INSTITUTO POLITÈCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE IMGENIERÌA MECÀNICA Y ELÈCTRICA

UNIDAD PROFESIONAL ADOLFO LÒPEZ MATEOS

TESIS COLECTIVA

“CONTROL AUTOMÀTICO DE TEMPERATURA INTERNA DE UN

AUTOMÒVIL CON LÒGICA DIFUSA”

TESIS COLECTIVAQUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE:

INGENIERO EN COMUNICACIONES Y ELECTRÒNICA

P R E S E N T A N: ALMA DELIA GONZÀLEZ MENDOZA

FRANCISCO IBARRA CORDEROLUIS ROBERTO SANTANA BAUTISTA

ASESOR:ING. LAURA LETICIA MONTES PERALTA

MÈXICO , D.F. FEBRERO 2009

ÍNDICE OBJETIVO------------------------------------------------------------------------------------1

JUSTIFICACIÓN----------------------------------------------------------------------------2 INTRODUCCIÓN----------------------------------------------------------------------------3 CAPÍTULO I AIRE ACONDICIONADO

1.1 Marco histórico sobre el aire acondicionado------------------------------------5

1.2 Aire acondicionado para vehículos------------------------------------------------6

1.3 Partes de un sistema de aire acondicionado------------------------------------7

1.4 Refrigerantes----------------------------------------------------------------------------9

1.5 Consideraciones ambientales para el aire

acondicionado en vehículos---------------------------------------------------------9

CAPITULO II SENSORES

2.1 Sensores--------------------------------------------------------------------------------12

2.2 Funcionamiento principal-----------------------------------------------------------15

2.3 Tipos de sensores--------------------------------------------------------------------16

2.4 Sensor de temperatura LM35------------------------------------------------------23

2.4.1 Circuito adecuador para el LM35--------------------------------------25

2.5 Sensor de flujo LM335---------------------------------------------------------------26

2.5.1 Características importantes del LM335------------------------------27

CAPÍTULO III ACTUADORES

3.1 Actuadores-----------------------------------------------------------------------------28

3.1.1 Actuadores hidráulicos--------------------------------------------------29

3.1.2 Actuadores neumáticos-------------------------------------------------30

3.1.3 Actuadores eléctricos----------------------------------------------------31

3.2 Elemento calefactor------------------------------------------------------------------31

3.2.1 Disposición de resistencias de alambre-----------------------------36

3.2.2 No metálicas----------------------------------------------------------------37

3.3 Motores de corriente directa-------------------------------------------------------39

3.3.1 Clasificación básica de los motores de C.D. de imán

permanente------------------------------------------------------------------------39

3.4 Ventilador centrífugo-----------------------------------------------------------------44

3.4.1 Ventilación------------------------------------------------------------------44

3.4.2 Ventilador--------------------------------------------------------------------44

3.4.3 Ventiladores centrífugos-------------------------------------------------45

3.4.3.1 Paletas curvadas hacia delante----------------------------45

3.4.3.2 Paletas inclinadas hacia atrás/

curvadas hacia atrás--------------------------------------------46

3.5 Leyes de los ventiladores-----------------------------------------------------------47

3.6 Curva característica de un ventilador--------------------------------------------48

3.7 Punto de trabajo de un ventilador-------------------------------------------------49

3.8 Zona de funcionamiento-------------------------------------------------------------51

CAPÍTULO IV LÓGICA DIFUSA

4.1 Controladores--------------------------------------------------------------------------52

4.1.1 Control proporcional------------------------------------------------------52

4.1.2 Control Integral-------------------------------------------------------------54

4.1.3 Control proporciona-------------------------------------------------------56

4.1.4 Control derivativo----------------------------------------------------------58

4.1.5 Control proporcional derivativo-----------------------------------------60

4.1.6 Control PID------------------------------------------------------------------61

4.2 Introducción a la lógica difusa-----------------------------------------------------62

4.3 Antecedentes históricos-------------------------------------------------------------63

4.4 Funcionamiento de la lógica difusa-----------------------------------------------65

4.5 Funcionamiento de un sistema de control difuso-----------------------------69

4.6 Algunas aplicaciones-----------------------------------------------------------------70

CAPÍTULO V ETAPA DE POTENCIA

5.1 Modulación por ancho de pulso PWM-------------------------------------------71

5.2 Puente H--------------------------------------------------------------------------------72

5.3 Acoplamiento óptico entre un sistema digital y

una etapa de potencia--------------------------------------------------------------------76

CAPÍTULO VI MICROCONTROLADOR

6.1 Características del microcontrolador HCS12----------------------------------79

CAPÍTULO VII IMPLEMENTACIÓN DEL ALGORITMO

7.1 Matrices y conjuntos difusos-------------------------------------------------------86

7.2 Programa principal de obtención de singleton`s de salida-----------------94

CAPÍTULO VIII DESARROLLO DEL PROTOTIPO

8.1 Primera etapa------------------------------------------------------------------------104

8.2 Segunda etapa----------------------------------------------------------------------105

8.3 Tercera etapa------------------------------------------------------------------------106

8.4 Cuarta etapa-------------------------------------------------------------------------108

BIBLIOGRAFÍA------------------------------------------------------------------------- 109

1

. OBJETIVO Desarrollar un sistema de aire acondicionado para un automóvil aplicando

métodos de control de lógica difusa

2

JUSTIFICACIÓN La lógica difusa es un método de control el cual tiene una ventaja sobre los demás

sistemas de control clásico ya conocidos y utilizados, ya que en éste no se

desarrolla un modelo matemático por lo cual se hace más sencilla su

implementación en este tipo de sistemas.

3

INTRODUCCIÓN

En la presente tesis se desarrolla un sistema de aire acondicionado para un

automóvil el cual es controlado por medio de técnicas de lógica difusa las cuales

permiten tener el control del proceso sin la necesidad de usar un modelo

matemático lo que representa una gran ventaja para el análisis del sistema.

El sistema cuenta con dos variables a controlar las cuales son tomadas como

entradas, dichas variables son la temperatura y la velocidad del aire ; a su vez se

tienen tres variables una turbina que controlará la velocidad del aire en sistema ,

un elemento calefactor en este caso una resistencia eléctrica, para mantener el

aire caliente y un sistema de bombeo para obtener aire frio , con lo que se hará

todo el desarrollo del control por medio de lógica difusa lo cual es necesario para

la implementación del software y lograr que el sistema funcione de forma correcta.

Cabe mencionar que dichas salidas también desarrollan el papel de actuadores

dentro del proceso.

En este proyecto se utilizarán dos tipos de sensores uno de temperatura que es el

LM35 y otro de flujo de aire el cual se hará con una implementación del LM335,

los cuales proporcionará las variables de entrada que son de suma importancia

para el sistema.

Es necesario ver y las especificaciones de los sensores que se van a utilizar ya

que la señal que proporcionen tendrá que ser adecuada para nos entregue la

señal requerida; para posteriormente ser enviada al microcontrolador HC12 lo

anterior se logra con técnicas de electrónica.

Las señales obtenidas de los sensores serán procesadas por un convertidor

analógico digital el cual se encuentra dentro del microcontrolador HC12 y hará que

las señales estén en los parámetros adecuados para su manejo, el programa

utiliza instrucciones de lógica difusa las cuales ya vienen incluidas en el

4

microcontrolador y con esto obtener las señales con las cuales se controlarán los

actuadores ya mencionados anteriormente.

De los actuadores es necesario conocer sus especificaciones ya que éstos deben

de funcionar de una forma correcta, en este caso se acoplara un sistema de

potencia a la salida del microcontrolador para que permita controlar de una mejor

forma las turbinas y el elemento calefactor ya que las señales proporcionadas por

el microcontrolador no cuentan con las condiciones ideales para lograr que estos

dispositivos funcionen de una forma correcta.

5

CAPÍTULO I

AIRE ACONDICIONADO

Desarrollar un sistema de control implica conocer y aprender de los diversos

factores que intervienen en este, así como estudiar los antecedentes de dicho

sistema. Por tal razón en este capitulo se presenta la información básica de un

sistema de aire acondicionado para un automóvil.

1.1 Marco Histórico Sobre El Aire Acondicionado Los primeros autos al principio se colocaron aberturas en el piso, pero esto trajo

más polvo y suciedad que aire acondicionado. En 1884 William Whiteley tuvo la

gran idea de colocar cubos de hielo en un contenedor debajo de la cabina de los

carruajes y soplar aire adentro por medio de un ventilador conectado al eje. Una

cubeta cerca de las aberturas del piso fue el equivalente en el automóvil; luego

vino un sistema de enfriamiento por evaporación llamado ojo climático, en el que

se producía un efecto de disminución del temperatura en el aire haciéndolo pasar

sobre agua. Este sistema fue inventado por una compañía llamada Nash.

El primer auto con un sistema de refrigeración como los actuales fue el packard

1939, en el que una espiral enfriadora, la cual era un evaporador muy largo que

envolvía toda la cabina; y cuyo sistema de control era el interruptor de un

ventilador.

Luego vino Cadillac en 1941. Estos primeros sistemas de aire acondicionado

tenían una gran desventaja, no existía un embrague en el compresor, por lo que

éste siempre estaba encendido mientras el auto estaba en funcionamiento y para

apagar el sistema necesitaba que parar el auto y salir , abrir el cofre y quitar la

banda del compresor. No fue sino hasta después de la segunda guerra mundial

que Cadillac promocionó una nueva característica: controles para el aire

acondicionado. Estos controles estaban localizados en el asiento trasero, por lo

6

que el conductor debía estirarse hacia el asiento trasero para apagar el sistema,

pero aún así era mejor que apagar el carro y desconectar la banda del compresor.

Los sistemas de aire acondicionado fueron por muchos años una opción no muy

común. No fue sino hasta 1966 que el motor seviche manual publicó que se

habían vendido 3 560 000 unidades de aire acondicionado para automóviles; y las

ventas de autos con la opción de aire acondicionado se dispararon. Para 1987 el

número de unidades de aire acondicionado vendidas fue de 19 571 000. En la

actualidad se estima que el 80% de los carros y camiones pequeños en uso

poseen unidades de aire acondicionado.

