XXII JORNADAS EN INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA

EL CONTROL DIFUSO DE TEMPERATURA DE UNA INCUBADORA

Avilés Cortez Juan Carlos, Ing.

Universidad Mayor de San Andrés - Facultad de IngenieríaLa Paz – Bolivia

RESUMEN

El objetivo del proyecto es el diseño de uncircuito para el monitoreo y control difuso de

temperatura de una incubadora,utilizando un microcontrolador, un sensor detemperatura digital y se realiza la administracióna través de una PC.

Como características principales son lautilización del microcontrolador, el sensor detemperatura digital STH-11 y lo más importanteel Control Difuso Mandani de la Temperatura,se utilizó el protocolo de comunicación I2Centre el sensor y el microcontrolador, el cual secomunica a la PC mediante el puerto serial, enla cual se tiene la interfaz al usuario,visualización de la temperatura y ajustar losdiferentes parámetros de control.

Palabras Clave: Control Difuso,Incubadora, Temperatura, Incubadora.

1. INTRODUCCIÓN

El objetivo principal es controlar latemperatura en una incubadora utilizandológica difusa una de las ramas de la InteligenciaArtificial. Se utiliza un sistema lógico quegeneraliza la lógica clásica de dos valorespara el razonamiento bajo incertidumbre.

El corazón del circuito es un Atmel AT59C52 elque se tiene en nuestro mercado de

manera económica, paraimplementar el control difuso, eltratamiento de las señales mediante los puertosque posee y conectarlo a la PC para elmonitoreo mediante su puerto serial.

La temperatura sensada por el STH – 11 ingresaal Microcontrolador de manera

serial, utilizando el protocolo decomunicación I2C, a través de la PC serealiza la interfaz con el operador, elcircuito detecta el cruce por cero de la línea detensión y controla el ángulo de disparo de laseñal a la etapa de potencia, el cual se mantienede manera eficiente y estable ante lasperturbaciones externas.

También posee dentro de la incubadora unventilador para uniformizar el aire. Esto es muyimportante para la incubadora ya que debemantener la temperatura uniforme dentro delhabitáculo.

Fig 1. Diagrama en bloque del circuitodel control de la incubadora.

1.1 Control Difuso

Generalmente se usa en los sistemas de controlclásico el controlador PID, el proporcional paraestablecer una ganancia, el derivativo para laetapa transitoria y el integral para la etapa

de régimen permanente.

En un controlador difuso se emplea dos de estosconceptos: el error y el cambio deerror, el cual se conoce como gradiente. Proveeuna morfología de inferencia que permiteaproximar las capacidades de

XXII JORNADAS EN INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA

razonamiento humano para ser aplicado asistemas de base de conocimientos.Además, provee una fuerza matemática paracapturar incertidumbres asociadas con losprocesos cognitivos humanos tales comopensamiento y razonamiento.

El diagrama de bloques del algoritmo deinferencia del controlador difusoimplementado se muestra en la Fig. 2. Laejecución del algoritmo es realizada de forma

secuencial, porque eltiemporequeridopara la ejecución total delalgoritmo es mucho menor que el tiemporequerido para la ejecución de la señal deactuación en el horno, lo cual garantiza que nose presenten desfases entre la señal de entrada yla señal de salida.

El fuzzificador toma el valor actual del sensorde entrada, los compara con las funciones demembresía de los conjuntos difusos de lasvariables de entrada y almacena el valor de laentrada fuzzificada en una estructura de datos.La máquina de inferencia difusa procesa unalista de reglas de la base de reglas difusasusando la información fuzzificada de lasvariables de entrada y produce una salidatambién se trata de variables difusas(razonamiento difuso).

El Defuzzificador usa las salidas difusasobtenidas en la evaluación de reglas y lasfunciones de membresía de los conjuntosdifusos de la variable de salida para generar unvalor único como salida del sistema.

Fig. 2. Diagrama de bloque delcontrolador difuso.

