong>enganche</strong> <strong>de</strong> <strong>fase</strong> pue<strong>de</strong>n usarse para regulacionesen áreas mayores que las consi<strong>de</strong>radas hastaahora; una <strong>de</strong> esas áreas es la <strong>de</strong> la <strong>temperatura</strong>; los contadores ascen<strong>de</strong>nte-<strong>de</strong>scen<strong>de</strong>nte saturables sonreguladores más completos que los habituales, para el<strong>enganche</strong> <strong>de</strong> <strong>fase</strong>; y la regulación <strong>de</strong> <strong>temperatura</strong> con esos contadores enlazos <strong>de</strong> <strong>enganche</strong> <strong>de</strong> <strong>fase</strong>, aún sin refinamiento, resultaprecisa y confiable.REFERENCIASAlegría, F. y J. Glaría (1981). Un contador ascen<strong>de</strong>nte<strong>de</strong>scen<strong>de</strong>ntesaturable. Informe interno, Dep.Electrónica, Univ. Santa María, ValparaísoGardner, F. (1979). Phaselock techniques. Wiley Interscience,Nueva YorkGlaría, J. (1981). Un regulador PD con parámetros in<strong>de</strong>pendientes.Informe interno, Dep. Electrónica, Univ.Santa María, ValparaísoHolm, K. (1968). Thermistor-thermometer based on an astablemultivibrator. Electronic Eng., Diciembre, 700-702Ikeuchi, M., T. Furukawa y G. Matsumoto (1975). A lineartemperature-to-frequency converter. IEEE Trans.Instrum. & Meas., IM-24, 233-239Lövborg, L. (1965). A linear temperature-to-frequencyconverter. J. Sci. Instr., 42, 611-614.Maher, F. (1967). The multivibrator bridge for temperaturemeasurement. J. Sci. Instrum., 44, 531-534Millar, R. (1968). Digital control of shaft speed and position.IEEE Spectrum, Enero, 90-95Moore, A. (1973). Phase-locked loops for motor-speed control.IEEE Spectrum, Abril, 61-67Rojas, R. y J. Glaría (1982). Mo<strong>de</strong>lo para termistores. Informeinterno, Dep. Electrónica, Univ. Santa María,Valparaíso

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