Hoy día, las unidades de aire acondicionado son muy eficientes, con sistemas

modernos como el ATC (control automático de temperatura), que es más confiable

que los viejos termostatos. Las computadoras a bordo también se aseguran que

tanto el conductor como los pasajeros se sientan cómodos.

Las unidades de aire acondicionado automotoras están evolucionando

continuamente, ahora hay más diseños de compresores y nuevos componentes

electrónicos que mejoran la eficiencias de estos equipos y no solo los

componentes están evolucionando, por parte de los refrigerantes, los CFC

(clorofluorocarbonos, también conocidos como r–12 o freón) están siendo

reemplazados por otros gases refrigerantes como el r–134, que no contiene cloro,

debido a que son contaminantes, especialmente dañinos para la capa de ozono.

1.2 Aire Acondicionado Para Vehículos

El aire acondicionado en la actualidad ya no es un accesorio lujoso en los

automóviles ahora es una parte fundamental de estos. La función principal de un

aire acondicionado es dar el mayor confort posible a los pasajeros del vehículo

sobre todo al conductor, esto se logra mejorando las condiciones de temperatura

interior del automóvil haciendo así más acogedora la estancia en el automóvil y la

7

conducción de éste. Especialistas en este tema aseguran que este accesorio,

además ya forma parte de la seguridad pues al entregar condiciones de

temperatura más agradables al conductor sus reacciones son más rápidas y

certeras. Cabe mencionar que el calor es una de las principales razones que

causan somnolencia e impiden un correcto estado de alerta.

1.3 Partes De Un Sistema De Aire Acondicionado

La mayoría de los vehículos existentes poseen diferentes tipos de sistemas de aire

acondicionado; pero la concepción y el diseño de estos son muy similares. Los

componentes más comunes de estos sistemas son:

Compresor

Comúnmente denominado el corazón del sistema, Este dispositivo comprime el

gas refrigerante. Los sistemas de aire acondicionado están divididos en dos

partes, la parte de alta presión y la parte de baja presión; también denominados

descarga y succión respectivamente. La entrada del compresor toma el gas

refrigerante de la salida del evaporador; y en algunos casos lo toma del

acumulador, para comprimirlo y enviarlo al condensador donde ocurre la

transferencia del calor absorbido del interior del vehículo.

Condensador

Este dispositivo se encarga de disipar el calor del gas refrigerante proveniente del

compresor: durante este proceso el gas es condensado por la alta presión y es

convertida a líquido. Normalmente este dispositivo esta localizado frente al

radiador, y en algunas ocasiones debido al diseño aerodinámico de la carrocería

del vehículo se coloca en otro lugar; Este debe tener un buen flujo de aire siempre

que el sistema esté en funcionamiento.

8

Evaporador

El evaporador está localizado dentro del vehículo y sirve para absorber tanto el

calor como el exceso de humedad dentro del mismo. En el evaporador el aire

caliente pasa a través de las aletas de aluminio unidas a los tubos y el exceso de

humedad se condensa en las mismas, el polvo y la suciedad que lleva el aire se

adhiere a su vez a la superficie mojada de las aletas, luego el agua es drenada

hacia el exterior. La temperatura ideal del evaporador es 0 ºC (32 ºF). En el

proceso de evaporización el refrigerante absorbe grandes cantidades de calor, el

cual es llevado por el refrigerante fuera del interior del vehículo.

Dispositivos reguladores de presión

La temperatura del evaporador puede ser controlada mediante la regulación del

flujo y la presión del refrigerante dentro del mismo. Existen muchos dispositivos

creados para tal fin, a continuación se presentarán los que se encuentran más

comúnmente:

• Tubo de orificio: Está localizado en el interior del tubo de entrada del

evaporador, o en la línea de líquido, en algún lugar entre el condensador

y la entrada del evaporador, basta con tocar la línea de líquido y ubicar

el punto donde la temperatura pasa de caliente a frío.

• Válvula de expansión térmica (TXV): Este tipo de válvula mide tanto la

temperatura como la presión y es muy eficiente regulando el flujo de

refrigerante que entra al evaporador.

• Depósito – secador.: Se utiliza en el lado de alta presión de los sistemas

que utilizan una válvula de expansión térmica. Éste tipo de válvula

requiere de líquido refrigerante y para tener la seguridad de que sólo eso

entrará a dicha válvula, se utiliza el depósito – secador, el cual separa el

9

gas y el líquido, además de eliminar la humedad y filtrar las impurezas.

Normalmente el depósito – secador tiene un vidrio de nivel, en la parte

superior, el cual se utiliza para recargar el sistema; en condiciones

normales, las burbujas de vapor no deben ser visibles por el vidrio de

nivel.

• Acumulador: Son utilizados en sistemas que utilizan tubo orificio y están

conectados a la salida del evaporador, en donde almacena el exceso de

líquido que no se evaporó, debido a que si este líquido pasa al

compresor éste se puede dañar; aunque ésta es su función principal, el

acumulador también sirve para eliminar la humedad y las impurezas.

1.4 Refrigerantes

El refrigerante a utilizar debe ser un líquido con un punto de ebullición bajo para

poder hacer uso práctico de la transferencia de calor que ocurre cuando un líquido

se evapora.

1.5 Consideraciones Ambientales Para El Aire Acondicionado En Vehículos

El uso de refrigerantes en el aire acondicionado es un factor importante a analizar

ya que buscar la satisfacción de las necesidades de los usuarios no debe restar el

interés que se tiene con respecto a mejorar y mantener en las condiciones más

agradables y saludables para los seres vivos y en general al medio ambiente.

A principios de la década de los 1990, los fabricantes de automóviles en todo el

mundo dejaron de utilizar completamente los fluorocarburos de cloro en los

sistemas de aire acondicionado y los reemplazaron con fluoruro carburos de

hidrogeno (hfc). Esto redujo considerablemente la contribución de los nuevos

vehículos a la destrucción del ozono y redujo en más de 80% el potencial de

calentamiento del medio ambiente.

10

El enfriamiento y deshumidificación ofrecen comodidad y seguridad ya que el

conductor esta más alerta y tiene mejor visibilidad cuando es necesario eliminar el

vapor de las ventanas. A velocidades de autopista usar el aire acondicionado

puede producir menos gases con efecto invernadero que si se deja la ventana del

vehículo abierta ya que el consumo del combustible es mayor debido a la

resistencia aerodinámica.

Por esta razón existe el rendimiento climático del ciclo de vida (LCCP) es una

medida que incluye la emisión directa del refrigerante del aire acondicionado y el

consumo indirecto de energía del vehículo esto con el fin de minimizar las fugas

del sistema y pérdidas del refrigerante.

Existen instituciones como la (Alliance for Responsible Atmospheric Policy)

Alianza para una Política Atmosférica mas Responsable, que es una organización

líder en la industria que coordina la participación de la industria en la formulación

de políticas gubernamentales internacionales y estadounidenses con relación a la

protección del ozono y el cambio climático global.

En México también existen normas por parte de la secretaria de patrimonio y

fomento industrial como la Norma Mexicana nmx-d-039-1977 “comprobación del

funcionamiento de los sistemas de enfriamiento de aire, empleados en

automóviles y camiones ligeros”.

La finalidad de estas normas es que los sistemas de aire acondicionado se operen

bajo las especificaciones adecuadas para la seguridad del usuario como del medio

ambiente.

La temperatura del cuerpo humano oscila entre 35.5º y los 37º mientras que la

temperatura ambiente ideal es sensiblemente menor y esta en el orden de los

22/24º centígrados. Todas estas consideraciones se deben de tomar en cuenta en

11

un aire acondicionado. El aire que salga lo hará con la temperatura que el

conductor seleccione por medio del regulador correspondiente.

En resumen, si se elige 25º y se pone en marcha el aire acondicionado el sistema

debe respetar la temperatura seleccionada por todo lo anterior el aire

acondicionado del auto debe de estar en óptimas condiciones de uso.

12

CAPÍTULO II

SENSORES

2.1 Sensores

Los sensores son una parte fundamental en el sistema ya que a través de estos se

medirán las variables a controlar, y así obtener la información necesaria para que

nuestro controlador funcione adecuadamente según las necesidades requeridas

En este capítulo se conocerán los tipos de sensores que existen, y de esta

manera saber el por qué de la elección de los mismo para su aplicación en el

prototipo.

Los sensores son dispositivos que trasforman una energía a otra, por ejemplo

sensa la temperatura y la trasforma en otra cantidad física equivalente. Nos

referimos principalmente a los sensores eléctricos, aquellos cuya salida es una

señal eléctrica (corriente o voltaje) en forma analógica o digital. Los sensores son

aquellos que hacen la interacción entre el mundo físico y los sistemas de medición

y control. Estos dispositivos se utilizan para todo tipo de proceso industrial y no

industrial su propósito es monitorear, medir, controlar y procesar los datos

obtenidos para su correcta utilización.

Los sensores no solo se limitan a la medición y detección de cantidades físicas.

También se emplean para medir o detectar propiedades químicas y biológicas

presentes en el ambiente mismo o en algún proceso industrial. La señal de salida

no siempre tiene que ser una señal eléctrica, muchos termómetros utilizan como

sensor un bimetal formado por dos metales con diferentes coeficientes de

dilatación lo cual ocasiona un desplazamiento (señal mecánica) que es

proporcional a la temperatura (señal térmica).

13

La entrada como la salida de un sensor puede tener los siguientes seis tipos

básicos de variables existentes en la naturaleza

Tabla 2.1 Tipos De Variables Básicas

Longitud.

Área.

Aceleración.

Volumen.

Flujo.

Fuerza.

Torque.

Presión.

Velocidad.

Variables Mecánicas

Intensidad de campo.

Densidad de flujo.

Permeabilidad.

Variables Magnéticas

Temperatura.

Calor.

Entropía.

Variables Térmicas

14

Tabla 2.2 Tipos De Variables Básicas

Voltaje.

Corriente.

Carga.

Resistencia.

Inductancia.

Capacitancia.

Constante dieléctrica.

