INSTITUTO POLIT ÉCNICO NACIONALtesis.ipn.mx/jspui/bitstream/123456789/11525/1/43.pdf · valores necesarios para lograr mis metas, por ser mi mejor amiga, porque a lo largo de mi

INSTITUTO POLIT

ESCUELA SUPERRIOR DE INGENIERIA

UNIDAD PROFESIONAL ADOLFO LOPEZ MATEOS

DEPARTAMENTO DE INGENIERIA EN CONTROL Y AUTOMATIZAC ION

“ DISEÑO DE UN MONITOREO BASADO EN LOGICA DIFUSA

CALDERA ELECTRICA DEL LABINTHAP

Q U E P A R A O B T E N E R E L T I T U L O D E :INGENIERO EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN

P R E S E N T A N

IVAN CARMONA TABOADAFELIPE ANTONIO CASAS GARCIACESAR DANIEL

ASES

MÉXICO, D.F.

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERRIOR DE INGENIERIA MECÁNICA Y ELÉCTRICA



DISEÑO DE UN SISTEMA DE CONTROL DE TEMPERATURA Y MONITOREO BASADO EN LOGICA DIFUSA

CALDERA ELECTRICA DEL LABINTHAP

T E S I S

Q U E P A R A O B T E N E R E L T I T U L O D E :INGENIERO EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN

P R E S E N T A N

IVAN CARMONA TABOADA FELIPE ANTONIO CASAS GARCIA CESAR DANIEL SALAZAR ZARZA

ASESORES

DR. ISRAEL ALVAREZ VILLALOBOS

DR. IGNACIO CARVAJAL MARISCAL

CNICO NACIONAL



SISTEMA DE CONTROL DE TEMPERATURA Y MONITOREO BASADO EN LOGICA DIFUSA PARA LA

CALDERA ELECTRICA DEL LABINTHAP ”

Q U E P A R A O B T E N E R E L T I T U L O D E : INGENIERO EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN

NOVIEMBRE 2011

AgradecimientosAgradecimientosAgradecimientosAgradecimientos y dedicatoriasy dedicatoriasy dedicatoriasy dedicatorias:::: IVAN CARMONA TABOADA A Dios Por acompañarme todos y cada uno de mis días y que gracias a el mis padres me dieron la vida. A mi padre: Por ser mi pilar, mi sustento, mi ejemplo, mi amigo y sobretodo mi héroe. Porque siempre me apoyo a pesar de mis errores y rebeldías, a pesar de mis enojos y caprichos, a pesar de que en su momento quise claudicar y dejar todo él estuvo ahí y siempre recibí un consejo, un apoyo un hombro donde llorar y un gran amigo en quien confiar. Gracias papa por que conoceré miles de personas pero tú siempre serás mi héroe. A mi madre: Por ser mi confidente y mi amiga, por su ternura, bondad, amor y calor brindado. Porque a pesar de todo siempre estuvo ahí, por concederme la vida y darme los valores necesarios para lograr mis metas, por ser mi mejor amiga, porque a lo largo de mi vida e conocido un sin fin de mujeres y mi madre siempre a estado ahí y ella nunca me fallo y nunca me fallara como madre. Por esas noches de lágrimas que me regalo a su lado, por que sin ella no me hubiese levantado de mis fracasos. Por ser la gran mujer que eres te doy las gracias mami, porque yo soy tu reflejo. A mi hermano: Si alguien tengo que darle las gracias es a ti hermano mio, sin ti no lo hubiera logrado, soportaste mis lágrimas, mis risas, mis amores y desamores, siempre estuviste ahí, tu y solo tu eres el único que me conoce mas que nadie. Gracias hermano porque podre tener miles de amigos pero tú serás siempre mí mejor y gran amigo. Ahora sigues mis pasos y estoy orgulloso de ti, sé que serás un hombre de bien y la verdad mucho mejor que yo. Gracias hermano mio sin ti no lo hubiera logrado. A mi abuelita marina: Siempre e dicho que e tenido dos madres, gracias abuelita por criarme, por forjar al hombre que soy en día, por cuidarme, consolarme y soportarme. Porque siempre estaré agradecido de todo lo que brindaste. Si soy un gran un hombre y una gran persona te lo debo a ti abuelita. Mi madre me dio la vida y tú así como ella me la diste también.

A mi abuelito Luis: Al igual que tengo dos madres, tengo dos padres, y ese eres tu, gracias abuelito porque yo algún día quisiera ser como tú siempre te veré en lo más alto. Gracias por que siempre me apoyaste y diste todo de ti para que yo lograra mi meta, me cuidaste y aconsejaste y siempre sé que contare con tu apoyo y amor porque si me reflejo en mi madre, la verdad yo soy la calca tuya. Gracias abuelito. A mi Tía Julieta: Gracias tía porque gran parte de mi infancia estuviste ahí, me cuidaste como si fuera tu hijo, alimentaste y valoraste como si fuera tuyo, gracias tía por siempre apoyarme y estar al pendiente mio. A mi abuelito Anselmo: Por traer al mundo a mi padre, por sus cariño y ternura, su bondad y paz. Gracias abuelito por que siempre sacaste de mi una sonrisa y alegría para ver la vida diferente. A mi tío miguel: Porque desde pequeño me crio, cuido, amo y valoro. Siempre te vi como mi hermano mayor y algún día quería ser como tu. Gracias tío por siempre apoyarme y darme el mejor de los consejos. A mi tío enrique: Porque siempre recibí de ti un consejo sano y sincero. Porque siempre me apoyaste y me aconsejabas seguir adelante pese a que veías mal. Gracias infinitamente gracias tío. A mi tía Wendy: Que me cuido desde siempre, que era mi hermana a la que siempre cele, pero que siempre me aconsejo acudir a la escuela y ser un hombre de bien. A mi tío Hugo: Estoy orgulloso de ti y es que pese a todas las adversidades lograste ser un hombre profesionalmente consagrado y quería seguir tus pasos, te agradezco tío por que si una frase me quedo muy marcada fue “nunca claudiques si yo pude tu también” te agradezco por todo tu apoyo y sé que siempre pero siempre podre contar contigo.

A mi primo enrique: Gracias primo por todo tu apoyo, sin embargo tu eres mi hermano, gracias hermano mi infancia fue tan feliz y parte de mi madurez gracias a ti, siempre podre contar contigo y te agradezco todas y cada veces que siempre te pedí un consejo que me permitieron acabar mis estudios. A mi prima dessire: Siempre que necesite un apoyo o un consejo mas serio estuviste ahí, eres mi confidente y mi mejor amiga, gracias prima por siempre apoyarme y estar conmigo en mis momentos mas difíciles. A mi primo Ricardo: Gracias primo por que tu y yo hemos vivido cosas similares y siempre que necesitaba un a un amigo con quien platicar estabas ahí, nunca me dejaste solo y siempre me aconsejabas seguir adelante y acabar mi carrera. Gracias por todo primo. A mis amigos: Cesar Daniel Salazar, Antonio Casas e Isaac Hernández, por ser mis hermanos, por que siempre me apoyaron y estuvieron ahí cuando mas los necesite, nunca me fallaron, y siempre que necesite un consejo me dieron lo mejor de si. Gracias hermanos nunca los olvidare. A mis profesores: Dr. Israel Álvarez Villalobos, Dr. Ignacio Carvajal Mariscal y René Tolentino Eslava pos sus enseñanzas y consejos, por su preparación y apoyo infinitamente gracias.

FELIPE ANTONIO CASAS GARCIA El proceso sin lugar a dudas ah sido de mucho aprendizaje, 3 maneras diferentes de pensar han sido la clave para que esta tesis que se presenta sea un echo y personalmente un gran éxito, en diversos momentos las fuerzas flaquearon pero esa es la grandeza de este trabajo el sobrepasar estas adversidades, es para mi una gran satisfacción el que se lea y se ponga atención a este escrito por lo cual quisiera agradecer ampliamente a toda la gente que me apoyo en este camino pero de manera significativa a; Mis hermanos Juan, Alejandra y Magali, su gran lealtad y apoyo incondicional los hace brillar con su sola presencia. Mi pareja Karina Ivet Navarrete Vázquez, aportándome esa fuerza que te da el amor y que hace que sobrepases cualquier obstáculo. Mis grandes amigos Isaac, Pilar, Ivan y Daniel, una hermandad que perdurara para toda la vida. De la misma forma agradeciendo y dedicando completamente esta tesis a mis padres Alejandro Casas Asmed y Juana Catalina García Molina dos seres humanos increíbles, ese estandarte en mi vida siendo para mi un orgullo y teniendo mi completa admiración, son y serán siempre las personas mas importantes en mi vida. De manera humilde y respetuosa agradezco a todos ellos.

CESAR DANIEL SALAZAR ZARZA

Gracias aGracias aGracias aGracias a mis padres:mis padres:mis padres:mis padres: Por la herencia mas valiosa que recibo de su parte, la cual agradeceré

eternamente, fruto del inmenso apoyo y confianza que en mi se deposito para que sus esfuerzos y sacrificios hechos durante todo este tiempo no fueran en vano, ya que juntos hemos logrado esta meta: Mi carrera profesional, con todo mis respeto y cariño, gracias Mami por darme la vida, por siempre procurarme y estar al pendiente de mi día con día, por ser la principal mujer en mi vida que se que siempre estarás ahí cuando yo mas lo necesite y nunca me defraudaras, como hasta ahora ha sido que cada vez que te necesito estas ahí para tenderme la mano y apoyarme en todo incondicionalmente y Papi que con base a esas exigencias, carácter y ejemplo que me has dado toda la vida hoy en día soy mas competente, siempre me enseñaste a ir un paso adelante de todo, nunca bajando los brazos para nada, ser responsable y que todo lo que se quiere se puede realizar en base a esfuerzo y dedicación, ya que eres un ejemplo a seguir por todo lo que nos has demostrado a mis hermanos y a mi, esto es algo que a pesar de ciertos errores que cometí siempre me ayudaron a levantarme sin pensarlo y es por esto que hoy en día he llegado hasta donde estoy por que sin ustedes yo no lo sería ya que me han inculcado demasiados valores, con todo mi respeto y amor, Dios los bendiga siempre por todo lo que hicieron por mi, prometo no defraudarlos y seguir creciendo día con día mas.

Gracias aGracias aGracias aGracias a mimimimi hermano Diegohermano Diegohermano Diegohermano Diego:::: Que durante mucho tiempo fuimos cómplices de travesuras y relajos, que

hoy en día por ocupaciones de ambos ya no hay cierta cercanía pero a pesar de eso se que cuento incondicionalmente contigo para todo por que lo has demostrado y de mi parte sabes de antemano que no te fallare por que siempre lo que este en mis manos te apoyaré para que ahora tu vallas forjando tu camino y espero poder darte un buen ejemplo toda la vida, te quiero un buen Diego y juntos seguiremos creciendo día a día oponiéndonos ante cualquier obstáculo que se nos presente.

Gracias aGracias aGracias aGracias a mimimimi hermana Dianahermana Dianahermana Dianahermana Diana:::: Por ser una luz que llego a esta familia hace 11 años, que diario nos sacas

una sonrisa a todos con esas ocurrencias y alegría que tienes, por que con tu compañía siempre haces muy ameno el tiempo y por que se que confías en mi, nunca te defraudare, al igual que con Diego también siempre estaré contigo para lo que necesites, te quiero mucho hermanita y sigue así como hasta ahora siendo la numero uno como siempre dices.

Gracias aGracias aGracias aGracias a mimimimissss abuelosabuelosabuelosabuelos LuisaLuisaLuisaLuisa y Lorenzoy Lorenzoy Lorenzoy Lorenzo:::: Por que desde niño siempre me acompañaban a todo hasta hoy en día por

que siempre tienen un consejo para darme e incitarme a crecer más día a día como persona, por siempre inculcarme a estudiar y ser alguien en la vida para ser un profesionista ya que siempre me han demostrado que confían en mi, espero no haberles fallado y la gran satisfacción de tenerlos a mi lado.

Gracias aGracias aGracias aGracias a mimimimis abuelos Alicia y Lazaros abuelos Alicia y Lazaros abuelos Alicia y Lazaros abuelos Alicia y Lazaro Por que a pesar de la distancia que nos separa, se que siempre han

confiado en mi y preocupado por que todo valla bien, eso es algo que agradezco de corazón.

Gracias aGracias aGracias aGracias a mimimimi tíotíotíotío AlexAlexAlexAlex:::: Por que siempre me has apoyado en todo y procurado desde niño

incondicionalmente, ayudándome a crecer y a enseñarme las cosas malas y buenas de la vida, dándome un ejemplo a seguir, que por tus exigencias me enseñaste a obtener y realizar muchas cosas, hoy día eso lo agradezco infinitamente y por que se que siempre puedo contar contigo.

Gracias aGracias aGracias aGracias a mimimimi tíatíatíatía lulúlulúlulúlulú:::: Por que me has demostrado ser mi amiga también tendiéndome la mano y

tu apoyo incondicionalmente, por los consejos obtenidos de tu parte que hoy en día también me han complementado a crecer como persona y como profesionista, es por eso que estoy muy agradecido contigo ya que ante cualquier problema nunca me has dejado solo.

Gracias aGracias aGracias aGracias a mimimimi tío Ttío Ttío Ttío Toñooñooñooño:::: Por que desde que yo era un niño siempre fuiste como mi hermano mayor y

amigo con el cual comencé con relajos, travesuras y demás complicidades, por que hoy en día se que cuento contigo en todo, por que aun siendo niño me enseñaste a distinguir entre lo bueno y lo malo de la vida y eso es algo que llevo conmigo siempre, tu ejemplo y las ganas de luchar día a día, hoy junto con tu familia Mireya y Camila se que puedo contar con ustedes para todo y que de mi parte será lo mismo.

Gracias aGracias aGracias aGracias a mimimimis s s s tíostíostíostíos Luisa y RicardoLuisa y RicardoLuisa y RicardoLuisa y Ricardo:::: Por que se que siempre he contado con ustedes y me han demostrado un

gran cariño y confianza, agradezco infinitamente cada uno de sus consejos, palabras, alientos a seguir esforzándome día a día para conseguir estos objetivos, ustedes son un gran ejemplo para mi por lo que son, se que siempre puedo contar con ustedes dos y es por eso que les tengo un gran aprecio, de igual forma espero ser un buen ejemplo para Ricky y Roberto ya que siempre que lo necesiten estaré para ellos por que los considero y los quiero como hermanos.