Se consideraron dos variables de entrada, elerror (e) de la temperatura actual respecto a unvalor deseado y el gradiente (ge) de temperatura.Como variable de salida se

tiene a la potencia eléctrica necesaria paramantener el horno en la temperaturadeseada. En la Fig. 3 se muestra la integración

del controladordifuso alproceso que se desea controlar. La señal desalida es un pulso que está sincronizado con lalínea eléctrica y es aplicado a un TRIAC con unretardo necesario para aumentar o disminuir la

cantidad de potenciasuministrada a la incubadora (2)

fig. 3 Integración del controladordifuso al proceso

2. DESCRIPCION DEL CIRCUITO

2.1 Detector cruce por cero

Fig. 4. Detector de cruce porcero.

Este generador es alimentado por una señal conla misma fase y frecuencia que la que alimentaal calefactor. Para este fin se utiliza eltransformador, cuya señal se alimenta a doscomparadores. Como ambos comparadores

tienen a tierra como referenciapara una de sus entradas funcionan comodetectores de cruce por cero, es decir mandan unpulso positivo mientras la señal sea mayor omenor que cero, según sea el caso. El op-amp dela parte superior de la imagen manda un pulsopositivo mientras la señal presenta un semi-ciclopositivo, y carga el capacitor el cual sedescarga cuando el semi-ciclo positivo termina yla señal tiene un cruce por cero. El

XXII JORNADAS EN INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA

funcionamiento del op-amp de la parte inferiores análogo pero para el semi-ciclo negativo. Laseñal de salida es alimentada a un punto común,por lo que es necesario poner diodos queimpidan que la corriente de un capacitor cargueal otro e impidan el funcionamiento correcto delcircuito, ver la figura 4 donde se muestra endetalle el circuito de la parte de detección decruce por cero de la línea de alimentación.

Esta señal ingresa al microcontroladorAtmel para realizar el control respectivo de lapotencia de salida calefactor. Fig.5.

2.2 Etapa de potencia

tiene junturas acopladas a un convertidoranalógico digital de 14 bits y un circuito deinterface serial en el mismo chip. Esteresulta en una señal confiable y una respuestarápida en tiempo e insensibilidad a disturbiosexternos.

Fig. 6. Sensor de Temperatura Digital STH-11

Los dos cables de interface serial y

Fig. 5. Etapa depotencia

Cuando se ilumine el led nos indicará que lasalida está activada, y por otro lado, el LEDcontenido en U1 también se ilumina (con lamisma limitación de corriente introducida porR5), y posibilita el disparo del optotriac (fig. 5).En esta situación, y gracias a la

circuitería interna delMOC3041, el optotriac se pondrá en conducciónen el siguiente paso por cero de la tensión de red(la tensión de red es una onda senoidal de50Hz, por lo que pasará por 0V 100 veces porsegundo). Esta forma de disparo es muyconveniente, no sólo para evitar que el circuitointroduzca interferencias en la tensión de redcomo se dijo antes, sino también para evitarledaños al triac (una de las pocas formas dequemar un triac es conmutar la carga cuandohay una tensión alta entre sus terminales).

3. SENSOR DE TEMPERATURA

El SHT11 es un chip multisensor de humedadrelativa y temperatura, con una salida digitalcalibrada. Este dispositivoincluye dos microsensores calibrados parahumedad relativa y temperatura las cuales

regulación de voltaje interno permiten un fácil yrápido sistema de integración por lo que susaplicaciones incluyen automotivos,instrumentación, equipos médicos,calefacción, ventilación y sistemas de aireacondicionado.

3.1 Medición de temperatura

Se utiliza el diagrama de tiempos de lafigura 7 para la poder realizar la lectura detemperatura mandando el comando 00011 y serecibirá dos datos uno alto y uno bajo.

Fig. 7. Diagrama de tiempos para la lecturade laTemperatura.