Polarización.

Campo eléctrico.

Frecuencia.

Etc...

Variables Eléctricas

Composición.

Concentración.

Potencia redox.

Velocidad de reacción.

p H.

Olor.

Etc...

Variables Químicas

Intensidad.

Longitud de onda.

Polarización.

Fase.

Índice de reflexión.

Reflexión.

Etc...

Variables Ópticas

15

Pero en la práctica, los sensores preferidos son aquellos que ofrecen una señal de

salida eléctrica. Por las ventajas que proporcionan los métodos electrónicos para

el control y medición de procesos, como se mencionan a continuación:

Debido a las características eléctricas de la materia, la variación de un parámetro

no eléctrico como temperatura, humedad, presión, etc., viene siempre

acompañado por la variación de un parámetro eléctrico resistivo, capacitivo,

inductivo, etc. Lo anterior permite realizar sensores eléctricos prácticamente para

cualquier variable, sea eléctrica o no eléctrica.

Se pueden implementar sensores que no extraen energía del sistema bajo

medición. Esta operación se realiza mediante técnicas de amplificación. También

se puede acondicionar y modificar la señal a las necesidades que se requieran,

así como mostrar o guardar la información censada por medio de circuitos

lineales, filtros, convertidores A/D y pantallas etc.

La transmisión de señales eléctricas es más confiable, limpia y versátil que

algunas otras señales.

2.2 Funcionamiento Principal.

Todos los sensores sin excepción utilizan uno o varios principios físicos y químicos

para su funcionamiento y poder convertir una variable de entrada a otra variable

adecuada para su monitoreo y control para un proceso en particular.

Para el caso particular donde la salida es una señal eléctrica, la obtención de esta

última es mediante el uso de un transductor primario y en algunos casos se

necesita uno o más transductores secundarios.

La función primordial del transductor primario es convertir la magnitud física a

medir en una más fácil para su manipulación, ésta no necesariamente debe ser

eléctrica.

16

El o los transductores secundarios son utilizados cuando son requeridos, actúan

sobre la salida del transductor primario para producir una señal eléctrica

equivalente. Ya obtenida la señal deseada es sometida a un proceso de

acondicionamiento y amplificación para ajustar a las necesidades que la carga o

circuitería necesiten.

Algunos sensores incluyen una etapa de salida con amplificadores de potencia,

convertidores de código, transmisores y otros tipos de dispositivos y circuitos que

adaptan la señal entregada por el bloque de acondicionamiento para la carga y

sus necesidades.

Las etapas de salida como de tratamiento de la señal, generalmente incluyen

circuitos de protección contra voltajes elevados, interferencias electromagnéticas

(EMI), interferencias de radiofrecuencia (RFI) y otros fenómenos presentes en el

medio ambiente.

2.3 Tipos de Sensores

En la realidad los sensores utilizados en la industria para convertir variables físicas

en una señal eléctrica o de otro tipo, necesitan una o más fuentes donde se

provea de la energía necesaria para realizar su acción básica. Los sensores

basados en la explicación anterior se denominan:

o Sensores Activos: Se emplean principalmente para medir señales débiles.

o Sensores Pasivos: Los cuales pueden realizar su acción básica de

transducción sin la intervención de una fuente de energía, como podrían ser

los termopares estos generan un voltaje de salida proporcional a la

temperatura aplicada.

17

Fig. 2.1 Criterio Y Clasificación De Los Sensores Eléctricos.

Los sensores electrónicos pueden ser clasificados de acuerdo al tipo de señal que

entrega a la salida. El tipo de variables físicas que detecta, el método de

detección, el modo de funcionamiento, la relación entre la entrada y su salida

(función de transferencia) etc. representado en la figura 2.2. Dentro de estas

características hay subcategorías.

Según el aporte de energía

Pasivo Activo

Según el aporte de energía

Analógico Digital Todo o Nada

Según el aporte de energía

Según la magnitud o variable física o química a detectar.

Resistivo Capacitivo Inductivo Magnético Óptico Otros

Presión Pequeños Velocidad Aceleración o Fuerza. Presión

Caudal y

flujo.

Temperatura Tacto o

contacto.

Imágenes o Niveles de Otras

18

Fig. 2.2 Estructura De Un Sensor Activo.

La Señal De Salida Puede Ser Analógica Y Digital.

Sensor Analógico: Entrega un voltaje y una corriente que se pueden variar dentro

de un rango especial. Los rangos de voltaje de salida más comunes son +10V,

+1V, ±10V, ±5V y ±1V.

Siendo la corriente la que tiene más estándares, la más común es de 4 a 20mA,

donde 4mA corresponde a cero en la medición y 20mA la máxima. Pero también

existen sensores que dan una corriente de salida de 0 a 20mA y de 10 a 50mA. La

salida de corriente es adecuada para ambientes industriales por las siguientes

razones:

1. Ubicación de sensores muy remotos y peligrosos.

2. Reducción a dos el número de alambres por sensor.

3. Aislar eléctricamente a los sensores de los instrumentos de medición.

4. Mayor confiabilidad por la inmunidad al ruido y la señal no se atenúa

cuando se trasmite a grandes distancias.

Sensores Digitales: A su salida entregan un voltaje o corriente variable en forma

de paso discreto de manera codificada, como un pulso o palabra.

Variable medida Principio primario

de transducción.

Principio secundario de

transducción.

Fuente de

energía

Otras fuentes de

energía

Señal de

Salida

19

Muchos sensores digitales poseen interfases como RS232, RS422A, RS-4X, 1-

Wire, HART, etc. Lo cual permite comunicarse directamente con sistemas de

control sobre diferentes trayectos físicos y a un muy distinto rango de bits. Un caso

particular de estos sensores son los detectores, todo o nada los cuales tienen una

salida digital que detecta solo dos estados e indica cuándo la variable a medir

rebasa un valor de umbral establecido o límite, un ejemplo muy burdo son los

sensores de proximidad inductivos y capacitivos. Otra variable que leen este tipos

de sensores son los causidigitales estos entregan una salida en forma de

frecuencia que es fácil de convertir a una señal digital.

La gran variedad de sensores que hay dependiendo de su naturaleza o variable a

detectar, da una amplia y extensa gama de opciones para escoger el más

adecuado que cubra la necesidad de cada aplicación. Estos a su vez se basan en

la aplicación práctica de fenómenos físicos o químicos conocidos y en la utilización

de materiales especiales donde dicho fenómeno se mantiene de forma muy útil

para la propia conveniencia.

A continuación se presentan algunos de estos principios y cómo se asocian con

los sensores.

- Efecto resistivo: Variación de la conductividad en semiconductores y

aislantes a partir de la magnitud a medir. Por citar algunos:

Sensor resistivo de posición (potenciómetros).

Esfuerzo mecánico (galgas extensiométricas).

Temperatura (RTDs, termistores).

Humedad.

Campo magnético (magnetorresistencias).

Luz (fotorresistencias).

Concentración de gases (SnO2).

20

- Efecto capacitivo: Variación de la constante dieléctrica, la separación entre

las placas o el área de las placas a partir de la magnitud a medir, ejemplos:

Sensores capacitivos de desplazamiento.

Proximidad.

Presión.

Nivel.

Humedad.

Fuerza.

- Efecto inductivo: Variación de la reluctancia, la corriente o la inductancia

mutua a partir de la magnitud a medir, ejemplos:

Detectores inductivos de desplazamiento (LVDTs).

Velocidad.

Aceleración.

Presión.

Caudal.

Flujo.

Nivel.

Fuerza.

- Efecto magnético y electromagnético: Voltaje o corriente inducida a partir de

magnetismo por creación de un esfuerzo mecánico, variación de flujo

magnético y campo magnético ortogonal, ejemplos:

Sensor magneto elásticos.

Sensor de efecto Wiegand.

Taco generadores

Sensor de velocidad lineal (LVS).

Sensor de efecto Hall.

21

- Efecto piezoeléctrico y piezoresistivo: Producido por esfuerzos mecánicos

directamente o por variaciones de la resistencia, ejemplos:

Sensor piezoeléctrico y piezoresistivo de fuerza.

Torque.

Presión.

Aceleración.

Vibración.

Temperatura.

- Efecto térmico y termoeléctrico:

Es producido directamente por la variación directa de la resistencia. La

creación de señal eléctrica a partir de variaciones de temperatura se

conoce como Efecto seebeck y constituye el principio de funcionamiento de

los termopares y termopilas. El método más común es el termoresistivo el

cual se basa en los termistores, RTDs y el Efecto piroeléctrico, en donde se

basa el funcionamiento de los pirómetros, los radiómetros y los

analizadores de infrarrojo. También es posible medir temperatura con

semiconductores como el LM35.

- Efecto óptico y electro óptico:

La señal eléctrica es obtenida por la radiación luminosa directamente o

indirectamente por la variación de la resistencia y otros parámetros eléctricos,

ejemplos:

Detectores Fotovoltaicos de Luz, Humo.

Detectores Fotoeléctricos de proximidad.

Fotodiodos.

Fototransistores.

Optoacopladores.

Codificadores Ópticos.

22

- Efecto autoresonante:

Producción de oscilaciones eléctricas a partir de fenómenos físicos

resonantes como vibraciones mecánicas, ondas acústicas en cuerdas o

cavidades, ondas superficiales en líquidos o sólidos, radiaciones nucleares,

ejemplos:

Resonadores de cuarzo (Temperatura, Peso, Fuerza y Presión).

Galgas acústicas.

Sensores basadas en cilindros vibrantes.

Sensores basados en dispositivos de ondas superficiales (SAW).

Sensor ultrasónico (Velocidad, Nivel y Proximidad).

- Efecto químico y electroquímico: producen señales eléctricas por el cambio

de concentración de sustancias o iones, ejemplos:

- Sensor de oxigeno y otros gases.

Sensor químico basado en MOSFETs (GAS-ETs, OGFETs, 15-FETs).

Biosensores.