Gracias aGracias aGracias aGracias a mimimimis s s s tíostíostíostíos Nena y ChocoNena y ChocoNena y ChocoNena y Choco:::: Nena por que desde niño me inculco varios valores que hoy en día me

hacen mejor persona por eso agradezco tanto sus palabras y consejos y por que se que hasta la fecha sigo contando con ella en todo, Choco por que siempre tiene buenos consejos que dar en diferentes situaciones demostrándome confianza y su apoyo cuando lo he necesitado incondicionalmente, a Ximena, Emiliano y Frida que los considero y quiero como mis hermanos no les fallare, mi apoyo, cariño, consejos y demás siempre tendré para cuando lo necesiten.

Gracias aGracias aGracias aGracias a mimimimi tíatíatíatía ReynaReynaReynaReyna:::: Por que a pesar de la distancia que nos separa, desde niño siempre tuve tu

apoyo incondicional, se que siempre creíste en mi y hoy en día esto es uno de los frutos que se obtiene por ese apoyo y confianza depositada en mi, te agradezco infinitamente y así como se que puedo contar contigo para todo, de igual forma es de mi parte contigo y con Lola

Gracias aGracias aGracias aGracias a MarisolMarisolMarisolMarisol:::: Por que aunque por cuestiones del destino hoy en día ya no estemos

juntos, fuiste un pilar y motivación muy importante durante mas de 5 años, desde antes de iniciar esta carrera, se que siempre depositaste tu confianza y creíste en mi, agradezco infinitamente tu amor, comprensión, apoyo, consejos, compañía y demás virtudes durante todo este tiempo por que estuviste siempre incondicionalmente junto a mi en mis alegrías, logros, tristezas, enojos, además por que se que hoy en día puedo seguir contando y confiando en ti y que incondicionalmente estarás siempre alado mío cuando te necesite, me ayudaste y enseñaste muchas cosas que me hicieron crecer como persona, de antemano sabes que siempre estaré apoyándote cuando lo necesites ya que las cosas suceden por algo y que de todo corazón deseo que tu al igual vallas forjando tu camino a base de éxitos.

Gracias aGracias aGracias aGracias a mimimimissss amigosamigosamigosamigos:::: Iván Carmona, Felipe Casas, Isaac Hernández por que siempre hubo ese

compañerismo y amistad en todo, siempre cuando uno se caía estaban para levantarlo, por sus consejos, enseñanzas y complicidades, todas esas situaciones y mas se les agradece, a Pilar Romero, Rodrigo Morales e Iván Navarro por su amistad demostrada en todo este tiempo, los consejos, sugerencias, regaños y apoyo en este trabajo se les agradece infinitamente colegas Ingenieros, a Berenice Gutiérrez que en tiempos muy difíciles para mi siempre tuviste aquellas palabras y consejos, fuiste una guía muy importante por que me enseñaste en base a eso a siempre mirar adelante siendo una mejor persona por sobre todo día a día y que cuando andaba mal siempre tuviste esa chispa para levantarme.

Gracias aGracias aGracias aGracias al Instituto l Instituto l Instituto l Instituto PolitécnicPolitécnicPolitécnicPolitécnicoooo NacionalNacionalNacionalNacional y ESIME Zacatencoy ESIME Zacatencoy ESIME Zacatencoy ESIME Zacatenco:::: Por brindarme mi preparación y por ser mi más grande orgullo pertenecer a

esta alma mater, aprendí a amar las instalaciones como mi más grande casa de estudios, por que aquí fui politécnico por convicción no por circunstancia.

Gracias aGracias aGracias aGracias a mimimimissss profesoresprofesoresprofesoresprofesores:::: Dr. Israel Álvarez Villalobos, Dr. Ignacio Carvajal Mariscal y René Tolentino

Eslava por su apoyo para la realización de este trabajo que les debemos el haberlo sacado adelante y poder decir hoy en día soy Ingeniero gracias a sus consejos, sugerencias y enseñanzas.

RELACIÓN DE FIGURAS Y TABLAS

DISEÑO DE UN SISTEMA DE CONTROL Y MONITOREO BASADO EN LA LOGICA DIFUSA PARA UNA CALDERA ELECTRICA DEL LABINTHAP i

ÍNDICE

Contenido

RELACIÓN DE FIGURAS ....................................................................................................... iii

RELACIÓN DE TABLAS .......................................................................................................... v

RESUMEN ................................................................................................................................ vi

INTRODUCCIÓN .................................................................................................................... vii

OBJETIVO ................................................................................................................................. x

CAPÍTULO I ................................................................................................................................. 1

“LÓGICA DIFUSA Y CONTROL DIGITAL” .............................................................................. 1

1.1 Funcionamiento de calderas ................................................................................................. 2

1.1.1 Tipos de calderas .............................................................................................................. 2

Calderas pirotubulares .............................................................................................................. 2

Calderas acuatubulares ............................................................................................................. 3

Calderas eléctricas .................................................................................................................... 4

1.2 Antecedentes de la lógica difusa ........................................................................................... 6

1.3 Bases de la lógica difusa ..................................................................................................... 7

1.3.1 Estructura de un controlador difuso .................................................................................. 8

1.3.2 Diseño de controlador difuso ............................................................................................. 8

Selección de las variables .......................................................................................................... 9

Proceso de inferencias ............................................................................................................. 10

Estrategia de fuzificacion ......................................................................................................... 11

Construcción de las bases de reglas ......................................................................................... 13

Selección de lógica de toma de decisiones ................................................................................ 14

Estrategia de defuzificacion ..................................................................................................... 15

1.3.3 Conjunto difuso ............................................................................................................... 17

1.4 Antecedentes del control digital .......................................................................................... 18

1.5 Sistemas de control digital ................................................................................................. 20

1.5.1 Elementos básicos de un sistema de control digital .......................................................... 20

1.5.2 Características del control digital ................................................................................... 21


DISEÑO DE UN SISTEMA DE CONTROL Y MONITOREO BASADO EN LA LOGICA DIFUSA PARA UNA CALDERA ELECTRICA DEL LABINTHAP ii

1.5.3 Ventajas del uso de controles digitales ............................................................................ 22

1.6 Aislante térmico ................................................................................................................ 23

CAPÍTULO II .............................................................................................................................. 24

“DESCRIPCIÓN DE LA INSTALACIÓN EXPERIMENTAL” ................................................... 24

2.1 Descripción general de del equipo e instrumentación ........................................................ 25

2.1.1 Sistema eléctrico de potencia y control ........................................................................... 27

2.1.2 Sistema hidráulico ........................................................................................................... 30

2.1.2 Sistema de aire ................................................................................................................ 35

2.2 Instrumentación existente ............................................................................................. 36

CAPÍTULO III ............................................................................................................................ 38

“DISEÑO DEL SISTEMA DE CONTROL BASADO EN LA LOGICA DIFUSA Y SELECCIÓN DEL AISLANTE TERMICO” ..................................................................................................... 38

3.1 Calculo de la pèrdida de calor en la tubería ......................................................................... 39

3.2 Selección del aislante térmico para la tubería .................................................................... 42

3.3 Diseño del sistema de control basado en la lógica difusa ................................................... 43

3.3.1 Selección de las variables de entrada y salida ................................................................. 44

3.3.2 Selección de las funciones de membresía ......................................................................... 45

3.3.4 Definición de las reglas lingüísticas ............................................................................... 50

3.3.5 Superficies de control ..................................................................................................... 52

3.3.6 Diseño de la interfaz ....................................................................................................... 53

3.3.7 Programación de la interfaz grafica ............................................................................... 55

CAPITULO IV ............................................................................................................................ 58

“RESULTADOS Y ANALISIS” .................................................................................................. 58

4.1 Banco de resistencias Desactivado ..................................................................................... 59

4.2 Activación Resistencia 1 ..................................................................................................... 60




4.6 Programación de tareas realizadas ................................................................................... 64

4.7 Presupuesto ........................................................................................................................ 65

CONCLUSIONES Y TRABAJO FUTURO ................................................................................. 67

BIBLIOGRAFIA ......................................................................................................................... 70


DISEÑO DE UN SISTEMA DE CONTROL Y MONITOREO BASADO EN LA LOGICA DIFUSA PARA UNA CALDERA ELECTRICA DEL LABINTHAP iii

RELACIÓN DE RELACIÓN DE RELACIÓN DE RELACIÓN DE FIGUFIGUFIGUFIGURASRASRASRAS

Figura 1.1 Representación de una caldera pirotubular…………………………..

3

Figura 1.2 Representación de una caldera acuatubular…………………………. 4

Figura 1.3 Representación de una caldera eléctrica……………………………… 5

Figura 1.4 Estructura de un controlador difuso………………………………….. 8

Figura 1.5 Grado de pertenencia de las variables…………………………………… 9

Figura 1.6 Función gausina……………………………………………………….. 12

Figura 1.7 Figura 1.8 Figura 1.9

Función triangular……………………………………………………... Función trapezoidal……………………………………………………. Método del centro de área……………………………………………...

12

12

17

Figura 1.10 Sistema de control de lazo cerrado con datos muestreados…………. 21

Figura1.11a Figura1.11b

Entrada continua al muestreador…………………………………….. Salida discreta del muestreador………………………………………..

21

21 Figura 2.1

Representación del DTI de la instalación de la caldera eléctrica…....

26

Figura 2.2 Motor eléctrico con el ventilador acoplado…………………………… 27

Figura 2.3 Ventilador y banco de resistencias……………………………………. 28

Figura 2.4 Banco de resistencias para el calentamiento del agua………………. 29

Figura 2.5 Tablero de control……………………………………………………... 30

Figura 2.6a Representación de la caldera y tanque de almacenamiento…………. 31

Figura 2.6b Representación del equipo de bombeo……………………………….. 31

Figura 2.7 Representación del área de suministro de agua caliente…………….. 32

Figura 2.8 Rotámetro en la entrada del radiador y Válvulas de globo…………. 33


DISEÑO DE UN SISTEMA DE CONTROL Y MONITOREO BASADO EN LA LOGICA DIFUSA PARA UNA CALDERA ELECTRICA DEL LABINTHAP iv

Figura 2.9a Representación física del túnel de viento para pruebas a radiadores

de automóvil……………………………………………………………..

34

Figura 2.9b Túnel de viento para pruebas a radiadores de automóvil…………… 35

Figura 2.10 Circuito del fluido del proceso………………………………………… 36

Figura 2.11 Manómetro tipo Bourdon y termopar tipo J………………………..... 37

Figura 3.1 Aislamiento seleccionado para la tubería…………………………….. 43

Figura 3.2 Funciones de membrecía para la temperatura del medida………….. 46 Figura 3.3 Funciones de membrecía para la temperatura deseada……………... 48

Figura 3.4 Funciones de membrecía de la salida del sistema…………………….

49

Figura 3.5 Superficie de control de la relación Temperatura medida-Resistencia……………………………………………………………………………

52

Figura 3.6 Superficie de control de la relación Temperatura medida-deseada-Resistencia……………………………………………………………….

53

Figura 3.7 Panel frontal de la interfaz…………………………………………….. 54

Figura 3.8 Representación del bloque de la estructura de casos………………… 55

Figura 3.9 Llamado del modelo difuso……………………………………………. 56

Figura 3.10 Representación del programa de la interfaz de impresión de

graficas y reglas lingüísticas……………………………………………

56

Figura 3.11 Representación del programa de la interfaz………………………….. 57

Figura 4.1 Pantalla de la interfaz para el estado Desactivado……………………

60

Figura 4.2 Pantalla de la interfaz para el estado Resistencia 1…………………..

61


62


63

Figura 4.5 Pantalla de la interfaz para el estado Resistencia 4………………….. 64


DISEÑO DE UN SISTEMA DE CONTROL Y MONITOREO BASADO EN LA LOGICA DIFUSA PARA UNA CALDERA ELECTRICA DEL LABINTHAP v

RELACIÓN DE TABLARELACIÓN DE TABLARELACIÓN DE TABLARELACIÓN DE TABLASSSS

Tabla 1.1 Proceso de inferencia……………………………………………………............ 10

Tabla 1.2 Operadores lógicos difusos………………………………………………........... 11

Tabla 3.1 Intervalos de los estados de las variables de entrada…………………............

45

Tabla 3.2 Datos de las funciones de membrecía de las temperaturas……………............ 47

Tabla 3.3 Características de las funciones de temperatura deseada…………………….

49

Tabla 3.4 Características de los valores de las funciones de membrecía de la

salida……………………………………………………………………………...

50

Tabla 3.5 Método de inferencia de las variables………………………………………….

50

Tabla 4.1 Valores propuestos para la realización de las pruebas………………………..

59

Tabla 4.2 Valores propuestos para la realización de las pruebas de Resistencia 1……

60

Tabla 4.3 Valores propuestos para la realización de las pruebas de Resistencia 2…….

61

Tabla 4.4 Valores propuestos para la realización de las pruebas de Resistencia 3……..

62

Tabla 4.5 Valores propuestos para la realización de las pruebas de Resistencia 4…….

63

Tabla 4.6 Programa de Tareas……………………………………………………………..

64

Tabla 4.7 Presupuesto del proyecto………………………………………………………..

66

RESUMEN

DISEÑO DE UN SISTEMA DE CONTROL Y MONITOREO BASADO EN LA LOGICA DIFUSA PARA UNA CALDERA ELECTRICA DEL LABINTHAP vi

RESUMENRESUMENRESUMENRESUMEN

El presente trabajo de tesis se aplico al desarrollo de un sistema de control

de temperatura y monitoreo para una caldera eléctrica alimentada por un banco de

cuatro resistencias cuyo objetivo principal fue eliminar la inestabilidad y el retardo

que existe actualmente en la realización de pruebas físicas, esto basado en la

lógica difusa que nos permite imitar la toma de decisiones del ser humano,

haciendo que el control de temperatura y monitoreo sobre la caldera sea flexible y

más rápido que con métodos convencionales.

Para el desarrollo de este proyecto se realizó el levantamiento de datos

característicos del funcionamiento de la caldera del LABINTHAP, considerando los

accesorios de la misma y las condiciones de trabajo. Con estos valores es posible

obtener la pérdida de calor del agua en la instancia dentro de la tubería así como

el calor que proporciona cada resistencia para poder separar el encendido de cada

una de ellas.