Para calcular el dato real de la temperatura sedebe realizar la siguiente operación:

Taux = DatoAlto * 256 + DatoBajo

Temperatura en C = 0.01 * Taux - 40

XXII JORNADAS EN INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA

4. INTERFASE CON EL OPERADOR

La interfase del Control Difuso Mandani serealizó Visual Basic:

Fig. 8. Interfaz con el operador

Grafica el setpoint designado, la gráfica delcontrol difuso y como referencia el controlPID solo para el primer caso para sucomparación, y control de los parámetrosdel Control Difuso.

4.1 Fuzzificación

Se utilizaron funciones de membresíatrapezoidales y triangulares, porque se adaptaronmejor al dominio discreto que proporciona elcontrol difuso. Las funciones de membresíafueron afinadas mediante ejercicios de prueba yerror.

4.2 Membresía del error:

4.3 Membresía del gradiente del error:

e(k) = SP – T(K) ; ge = e(k) – e(k-1)e(k) error; SP setpoint; ge gradiente de e.

4.4Variables lingüísticas

→ e = “N” → calor.→ e = “Z” → temperatura correcta.→ e = “P” → frío.→ge = “N” → calentándose.→ge = “Z” → no esta cambiando.→ge = “P” → enfriándose.

4.5 Base de conocimiento:

Evaluación de reglas:

La evaluación de reglas se lleva acabo usando lainformación de los valores encontrados en lafuzzificación para luego producir salidas difusas.

Fig. 9. Evaluación de reglas

4.6 Defuzzificación

La Defuzzificación usa las salidasfuzzificadas del paso de la evaluación de reglasy las funciones de membresía de la variable desalida, que están en la base de reglas paragenerar un único valor como salida delsistema, que consiste de un valor

XXII JORNADAS EN INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA

de 8 bits el que constituirá la cantidad aaumentar o disminuir de la salida global y asíproporcionar la cantidad de energía necesariapara mantener la temperatura al valor deseado.Si consideramos un sistema tridimensional,donde los ejes X y Y son determinadas por lasvariables de entrada, entonces las salidas difusasconstituyen una posición del eje Z,

Donde n es el número de salidas difusasasociadas con esta salida del sistema, i F es un

peso (valor de salida de lafuzzificación), y i S es una posición de unafunción de membresía singleton. i F y i S sonvalores de 8 bits y n es típicamente 8. Porque elnumerador y el denominador no son valoresindependientes, sabemos que el resultado es unvalor de 8 bits.

4.8 Variables de salida.

“c” → calentar (positivo).“-” → ningún cambio (cero).“e” → enfriar (negativo).

5. RESULTADOS

En la siguiente tabla se muestra los resultadosdel control difuso con el control tradicional

PID para 30 minutos demuestreo.

Tabla 1. Resultados

El control difuso presenta tiempos de respuestamenores que el PID. Ambos controles presentanvalores muy pequeños de error en estadoestable, pero el difuso tiene un error máspequeño. El difusopresenta una presición bastante buena yresponde mejor a las perturbaciones. Laventaja principal del PID se ve reflejada en elsobretiro nulo que presenta este en surespuesta, lo que asegura que nunca se exceda lareferencia.

El diseñó e implementación del controladordifuso, para el control de temperatura de unaincubadora, sobre la base de unmicrocontrolador Atmel 89C52, muestra grancapacidad de velocidad de respuesta y segúnlas características del proceso acontrolar y con el tipo de energía usada

4.7 Surface:

podemos afirmar que es un control entiempo real.

El proyecto desarrollado es compatible eintegrable por medio del puerto serial RS232, loque le hace muy versátil para su programación ovisualización desde una PC portátil.

Resultados experimentalesmuestran que el controlador difuso es robusto enlos rangos de operación. La temperatura tienebuena respuesta es el estado transitorio y

estacionario. El controlador tambiénfuncionó bien a pesar de la presencia deperturbaciones y cambios de carga. Su costo dedesarrollo es barato lo que hace posibleadaptarlo para controlar hornos comerciales confines de ahorro de energía eléctrica.