En la actualidad en el mercado se cuenta con sensores multifuncionales, hechos

de polímeros semiconductores especiales los cuales presentan fenómenos

determinados, como puede ser la variación de la resistencia por mencionar

alguno. Estos sensores pueden medir humedad y temperatura entregando a su

salida la curva correspondiente, a través de diversas terminales de entrada y

salida.

También existen sensores que trasmiten e inteligentes, Los que trasmiten son

dispositivos que captan la variable a medir a través de un sensor primario y lo

trasmite a grandes distancias hacia otro dispositivo receptor, se puede controlar

un proceso desde la comodidad de la casa o cualquier otro lugar donde se

encuentre.

23

Los sensores inteligentes, fueron introducidos por Honeywell en 1983 muy

completos, basados en microcontroladores, los cuales convierten una variable

física en una señal eléctrica equivalente, traen ya funciones de procesamiento,

comunicación, auto calibración, cambio automático de rango a medir,

autodiagnóstico, compensación ambiental, auto caracterización e interfases

seriales. Y por lo tanto son más precisos, estables y confiables que los sensores

convencionales y cuentan con un rango mucho mayor de mediciones. Es una

opción muy viable porque no necesitan mantenimiento y hace mucho más corto el

diseño de sistemas de control y medición.

2.4 Sensor De Temperatura LM35

En esta sección se describe el funcionamiento de un sistema de control de

temperatura por medio del sensor LM35; donde este censará la temperatura en la

que se encuentra el interior del automóvil, con un circuito de activación por medio

de un microcontrolador, donde la señal obtenida por el LM35 será introducido al

ADC del microcontrolador para su procesamiento correcto.

La ubicación del LM35 será a nivel del rostro; ya que las persona perciben más las

variaciones de temperatura en el rostro. Cabe destacar que al percibir una

temperatura agradable se tiene una sensación de comodidad y en caso contrario

se siente malestar e incomodidad.

Este sensor cuenta con un rango de trabajo que va desde -55º a + 150 ºC y

cuenta con una calibración muy sencilla, a su salida entrega 10 mV por cada

grado que sensa.

Una de sus características importantes son las siguientes:

• Precisión de ~1,5ºC (caso extremo), 0.5ºC garantizados a 25ºC.

• No linealidad de ~0,5ºC (caso extremo).

24

• Baja corriente de alimentación, I = 60uA.

• Amplio rango de funcionamiento que comprende desde -55º a + 150ºC.

• Bajo costo.

• Baja impedancia de salida.

• Su alimentación funciona en el rango comprendido desde 4 y 30 volts.

El LM35 no requiere de circuitos adicionales para la calibración externa, cuando se

desea obtener una precisión del orden de ±0.25 ºC a temperatura ambiente y

±0.75 ºC en un rango de temperatura desde 55 a 150 ºC.

Gracias a las características anteriormente expuestas, es fácil su instalación en un

circuito de control.

Debido a su baja corriente de alimentación de 60uA, se produce un auto

calentamiento muy pequeño menor de 0.1 ºC, en situaciones de aire estacionario.

Otra de las razones importantes, además de las ya mencionadas, es que en esta

aplicación no es de una importancia decisiva la exactitud de éste. Ya que una

persona no percibe variaciones menores o iguales a los 0.2 ºC lo cual permite

incluir el error generado en la medición de este sensor sin que afecte la respuesta

que se requiere del sistema a partir de la lectura del sensor. La figura 2.3 muestra

los diferentes LM35 existentes en el mercado

Fig.2.3 LM35 Comercializados

En El Mercado.

25

2.4.1 Circuito Adecuador Para El LM35

Para poder utilizar el LM35 de forma correcta es importante acondicionar la señal;

ya que los voltajes que entrega este no son los correctos; para ser enviados al

microcontrolador el cual solo trabaja con valores de 0 a 5 volts en su entrada del

convertidor analógico digital. La figura 2.4 muestra el circuito acondicionador para

el LM35.

Fig. 2.4 Circuito Acondicionador Para El Sensor LM35.

El circuito mostrado anteriormente es importante ya que ayuda a ajustar los

valores entregados por el sensor, y con el que se obtiene una señal la cual se le

puede cambiar el offset; además de ajustar el rango de temperatura que va a

medir esto es importante para establecer las condiciones; para realizar el control

del sistema de forma correcta.

La figura 2.5 muestra el nivel del cero que puede ser ajustado; al valor que sea

más conveniente para el correcto funcionamiento del sistema.

26

Fig.2.5 Respuesta Obtenida Del LM35 A Partir De Una Variable Independiente

(Temperatura) Respecto A Una Variable Dependiente (Mv).

2.5 Sensor De Flujo LM335.

El sensor LM335 se puede utilizar con diferentes configuraciones, una de estas es

aplicándolo como sensor de flujo. Este dispositivo sensa el flujo de aire que

producirá los motores con los que cuenta el sistema, los motores se encargan de

generar la turbulencia necesaria para generar y distribuir el aire que se desplaza

por medio de los ductos que se instalaron en el prototipo.

La forma de colocar los sensores de flujo dentro de los ductos es importante, por

que gracias a ellos se puede regular la velocidad con que giran los ventiladores; y

esto influirá en el flujo que generan, este sensor trabaja en compañía del sensor

de temperatura LM35 ya que dependiendo de la variación de temperatura que

haya sido detectada por este se pondrán en marcha algunos de los motores o los

dos al mismo tiempo, el LM335 detectará el flujo qué hay por la tubería y corregirá

adecuadamente las diferentes variaciones que haya, para que al momento de

impulsar el aire a través de los ductos y a su salida no incomode a los tripulantes.

27

2.5.1 Características Importantes Del LM335:

• Rango de corriente: 400µA ≤ IR ≥ 5mA

• Amplio rango de funcionamiento que comprende desde -40º a + 100ºC.

• Bajo costo.

• * Baja impedancia dinámica de salida de 1Ω

• Su alimentación funciona en el rango comprendido desde 4 y 30 volts.

La figura 2.6 muestra el sensor LM335 existente en el mercado y su configuración

como sensor de flujo que se utilizara.

a) Terminales Del LM335

Comercializado En El Mercado.

.

b) Configuración Del LM335

Como Sensor De Flujo De Aire

1

Fig. 2.6 Terminales Del LM335 Comercialmente Y Configuración Como Sensor De

Flujo

28

CAPÍTULO III

ACTUADORES

3.1 Actuadores

Los actuadores son aquellos que trabajan sobre la variable controlada, es la parte

del sistema que nos va entregar una respuesta a partir de la salida que

obtengamos de nuestro controlador, al igual que los sensores los actuadores son

una parte de gran importancia dentro del sistema. En este capítulo conoceremos

las características de los controladores a utilizar en el prototipo y cuál fue el motivo

de su elección.

Los actuadores son capaces de generar una fuerza mayor a la salida a partir de

una señal de entrada. El actuador recibe órdenes de un controlador y por medio

de una etapa de potencia da a la salida la energía necesaria para activar a un

elemento final de control como válvulas, motores, calderas, etc.

Existen tres tipos de actuadores:

i. Hidráulicos

ii. Neumáticos

iii. Eléctricos

29

3.1.1 Actuadores Hidráulicos

Los actuadores hidráulicos, pueden ser clasificados de acuerdo con la forma de

operación, funcionan en base a fluidos y presión. Existen tres grandes grupos:

Cilindros hidráulicos

Efecto simple: Se utiliza una fuerza hidráulica para empujar y una

fuerza externa, diferente, para contraerse.

Acción doble: Se emplea la fuerza hidráulica para efectuar ambas

acciones.

Motores hidráulicos

En los motores hidráulicos el movimiento rotatorio es generado por la

presión.

La primera es una de tipo rotatorio en el que los engranes son accionados

directamente por aceite a presión.

Motores hidráulicos de oscilación

La segunda es de tipo oscilante, el movimiento rotatorio es generado por la

acción oscilatoria de un pistón o percutor; este tipo tiene mayor demanda

debido a su mayor eficiencia.

30

3.1.2 Actuadores Neumáticos

Mecanismos que convierten la energía del aire comprimido en trabajo mecánico.

Su esencia es que son idénticos a los actuadores hidráulicos, el rango de

compresión es mayor de estos actuadores, una diferencia de los otros actuadores

neumáticos es que éstos no tienen una viscosidad en su interior.

En esta clasificación aparecen los fuelles y diafragmas, que utilizan aire

comprimido y también los músculos artificiales de hule, éstos últimos han ganado

mucha atención. A continuación se mencionan algunos actuadores:

Efecto simple

Cilindro neumático

Actuador neumático de efecto doble

Con engranaje

Motor neumático con veleta

Con Pistón

Con una veleta a la vez

Multiveleta

Motor rotatorio con pistón

De ranura vertical

De embolo

Fuelles, Diafragma y Músculo Artificial

31

3.1.3 Actuadores Eléctricos

La estructura de estos actuadores respecto con los otros es mucho más simple, ya

que solamente requieren de energía eléctrica como fuente de poder. La

transmisión de la señal eléctrica por medio de cable proporciona una buena

respuesta respecto a la distancia entre la fuente de poder y el actuador. La figura

3.1 muestra un actuador eléctrico.

Fig. 3.1 Actuador Eléctrico.

Existe una gran variedad de modelos y se pueden utilizar con motores eléctricos o

la aplicación. En algunos casos es adecuado y necesario utilizar reductores,

debido a que los motores son de operación continua. El motor a pasos en un claro

ejemplo de ello.

3.2 Elemento Calefactor

Para elevar la temperatura del sistema de aire acondicionado se debe de utilizar

elemento calefactor (resistencia eléctrica). Una resistencia eléctrica convertir la

energía eléctrica en calor, al hacer circular corriente eléctrica a través de un

conductor se libera calor por la resistencia. El calentamiento de piezas por

resistencias eléctricas puede ser directo, indirecto cuando las piezas se calientan

por radiación, convección o una combinación de estas dos. La finalidad es calentar

el aire por lo tanto será calentamiento indirecto.