Se considero la temperatura deseada y medida para realizar el modelado

difuso y el posterior desarrollo del controlador difuso que va a monitorear el

comportamiento del sistema además de considerar las dos variables

mencionadas anteriormente para determinar el estado en el cual se encuentra el

banco de resistencias, dichos estados son: desactivado, resistencia 1, resistencia

2, resistencia 3 y resistencia 4. Por medio de la simulación efectuada se

comprobó el correcto funcionamiento del sistema de control de temperatura y

monitoreo, esto se realizó simulando valores de la temperatura medida y deseada

para cada sección del intervalo de temperatura propuestos, dichos valores se

comparan por medio del controlador difuso y se determina el estado de cada

sección. Al final del proyecto se logró el objetivo deseado, ya que se obtuvo el

sistema de control de temperatura y monitoreo con una interfaz hombre-máquina

(desarrollada en LabVIEW) que nos permite conocer el estado del banco de

resistencias de la caldera, bajo los criterios antes mencionados.

INTRODUCCIÓN

DISEÑO DE UN SISTEMA DE CONTROL Y MONITOREO BASADO EN LA LOGICA DIFUSA PARA UNA CALDERA ELECTRICA DEL LABINTHAP vii

INTRODUCCIÓNINTRODUCCIÓNINTRODUCCIÓNINTRODUCCIÓN

Dentro de la industria son de gran importancia y elevada aplicación las

calderas, ya sean por combustión (Acuatubulares y Pirotubulares) o las calderas

eléctricas. Principalmente las calderas eléctricas actualmente se controlan por

medio de controladores PID, PLC entre otros métodos de control convencionales,

lo cual satisface hasta cierto punto el control necesario para ciertos procesos.

Dentro de la instalación de pruebas a intercambiadores de calor compactos,

se encuentra una caldera eléctrica ubicada dentro del Laboratorio de Ingeniería

Térmica e Hidráulica Aplicada (LABINTHAP) en la Sección de Estudios de

posgrado e Investigación (SEPI) de la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y

Eléctrica (ESIME), es controlada manualmente, por lo que su control es lento al

momento de realizar pruebas físicas, esto se debe a que no existe ningún tipo de

control automático en la temperatura.

La caldera funciona con cuatro resistencias eléctricas, las cuales se controlan

energizando y desenergizando manualmente la corriente eléctrica dependiendo de

la temperatura que se desee en la salida. Además existe un retardo para la

medición de la temperatura, ya que en la caldera se indica un valor de temperatura

pero en la toma de medida ya se perdió parte del calor debido a la circulación del

agua caliente por una longitud aproximada de 10 m de la tubería, la cual no

cuenta con aislamiento.

Este trabajo de tesis tiene como finalidad renovar el sistema de control de

temperatura de la caldera eléctrica por que al realizar pruebas de suministro de

agua caliente para intercambiadores de calor compactos existe un control ON/OFF

para las resistencias, el cual no es el adecuado ya que siempre habrá una

variación de temperatura por encima o por debajo del punto de referencia al

energizar o desenergizar la alimentación eléctrica, esto es para hacer más

eficiente el servicio en esta parte del laboratorio al realizar pruebas físicas.

INTRODUCCIÓN

DISEÑO DE UN SISTEMA DE CONTROL Y MONITOREO BASADO EN LA LOGICA DIFUSA PARA UNA CALDERA ELECTRICA DEL LABINTHAP viii

Se han realizado tesis relacionadas con el control de temperatura de la

caldera eléctrica del LABINTHAP, donde se proponen un control mediante PID o

Controladores Lógicos Programables (PLC), este tipo de métodos tienen ciertas

desventajas ya que el control sigue teniendo pequeñas variaciones por encima o

por debajo del punto de referencia por que el banco de resistencias se activa y

desactiva completamente dependiendo de la temperatura que se desea.

Para esto se desarrollo un sistema de control de temperatura y monitoreo

basado en la lógica difusa porque se pueden construir modelos de razonamiento

humano que reflejen el carácter vago, ambiguo, impreciso y cualitativo que éste

tiene. De forma que sin modelos matemáticos detallados, se puedan implementar

soluciones a problemas relativamente complejos, o muy mal definidos, como para

admitir un tratamiento por métodos tradicionales, problemática común cuando se

requiere automatizar o controlar procesos relativamente complejos.

En el capitulo uno se contextualiza los antecedentes de la lógica difusa y el

control digital, además se sentara las bases teóricas que se necesitan para el

desarrollo del sistema de monitoreo, se hablará brevemente de los fundamentos

básicos de la lógica difusa que se aplicaron para el desarrollo del modelado y del

controlador difuso, de igual forma se enumeran ventajas de ocupar este tipo de

control, también se enlistan los tipos de calderas y ventajas de utilizar un aislante

térmico para las tuberías.

En el capítulo dos se describe la instalación experimental del laboratorio

explicando cada parte con la que consta, así como sus condiciones de

funcionamiento y operación.

El desarrollo de todo el sistema de control de temperatura y monitoreo

basado en la lógica difusa se podrá encontrar en el capítulo tres, así como el uso

de dichos datos en el modelado difuso, donde se seleccionaron todas las

características útiles del sistema generándose las reglas lingüísticas y sus

INTRODUCCIÓN

DISEÑO DE UN SISTEMA DE CONTROL Y MONITOREO BASADO EN LA LOGICA DIFUSA PARA UNA CALDERA ELECTRICA DEL LABINTHAP ix

respectivas funciones de membresía. Se podrá apreciar a detalle la programación

del controlador, así como de la interfaz grafica realizada en LabVIEW. Finalmente

en el capítulo cuatro se analizarán todas las pruebas hechas al sistema de

monitoreo bajo los estados del banco de resistencias (desactivado, resistencia 1,

resistencia 2, resistencia 3 y resistencia 4) y se hará una estimación de costos de

la implementación del proyecto. Finalmente se exponen las conclusiones y

trabajos futuros en la realización de este trabajo.

OBJETIVO

DISEÑO DE UN SISTEMA DE CONTROL Y MONITOREO BASADO EN LA LOGICA DIFUSA PARA UNA CALDERA ELECTRICA DEL LABINTHAP x

OBJETIVOOBJETIVOOBJETIVOOBJETIVO

Diseñar un sistema de control de temperatura basado en lógica difusa para una caldera eléctrica y desarrollar la interfaz Hombre-Máquina para el monitoreo y operación del sistema.

CAPÍTULO I LÒGICA DIFUSA Y CONTROL DIGITAL

DISEÑO DE UN SISTEMA DE CONTROL Y MONITOREO BASADO EN LA LOGICA DIFUSA PARA UNA CALDERA ELECTRICA DEL LABINTHAP 1

CACACACAPÍPÍPÍPÍTULO I TULO I TULO I TULO I

““““LÓGICALÓGICALÓGICALÓGICA DIFUSA Y CONTROL DIFUSA Y CONTROL DIFUSA Y CONTROL DIFUSA Y CONTROL

DIGITALDIGITALDIGITALDIGITAL””””



1.1.1.1.1111 Funcionamiento de calderasFuncionamiento de calderasFuncionamiento de calderasFuncionamiento de calderas

Las calderas, de vapor y agua caliente, están ampliamente extendidas tanto

para uso industrial como no industrial, y otras aplicaciones tales como, generación

de electricidad, procesos químicos, calefacción, agua caliente, sanitaria, usos

didácticos, etc, de igual forma existen calderas por combustión y eléctricas. En las

primeras se lleva a cabo la combustión de algún gas para proporcionar el calor

para evaporar el líquido introducido a la caldera y las calderas eléctricas

proporcionan calor por medio de resistencias eléctricas conectadas en serie o en

paralelo.

1.11.11.11.1.1 Tipos de calderas.1 Tipos de calderas.1 Tipos de calderas.1 Tipos de calderas

Aunque existen numerosos diseños y patentes de fabricación de calderas,

cada una puede tener características propias; las calderas se pueden clasificar en

dos grupos; calderas pirotubulares y acuatubulares, algunas características se

mencionan a continuación.

Calderas pirotubularesCalderas pirotubularesCalderas pirotubularesCalderas pirotubulares

En la figura 1.1 se observa una caldera del tipo pirotubular, se denominan así

por ser los gases calientes procedentes de la combustión de un combustible, los

que circulan por el interior de tubos y el exterior está bañado por el agua de la

caldera. El combustible se quema en un hogar, en donde existe una transmisión

de calor, y los gases resultantes circulan a través de los tubos que constituyen el

haz tubular de la caldera, y es ahí donde se encuentra el intercambio de calor.

Según sea una o varias las veces que los gases pasan a través del haz tubular, se

tienen las calderas de uno o de varios pasos.

En el caso de calderas de varios pasos en cada uno de ellos los gases solo

atraviesan un determinado número de tubos, esto se logra mediante las



denominadas cámaras de gases. Una vez realizado el intercambio térmico, los

gases son expulsados al exterior a través de la chimenea.

Figura 1.1 Representación de una caldera pirotubular.

Calderas acuatubularesCalderas acuatubularesCalderas acuatubularesCalderas acuatubulares

En la figura 1.2 se muestra la representación de una caldera acuatubular, en

estas calderas el agua circula por el interior de tubos que conforman un circuito

cerrado a través del calderín o calderines que constituye la superficie de

intercambio de calor de la caldera. Adicionalmente, pueden estar dotadas de otros

elementos de intercambio de calor, como pueden ser el sobrecalentador,

recalentador, economizador, etc.

Estas calderas, constan de un hogar configurado por tubos de agua, tubos y

refractario o solamente refractario, en el cual se produce la combustión del

combustible y constituyen la zona de radiación de la caldera. Desde el hogar, los

gases calientes resultantes de la combustión son conducidos a través del circuito

de la caldera, configurado este por paneles de tubos y formando la zona de



convección de la caldera. Finalmente, los gases son enviados a la atmósfera a

través de la chimenea. Con objeto de obtener un mayor rendimiento en la caldera,

se incorporan elementos, como economizadores y precalentadores, que hacen

que la temperatura de los gases a su salida de la caldera sea menor,

aprovechando así mejor el calor sensible de los gases.

Figura 1.2 Representación de una caldera acuatubular.

Calderas eléctricasCalderas eléctricasCalderas eléctricasCalderas eléctricas

Una caldera eléctrica cuenta con un ingreso de agua fría y salida de agua caliente;

requiere de una instalación mínima para conexiones libres o para sistemas ventilados y

sin ventilar. Su rendimiento está estimado en un 99.8%, es un sistema libre de

contaminación lo que lo convierte en el más conveniente; como no requiere de ventilación,

no desperdicia calor y por lo tanto logran una eficiencia mayor a cualquier otro tipo de

caldera. El mantenimiento de las calderas eléctricas es mínimo a lo que hay que agregar



que nunca habrá problemas por falta de combustible. El funcionamiento de la caldera

eléctrica se basa en el calor producido por una resistencia eléctrica inmersa en el agua

contenida en un recipiente como se muestra en la figura 1.3.

Las calderas eléctricas ofrecen un confort mucho mayor al de cualquier otro sistema

eléctrico, ya que de todos ellos es la que puede garantizar una excelente provisión de

agua sanitaria caliente como de calefacción, siempre y cuando se tenga una alimentación

eléctrica. Sin embargo, la gran desventaja que existe en este tipo de calderas es que

cuando no existe ningún tipo de control en la temperatura, al momento de alimentar las

resistencias eléctricas, la temperatura se eleva con mayor rapidez, es por esto que los

modelos actuales incorporan un microchip para el sistema de control encargado de

regular la temperatura para producción de agua caliente.

Figura 1.3 Representación de una caldera eléctrica.



1111....2222 Antecedentes de la lógica difusaAntecedentes de la lógica difusaAntecedentes de la lógica difusaAntecedentes de la lógica difusa

El concepto de Lógica Difusa fue concebido por Lofti Zadeh, quien

inconforme con los conjuntos clásicos que solo permiten dos opciones, la

pertenencia o no de un elemento a dicho conjunto, la presentó como una forma de

procesar información permitiendo pertenencias parciales a unos conjuntos que en

contraposición a los clásicos los denominó Conjuntos Difusos (fuzzy sets), el

concepto de conjunto difuso fue expuesto por Lofti Zadeh, el artículo se titula

"Fuzzy Sets". El mismo Zadeh publica en 1971 el artículo, "Quantitative Fuzzy

Semantics", en donde Introduce los elementos formales que acabarían

componiendo el cuerpo de la doctrina de la lógica difusa y sus aplicaciones tal

como se conocen en la actualidad [1].

Pocos años después en 1974, el Británico Ebrahim Mandani, demuestra la

aplicabilidad de la lógica difusa en el campo del control. Desarrolla el primer

sistema de control difuso (Fuzzy Control) práctico, la regulación de un motor de

vapor. Las aplicaciones de la lógica difusa en el control no se pudieron ser

implementadas con anterioridad a estos años debido a la poca capacidad de

cómputo de los procesadores de esa época [1].

Zadeh menciona que la gente no requiere información numérica precisa del

medio que lo rodea para desarrollar tareas de control altamente adaptable. Los

controladores convencionales, en esencia realimentados, se pudieran programar

para aceptar entradas con ruido e imprecisas, ellos podrían trabajar de una

manera mas eficiente y quizás se podrían implementar más fácilmente. En

Estados Unidos principalmente por razones culturales, el concepto de lógica difusa

no tuvo mucho impacto mientras en oriente específicamente los japoneses y

algunos países europeos aceptaron sin complicación esta idea y han estado

desde la década de los 80 construyendo aplicaciones reales y productos que

funcionan basados en lógica difusa. En 1986 Yamakawa publica el artículo, "Fuzzy

Controller hardware system" y desarrolla controladores difusos en circuitos

integrados. En 1987, se inaugura en Japón el subterráneo de Sendai, uno de los



más espectaculares sistemas de control difuso creados por el hombre. Desde

entonces el controlador inteligente ha mantenido los trenes rodando

eficientemente. En 1987, "FUZZY BOOM", se comercializan multitud de productos

basados en la lógica difusa (sobre todo en Japón) [1].

1.31.31.31.3 Bases de la lBases de la lBases de la lBases de la lógica difusaógica difusaógica difusaógica difusa

La lógica difusa es una extensión de la lógica tradicional (Booleanas) que

utiliza conceptos de pertenencia, de sets más parecidos a la manera de pensar

humana. La lógica difusa no usa valores exactos como 1 o 0, pero usa valores

entre 1 y 0 que pueden indicar valores intermedios. Incluye los valores 0 y 1

entonces se puede considerar como un superset o extensión de la lógica exacta.