XXII JORNADAS EN INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA

Se comprobó el control de temperatura,mediante diferentes alternativas de diseño dela lógica difusa, registrando en una base dedatos, la evolución de la temperatura medida enla incubadora.

6. CONCLUSIONES.

[07] Jamshidi, M. , Vadiee, N. y Ross, T.“Fuzzy Logic and Control”. 1ra. Ed.,New Yersey, PTR Prentice- Hall Inc.,1993.

[08] Norton, H. “Sensores yAnalizadores”, 3ra. Ed., Barcelona,Editorial Gustavo Gili S.A., 1990.

Con las distintas pruebas que se realizaron sobreeste prototipo, se comprobó que sucomportamiento alcanzó y superó el

[09] Russell, S. y Norvig, P. “ArtificialIntelligence, A Modern Approach”,2da. Ed., New Yersey,Prentice-Hall Inc., 1995.

desempeño de otras incubadoras [10] Von Altrock, C. “Fuzzy Logic &desarrolladas con controladores clásicos en laFacultad de Ingeniería, las cuales no presentabanlas mismas prestaciones que la que se diseñocon Lógica Difusa. Laoperación por parte de los usuarios fue muyaceptada, después de un entrenamiento de unosminutos.

Con respecto al control de temperaturaimplementado, posee las ventajas de nonecesitar un modelo matemático preciso delsistema a controlar, tiene alto rechazo alruido y permite contemplar situacionesexcepcionales del estadodel proceso,gracias a su forma de representar elconocimiento. Como desventaja se puededecir, que el diseño debe realizarsegeneralmente con el método de prueba yerror hasta encontrar el mejor valor para el

NeuroFuzzy ApplicationsExplained”. 2da. Ed., USA, PTRPrentice-Hall Inc., 1995.

BIOGRAFIA

Juán Carlos Avilés Cortez.

Nació en La Paz el 18 deOctubre de 1970. EstudiosSecundarios en el ColegioNacional “Antonio DiazVillamil” graduado con un

Certificado de Mejor Estudiante otorgado porel Alcalde Raúl Salmón de la Barra de laciudad de La Paz, Graduado de laUniversidad Mayor de San Andrés, comoIngeniero Electrónica Área Digital 1998

control de la temperatura. con la mejor calificación de la Gestión.

REFERENCIAS

Diplomado En Servidores Web 2002.Diplomado en Educación Superior 2003. CursoInternacional de Robótica Aplicada CIRA 2008México. Docente de la Carrera

[01] Prof. Bekis López de Lameda,“Lógica Difusa.”, 2001.

de Ingeniería Electrónica y Electromecánica enlas materias de Sistemas Digitales I y II.

[02] Nicolás Kemper Valverde, Invitado como Docente de“Controlador Difuso”, 1998

[03] Smith And Corripio, “ControlAutomático de procesos”, 1990

[04] A. Jiménez Avello and F. Espada,“Control Fuzzy”, 1994.

[05] R. Coughin and F. Driscoll,“Amplificadores Ooperaciones”,1999.

Microprocesadores en la Carrera deIngeniería Electromecánica. Invitado comoDocente Investigador del Instituto deInvestigaciones Mecánicas por el Dr.Ramiro Peralta Director del Instituto en laColaboración de 2 proyectos deInvestigación. Representante de la FirmaAlemana C.S.C. S.R.L. para Bolivia.

[06] Cox, E. “The Fuzzy Systems Coordinador de la Facultad de IngenieríaHandbook”. 2da. Ed., USA,Academic Press, Inc., 1994.

[06] Creus, A. “InstrumentaciónIndustrial”, 5ta. Ed., México,Alfaomega Grupo Editor S.A. de C.V.,1995.

para la Reacreditación de las 8 Carreras quetiene esta Facultad ante la CACEI - MÉXICO.