32

En la industria es mucho más frecuente el calentamiento indirecto por resistencias

eléctricas. Existen diferentes tipos de resistencias eléctricas de calentamiento

indirecto así como de diversos materiales y se clasifican de la siguiente manera:

o Metálicas

Los materiales utilizados para la fabricación de resistencias se pueden clasificar

en dos grandes grupos:

i. Aleaciones de base Ni-Cr

La gran mayoría son fabricadas con un alambre de una aleación de níquel (80%) y

cromo (20%). Esta aleación soporta temperaturas muy altas (1000º C), es resistivo

(condición necesaria para generar calor), es muy resistente a los impactos y es

inoxidable.

Aunque varían un poco de unos fabricantes a otros, se pueden considerar como

más comunes las siguientes:

80 Ni – 20Cr

70 Ni – 30 Cr

60 Ni – 15 Cr – 20 Fe

37 Ni – 18 Cr – 40 Fe denominada 40 Ni – 20 Cr

30 Ni – 20 Cr – 45 Fe

20 Ni - 25 Cr – 50 Fe

33

En la tabla 3.1 se muestran algunas características principales de esta aleación:

Aleación Ni-Cr 80-20 70-30 60-15 40-20 30-

20

20-

25

Composición aproximada:

Ni%

CR%

Fe%

Densidad kg/m3

Temperatura de fusión ºC

Temperatura máxima de

Utilización ºC

Calor especifico a 20ºC

kj/kg.k

Conductividad térmica W/mk

a 20 ºC

Coeficiente de dilatación

lineal

20-1.000 ºC/ºC-1

Resistencia a ala rotura

20ºC N/mm2

900ºC

N/mm2

Resistencia de creep

800ºC N/mm2

1.000ºC

N/mm2

80

20

< 1

8.300

1.400

1.200

0,45

15

18

700

100

15

4

70

30

< 1

8.100

1.380

1.250

0,45

14

18

800

100

15

4

60

15

20

8.200

1.390

1.150

0,45

13

17

700

100

15

4

37

18

40

7.900

1.390

1.100

0,46

13

19

700

120

20

4

30

20

45

7.900

1.390

1.100

0,50

13

19

700

120

20

4

20

25

50

7.800

1.380

1.050

0,50

13

19

700

120

20

4

Tabla 3.1 Características Principales

34

Composición. Es únicamente aproximada sin tener en cuenta otros

elementos como Si, Mn, etc.

Densidad. Es similar en las aleaciones 40 Ni – 20 Cr, 30 Ni – 20 Cr y 20 Ni

– 25 Cr y superior en las de mayor contenido de Ni.

Temperatura de Fusión. Es inferior a la del acero de bajo contenido de C y

prácticamente igual en todas las aleaciones Ni – Cr.

Temperatura máxima de utilización. Se refiere a la temperatura de las

resistencias. La transmisión de calor de las resistencias a la carga, exige un

gradiente de temperatura positivo.

Calor especifico. Varía de 0.45 a 0.50 kJ/kg para las diferentes aleaciones a

20 ºC. Su variación con la temperatura es pequeña

Conductividad térmica. A 20 ºC es prácticamente igual en todas las

aleaciones Ni – Cr – Fe, pero inferior a la de un acero dulce (51 W/mK a 20

ºC), por lo que se comportan como aislantes. Sin embargo, al aumentar la

temperatura, disminuye la conductividad térmica de los aceros al carbono y

aumenta la de las aleaciones Ni – Cr – Fe.

Coeficiente de dilatación lineal. No varía sensiblemente de una aleación a

otra. Para el 80 Ni – 20 Cr el calentamiento de 20 a 1 000 ºC supone un

alargamiento de 1,8%. Es un 50% superior aproximadamente, al acero de

0.20 por 100ºC.

Resistencia a la rotura. Depende del estado en que se suministran. Es

similar para todas las aleaciones excepto para la 70 Ni – 30 Cr que

presentará, por lo tanto una mayor resistencia de conformado.

35

Resistencia al creep. Se utilizan estos valores en el cálculo de elementos

mecánicos sometidos a altas temperaturas en el interior de hornos

eléctricos.

Resistividad. La característica mas importante de una aleación para

resistencias es, evidentemente, la resistividad eléctrica que varia

sensiblemente con la temperatura.

ii. Aleaciones Fe-Cr-Al, con posible adición de elementos de las tierras raras y

obtenidas por fusión o por pulvimetalurgia

Existe una gran variedad de este tipo de aleaciones, las más representativas son

las siguientes:

22/25 Cr – 6 Al – 70 Fe.

20/22 Cr – 5 Al – 72 Fe.

20/22 Cr – 4,5 Al – 73 Fe.

14 Cr- 4 Al – 80 Fe

Otros materiales empleados, sobre todo, en hornos de vacío de alta temperatura,

como molibdeno, tántalo y tungsteno

Se utilizan en hornos especiales de alta temperatura resistencias metálicas de

molibdeno, tántalo y tungsteno. El conformado de estas resistencias es difícil y las

soldaduras prácticamente imposibles. Además el continuo crecimiento del grano

en funcionamiento a alta temperatura da lugar a una progresiva fragilidad de las

resistencias.

36

3.2.1 Disposición De Resistencias De Alambre

Las disposiciones más frecuentes son:

Enrollado en espiral sobre tubos cerámicos. Permite una radiación térmica

bastante libre de las resistencias lo que, para la misma carga especifica, supone

un menor gradiente de temperatura entre las resistencias y el recinto en donde se

está utilizando.

Los tubos se fabrican normalmente de silimanita. Permite llegar en resistencias a

1.100 ºC con Ni-Cr y 1.300ºC con Fe – Cr – Al. El diámetro D del alambre varia

entre 2 y 6,5 mm enrollado sobre un diámetro interior D = 10d / 12d. El diámetro

del tubo cerámico debe ser 1 – 3 mm inferior a D. La distancia entre soportes

depende de la temperatura y de la aleación y no debe pasar, para temperaturas no

inferiores a 1.200 º C de 250-350 mm.

Arrollado en espiral sobre ranuras cerámicas. Es una disposición en la cual la

resistencia no radia libremente por lo que debe calcularse para una menor carga

específica. Las ranuras de las piezas cerámicas deben ser amplias y

suficientemente espaciadas para facilitar la radiación, pero cubriendo no menos

del radio de la espiral

Arrollado tipo puercoespín sobre tubos cerámicos. Es muy adecuado en

calentamiento por convección hasta una temperatura máxima de 700ºC, ya que se

consigue una mayor densidad de potencia en Kw/m3 que en los paquetes de

resistencias con bastidores metálicos.

Ondulado con soportes de gancho. En alambres o varillas gruesos es muy

conveniente esta disposición para conseguir una elevada potencia especifica en

kW/m2.Se emplean varillas de 5 a 8 mm de diámetro.

37

Alambre enlazado sobre tubos cerámicos Permite temperaturas máximas de 1.000

ºC en Ni – Cr y 1.300 ºC en Fe- Cr -Al. Se usan varillas de diámetro mayor de 5

mm. La altura máxima de los lazos, para una temperatura de trabajo de 1.000 ºC,

es de 350 mm y el paso mínimo entre lazos de 40 mm. Los tubos cerámicos se

recomienda que sean de silimanita.

3.2.2 No Metálicas

Los materiales no metálicos utilizados en la fabricación de resistencias son: Carburo de silicio en diversas formas

Bisiliciuro de molibdeno en forma de horquillas

Grafito en barras

Cromita de lantano en tubos

Cerámicas

Blindadas.

Por las características de las resistencias metálicas del tipo 80 Ni – 20 Cr que

fueron mencionadas anteriormente estas resultaron las más adecuadas ya que

cumplen con las especificaciones para su aplicación en el presente sistema ya que

son las más utilizadas y se encuentran en diversas disposiciones, y para un

sistema de aire acondicionado de un automóvil se alimentara por medio de la

batería de éste. Lo cual facilitará el control de la corriente por medio de una señal

de PWM que será entregada por el microcontrolador.

Tubos radiantes

Resistencias blindadas

Resistencias cerámicas

Cálculo de resistencias metálicas

La fórmula general para calcular la resistencia es:

Resistencia eléctrica 20ºC de longitud 1cm:

Alambre de diámetro d cm

38

Ω= 22041*d

Rπ

ρ Ecuación 3.1

Pletina de sección a x b cm2

Ω= ba

R *1*20 ρEcuación 3.2

Donde ρ es la resistividad en Ω.cm

Resistencia eléctrica a la temperatura TºC de las resistencias:

Ω= 20.RCR tT Ecuación 3.3

Donde Ct es el coeficiente de resistividad de las Tablas anteriores para las

aleaciones Ni- Cr y Fe- Cr – Al, respectivamente.

Superficie radiante de las resistencias:

Alambre de diámetro d cm.

21.. cmdAC π=Ecuación 3.4

Pletina de sección a x b cm2

21).(2 cmbaAC +=Ecuación 3.5

Un dato fundamental en las resistencias es la carga específica que, para unas

condiciones de disposición de las mismas, determina la diferencia de temperatura

entre las resistencias y la carga a calentar.

39

3.3 Motores De Corriente Directa

El motor de CD es un transductor que transforma la energía eléctrica en una

energía mecánica. El torque desarrollado por el eje del motor es directamente

proporcional al flujo en el campo y a la corriente en la armadura. Cualquier

conductor que lleva una corriente generará un campo magnético alrededor de él,

con un flujo Φ, a una distancia r del centro de rotación. La relación entre el torque

desarrollado, el flujo Φ y la corriente ia, es:

Tm = Km Φia Ecuación 3.6

En donde:

Tm = Es el torque del motor (N-m, lb-pie, u oz.-plg)

Φ = Es el flujo magnético (webers)

ia = Es la corriente de armadura (amperes)

Km = Es la constante de proporcionalidad

Además del torque desarrollado cuando se mueve en el campo magnético se

genera un voltaje entre sus terminales llamado fuerza contraelectromotriz, la cual

es proporcional a la velocidad del eje, tiende a oponerse al flujo de la corriente.

3.3.1 Clasificación Básica De Los Motores De CD De Imán Permanente

El campo magnético de un motor de CD se puede producir por medio de bobinas o

imanes permanentes. Estos motores de imán permanente tienen mayor aplicación

en sistemas de control, por ello se eligió este tipo de motores.