Es esencialmente lógica multivaluada que originan la lógica clásica, la cual

impone a sus enunciados únicamente valores falso o verdadero. Esta a su vez a

modelado satisfactoriamente a una gran parte del razonamiento natural, ya que el

razonamiento humano utiliza valores de verdad que no necesariamente son tan

deterministas. La lógica difusa procura crear aproximaciones matemáticas en la

resolución de ciertos tipos de problemas. Pretende producir resultados exactos a

partir de datos imprecisos [1]

El adjetivo “difuso” aplicado se debe a que los valores de verdad no-

deterministas utilizados tienen por lo general, una condición de incertidumbre, ya

que los valores obtenidos y resultados no son exactos en su 100%. Por otra parte,

desde un punto de vista optimista, lo difuso puede entenderse como la posibilidad

de asignar más valores de verdad a los enunciados que los clásicos “falso” o

“verdadero” [1].

En determinadas áreas de conocimiento, a los enunciados generados por la

lógica difusa se les asocia valores de verdad que son grados de veracidad o

falsedad, mucho más amplios que “verdadero” y “falso”. Analizando el sistema

deseado se distingue enunciados “de entrada” y enunciados “de salida” [1].



1.31.31.31.3.1 Estructura de un controlador difuso.1 Estructura de un controlador difuso.1 Estructura de un controlador difuso.1 Estructura de un controlador difuso

Un controlador basado en lógica difusa es un sistema electrónico e

informático que sirve de soporte físico para realizar inferencias con lógica difusa.

Este dispositivo funciona en los niveles inferiores de la pirámide de control,

cerrando lazos de control en forma similar al PID convencional su aplicación se

basa en procesos complejos y con ciertas carencias, en cuanto a su definición ya

que no se tiene conocimiento de valores cuantitativos o porque la información del

sensor es imperfecta [1].

El controlador difuso será un caso particular de un controlador digital ya que

su comportamiento será no lineal, sus bloques que lo constituyen serán una base

del conocimiento, una base de datos un proceso de inferencias, un fuzificador y un

defuzificador mostrado en la figura 1.4

Figura 1.4 Estructura de un controlador difuso

1.31.31.31.3.2 Diseño de controlador difuso.2 Diseño de controlador difuso.2 Diseño de controlador difuso.2 Diseño de controlador difuso

El diseño se asienta en un conocimiento heuristico sobre el proceso y

pruebas de ensayo error hasta conseguir una respuesta adecuada a las

especificaciones solicitadas.

La sintonización del controlador también se `puede realizar en forma

automática, por medio de algoritmos genéticos, o redes neuronales, ya que al

encontrar un controlador optimo la optimización puede realizarse en línea, aunque



debe de estar estable el proceso en la planta. Esta forma de controlar el proceso

se describe con los siguientes pasos:

1.- Selección de las variables.

2.- Proceso de inferencia.

3.- Selección de la estrategia de fuzificacion.

4.-Constricción de la base de reglas.

5.- Selección de lógica de toma de decisiones.

6.-Selección de la estrategia de defuzificacion.

Selección de las variablesSelección de las variablesSelección de las variablesSelección de las variables

Se especifica cuáles son las variables de entrada y de salida en el proceso,

las cuales queremos relacionar a través del controlador, para lo cual se necesita

saber cuál es su intervalo de variación. Resaltando 2 casos:

El controlador difuso puede desarrollarse con base al conocimiento de un experto

humano.

Si es la primera vez que se analiza el problema, habrá que elegir las

variables que incidan directamente en las variables controladas, trabajando sobre

el error o alguna función del error. Estas a su vez serán las variables provenientes

del sensor para posteriormente realizar identificación de intervalos. Como se

observa en la figura 1.5 [1].

Figura 1.5 Grado de pertenencia de las variables



Proceso de inferenciasProceso de inferenciasProceso de inferenciasProceso de inferencias

Se encarga de concadenar lo involucrado con la base de conocimientos,

aplicando una regla de inferencia composicional. El proceso de inferencia incluye

dos conocimientos: la implicación difusa y la regla composicional de inferencia. Si

tenemos las observaciones A y B entonces la conclusión difusa C puede ser

inferida por:

C´= (A´, B´) o R

Donde “o” representa el operador composicional dentro de las estrategias de

inferencia.

Después que las variables de entrada han sido convertidas a valores de

variables lingüísticas, el paso de inferencia difusa identifica las reglas que se

aplican a cada situación, y mediante el método de MAX/MIN se determina los

valores de la variable lingüística de salida, en el caso que se tenga solo una

salida. El siguiente ejemplo muestra como se aplica este método el cual está

compuesto de dos pasos:

Agregación, que relaciona los antecedentes de las reglas.

Composición, el cual proceda los consecuentes de las mismas

Suponiendo que está controlado un proceso y las variables lingüísticas de

entrada son: “distancia” y “ángulo” y la variable de salida: “potencia”; se pueden

escribir a manera de ejemplo, la siguiente base de reglas con los valores de

pertenencia de las etiquetas que componen los antecedentes de cada una de las

reglas.

Tabla 1.1 Proceso de inferencia

Regla 1 Sí distancia = grande )1()1.0( y ángulo = cero )1()8.0( entonces potencia = positiva-media



Nota: (1) Son valores arbitrarios usados únicamente para ejemplificar la aplicación de los operadores difusos



La parte de la regla 1 combina las condiciones “distancia = media” y “ángulo

= positivo-pequeño”, definiendo la valides de la regla en la situación presente. En

lógica convencional, la combinación de las dos condiciones se puede evaluar

mediante la función Bolena AND. En el caso de la lógica difusa no se puede

utilizar la función boleana AND, porque esta no maneja valores intermedios entre

0 y 1. En este caso se definen conectivos lógicos AND, OR, Y NOT representados

en la tabla 1.2

Tabla 1.2 Operadores lógicos difusos

AND )}(),(min{)( uBuAuBA µµµ =∩

OR )}(),(max{)( uBuAuBA µµµ =∪

NOT

)(1)( uAuA−

−= µµ

Se aprecia, que las reglas 1 y 3 tiene la misma etiqueta de salida, pero

diferentes grados de verdad. En lógica difusa, las reglas que tienen el mismo

consecuente se evalúan mediante un operador OR, representado mediante el

operador matemático “Max”, lo anterior es parte de el método MIN/MAX, llamado

composición, que define los valores difusos de salida, para que posteriormente

sean utilizados en el proceso de defusificacion.

Estrategia de fuzificacionEstrategia de fuzificacionEstrategia de fuzificacionEstrategia de fuzificacion

Su función es de asociar a las entradas con una función de pertenencia

(Figura 1.6, 1.7 y 1.8).

El fusificador transforma la medición del valor deterministico de una variable

en valores subjetivos. En base a esto se distinguen las siguientes funciones:

• Medir los valores de las variables de entrada.



• Hacer una adaptación de escalas de estas variables de entrada en una

serie de normalización

• Asociar a la entrada un valor lingüístico que puede verse como la

pertenencia a un conjunto difuso

Figura1.6 Función gausina Figura 1.7 Función triangular

Figura 1.8 Función trapezoidal

Se determina en qué grado las variables de entrada pertenecen a los

conjuntos difusos a través de su función de pertenencia. Realizando un bloque en

donde tendrá en sus entradas los valores asociados a conjuntos difusos con sus

funciones de pertenencia, para ello se define su conjunto o universo de conjunto

[1]

La cantidad de conjuntos difusos de nuestro universo de discurso es también

una decisión de diseño. Cuanta más cantidad elijamos, mayor poder descriptivo y

flexibilidad tendrá nuestro lenguaje, ya que nuestros conjuntos difusos son las



etiquetas lingüísticas con que nos referiremos a las variables de entada y de

salida. En caso de trabajar con el error valores típicos son positivo pequeño (PP),

negativo mediano (NM), por lo general se suelen elegir entre 2 y 10 etiquetas

lingüísticas para cada variable de entrada o salida. Con respecto a las formas de

las funciones de pertenencia no existen diferencia apreciables, ya que adquieren

la forma deseada, ya sea trapezoidales, triangulares, etc [1].

En base a esto las salidas de nuestro controlador difuso presentaran

números reales, ya que a partir de estos se generaran los valores de tensión,

corriente u otra magnitud física que manejan los actuadores del sistema de control

bajo diseño. Se planeta que el controlador provea una salida para todos los

estados posibles de la planta a controlar. Para ello todas las entradas y salidas del

controlador difuso deben poder vincularse a un controlador difuso y a su vez cada

controlador difuso debe involucrase con el antecedente y consecuente de una

regla [1]

Construcción de las bases de reglasConstrucción de las bases de reglasConstrucción de las bases de reglasConstrucción de las bases de reglas

El controlador ya mencionado trabaja por medio de reglas de tipo “if, then”

que se combinan entre sí para formar un único conjunto difuso de salida. Existen

diferentes alternativas para la resolución de estas reglas, tales como:

Basadas en un modelo difuso del proceso.

Se describe una forma lingüística no solo del proceso de control, sino

también de las características dinámicas a controlar. A partir de este modelo de

obtiene las reglas difusas para controlarlo, con reglas de tipo:

R1: IF s1 is S1 ,i AND s2 is S2 ,i AND s3 is S3 ,i AND…. sp is Sp i

THEN vi= a0i + a1 i s1 +a2 i s2 + ......+ ap i sp

Donde:

Si = entradas



Vi = salidas

s1 i y s2 i = etiquetas lingüísticas

a0i, a1i, a2i = parametros a identificar

Basadas en aprendizaje.

Se basa en el controlador auto-organizador, que está formado por dos

cuerpos de reglas. Uno que hace el control propiamente dicho, y otro a un nivel

supervisor, que exhibe el comportamiento que seguirá un programador humano

mejorando las reglas de control. [1]

La estrategia de control, derivada de la experiencia se expresa mediante el

uso de algoritmos difusos. Las reglas de control pueden ser:

Reglas de evaluación de estado

Este tipo de reglas es el más se utiliza, y en el caso de los sistemas de

entradas múltiples y salida única, toman al siguiente forma:

R1: si x es A1,……… y w es B1 entonces z es C1



R4: si x es An,……… y w es Bn entonces z es Cn

Selección de lógica de toma de decisionesSelección de lógica de toma de decisionesSelección de lógica de toma de decisionesSelección de lógica de toma de decisiones

En base a la selección de reglas a emplear se procede a diseñar una matriz

de inferencia que resume las acciones de control que se tomaran de acuerdo a las

diversas condiciones posibles. El controlador debe generar salidas para cualquier

estado difuso de entrada. Si para todo valor de las variables de entrada y salida

existe un conjunto difuso al que pertenecen y una regla que involucra dichos

conjuntos difusos, generando que el controlador obtenga una salida para cualquier

combinación de entradas, pero sí éste no es el caso, debe incorporarse una regla



que cubra la condición no incluida. Trabajando con al matriz de inferencias, es

difícil dejar fuera situaciones no previstas.

En un controlador difuso las reglas interactúan entre sí, la presencia de una

de ellas altera el comportamiento del conjunto difuso y viceversa. Este conjunto es

el que forma la superficie de control final. Las reglas contradictorias, que propagan

acciones de control opuestas, deben ser eliminadas o reemplazadas en la base de

conocimiento. En un controlador difuso en el que no interviene una gran cantidad

de reglas, la consistencia puede determinarse por simple inspección [1]

Estrategia de defuzificacionEstrategia de defuzificacionEstrategia de defuzificacionEstrategia de defuzificacion

Una vez seleccionadas la reglas se realiza la selección de reglas en la

base, es decir la inferencia, la cual será también un conjunto difuso. Resaltando

que para manejar el actuador es necesario una magnitud no difusa. De igual forma

que la salida del controlador en ocasiones no da salida de tensión necesaria para

hacer funcionar al dispositivo implementado, por lo que es necesario un bloque

que sea capaz de dar una salida determinada la cual representa lo mejor posible

la acción de control deseada.

Básicamente este proceso, en un mapeo de un espacio de acciones de

control difuso definido sobre un universo de discurso de salida, en un espacio de

acciones de control no-difuso, siendo muy importante esta interfaz, ya que la

mayoría de las aplicaciones prácticas de control requiere variables numéricas. De

las estrategias más usadas se pueden mencionar las siguientes:

Método del criterio máximo

Método del promedio máximo

Método de areas



Método del criterio máximo

Da como resultado el punto en el cual la distribución de posibilidades de la

acción de control alcanza el valor máximo.

Método del promedio máximo

Esta estrategia genera una acción de control, la cual es el promedio de todas

las acciones de control cuyos grados de pertenencia alcanzan el valor máximo.

Concretamente en el caso de un universo discreto, la salida de control puede

definirse por medio de la ecuación 1.1.

I

WZ

j

j∑ == 1

10 (1.1)

Donde Wj es el valor central de la etiqueta lingüística “j” para la cual la

función de membrecía alcanza el máximo valor )( jz Wµ y “I” es el número de

etiquetas que alcanzan el valor máximo.

Método del centro de áreas

Se calcula el centro de gravedad de la distribución de salidas de control

difuso para obtener la señal de control, la cual se aplica al sistema a controlar.

Para el caso de un universo discreto, la salida defusificada se puede obtener

mediante la ecuación 1.2.

)(

*)(

110

jz

n

j

jjzzn

j W

WWZ

µµ

== ∑

=∑ (1.2)

Donde n es el número de niveles de cuantificación del universo de salida y

zµ es una función de pertenencia de salida resultante. Este método corta la

función membresía de los respectivos términos lingüísticos, de acuerdo con sus

valores de pertenencia formando áreas nuevas las cuales son sobrepuestas para



formar una sola. Balanceando esta área se obtiene el valor preciso de salida. Lo

anterior se muestra en la figura 1.9

Figura 1.9 Método del centro de área

1.31.31.31.3.3 Conjunto difuso.3 Conjunto difuso.3 Conjunto difuso.3 Conjunto difuso

Es una colección bien definida de elementos, en la que es posible determinar

para un objeto cualquiera, en un universo dado, si acaso este pertenece o no al

conjunto. La decisión, naturalmente, es “si pertenece” o bien “no pertenece” [1].

En un conjunto difuso a cada elemento del universo se le asocia un grado de

pertenencia, que es un número entre 0 y1 a ese conjunto. Un conjunto difuso es

una correspondencia o función que a cada elemento del universo le asocia su

grado de pertenencia. Un conjunto difuso es una función cuyo dominio es el

universo y cuyo contra dominio es el intervalo [0;1]. En tanto el grado de

pertenencia sea más cercano a 1 tanto más estará el elemento en el conjunto y en

tanto el grado de pertenencia sea más cercano a 0 tanto menos estará el

elemento en el conjunto. [1]

Un conjunto, en el sentido intuitivo, posee una función característica: En cada

elemento, la característica vale 1 (“si”) si el elemento esta en el conjunto y vale 0

(“no”) en caso contrario. Todo conjunto intuitivo es en sí un conjunto difuso.



Los conjuntos intuitivos pueden combinarse mediante las operaciones,

llamadas booleanas, de complemento, unión e intersección: El complemento de un

conjunto esta formado por los elementos del universo que no están en el, la unión

de dos conjuntos la forman los elementos que están en uno o en otro conjunto y la

intersección la conforman los elementos en ambos conjuntos.

Si nos referimos a funciones características, se tiene que la característica

del complemento posee el valor opuesto al de la característica del conjunto, la

característica de la unión de dos conjuntos vale uno si al menos una de las

características de los conjuntos vale uno, y la característica de la intersección vale

uno si las características de ambos conjuntos valen uno. Esto da origen a los

operadores de conjuntos difusos. Para cada una de las interpretaciones se puede

introducir una colección particular de operadores. [1]

1.41.41.41.4 Antecedentes del control digitalAntecedentes del control digitalAntecedentes del control digitalAntecedentes del control digital

El control digital se puede fijar como momento inicial los años 50’s donde

aparecen las primeras computadoras dedicadas al control de proceso. Eran muy

grandes en cuanto a volumen, tenían un gran consumo y generalmente su

fiabilidad no era muy grande. En 1956 se instala en la compañía Texaco un

sistema que controla 26 caudales, 72 temperaturas y 3 composiciones. Este

computador realizaba una suma en 1 ms y una multiplicación en 20 ms. Su tiempo

medio entre fallas (TMEF ó MTBF) que mide la fiabilidad de un equipo era de 50 a

100 hs solo para la CPU. Como características de la época se puede decir que no

estaba avanzada aún la implementación de modelos en tiempo real. Lo que se

usaba eran complejos modelos basados en el comportamiento físico del proceso.

Había además un escaso desarrollo en materia de sensores. También se advierte

por ese entonces un fuerte rechazo a la introducción de nuevas tecnologías.

En 1962, en la Imperial Chemical Industries (en Inglaterra) se instala un

control digital con 224 entradas comandando 129 válvulas. Se utiliza por ese



entonces, como argumentación el concepto de Control Digital Directo (CDD o

DDC), es decir que una única computadora controla toda una planta o proceso.

Una suma se hacía en .1 ms y se multiplicaba en 1 ms. El TMEF había ascendido

a unas 1000 hs. Se comenzaba a reemplazar tableros de instrumentos por teclado

y pantallas. Ya se observa una ventaja importante: la fácil reconfiguración del

sistema [2].

En 1965 comienza la era de las mini computadoras. Una mini computadora

típica tenía una longitud de palabra de 16 bits, de 8 a 124k de memoria fija mas

una unidad de disco. Aparecen los circuitos integrados con lo que se reducen

notablemente los costos y los tamaños. Aumenta la velocidad y la fiabilidad: una

suma se ejecuta en 0,002 ms y en 0,007 ms una multiplicación. El TMEF sube a

20000 hs. Ya es posible pensar en aplicar el control digital a proyectos pequeños

con lo que se observa un crecimiento de las aplicaciones de 5000 a 50000 en 5

años. El costo medio de una aplicación (en 1975) es de unos 10000 dólares

llegando el costo total del proyecto a 100000 dólares [2].

En 1975 hacen su aparición las microcomputadoras con un costo medio de

500 dólares y un consumo despreciable. Ahora cambia el concepto del sistema y

se habla de control dedicado es decir dar a cada variable o grupo de ellas un

control específico y personalizado. También en este momento se observa un gran

desarrollo de la teoría de control [2].

Con vistas al futuro se pueden prever avances en varios campos y con

diversos ritmos. Uno de ellos es el propio conocimiento del proceso. Sus

progresos son lentos pero constantes. Se ven potenciados actualmente por la

facilidad en la recolección de datos y su posterior análisis. Asociado a esto están

las técnicas de medición que se sofistican día a día al haber cada vez más

sensores inteligentes incluso que incorporan computadores a bordo.



Quizás el avance más espectacular sea en el terreno de la tecnología de los

computadores. Se observan avances en varias áreas: desarrollos electrónicos en

materia de integración (vlsi), en el dominio de las comunicaciones, en la

presentación de la información, la aparición de nuevos lenguajes y en la

arquitectura propia de los computadores [2].

En cuanto al control avanzado, la teoría de control también prevé adelantos

principalmente en las áreas de identificación de sistemas, algoritmos de control,

optimización, control adaptativo, control inteligente y sistemas multivariables. Pero

ya nunca más se podrá despegar el futuro de esta temática al del avance de los

computadores digitales [2].

1.5 Sistemas de control digital1.5 Sistemas de control digital1.5 Sistemas de control digital1.5 Sistemas de control digital

Es un sistema en donde las señales en una o más partes se encuentran en

forma de trenes de pulsos o códigos numéricos. Los datos muestreados son

señales cuya amplitud esta modulada por pulsos y que se obtienen mediante el

muestreo de las señales analógicas. Con frecuencia, la señal con amplitud

modulada por pulsos está presente en la forma de tres de pulsos, dónde la

información es transmitida por las amplitudes de estos [3].

1.5.1 Elementos básicos de un sistema de control 1.5.1 Elementos básicos de un sistema de control 1.5.1 Elementos básicos de un sistema de control 1.5.1 Elementos básicos de un sistema de control digitaldigitaldigitaldigital

La figura 1.10 presenta los elementos básicos de un sistema común de

control de lazo cerrado con datos muestreados. El muestreador simplemente

representa un dispositivo de operación cuya salida es un tren de pulsos

consecutivos. Ninguna clase de información se transmite entre dos trenes de

pulsos consecutivos. La figura 1.11 ilustra la entrada y la salida comunes de un

muestreador, la señal de entrada continua queda muestreada por el dispositivo y a

la salida es una secuencia de pulsos. En el caso ilustrado, se supone que la



frecuencia de muestreo representan los valores de la señal de entrada, justo en

esos momentos.

El filtro ubicado entre el muestreador y el proceso se utiliza para suavizar la

salida del primeo debido a que la mayor parte de los procesos controlados, están

diseñados para recibir señales analógicas [3].

Figura 1.10 Sistema de control de lazo cerrado con datos muestreados

Figura 1.11 a) Entrada continua al muestreador b) Salida discreta del muestreador

1.5.2 Características del control digital1.5.2 Características del control digital1.5.2 Características del control digital1.5.2 Características del control digital

Como características básicas del control digital se pueden mencionar las

siguientes:

No existe límite en la complejidad del algoritmo. Cosa que sí sucedía

anteriormente con los sistemas analógicos.



Facilidad de ajuste y cambio. Por el mismo motivo anterior un cambio en un

control analógico implica, en el mejor de los casos, un cambio de

componentes si no un cambio del controlador completo.

Exactitud y estabilidad en el cálculo debido a que no existen derivas u otras

fuentes de error.

Uso de la computadora con otros fines (alarmas, archivo de datos,

administración, etc.)

Costo vs. número de lazos. No siempre se justifica un control digital ya que

existe un costo mínimo que lo hace inaplicable para un número reducido de

variables.

Tendencia al control distribuido o jerárquico. Se ha pasado de la idea de

usar un único controlador o computadora para toda una planta a la de

distribuir los dispositivos inteligentes por variable o grupos de estas e ir

formando estructuras jerárquicas [3].

1.5.3 Ventajas del uso de controles digitales1.5.3 Ventajas del uso de controles digitales1.5.3 Ventajas del uso de controles digitales1.5.3 Ventajas del uso de controles digitales

Los sistemas de control digital presentan una serie de ventajas como son una

menor susceptibilidad al deterioro debido al transcurso del tiempo o a factores del

entorno, presenta unos componentes menos sensibles a los ruidos y a las

vibraciones en las señales, tienen una mayor flexibilidad a la hora de programar, o

poseen una mejor sensibilidad frente a la variación de parámetros. En cambio, la

evolución de las computadoras y de sus capacidades de cálculo permite reducir

los inconvenientes que presentan los controladores digitales.

Las variables medidas en el sistema mediante los sensores llegan al

controlador en forma analógica, de modo que en el caso de un controlador digital

es necesario utilizar dos convertidores de señal, uno analógico-digital, que permite

discretizar la señal para que el controlador pueda realizar los cálculos necesarios,

y uno digital analógico para poder convertir las órdenes de control calculadas por



el controlador en señales continuas, de modo que los actuadores puedan ejecutar

los cambios precisos [3].

1.6 Aislante térmico1.6 Aislante térmico1.6 Aislante térmico1.6 Aislante térmico

La eficiencia básica y los factores de productividad de la tubería para la

industria del procesamiento incluyen la eficiencia energética y la fiabilidad bajo

diferentes condiciones, además de la funcionalidad del control de proceso, una

estructura adecuada que sea apta para el ambiente operativo, así como la

durabilidad mecánica. El aislamiento térmico de la tubería tiene un importante

papel en cumplir estos requisitos.

Las funciones del aislamiento térmico correcto de las tuberías incluyen:

• Reducción de las pérdidas de calor

• Ahorros en los costes

• Reducción de emisiones de CO2

• Protección contra heladas

• Control de proceso: garantizar la estabilidad de la temperatura del proceso

• Reducción del ruido

• Prevención de la condensación

• Protección (personal) contra altas temperaturas

En este capítulo se contextualizó la base de la teoría para la realización de

este trabajo de tesis como lo es la lógica difusa y el control digital, en el siguiente

capítulo se abarcará la descripción de la instalación experimental del laboratorio

explicando las características y condiciones de operación con las que cuenta.

CAPÍTULO III DISEÑO DE LOS LAZOS DE CONTROL Y SINTONIZACIÓN DE LOS CONTROLADORES

DISEÑO DE UN CONTROLADOR DIFUSO DE TEMPERATURA PARA LA CALDERA ELECTRICA DEL LABINTHAP

CAPÍTULO IICAPÍTULO IICAPÍTULO IICAPÍTULO II

““““DESCRIPCIÓN DE LA DESCRIPCIÓN DE LA DESCRIPCIÓN DE LA DESCRIPCIÓN DE LA

INSTALACIÓNINSTALACIÓNINSTALACIÓNINSTALACIÓN EXPERIMENTALEXPERIMENTALEXPERIMENTALEXPERIMENTAL””””

CAPÍTULO II DESCRIPCIÒN DE LA INSTALACIÒN EXPERIMENTAL


2.1 Descri2.1 Descri2.1 Descri2.1 Descripción general de pción general de pción general de pción general de del equipo e del equipo e del equipo e del equipo e instrumentacióninstrumentacióninstrumentacióninstrumentación

El diagrama de tuberías e instrumentación de la caldera eléctrica parte de

una instalación de pruebas a intercambiadores de calor compactos se muestra en

la figura 2.1, en donde las líneas de color rojo indican el paso del agua caliente por

la tubería y las de color azul el paso del agua fría.

Su funcionamiento general es suministrar agua caliente a un área de

pruebas físicas, calentando el agua por medio de 4 resistencias eléctricas y

suministrar el agua caliente por medio de tres bombas centrifugas, la parte de

llenado de la caldera esta dado por otra bomba centrifuga que succiona el agua de

un tanque de almacenamiento.

El funcionamiento de la caldera es demasiado lento al obtener la

temperatura que se desea, la cual es de 85 ºC con un error de 1 ºC, pero las

resistencias como se encienden y se apagan de forma manual, causan una

pequeña inestabilidad en el sistema, ocasionando que la temperatura del agua a la

en la salida de la caldera tenga una variación considerable.

El suministro del agua caliente al intercambiador de calor proveniente de la

caldera se lleva a cabo por medio de bombas centrifugas, en donde el principal

problema, dependientemente del control de temperatura del agua a la salida de la

caldera, es el tiempo de retardo que existe, ya que al circular el agua por medio de

la tubería por una distancia aproximada de 10 m se pierde gran parte del calor,

este problema se piensa corregir utilizando un aislamiento térmico en la tubería.

No se cuenta con un sistema de control de temperatura adecuado para la

caldera, ya que esto se lleva acabo energizando y desenergizando de corriente

eléctrica a las resistencias a tal grado de que existe un error entre 5° C y 6° C, es

por esto que existe una inexactitud al momento de realizar las pruebas físicas.



Figura 2.1 Representación del DTI de la instalación de la caldera eléctrica



2.1.1 2.1.1 2.1.1 2.1.1 SiSiSiSistema eléctrico de potencia ystema eléctrico de potencia ystema eléctrico de potencia ystema eléctrico de potencia y controlcontrolcontrolcontrol

Este sistema esta compuesto por el motor eléctrico, un variador de velocidad,

dos bancos de resistencias eléctricas y el panel de control, los cuales se describen

a continuación.

El motor eléctrico acciona un ventilador centrífugo para proporcionar aire a la

zona de pruebas, la instalación cuenta con un motor de corriente continua, con

una carga de 11.5 KW (15.4 HP) de potencia, 60 Hz. De frecuencia, velocidad

máxima de rotación de 3000 r.p.m. a 330 V (datos tomados de placa del motor),

como se muestra en la figura 2.2.

El motor es controlado electrónicamente por un variador de velocidad que

facilita la operación del mismo, ya que es posible variar de 100 en 100 r.p.m. su

velocidad.

Figura 2.2 Motor eléctrico con el ventilador acoplado



El ventilador es de tipo centrifugo acoplado al motor, es el que produce el

flujo de aire, que conducido por la tubería de conexión, entre la descarga del

ventilador y la sección de pruebas llega al radiador. En la succión del ventilador se

localiza un banco de resistencias eléctricas que pueden calentar el aire si así se

requiere en la prueba.

Este banco de resistencias tiene un control de temperatura y, con él se

puede calentar el aire desde temperatura ambiente hasta 60 ºC, como se muestra

en la figura 2.3.