Dentro de los motores de CD de imán permanente hay clasificaciones, de acuerdo

con el esquema de conmutación y al diseño que tenga la armadura.

Los motores de CD tradicionales tienen escobillas mecánicas y conmutadores. La

40

conmutación se hace en forma electrónica; estos motores se llaman motores de

CD sin escobillas.

De acuerdo a las características de construcción de la armadura, el motor de CD

de imán permanente se puede clasificar en tres tipos de motores de armadura:

o Núcleo de hierro

La configuración del rotor y estator de un motor de CD de imán permanente de

núcleo de hierro. La figura 3.2 muestra el interior de un motor de imán

permanente. El material del que esta hecho el imán permanente puede ser Bario-

Ferrita, Álnico, o una combinación de tierras raras. El flujo magnético producido

por el imán pasa a través de la estructura del rotor laminado que tiene ranuras.

Los conductores de la armadura se encuentran localizados en las ranuras del

rotor. Estos motores tienen la característica de tener una inercia relativamente alta

(bobinas de la armadura giratoria), inductancia alta, alta confiabilidad y bajo costo.

Fig. 3.2 Motor De CD De Imán Permanente.

o Devanado superficial

La armadura está adherida a la superficie de la estructura cilíndrica del rotor, la

cual está hecha de discos laminados sujetos al eje del motor. Ya que estos

motores no se emplean ranuras sobre el rotor, no presenta el efecto de rueda

dentada. Puesto que el alambre está proyectado en el entrehierro de aire que se

encuentran entre el rotor y el campo de imán permanente, este campo presenta

una menor inductancia que el anterior. La figura 3.3 muestra el interior del rotor de

un motor de CD de devanado superficial.

41

Fig. 3.3 Motor De CD De Devanado Superficial.

o Bobina móvil

Los motores de bobina móvil están diseñados para moverse a velocidades muy

bajas y por lo tanto la inductancia de la armadura es también baja. Lo anterior se

logra al colocar el alambre o embobinado (conductores) de la armadura en el

entrehierro por la trayectoria de regreso del flujo estacionario y la estructura de

imán permanente. La figura 3.4 muestra el interior del un motor de CD de bobina

móvil; la estructura está soportada por un material no magnético (normalmente

fibra de vidrio) para formar un cilindro hueco. Uno de los extremos del cilindro

forma un eje, el cual está conectado al eje del motor. La figura 3.5 muestra la

sección transversal. La característica de este motor es que tiene un momento de

inercia bajo, valores menores a 100 µH son comunes en estos motores. Por que

los conductores del motor no están en contacto directo con el hierro. Estas

propiedades de inercia e inductancia bajas hacen que el motor de bobina móvil

sea una de las mejores elecciones de actuadores para sistemas de control de alto

desempeño.

Fig. 3.4 Motor De CD De Bobina Móvil.

42

Fig.3.5 Sección Transversal Del Eje De Un Motor De CD De Bobina Móvil.

o Sin escobillas

Estos motores de CD sin escobillas a diferencia de los anteriores ya que éstos

emplean conmutación eléctrica en lugar de mecánica. La configuración de estos

motores de CD sin escobillas es comúnmente empleados para aplicaciones de

movimiento la cual se va incrementando. El rotor cuenta con imanes y un soporte

de hierro, en el que las bobinas conmutadas están localizadas en forma externa a

las partes giratorias. La figura 3.6 muestra el interior y exterior de un motor de CD

sin escobillas.

La aplicación de los motores de CD sin escobillas se usan cuando se requiere un

momento de inercia bajo, como en el manejo del eje en unidades de disco de alto

desempeño empleado en computadoras.

Fig.3.6 Motores De CD Sin Escobillas.

43

o Curva torque - velocidad de un motor de CD

La curva característica de torque-velocidad de un motor de CD describe la

capacidad de torque estático producido por el motor con respecto al voltaje

aplicado y a la velocidad del motor. En estado estacionario, el efecto de

inductancia es cero y la ecuación del par del motor es:

Tm=KiIa = Ecuación 3.7

En donde Tm,, Ia,Ea y Ωm representan los valores en estado estacionario del par

del motor, la corriente, el voltaje aplicado y la velocidad, respectivamente.

Para un voltaje aplicado dado que Ea, de la ecuación 3.7 describe la relación lineal

de las características torque-velocidad del motor. El motor realmente puede estar

sujeto a dos tipos de saturación o limitaciones:

La primera limitación se debe a que la corriente de la armadura aumenta cuando

Ea se incrementa, el circuito magnético se saturará, por lo que el torque del motor

no puede exceder cierto valor máximo.

La segunda limitación se debe a la corriente máxima que el motor puede alcanzar

debido a la disipación de calor.

La figura 3.7 muestra las curvas típicas torque-velocidad para diferentes voltajes

aplicados. La pendiente de estas curvas se deduce de la ecuación 3.8 y se

expresa de la siguiente forma:

k = Ecuación 3.8

El límite del torque debido a la saturación magnética se presenta por una línea

punteada en la figura 3.7. En la práctica la curva torque-velocidad de un motor de

CD se pueden determinar en forma experimental con un dinamómetro.

44

Fig.3.7 Curva Característica

De Un Motor De CD, Torque-

Velocidad.

3.4 Ventilador Centrífugo

3.4.1 Ventilación La ventilación puede definirse como la técnica de sustituir el aire ambiente interior

de un recinto, el cual se considera indeseable por falta de temperatura adecuada,

pureza o humedad, por otro que aporta una mejora. Esto es logrado mediante un

sistema de inyección de aire y otro de extracción, provocando a su paso un barrido

o flujo de aire constante, el cual se llevará todas las partículas contaminadas o no

deseadas.

3.4.2 Ventilador

Un ventilador es una máquina rotatoria que pone el aire en movimiento. Se define

como una turbo máquina que transmite energía para generar la presión necesaria

para mantener un flujo continuo de aire.

Dentro de una clasificación general de máquinas, los ventiladores son turbo

máquinas hidráulicas tipo generador para gases.

Un ventilador consta de un motor de accionamiento eléctrico, con dispositivos de

control propios de los mismos, arranque, regulación de velocidad, conmutación de

45

polaridad, etc. y un propulsor giratorio en contacto con el aire, al que le transmite

energía. Este propulsor tiene la forma de rodete con paletas, en el caso del tipo

centrífugo, o de una hélice con paletas y con un número diverso de éstas, en el

caso de los axiales.

El conjunto o por lo menos el rotor o la hélice, van envueltos por una caja con

paredes de cierre en forma de espiral para los centrífugos y por un marco plano o

una envoltura tubular en los axiales. La envolvente tubular puede llevar una reja

radial de paletas fijas a la entrada o salida de la hélice, llamada directriz, que guía

el aire, para aumentar la presión y el rendimiento del aparato.

En este caso se utilizará un ventilador centrífugo, por las características que

presentan este tipo de ventiladores y que se explican a continuación.

3.4.3 Ventiladores Centrífugos

En los ventiladores centrífugos la trayectoria del flujo sigue la dirección del eje del

rotor a la entrada y es perpendicular al mismo a la salida. Si el aire a la salida es

recogido perimetralmente en una espiral, entonces se dice que el ventilador es de

espiral.

Estos ventiladores tienen tres tipos básicos de rotores. La figura 3.8 muestra los

diferentes rotores.

3.4.3.1 Paletas Curvadas Hacia Delante Los ventiladores de paletas curvadas hacia adelante se llaman también de jaula

de ardilla, tienen una hélice o rotor con paletas curvadas en el mismo sentido del

giro. Estos ventiladores necesitan poco espacio, poseen baja velocidad periférica y

son silenciosos. Se utilizan cuando la presión estática necesaria es de baja a

media, tal como la que se encuentra en los sistemas de calefacción, aire

46

acondicionado o renovación de aire. No se recomienda utilizar este tipo de

ventilador con aire polvoriento, ya que las partículas se adhieren a las pequeñas

paletas curvadas y pueden provocar el desequilibrio del rotor.

Estos ventiladores tienen un rendimiento bajo. Además con sus características de

absorbida, crece rápidamente con el caudal, ha de tenerse mucho cuidado con el

cálculo de la presión necesaria en su instalación para no llegar a sobrecargarlo.

En general, son inestables trabajando en paralelo, vistas sus características de

o Caudal-presión.

o Paletas rectas

Los ventiladores centrífugos radiales tienen el rotor con las paletas dispuestas en

forma radial. La carcasa está diseñada de forma que a la entrada y a la salida se

alcancen velocidades de transporte de materiales. Existen una gran variedad de

diseños de rotores que van desde los de alta eficiencia hasta los de alta

resistencia a impacto. La posición de las paletas evita la acumulación de

materiales sobre las mismas. Este tipo de ventilador es comúnmente utilizado en

las instalaciones de extracción en las que el aire contaminado con partículas debe

circular a través del ventilador. En este tipo de ventiladores la velocidad periférica

es media y se utiliza en muchos sistemas de extracción.

3.4.3.2 Paletas Inclinadas Hacia Atrás / Curvadas Hacia Atrás

Los ventiladores centrífugos de paletas curvados hacia atrás tienen un rotor con

las paletas inclinadas en sentido contrario de rotación. Este tipo de ventilador es el

de mayor velocidad y mayor rendimiento con un nivel de ruido bajo y un consumo

de energía que no se sobrecarga.

47

En un ventilador sin sobrecarga, el consumo máximo de energía se efectúa en el

punto próximo al de rendimiento óptimo de forma que cualquier cambio a partir de

este punto debido a cambios de la resistencia del sistema resultará en un

consumo de energía menor.

Fig.3.8 A) Ventiladores Centrífugos De Paletas Curvadas Hacia Adelante,

B) Radiales Y C) Hacia Atrás.