Figura 2.3 Ventilador y banco de resistencias

La figura 2.4 muestra otro banco de resistencias, siendo este el

funcionamiento eléctrico de la caldera, el cual es por medio de 4 resistencias

eléctricas que están conectadas en paralelo, se encargan del calentamiento

adecuado e idóneo del agua de la caldera, a este banco es al que se diseñara el

control de temperatura y monitoreo basado en la lógica difusa.



Estas resistencia poseen una carga de 13 KW cada una, las cuales están

ubicadas en la parte inferior de la caldera aunque el gran defecto existente en este

tipo de calderas es que la temperatura se eleva rápidamente si no existe ningún

tipo de control, puede llegar a elevar la temperatura a mas de 90 ° C, en un tiempo

demasiado corto y provocar la ebullición del agua, lo cual ya no serviría para la

realización de las pruebas físicas del laboratorio, además de existir el riesgo de

una explosión por la presión de vapor que existiría.

Figura 2.4 Banco de resistencias para el calentamiento del agua

En el panel de control se encuentran los botones de arranque y paro del

motor del ventilador, encendido y apagado de los bancos de resistencias y

bombas del sistema hidráulico, así como la variación de las condiciones de

prueba; todo esto se hace de forma manual, ver la figura 2.5.



Figura 2.5 Tablero de control

2.1.2 Sistema hidráulico2.1.2 Sistema hidráulico2.1.2 Sistema hidráulico2.1.2 Sistema hidráulico

El circuito hidráulico como se muestra en la figura 2.6a y 2.6b, consta de un

tanque de almacenamiento, caldera eléctrica, bombas y una red de tuberías cuyo

funcionamiento se describe a continuación.

El circuito hidráulico simula al sistema de enfriamiento de un motor de

combustión interna, funcionando de la siguiente forma: el agua llega a la caldera

de 700 mm de diámetro y 2000 mm de altura, por medio de una bomba centrifuga

de ¼ HP.



Figura 2.6a Representación de la caldera y tanque de almacenamiento

Figura 2.6b Representación del equipo de bombeo



El sistema de suministro de agua caliente está dado por dos bombas

conectadas en paralelo de 3450 rpm, 2 HP, con una tensión de 220- 440 V, y

corriente eléctrica de 6.1 A. como se muestra en la figura 2.7.

Las cuales suministran el flujo de la caldera y lo dirigen al intercambiador de

calor, este tipo de arreglo de bombas se utiliza cuando se requiere un flujo mayor

a presión constante.

Existen 2 bombas mas, una en la parte inferior de la caldera, la cual esta

implementada para el uso de flujos a menor presión y posee las siguientes

características: 1/ 4 HP, 127 v, 60 Hz. La última bomba solo se implementa para el

llenado de la caldera, esta bomba toma el agua de un contenedor para dirigirlo a la

caldera. Dicha bomba posee características: 1/ 4 HP, 127 v, 60 Hz.

Figura 2.7 Representación del área de suministro de agua caliente.



En la figura 2.7 se observa que la etapa de suministro de agua caliente, la

salida de agua de las bombas está controlado por válvulas de globo, esto es para

regular el flujo deseado para suministrar, en el cual existe una gran pérdida de

energía en las bombas, ya que estas se encuentran trabajando a su máxima

capacidad cuando a veces solo se requiere un flujo menor, la válvula que se

observa en la parte superior es la que se encarga de realizar la purga de las

bombas.

El flujo de agua caliente que llega al intercambiador de calor es controlado

manualmente por válvulas de globo, colocadas en la tubería de distribución y

medido por medio de un rotámetro graduado con un rango de medición de 80

l.p.m a 280 l.p.m o de 20 g.p.m a 70 g.p.m, colocado en la entrada del

intercambiador de calor, tal como se muestra en la figura 2.8.

Figura 2.8 Rotámetro en la entrada del radiador y Válvulas de globo

El recorrido del fluido de proceso se muestra en la figura 2.9. El fluido de

proceso es agua que se encuentra en la caldera. El agua se calienta por medio de

4 resistencias eléctricas hasta llegar a una temperatura alrededor de los 85 ºC,

esta es impulsada hacia el radiador por medio de dos bombas de 2 HP.



El fluido pasa a través de un arreglo de válvulas para regular la cantidad de

flujo que entra al radiador. El fluido continua su paso, antes de internarse en el

radiador, la temperatura es medida al igual que la presión, con la finalidad de

monitorear y conocer a que temperatura y presión entra dicho fluido. Una vez que

el fluido abandona el radiador, la temperatura y la presión es medida nuevamente;

y finalmente regresa a la caldera.

Figura 2.9 Recorrido del fluido del proceso



2.1.2 2.1.2 2.1.2 2.1.2 Sistema de aireSistema de aireSistema de aireSistema de aire

Esta parte del laboratorio cuenta con un túnel de viento, en donde el

ventilador le proporciona el flujo de aire al túnel de viento a través de un

acoplamiento con dos tubos Vénturi para la medición del flujo volumétrico del aire.

A continuación de los tubos Vénturi se encuentra una zona de pruebas para

radiadores de automóvil, que es un tanque de acero inoxidable donde se realizan

las pruebas a este tipo de intercambiadores de calor.

Este túnel cuenta con un panel de control en el que se regula la velocidad del

ventilador a través de un variador de velocidad y por medio de un tacómetro

instalado en este panel que indica las revoluciones a la cual está operando el

ventilador, arranque y paro de bombas.

La instalación cuenta con un suministro de aire a presión que, a través de

una tubería y válvulas de control accionan los sellos neumáticos que se

encuentran en las bridas de la descarga del ventilador y de los tubos venturi y,

entre los tubos Venturi y la entrada de la zona de pruebas, como se observa en la

figura 2.10a y 2.10b. También se tiene un sello neumático en el bastidor que

sujeta al radiador para hermetizar todo el circuito de aire, eliminando así fugas.

Figura 2.10a Representación física del túnel de viento para pruebas a radiadores de automóvil.



ZONA DE PRUEBAS

VENTILADORTUBOS VENTURI

MOTOR ELECTRICO

Figura 2.10b Túnel de viento para pruebas a radiadores de automóvil.

2.22.22.22.2 IIIInstrumentación existentenstrumentación existentenstrumentación existentenstrumentación existente

Tanto el circuito neumático como el circuito hidráulico están instrumentados

de la siguiente manera:

Se cuentan con dos manómetros tipo Bourdon, con estos instrumentos se

mide la presión del fluido a la entrada y salida del radiador; además de monitorear

si existe caída de presión durante la prueba de funcionamiento del radiador, de

igual forma se muestra la instalación de un sifón para evitar daños al instrumento

cuando existan presiones elevadas.

También se cuenta con dos elementos sensores de temperatura (Termopar

tipo J con un rango de medición de -100 a 260º C) utilizados para sensar la

temperatura de entrada y salida del fluido en el radiador. Como se muestra en la

figura 2.11 se tiene un arreglo de la instalación de estos instrumentos de medición

y presión.



Figura 2.11 Manómetro tipo Bourdon y termopar tipo J

Conociendo las condiciones de operación del sistema y las bases de la

lógica difusa en el siguiente capítulo se contextualiza el desarrollo de todo el

sistema de control de temperatura y monitoreo basado en la lógica difusa, se

podrá apreciar a detalle la programación del controlador.

CAPÍTULO III DISEÑO DEL SISTEMA DE CONTROL BASADO EN LA LOGICA DIFUSA


CAPÍTULO IIICAPÍTULO IIICAPÍTULO IIICAPÍTULO III

““““DISEÑO DEDISEÑO DEDISEÑO DEDISEÑO DEL L L L SISTEMA DE CONTROL BASADO EN SISTEMA DE CONTROL BASADO EN SISTEMA DE CONTROL BASADO EN SISTEMA DE CONTROL BASADO EN

LA LOGICA DIFUSA Y SELECCIÓN DEL AISLANTE LA LOGICA DIFUSA Y SELECCIÓN DEL AISLANTE LA LOGICA DIFUSA Y SELECCIÓN DEL AISLANTE LA LOGICA DIFUSA Y SELECCIÓN DEL AISLANTE

TETETETERMICORMICORMICORMICO””””



3.13.13.13.1 Calculo de la perdida de calor en la tuberíaCalculo de la perdida de calor en la tuberíaCalculo de la perdida de calor en la tuberíaCalculo de la perdida de calor en la tubería

Existe una transferencia de calor por convección de la temperatura dentro de

la tubería que es el agua caliente transportada, con respecto a la superficie fuera

de la tubería, tomando como temperatura ambiente para el análisis 20 ºC. Donde

existe una pérdida de temperatura de 5°C aproximada mente desde que sale de la

caldera hasta que llega a la toma de medida al intercambiador de calor compacto.

Esta temperatura es energía desperdiciada por lo cual se instalará un aislante

térmico en la tubería para tener la menor perdida de calor posible.

Para esto se calculará la perdida de calor que se tiene en la tubería sin

aislante y se comparará con la perdida de calor obtenida ya con el aislante

instalado.

Para el análisis se aplicara la ecuación 3.1 de la transferencia de calor por

convección.

� � � � �� (3.1)

Donde;

Q = Perdida de calor en w

h = Coeficiente convectivo ( �

��)

A = Área de la tubería (��)

��

�� !��

El único parámetro que se desconoce es h el cual para obtenerse se tiene

que seguir ciertos cálculos a continuación se presentan.

Ecuación 3.2 coeficiente de expansión térmica (β)

" � ��# �$� (3.2)



Donde

�% � ��= 20°C = 293.15 K

& � 1293+ � 3.41 . 1001

Ahora con la ecuación 3.4 se obtiene el número de Grashof para poder

obtener el número de Raleigh

23 � 4 56 " �7 (3.4)

Donde;

g = gravedad=9.81 m/8�

� � � �� 2¨ � 0.0508�

& � 3.41 . 1001

� � 65°<

= � viscosidad cinematica del aire � 1.005 . 100K��/8

MN � 9.81 � 0.05081 � �3.41 . 1001� � 65�1.005 . 100K�� 282.23

Para obtener el número de Raleigh se utiliza la ecuación 3.5

OP5 � 23 Q3 (3.5)

Donde;

MN � 282.23 . 10K

RNS �ù�� Prandtl a temperatura ambiente � 7.02

YZ[ � �282.23 . 10K�7.02 = 1981.25. 10K



Obtenido el número de Raleigh, mediante la ecuación 3.6 se obtendrá el

número de Nuuselt

\] � ^. _ OP5^._ (3.6)

Donde;

YZ[ � 1981.25. 10K

`� � 0.5�1981.25 . 10K�a.�b =105.48

Con el valor del número de Nuuselt y la ecuación 3.7 se despejara h y se

obtendrá el valor deseado.

\] � ��5c#

(3.7)

Despejando h se obtiene la ecuación 3.8

� � \]�c#5 (3.8)

Donde:

d = diámetro de la tubería = 0.0508m

d% � e��e� = �� é�� e� � �� 59.9 . 100�fg � +h i Nu =105.48

j � �ab.kl�bm.m.�an�o p�2 +q

a.abal = 1243.75 o p�2 +q



Obtenido el parámetro del coeficiente convectivo en la ecuación 3.1 se

sustituirán los parámetros para obtener la perdida de calor de la tubería en Watts.

r � 1243.75 p�� + � 1.59�� 358.15 + 293.15 +� � 128.541KW

3.2 3.2 3.2 3.2 Selección del aislante térmico para la tuberíaSelección del aislante térmico para la tuberíaSelección del aislante térmico para la tuberíaSelección del aislante térmico para la tubería

Se realizó la selección de este aislante debido a las siguientes circunstancias

y cualidades del aislante, ya que se propone la instalación de este para evitar la

pérdida de calor que existe en el agua al pasar por la tubería, así mismo como se

tiene un ahorro de energía en el sistema.

• Máxima eficiencia térmica (Baja conductividad térmi ca)

Este aislante garantiza la menor pérdida de calor del sistema, esto quiere

decir que se tiene un ahorro de la energía y se tiene un proceso más eficiente ya

que el calor que disminuía el agua durante el tiempo de residencia en la tubería se

extingue y se tienen pruebas más exactas.

• Resistencia a la vibración

A pesar de existir vibraciones en la tubería no se tiene asentamiento a los

equipos, por lo cual al conservar su forma original se garantiza uniformidad en la

conductividad térmica.

Así mismo este tipo de aislante no se expande ni se contrae a pesar de estar

expuesto a cantidades de temperatura variables.

• No es flaméable

Sus componentes no combustibles evitan un riesgo de propagación de fuego

debido a los materiales con los que esta compuesto este aislante es inorgánico e

inodoro, gracias a esto no favorece la formación de hongos ni bacterias, con lo



cual se tiene un ambiente de trabaja mas confiable y seguro para los alumnos que

realicen las practicas .

• Bajo mantenimiento y larga duración

Debido a que esta fabricado de fibra de vidrio se caracteriza por tener una

larga duración, por lo que los gastos de mantenimiento serán mínimos y con una

instalación adecuada la reposición del aislamiento será en un largo plazo, además

de que es muy resistible a los golpes que puedan ser ocasionados por algún

tropezón de algún alumno o cualquier otro tipo de choques.

Se seleccionará el aislante para tubería Fiberglas que se muestra en la figura

3.2 que son ideales para temperaturas de hasta 121°C con una pérdida de calor

de 36.72 W/m. con un espesor del aislante de 1” (ver el anexo A). Con esto se

sabe que la perdida de calor en Watts en la tubería de 10 metros será de 367.2W

Figura 3.1 Aislamiento seleccionado para la tubería

3.33.33.33.3 Diseño del sistema de contrDiseño del sistema de contrDiseño del sistema de contrDiseño del sistema de control basado en la lógicaol basado en la lógicaol basado en la lógicaol basado en la lógica difusdifusdifusdifusaaaa

Para el diseño se partió de las bases de la lógica difusa mencionadas en el

capitulo y se siguieron los pasos que se muestran a continuación.



3.3.13.3.13.3.13.3.1 Selección de las variables de entrada y salidaSelección de las variables de entrada y salidaSelección de las variables de entrada y salidaSelección de las variables de entrada y salida

Para la realización del modelo difuso se partió del proceso de inferencia, por

lo cual lo primero que debe hacerse es identificar las variables involucradas en el

proceso que describieran más adecuadamente la dinámica del sistema.

Esencialmente el sistema cuenta con una variable principal que es la

temperatura, a partir de esta se obtienen dos variables de entrada, las cuales son

temperatura medida y temperatura deseada. Esta variable se eligió debido a que

la temperatura es la variable de mayor importancia en un intercambiador de calor,

nos permite conocer la temperatura que se encuentra dentro del sistema, de igual

forma el calor que produce cada resistencia de la caldera. El valor de ésta variable

es obtenido a través de mediciones realizadas directamente en el proceso.

Una vez definida las variables de entrada se continuó con darle una

asignación lingüística, esto no es otra cosa más que asignarles un adjetivo que

represente la condición o estado de las variables. Debido al comportamiento de la

temperatura del sistema se eligieron cuatro:

� Ambiente

� Sección 1

� Sección 2

� Sección 3

Una vez que se asignaron estos estados, es necesario determinar los

intervalos de operación de cada uno de estos para cada variable de entrada del

sistema, esto se refleja dentro de la tabla 3.1.



Tabla 3.1 Intervalos de los estados de las variables de entrada

Variable Ambiente Sección 1 Sección 2 Sección 3

Temperatura

medida (ºC)

5-25 25-50 55-70 70-85

Temperatura

deseada (ºC)

5-27 27-54 50-85 85-90

Continuando con el método de inferencia se prosigue a la asignación de las

salidas del sistema, en el caso del presente trabajo se eligió solamente una salida,

esta salida representa el comportamiento de la salida del sistema de manera

cuantitativa, es por ello que se asignaron los siguientes estados que definen la

salida del sistema.

� Desactivado: Se define cuando las condiciones de la temperatura medida

es mayor a la temperatura deseada en el estado ambiente.

� Resistencia 1, 2, 3: Se presenta cuando los valores de la temperatura

medida es menor a los de la temperatura deseada.

� Resistencia 4: Se presenta solo en el caso en que se desee una

temperatura por encima de los 85 °C

3.3.2 Sele3.3.2 Sele3.3.2 Sele3.3.2 Selección de las funciones de membrcción de las funciones de membrcción de las funciones de membrcción de las funciones de membreeeessssíaíaíaía

Las funciones de membrecía deben de describir el grado de verdad que se

tenga de la variable con respecto a su magnitud y estado deseado, es por ello que

la selección de estas deben de ser determinada en base esa relación. En la figura

3.2 se observan las funciones de membrecía elegidas para la temperatura medida.



Figura 3.2 Funciones de membresía para la temperatura medida

En base al estudio se llego a la conclusión que para calentar este volumen

de agua a 85 ºC que se ocuparan para estas pruebas, bastaría utilizar solo tres

resistencias ya que es suficiente, sin embargo se incluyó en el programa la cuarta

resistencia para en caso que se desea elevar la temperatura por demás de los 85

ºC, aclarando que lo máximo que se puede elevar son a 90 ºC para evitar

evaporación del agua o cuando haya más volumen de agua dentro de la caldera.

Se seleccionaron las formas triangulares para las temperaturas de las tres

secciones ya que es en donde se encenderán las resistencias debido a su

pendiente, de esta manera se define que el comportamiento de ésta variable será

lineal dentro del modelado difuso y la forma trapezoidal se utilizo para la

representación de la temperatura ambiente, la cual nos indica que en ese lapso

no estará encendida ninguna resistencia. De esta manera el criterio de selección

para el estado ambiente parte de que para el sistema el grado de verdad máximo

de esta condición se presenta cuando la temperatura es 10º C y se mantiene

hasta 20º C, y de aquí va decreciendo de manera lineal conforme va creciendo su

magnitud hasta que su grado tenga el valor de cero, lo que sucede cuando se

llegan a los 25º C.

La función de membresía del estado de Sección 1 parte de un grado de

verdad cero, cuando se tiene un valor de 25º C que es en donde se encienden las



tres resistencias, de este punto va creciendo hasta alcanzar su valor máximo

cuando se llega a los 50º C y decrece hasta cero para apagar la primera

resistencia.

La función de membrecía del estado de Sección 2 parte de un grado de

verdad cero, cuando se tiene un valor de 50º C, de este punto va creciendo hasta

alcanzar su valor máximo cuando se llega a los 70º C y decrece hasta cero para

apagar la segunda resistencia.

La función de membrecía del estado de Sección 3 parte de un grado de

verdad cero, cuando se tiene un valor de 70º C, de este punto va creciendo hasta

alcanzar su valor máximo cuando se llega a los 85º C y decrece hasta cero para

apagar la tercer resistencia.

En la tabla 3.2 se describen de manera resumida las formas y los valores de

los intervalos de cada una de las funciones de membrecía para las temperaturas.

Tabla 3.2. Datos de las funciones de membrecía de las temperaturas

Variable Función de membresía Intervalo

Temperatura Ambiente (ºC) Trapezoidal 5-30

Temperatura Sección 1 (ºC) Triangular 25-50



En el caso de la temperatura deseada, sus funciones de membresía se

muestran en la figura 3.3 y sus características en la tabla 3.3. Estas funciones son

muy similares a las de la temperatura del sensor, se diferencian principalmente ya

que aquí se realizó por medio de las ecuaciones para saber la relación que existe

entre el calor que aportan las resistencias y la temperatura que generan la cual

son 27 ºC, cada resistencia para el volumen especificado de 400 L.



La función de membresía del estado de ambiente parte de un grado de

verdad cero cuando se tiene un valor de 5 ºC y es aquí donde encienden las tres

resistencias, alcanza su valor máximo de verdad cuando se llega a los 27 ºC y

decrece hasta cero para apagar la primera resistencia. La función de membresía

del estado de Sección 1 parte de un grado de verdad cero cuando se tiene un

valor de 27 ºC, de este punto va creciendo hasta alcanzar su valor máximo

cuando se llega a los 54 ºC y decrece hasta cero para apagar la segunda

resistencia.

La función de transferencia del estado Sección 2 parte de un grado de

verdad cero cuando se tiene un valor de 50 ºC, de este punto va creciendo hasta

alcanzar su valor máximo cuando se llega a los 85 ºC y decrece hasta cero para

apagar la tercer resistencia. Por último la función de membresía del estado

Sección 3 tiene una forma rectangular y alcanza su valor máximo de verdad a los

85 ºC y se mantiene así hasta los 100 ºC, esto solo se utiliza cuando en el punto

de consigna se desee una temperatura mayor a los 85 ºC

Figura 3.3 Funciones de membresía para la temperatura deseada

La tabla 3.3 mostrada a continuación es un resumen de las funciones de

membrecía para la temperatura deseada.



Tabla 3.3 Características de las funciones de membresía de temperatura deseada

Variable Función de

membresía

Intervalo

Temperatura Ambiente (ºC) Triangular 0-27 Temperatura Sección 1 (ºC) Triangular 27-54 Temperatura Sección 2 (ºC) Triangular 50-85 Temperatura Sección 3 (ºC) Rectangular 85-100

El paso siguiente en el proceso del modelado difuso es la selección de las

funciones de membresía de la salida, como el objetivo del controlador difuso es

resaltar el numero de resistencias de la caldera eléctrica se determino un intervalo

de valores de 0 a 5 para las funciones. Estas funciones se eligieron como

triangulares con el fin de tener una distribución equitativa entre ellas y de esta

manera obtener una salida uniforme, solo la función desactivado se represento

como linear. Estas funciones se muestran en la figura 3.4.

Figura 3.4 Funciones de membresía de la salida del sistema

La distribución de las funciones de membresía de la salida se muestra en la

tabla 3.4. Dichas distribuciones representan los 5 posibles estados de las



resistencias, el código de colores se muestra en la figura 3.4, al tratarse de una

cualidad los valores asignados no son de relevancia.

Tabla 3.4 Características de los valores de las funciones de membrecía de la salida

Variable Función de membre sía Intervalo

Desactivado Linear 4-5 Resistencia 1 Triangular 0-1 Resistencia 2 Triangular 1-2 Resistencia 3 Triangular 2-3 Resistencia 4 Triangular 3-4

Con esta parte se concluyó la selección de las variables de entrada y de

salida del sistema, así como las funciones de membrecía propias para cada una

de ellas por lo cual se prosiguió a la definición de las reglas lingüísticas.

3.3.3.3.3.3.3.3.4 Definición de las reglas lingüísticas4 Definición de las reglas lingüísticas4 Definición de las reglas lingüísticas4 Definición de las reglas lingüísticas

Para la definición de las reglas lingüísticas se crearon una serie de tablas

en las que se muestra cada una de las variables así como sus estados. Cada una

de las condiciones representan una función de membresía y como el sistema

cuenta con 2 variables de entrada y una salida es necesario marcar un método de

inferencia para poder unirlas, es por ello que se eligió la operación mínimo (AND)

para unir cada una de las variables y de esta manera obtener una salida adecuada

del sistema. Estas tablas se muestran en la tabla 3.5.

Tabla 3.5. Método de inferencia de las variables.

Temperatura medida AND Temperatura Deseada

Ambiente min Ambiente

Sección 1 min Sección 1





Para obtener una regla lingüística a partir de las tablas anteriores, se utilizó el

conector AND (y), de esta manera se conjuntaron las 2 variables de entrada en

cualquiera de sus posibles estados con la salida. La salida de cada posible

combinación de las reglas está determinada en base al conocimiento y la

experiencia que se tiene acerca del sistema. A continuación se muestran algunas

posibles salidas del sistema:

1. Si la “temperatura medida” es igual al ambiente y la “temperatura deseada”

es igual al ambiente entonces el “estado” es Resistencia 1.

2. Si la “temperatura medida” es igual a Sección 1 y la “temperatura deseada”

es igual a Sección 2 entonces el “estado” es Resistencia 2.

3. Si la “temperatura medida” es igual al ambiente y la “temperatura deseada”


4. Si la “temperatura medida” es igual a Ambiente y la “temperatura deseada”


5. Si la “temperatura medida” es igual a Sección 1 y la “temperatura deseada”

es igual a Ambiente entonces el “estado” es Desactivado.

Lo que representan cada una de estas reglas es la forma en la que

interactúan entre si las variables para definir el comportamiento del sistema,

refiriéndose a las primeras cuatro reglas, en ellas, la variable temperatura

deseada sobrepasan los valores de la variable temperatura medida por lo cual

manda a encender las resistencias.

En cambio si se analiza la regla 5, en ella se presentan condiciones inversas

en las cuales el valor de la variable temperatura deseada es inferior al valor de la

variable temperatura medida, siendo esta combinación la que determine la

condición de permanecer las cuatro resistencias desactivadas.

En base a las combinaciones posibles se obtuvieron un total de 16 reglas

lingüísticas que determinan el comportamiento del sistema, dichas reglas se



encuentran descritas en el anexo B. Las reglas mencionadas anteriormente son

las que determinarán la salida del controlador.

3.3.5 Superficies de control3.3.5 Superficies de control3.3.5 Superficies de control3.3.5 Superficies de control

Las superficies de control dentro de la lógica difusa son aquellos conjuntos

de valores en los cuales se es posible tener una acción de control. Estas

superficies representan la interacción de todas las variables de entrada para la

obtención de una salida. Como el sistema sobre el que se trabajo se trata de

tercer orden (2 variables de entrada y 1 de salida) es posible analizar las

superficies en tres dimensiones. En la figura 3.5 se muestra la superficie de control

para la relación Temperatura medida-Resistencias.

Figura 3.5 Superficie de control de la relación Temperatura medida-Resistencia. Azul: Ambiente; Verde: Sección 1; Naranja: Sección; Rosa: Sección 3

Como se muestra en la figura anterior las superficies cuentan con un código

de colores, cada superficie cuenta con un color, estos colores representan un

estado de la salida, y para que esta salida tenga un valor debe de existir una

relación de valores entre las variables. Dentro de las superficies se encuentra un

color verde que significa incertidumbre, esta incertidumbre son los valores

intermedios entre cada salida. Estos valores son aquellos que se encuentran entre

las fronteras de cada función de membresía de la salida, son llamados también



valores de transición. El hecho de que sean puntos de incertidumbre no significa

que sean despreciables si no que son puntos en los que la acción de control es

incierta.

A su vez la forma que tiene la superficie de control se debe generar a partir

de la relación que se tiene de las variables de entrada con las de salida, si esta

relación fuese muy estricta, las superficies tendrían una forma más recta y

uniforme, pero al tener una relación un poco más flexible (superposición) se

generan superficies de forma más variada. En la figura 3.6 se muestra la superficie

de control para la relación de Temperatura medida-deseada-Resistencias.

Figura 3.6 Superficie de control de la relación Temperatura medida-deseada-Resistencia. Azul: Ambiente; Verde: Sección 1; Naranja: Sección 2; Rosa: Sección 3

3.3.63.3.63.3.63.3.6 Diseño de la interfazDiseño de la interfazDiseño de la interfazDiseño de la interfaz

Para la realización de la interfaz se utilizó como base el modelo difuso creado

con anterioridad, bajo el nombre de modelof.fs, anexo al presente trabajo.

El motivo de la creación de una interfaz es para poder visualizar de una

manera mas cómoda para el usuario el comportamiento de las variables del



sistema (temperatura medida y temperatura deseada) así como de poder tener

una notificación del estado del encendido y apagado de las resistencias ya sea

para realizar alguna acción de control o simplemente tener un registro del

comportamiento del sistema.

El panel frontal del usuario se muestra en la figura 3.7. En esta figura se

aprecia la presencia de señalizaciones luminosas para la representación del

estado del sistema en cada para cada resistencia, un indicador de temperatura, el

cual pertenece a la temperatura medida por el termopar, además cuenta con al

representación de la grafica de la temperatura, en la que viene incluida la

temperatura medida y temperatura deseada para observar su funcionamiento. A

su vez se cuenta con una perilla que permite regular la selección de la

temperatura deseada y otra en donde se simula el incremento de la temperatura

medida.

Figura 3.7 Panel frontal de la interfaz



3.3.7 Programación de la interfaz grafica3.3.7 Programación de la interfaz grafica3.3.7 Programación de la interfaz grafica3.3.7 Programación de la interfaz grafica

La programación de la interfaz cuenta internamente con una estructura de

casos, en el que se ejecutan las reglas lingüísticas que se necesitaron para que el

controlador difuso pudiera realizar el control sobre las cuatro resistencias de la

caldera, se utiliza básicamente solo para ingresar las posibles combinaciones que

existen como se muestra en la figura 3.8.