3.5 Leyes De Los Ventiladores

Mediante el uso de las ecuaciones conocidas como leyes de los ventiladores es

posible determinar, con buena precisión los parámetros de una serie de

ventiladores geométricamente semejantes a partir de las características del

ventilador. Las leyes de los ventiladores están indicadas, bajo forma de relación de

magnitudes, en ecuaciones que se basan en la teoría de la mecánica de fluidos y

su exactitud es suficiente para la mayoría de las aplicaciones, siempre que la

diferencial de presión sea inferior a 3kPa, por encima de la cual se debe tener en

cuenta la compresibilidad del aire o gas.

Las variables que involucran las leyes de los ventiladores son:

La velocidad de rotación

El diámetro de la hélice o rotor

Las presiones totales estática y dinámica

El caudal

(a) (b) (c)

48

La densidad del aire

La potencia absorbida

El rendimiento

El nivel sonoro (ruido)

Las leyes anteriores son generales para cualquier ventilador, pero implican riesgos

si son mal interpretadas. Un ventilador así calculado debe tener el mismo punto de

capacidad que un ventilador conocido.

3.6 Curva Característica De Un Ventilador

Según sea el ventilador, su curva característica adopta una u otra forma, Los

ventiladores centrífugos, en general, son capaces de manejar presiones altas con

caudales bajos. En la figura 3.9 se muestra la curva característica de un ventilador

centrífugo en términos de la presión total, la presión estática sirve para vencer los

rozamientos y otras resistencias ofrecidas al paso del aire y la presión dinámica se

utiliza para crear y mantener la velocidad del aire.

Fig.3.9 Curva Característica

49

La figura 3.10 representa la curva en donde las presiones estáticas (pérdidas de

carga), dinámicas y las totales. También se representa una curva de rendimiento

mecánico del aparato. La característica de un ventilador es la mejor referencia del

mismo ya que indica su capacidad en función de la presión que se le exige.

Fig.3.10 Representa Gráficamente Las Presiones Estáticas.

Tomando como referencia la figura3.10. La zona de trabajo ideal de un ventilador

esta en la parte A-B de su caracterización. Entre B y C su funcionamiento se

vuelve inestable, el rendimiento desciende rápidamente y aumenta el ruido; por

ello en muchos libros se representa sólo el tramo eficiente evitando el tramo hasta

donde llega la presión máxima.

3.7 Punto De Trabajo De Un Ventilador

Para conocer el punto en que trabajará un ventilador, hay que determinar la

pérdida de carga, sobre el eje “Y”, y señalar la pérdida de carga en m.m.c.d.a

(milímetros de columna de agua).

50

Si se tiene la característica resistiva del sistema, se puede encontrar de forma fácil

el punto de trabajo de un ventilador acoplado al mismo, al superponer las curvas

características del ventilador y resistencia del conductor como se muestra en la

figura 3.11.

Fig.3.11 Curvas Características De Un Ventilador

Si se desea obtener las características resistivas del sistema se debe partir del

hecho que las pérdidas de carga se originan variando proporcionalmente al caudal

que fluye a través del conducto de distribución.

Para conocer el punto de funcionamiento de un ventilador es indispensable

disponer de las curvas características de los ventiladores, para cualquier cálculo e

instalación que se haga.

Las curvas características de ventiladores se obtienen en laboratorios

debidamente equipados y aparatos, túneles y cámaras calibrados por

especialistas. Ellos están regidos por normas oficiales.

51

3.8 Zona De Funcionamiento

Según sea el ventilador, tipo y tamaño, existe una zona de su curva característica

en la que es recomendable su uso. Fuera de ella pueden producirse fenómenos

que hacen aumentar desproporcionadamente el consumo y rendimiento,

provocando un aumento de ruido e incluso produciendo flujos esporádicos de aire

en sentido inverso.

52

CAPÍTULO IV

LÓGICA DIFUSA

4.1 Controladores.

El controlador es la parte del sistema que va ha modificar las salidas

retroalimentadas a este. Con el objetivo de mejorar la respuesta, es decir,

disminuir el error de tal manera que el resultado sea el esperado.

La mejor selección del controlador para una planta en un sistema de control en

lazo cerrado y la determinación de los parámetros idóneos para ese controlador es

una etapa fundamental para el buen funcionamiento del sistema. El controlador es

un elemento en el sistema en lazo cerrado que tiene como entrada la señal de

error y produce una salida que se convierte en la entrada al elemento al elemento

correctivo. La relación entre la salida y la entrada al controlador con frecuencia se

le denomina ley de control. En el control clásico existen tres formas de dicha ley:

proporcional, integral y derivativo.

4.1.1 Control Proporcional.

Con el control proporcional la salida del controlador es directamente proporcional a

su entrada; la entrada es la señal de error, l , la cual es una función del tiempo.

De esta manera

Salida = lpK Ecuación 4.1

Donde PK es una constante llamada ganancia proporcional. La salida del

controlador depende sólo de magnitud del error en el instante en el que se

considera. La función de transferencia, )(sGC para el controlador es, por lo tanto

PC KsG =)( Ecuación 4.2

53

El controlador, es en efecto, sólo un amplificador con una ganancia constante. En

cierto tiempo, un error grande produce una salida grande del controlador. La

ganancia constante, sin embargo, tiende a existir sólo sobre cierto rango de

errores que se conoce como banda proporcional.

Es común expresar la salida del controlador como un porcentaje de la posible

salida total de éste. De este modo, un 100% de cambio en la salida del controlador

corresponde a un cambio en el error desde un extremo a otro de la banda

proporcional. Así

rcionalbandapropoP

K 100=

Ecuación 4.3

Debido a que la salida es proporcional a la entrada, si la entrada al controlador es

un error en la forma de un escalón, entonces la salida es también un escalón. Esto

es provisto por el controlador si opera dentro de su banda proporcional.

El control proporcional es sencillo de aplicar, en esencia sólo se requiere de

alguna forma de amplificador. Este podría ser un amplificador electrónico o un

amplificador mecánico; el controlador proporcional es de la forma que describe la

figura 4.1.El resultado es una función de transferencia en lazo abierto de

)()( sGKsG PPO = Ecuación 4.4

Donde )(sGP es la función de transferencia de la planta.

Fig. 4.1 Sistema Con Control Proporcional

)(siϑ + -

Controlador Planta

PK )(sGp )(0 sϑ

54

La principal desventaja del sistema es que el controlador no introduce un término

s1 o integrador en la trayectoria directa. Esto significa que si el sistema fuera de

tipo 0, entonces el controlador no cambiaría y seguiría siendo de tipo 0 con los

consecuentes errores en estado estable. El controlador no introduce nuevos ceros

o polos al sistema, sólo determina la ubicación de los polos en lazo cerrado. Esto

se debe a que la función de transferencia en lazo cerrado es con el controlador, y

la realimentación unitaria es

)(1)()(sGK

sGKsGPP

PPP +

= Ecuación 4.5

Y, de esta manera, la ecuación característica ))(1( sGK PP+ si tiene los valores de

sus raíces afectados por PK .

4.1.2 Control Integral.

Con el control integral la salida del controlador es proporcional a la integral de la

señal de error l con el tiempo, es decir,

Salida ∫=t

i edtK0 Ecuación 4.6

Donde iK es la constante denominada ganancia integral. Éste tiene unidades de

1−s . La figura 4.2 muestra qué pasa cuando el error es de la forma de un escalón.

La integral entre 0 y t es, de hecho, el área bajo la gráfica del error entre 0 y t. Así,

debido a que después de que el error comienza, el área se incrementa en una

razón regular, la salida del controlador se debe incrementar en una razón regular.

La salida en cualquier tiempo es, entonces, proporcional a ala acumulación de los

efectos de los errores pasados.

55

Fig. 4.2 Control Integral

Al tomar la transformada de Laplace de la ecuación 4.6 da por resultado la función

de transferencia, para el controlador integral, de

sK

sessalidasG i

C ==)(

)()( Ecuación 4.7

Así, para el sistema de la forma que se ilustra en la figura 4.3, el control integral,

da una función de transferencia de la trayectoria directa de )()( sGsK

Pi y, por lo

tanto, una función de transferencia en lazo abierto de

)()( sGs

KsG P

iO ⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛=

Ecuación 4.8

Fig.4.3 Control Integral

0

Error Tiempo

Tiempo

Salida

Del

Controlador

)(siϑ + -

Controlador Planta

sKi )(sGp

)(0 sϑ

56

Una ventaja del control integral es que la introducción de un término s en el

denominador incrementa el tipo de sistema en 1. De esta manera, si el sistema

hubiera sido de tipo 0, el error en estado estable que se habría presentado con la

entrada escalón desaparecería cuando se presentara el control integral. Una

desventaja del control integral es que el término )0( −s en el denominador significa

que se ha introducido un polo en el origen. Puesto que no se introducen ceros, la

diferencia entre el número de polos n y de ceros m se incrementa en 1. Una

consecuencia de lo anterior es que los ángulos de las asíntotas de los lugares

geométricos de las raíces decrecen, es decir, éstas apuntan más hacia el

semiplano derecho del plano s y, de este modo, se reduce la estabilidad relativa.

4.1.3 Control Proporcional Integral.

La reducción en la relativa como resultado de usar el control integral se puede

resolver, como una extensión, mediante el control proporcional integral. Para tal

combinación la salida del controlador es

∫+=t

iP edtKeKSalida0

Ecuación 4.9

La figura 4.4 ilustra el tipo de salida del controlador que se presenta con dicho

sistema cuando existe una entrada de error tipo escalón. Al tomar la transformada

de Laplace de la ecuación 4.9 se obtiene una función de transferencia, salida

)()(

ses , para el controlador PI de

sK

KsG iPC +=)(

s

KsK ip += s

KKsK

p

iP ⎥⎦

⎤⎢⎣⎡ +

=)(

)(I

PK

K se denomina constante de tiempo integral, iτ . De esta manera

57

s

sKsG i

P

c

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡ +

=)1(

)(τ

Ecuación 4.10

Fig. 4.4 Control Proporcional Integral

En consecuencia, la función de transferencia de la trayectoria directa para el

sistema de la figura 4.5 es

s

sGsKsG

Pi

p

O

)(1)(

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡

⎟⎠⎞⎜

⎝⎛+

=τ

Ecuación 4.11

Fig. 4.5 Control Proporcional Integral

0

Error Tiempo

Tiempo

Salida

Del

Controlador

Debido a la acción integral

Debido a la acción

proporcional

Error Planta

)(sGp )(0 sϑ

)(siϑ + -

pK

sKi

+

+

Controlador )(sG

58

De esta manera, mediante el uso del controlador PI se adicionan un cero en

)1(iτ

− y un polo en 0. El factor 1/s se incrementa el tipo de sistema en 1 y elimina

la posibilidad de un error en estado estable para una entrada escalón. Debido a

que se introducen un nuevo polo y un nuevo cero, la diferencia entre el número de

polos n y número de ceros m permanece sin cambio. Así, los ángulos de las

asíntotas para los lugares geométricos de las raíces no cambian.