Figura 3.8 Representación del bloque de la estructura de casos

La estructura que se observa en la figura 3.9 solamente es el llamado y

transmisión de datos a una subrutina, también conocidas como subVI’s (sub

instrumento virtual), la cual en su interior se encarga de realizar todo lo

mencionado anteriormente. Internamente la subrutina debe de llamar al modelado

difuso creado con anterioridad a través de la secuencia mostrada en la imagen

3.9. Si bien cuando se realizo la programación del modelado difuso se determina

prácticamente todo el proceso de inferencia, es necesario realizar este llamado

para poder asignarle valores a las variables, así como también para obtener una

salida del sistema.



Figura 3.9 Llamado del modelo difuso

Por último para que en el panel frontal aparezca la grafica del

comportamiento de la temperatura, así como la perilla para poder simular la

temperatura que se está midiendo, se utilizó un graficador tipo chart y para la

perilla que represente la temperatura medida se utilizo el bloque para que de igual

forma aparezca el indicador, en la figura 3.10 puede observarse esta parte del

programa y en la figura 3.11 se muestra el programa completo de la interfaz

hombre-máquina, en el cual todo lo descrito anteriormente se encuentra en un

lazo while para que este en un ciclo.

Figura 3.10 Representación del programa de la interfaz de impresión de graficas y

reglas lingüísticas

CAPÍTULO III DISEÑO DEL CONTROLADOR DIFUSO

DISEÑO DE UN CONTROLADOR DIFUSO DE TEMPERATURA PARA LA CALDERA ELECTRICA DEL LABINTHAP 57

Figura 3.11 Representación del programa de la interfaz

CAPITULO IV CAPITULO IV CAPITULO IV CAPITULO IV

““““RESULTADOS Y ANALISISRESULTADOS Y ANALISISRESULTADOS Y ANALISISRESULTADOS Y ANALISIS””””

CAPÍTULO IV ANALISIS DE RESULTADOS Y ESTUDIO ECONOMICO


El presente capitulo abarca la obtención de resultados del sistema de control

difuso desarrollado en el capítulo 3, así como el análisis de estos resultados. Para

ello se analizarán los cinco estados posibles del sistema (Desactivado,

Resistencia 1, Resistencia 2, Resistencia 3 y Resistencia 4) utilizando como base

los datos de trabajo del sistema los cuales son 85 ºC máximo con un volumen

dentro de la caldera de 400L. Además cabe mencionar que todas las pruebas se

realizaran con base a las reglas lingüísticas.

4.14.14.14.1 Banco de resistencias DesactivadoBanco de resistencias DesactivadoBanco de resistencias DesactivadoBanco de resistencias Desactivado

De acuerdo con las reglas lingüísticas, el banco de resistencias se

encontrara desactivado cuando el valor de la temperatura medida se encuentre en

el intervalo de la sección 1, que es entre 25 ºC y 50 ºC y que a su vez el valor de

la temperatura deseada se encuentre en el intervalo de temperatura ambiente el

cual es de 5 ºC a 25 ºC, utilizando los valores que se encuentran en la tabla 4.1

para realizar la prueba. La función de las resistencias se puede observar en la

figura 4.1.

Tabla 4.1. Valores propuestos para la realización de las pruebas

Variable Valores propuestos Intervalo

Temperatura Medida (ºC) 38 25-50

Temperatura Deseada (ºC) 20 5-25

CAPÍTULO IV RESULTADOS Y ANALISIS


Figura 4.1 Pantalla de la interfaz para el estado Desactivado

4.4.4.4.2 Activación Resistencia 12 Activación Resistencia 12 Activación Resistencia 12 Activación Resistencia 1

De acuerdo con las reglas lingüísticas para realizar la prueba de la

activación de la resistencia uno, se da cuando el valor de la temperatura medida

se encuentre en el intervalo de la sección 1, que es entre 25 ºC y 50 ºC y que a su

vez el valor de la temperatura deseada se encuentre en el intervalo de la sección

1, el cual es de 27 ºC a 54 ºC se tomaron como valores los representados en la

tabla 4.2. La función de la activación de la resistencia se puede observar en la

figura 4.2

Tabla 4.2. Valores propuestos para la realización de las pruebas de Resistencia 1






Figura 4.2 Pantalla de la interfaz para el estado Resistencia 1








figura 4.3















figura 4.4.








4444....5 Activación Resistencia 45 Activación Resistencia 45 Activación Resistencia 45 Activación Resistencia 4

Para realizar la prueba de la activación de la resistencia cuatro, se tomaron

como valores los representados en la tabla 4.5, además de que solo existe una

regla en la cual se encienda la cuarta resistencia y esta es cuando se quisiera

elevar por demás de los 85ºC el agua sin sobrepasar los 90 ºC. La función de la

activación de la resistencia se puede observar en la figura 4.5








4.64.64.64.6 Programación de tProgramación de tProgramación de tProgramación de tareas realizadasareas realizadasareas realizadasareas realizadas

Para determinar el presupuesto requerido por la ingeniería desarrollada, se

elaboro la Tabla 4.6, en donde muestra las actividades realizadas y el tiempo de

duración de las mismas.

Tabla 4.6 Programa de Tareas.



Conforme a las actividades realizadas el tiempo estimado en el desarrollo de

la solución, abarco un tiempo de duración de 15 semanas. Tomando como

referencia a la empresa INGENIERIA DE CONTROL Y SISTEMAS

AUTOMATIZADOS S.A de C,V. El presupuesto por el diseño es de $20,000.

4.4.4.4.7 7 7 7 PresupuestoPresupuestoPresupuestoPresupuesto

La suma total del presupuesto equivale a la cantidad de $43,200. Dentro del

presupuesto se contemplan los siguientes:

� Diseño

� Equipos e Instrumentación adicional

� Implementación

Diseño: Este rubro contempla las actividades realizadas en este trabajo

(Tabla 4.6), donde el monto en el presupuesto fue de $20,000.

Equipos e Instrumentación adicional: El monto de este rubro está

compuesto por el aislante térmico y la licencia profesional de software LABVIEW

2011 versión con el FUZZY LOGIC TOOLKIT profesional, en donde el monto en el

presupuesto es de $8200

Implementación: Para realizar la implementación se considera el salvado

del programa en funcionamiento, la modificación del programa con la solución

propuesta y la descarga y activación del programa. El monto de de este rubro

haciende a $15000.

Estos datos se resumen para mayor facilidad en la tabla 4.7



Tabla 4.7 Presupuesto del proyecto

Instrumento Marca /Modelo Precio unitario Total Aislante térmico Fiberglas de Owens

Corning $ 120 c/m $1200

LabVIEW con FUZZY LOGIC

TOOLKIT

2011 Academico $7000 $7000

Ingeniería de desarrollo $10,000 $20,000 Implementacion $5,000 $15,000

Total $43,200

CONCLUSIONESCONCLUSIONESCONCLUSIONESCONCLUSIONES Y TRABAJO Y TRABAJO Y TRABAJO Y TRABAJO

FUTUROFUTUROFUTUROFUTURO

CONCLUSIONES


CONCLUSIONES Y TRABAJO FUTURO

Se obtuvo un sistema de control de temperatura y monitoreo para la caldera

eléctrica en base a la lógica difusa, así como la realización de una interfaz

Hombre-Máquina. Las conclusiones principales del presente trabajo de tesis son:

• El modelado difuso permitió desarrollar un método de control de

temperatura robusto y de una implementación sencilla.

• La interfaz hombre-máquina permite un manejo agradable al usuario y un

acceso cómodo a los datos del sistema.

• El sistema desarrollado fue diseñado solo para esta caldera con un

volumen de 400L, sin embargo en caso que se necesite realizar pruebas

con un volumen mayor, solo se deberá realizar el cálculo para dicho

volumen y en base a esto se puede obtener la cantidad de calor que

proporcionaría cada resistencia para dicho volumen deseado.

• El programa de monitoreo difuso es capaz de implementarse en calderas

eléctricas similares al utilizado en este trabajo, solo se tendría que tomar en

cuenta el volumen y el numero de resistencias con las que cuenta el banco.

Al realizar las pruebas de las diferentes condiciones del sistema se determino

que el método de solución propuesto dentro de este trabajo de tesis cumple con el

objetivo principal el cual es realizar un sistema de control de temperatura y

monitoreo difuso. La diferencia del presente método con respecto a otros

presentados dentro de este trabajo es su fácil implementación y su adaptabilidad.

Si bien las funciones membresía se realizaron en base al sistema propuesto,

estas son fáciles de modificar para poder agregar más variables a controlar. Otra

ventaja que representa es que no es necesario personal altamente capacitado

para su desarrollo o su implementación, simplemente que conozca bien las

CONCLUSIONES


condiciones de trabajo del sistema para poder realizar en base a su experiencia el

modelo difuso.

La simulación efectuada de los diferentes estados que puede tomar el

sistema, en este caso los encendidos y apagados de las resistencias es de gran

ayuda ya que cuenta con una perilla para ajustar la temperatura que se desea y se

cuenta con un indicador de temperatura que marcará el incremento de la misma,

con esto de igual forma se concluye que no es factible utilizar las cuatro

resistencias al mismo tiempo ya que hay pruebas en las que no se requiere de

gran calor para calentar el agua y solo se encuentra desperdiciando energía.

Después del análisis realizado para la selección del aislante térmico se

observó que hay un gran ahorro de energía, ya que sin este aislante la perdida de

temperatura es alrededor de 5 °C o 6 °C y con el ai slante térmico propuesto solo

existe una pérdida de temperatura de aproximadamente 2 °C.

Como trabajo futuro se tendrá que realizar la implementación de este sistema

desarrollado, de igual forma si se desea, se pueden añadir al control las otras

variables presentes en el sistema (presión, flujo y nivel), ya que el programa es

accesible para poder añadir las demás funciones de membresía.

“BIBLIOGRAFIA”“BIBLIOGRAFIA”“BIBLIOGRAFIA”“BIBLIOGRAFIA”

1. http://tesis.udea.edu.co/dspace/bitstream/10495/140/1/ControlDifusoDeTem

peraturaMicrocontroladores.pdf Consulta: 25/10/2011

2. http://iaci.unq.edu.ar/Materias/Cont.Digital/Apuntes/ApuntePagina/02-

Introduccion.pdf Consulta: 25/10/2011

3. “Sistemas de Control Digital” Autor: Benjamín C. Kuo, Editorial CECSA.

4. “Control automático de procesos”. Autor: Smith-Corripio, Editorial Limusa, 1991

5. “Fuzzy Controllers” Autor: Leonid Reznik, Editorial OXFORD, 1997

6. “Fuzzy Control Systems” Autor: Abraham Kandel, Gideon Langholz, Editorial CRC, 1993

7. Desarrollo y validación de una metodología para caracterizar térmicamente radiadores, Tesis de Maestria con especialidad en Ingenieria Mecanica. Autor: Abugaber Francis Juan IPN, Mexico D. F, 2003.

8. Foundations of fuzzy control Autor: Jan Jantzen, Editorial Wiley, 2007

9. LabView Modeling, Program and simulation Autor: Teodora Smiljanic, 2011

10. LabView Manual de Usuario National Instrument

11. Instrumentación Industrial 7 edición Autor: Antonio Creus Solé Editorial alfa Omega, 2007

12. Propuesta de un sistema de control de temperatura y flujo de agua para un equipo de pruebas a radiadores automotrices, Tesis de Ingeniería con especialidad en Control y Automatización. Autor: Islas Estevez Monserrath, Pozos Pantoja Erick IPN, México D. F, 2009


APÉNDICE AAPÉNDICE AAPÉNDICE AAPÉNDICE A

““““HOJA DE ESPECIFICACIONES DEL HOJA DE ESPECIFICACIONES DEL HOJA DE ESPECIFICACIONES DEL HOJA DE ESPECIFICACIONES DEL

AISLANTE TÈRMICOAISLANTE TÈRMICOAISLANTE TÈRMICOAISLANTE TÈRMICO””””

APÉNDICE BAPÉNDICE BAPÉNDICE BAPÉNDICE B

“REGLAS LINGUISTICAS”“REGLAS LINGUISTICAS”“REGLAS LINGUISTICAS”“REGLAS LINGUISTICAS”


1.- SI “Temperatura medida” ES “ambiente” y “Temperatura deseada” ES “ambiente” ENTONCES “resistencias” ES “Resistencia 1” 2.- Si “Temperatura medida” es “ambiente” y “Temperatura deseada” es “Sección 1” entonces “resistencia ” es “Resistencia 2” 3.- Si “Temperatura medida” es “ambiente” y “Temperatura deseada” es “Sección 2 ” entonces “resistencia ” es “Resistencia 3” 4.- Si “Temperatura medida” es “ambiente” y “Temperatura deseada” es “Sección 3 ” entonces “resistencia ” es “Resistencia 4” 5.- Si “Temperatura medida” es “Sección 1” y “Temperatura deseada” es

“Ambiente” entonces “resistencia ” es “Desactivado”

6.- Si “Temperatura medida” es “Sección 1” y “Temperatura deseada” es

“Sección 1” entonces “resistencias ” es “Resistencia 1”

7.- .- Si “Temperatura medida” es “Sección 1” y “Temperatura deseada” es

“Sección 2” entonces “resistencia ” es “Resistencia 2”


“Sección 3” entonces “resistencia ” es “Resistencia 3”


“Ambiente ” entonces “resistencias ” es “Desactivado ”


“Sección 1 ” entonces “resistencias ” es “Desactivado ”


“Sección 2” entonces “resistencias ” es “Resistencia 1”



“Sección 3 ” entonces “resistencias ” es “Resistencia 2 ”


“Ambiente ” entonces “resistencias ” es “Desactivado ”

14.-Si “Temperatura medida” es “Sección 3” y “Temperatura deseada” es

“Sección 1” entonces “resistencias ” es “Desactivado ”

15- .- Si “Temperatura medida” es “Sección 3” y “Temperatura deseada” es

“Sección 2 ” entonces “resistencias ” es “Desactivado ”


“Sección 3 ” entonces “resistencias ” es “Resistencia 1”

Documents

INSTITUTO POLIT ÉCNICO NACIONALtesis.ipn.mx/jspui/bitstream/123456789/11525/1/43.pdf · valores necesarios para lograr mis metas, por ser mi mejor amiga, porque a lo largo de mi