Sin embargo, el punto de intersección de las asíntotas con el eje real se mueve

hacia el origen y, en consecuencia, se presenta cierta reducción en la estabilidad

relativa

Adicionar el polo en 0 y el cero en ⎟⎠⎞⎜

⎝⎛−=

is τ

1 da por resultado que el punto de

intersección cambia por mni

−⎟⎠⎞⎜

⎝⎛

+ τ1

a la derecha y se hace más positivo y

cercano al origen. Sin embargo, la reducción en la estabilidad relativa no es tanto

como lo es con el control integral solo.

La posición del cero que se introduce esta determinada por la ganancia integral,

iK , es decir, ésta se determina mediante la constante de tiempo integral, iτ . La

ganancia proporcional, pK , determina las posiciones de los polos en lazo cerrado.

4.1.4 Control Derivativo

Con la forma derivativa del controlador, la salida del controlador es proporcional a

la razón de cambio con el tiempo del error e, es decir

dtdeKSalida d=

Ecuación 4.12

Donde dK es la ganancia derivativa y tiene unidades de s. La figura 4.6 muestra

qué pasa cuando hay un error de entrada rampa. Con el control derivativo, tan

59

pronto como la señal de error inicial puede haber una salida del controlador muy

grande, puesto que ésta es proporcional a la razón de cambio de la señal de error

y no a su valor. De este modo puede proporcionar una acción correctiva grande

antes de que se presente un error grande en realidad. Sin embargo, si el error es

constante, entonces no hay acción correctiva, aún si el error es grande. Así, el

control derivativo es insensible a señales de error constantes o que varían con

lentitud y, en consecuencia, no se usa solo, sino combinado con otras formas de

controlador.

Fig. 4.6 Control Derivativo

Al tomar la transformada de Laplace de la ecuación 4.12 resulta, para el control

derivativo, una función de transferencia salida (s)/e(s)

sKsG dc =)( Ecuación 4.13

Por lo tanto, para el sistema en lazo cerrado que muestra la figura 4.7, la

presencia del control derivativo produce una función de transferencia en lazo

abierto de

)(1)(

)(ssGK

ssGKsG

Pd

PdO +

= Ecuación 4.14

0

Error

Tiempo

Tiempo

Salida del controlador0

60

Fig. 4.7 Control Derivativo

Si la planta es de tipo 1 o mayor, entonces la aplicación de la acción derivativa es

para cancelar una s en el denominador y así reducir el orden en 1. No obstante,

como antes se mencionó, la acción derivativa no se usa sola sino sólo en conjunto

con otra forma de controlador. Cuando se usa esta acción de control se logra que

la respuesta sea más rápida.

4.1.5 Control Proporcional Derivativo

Si el control derivativo se usa con el control proporcional, entonces la función de

transferencia en lazo abierto se convierte en

)(1)(

)()()(

sGsKsG

sGsKKsG

Pd

dO

PdPO

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡ +⎟

⎠⎞⎜

⎝⎛=

+=

τ Ecuación 4.15

Fig. 4.8 Control Proporcional Derivativo

)(siϑ + -

sKd )(sGp )(0 sϑ

Error Planta

)(sGp )(0 sϑ

)(siϑ + -

pK

sKd

+

+

Controlador )(sG

61

Donde d

Pd K

K=τ y se denomina constante de tiempo derivativa. Con esta forma

de control se ha introducido un cero en d

s τ1−= . Tampoco habrá cambios en el

tipo de sistema y, por lo tanto, en los errores en estado estable.

4.1.6 Control PID

El controlador proporcional integral derivativo (PID), mejor conocido como

controlador de tres términos, con un sistema de la forma que ilustra la figura 4.9

dará una salida, para una entrada de error e, de

∫ ++=t

dip dtdeKedtKeKSalida

0

Ecuación 4.16

Fig. 4.9 Control PID

La función de transferencia, salida )(/)( ses , del controlador es, de esta manera

sKs

KKsG d

ipc ++=)( Ecuación 4.17

+

+

+

Controlador )(sG

Planta

)(sGp )(0 sϑ

)(siϑ + -

pK

sKi

sKd

Proporcional

Integral

Derivativo

62

Debido a que la constante de tiempo integral, iτ , es i

p

KK

y la constante de tiempo

derivativa, dτ ,P

dK

K , la ecuación 4.16 se puede escribir como

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛++=

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛++=

ss

KsG

KsK

sKK

KsG

di

PC

P

d

P

iPC

ττ11)(

1)(Ecuación 4.18

La función de transferencia en lazo abierto para el sistema de la figura 4.9 es

( )s

sGssKsG

sGss

KsGsGsG

i

Pdiipo

Pdi

PPcO

ττττ

ττ

)(1)(

)(11)()()(

2++=

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛++==

Ecuación 4.19

De este modo, el controlador PID ha incrementado el número de ceros en 2 y el

número de polos en 1. También el factor 1/s incrementa el tipo de sistema en 1.

Como podemos observar en el control clásico los controladores necesitan de un

modelo matemático para su implementación lo cual lo hace más compleja su

realización, por lo que implementaremos un control con lógica difusa a

continuación se explica la lógica difusa y cómo se implementa en un sistema de

control sin necesidad de desarrollar un complejo modelo matemático.

4.2 Introducción A La Lógica Difusa

Los orígenes de la palabra “lógica y difusa” ayudarán a familiarizarse mejor con la

lógica difusa y así poder comprender mejor su significado, su funcionamiento y la

forma de aplicación de este método de control.

La palabra lógica: Proviene (etimología) del término griego logos que significa algo

así como discurso, argumentación, y que entraña otros significados como son

63

idea, razón o palabra. Esta palabra ha tomado diversas acepciones a lo largo de la

historia.

El termino difuso procede de la palabra inglesa "fuzz" Este término significa

"confuso, borroso, indefinido o desenfocado".

Al unir estas definiciones puede comenzar a tener una idea a lo que se refiere la

lógica difusa. Se entiende que es una idea la cual no esta clara o que no tiene una

definición específica.

El concepto de lógica difusa, viene precisamente de la filosofía en la cual

Aristóteles solo definía un todo o nada, de ahí que los conjuntos clásicos decimos

que pertenece o no pertenece y también en binario decimos que es 1 ó 0. Lofti

Zadeh creador de la lógica difusa dice en los años 40’s que el uno y el cero son

como el negro y el blanco, por lo tanto entre estos debe de haber una escala de

grises que se difunden desde el negro hasta el blanco, es decir hay tonos grises

“difusos” entre el negro y el blanco, por esta razón en los conjuntos difusos algún

elemento tendrá un grado de pertenencia entre dos conjuntos.

La principal razón para usar la lógica difusa es que no se necesita el modelo

matemático, esto es aplicable en el proyecto, no tener términos específicos, ya

que se sabe que el frío y el calor es muy relativo y depende de la persona que

esté percibiendo la sensación, y de esto se pueden proponer conjuntos difusos

acerca de la temperatura o otras variables; los cuales de alguna forma no tienen

definidas sus fronteras.

4.3 Antecedentes Históricos

Los conjuntos difusos fueron introducidos por primera vez en 1965; la creciente

disciplina de la lógica difusa provee una nueva metodología para desarrollar

diferentes proyectos ya realizados con el control clásico tradicional. La lógica

difusa puede ser vista como un lenguaje que permite trasladar sentencias

sofisticadas en lenguaje natural a un lenguaje matemático formal. Mientras las

64

ideas o problemas a resolver provengan del mundo real, la práctica temprana de la

lógica difusa permitió el desarrollo de aplicaciones prácticas.

Aparecieron numerosas publicaciones que presentaban los fundamentos básicos

con aplicaciones potenciales; lo anterior marcó una fuerte necesidad de distinguir

la lógica difusa de la teoría de probabilidad; tal como la teoría de conjuntos difusos

y la teoría de probabilidad estos tienen diferentes tipos de incertidumbre.

En 1994, la teoría de la lógica difusa se encontraba en la cumbre, pero no era

nueva, Para muchos estuvo bajo el nombre de lógica difusa durante 25 años, Pero

sus orígenes se remontan desde 2,500 a de c. Ya Aristóteles consideraba que

existían ciertos grados de veracidad y falsedad. Platón había considerado ya

grados de pertenencia.

En el siglo XVIII el filósofo y obispo Irlandés, George Berkeley y David Hume

describieron que el núcleo de un concepto atrae conceptos similares. Hume en

particular; creía en la lógica del sentido común, el razonamiento basado en el

conocimiento que la gente adquiere en forma ordinaria mediante vivencias en el

mundo. En Alemania Immanuel Kant; consideraba que solo los matemáticos

podían proveer definiciones claras y muchos principios contradictorios no tenían

solución. Por ejemplo la materia podía ser dividida infinitamente y al mismo tiempo

no podía ser dividida infinitamente. La escuela americana de la filosofía llamada

pragmatismo fundada a principios de siglo por Charles Sanders Peirce, cuyas

ideas se fundamentaron en estos conceptos, fue el primero en considerar

''vaguedades'', más que falso o verdadero, como forma de acercamiento al mundo

y a la forma en que la gente funciona. La idea de que la lógica produce

contradicciones fue popularizada por el filósofo y matemático británico Bertrand

Russell, a principios del siglo XX. Estudió las vaguedades del lenguaje,

concluyendo con precisión que la vaguedad es un grado. El filósofo austriaco

Ludwing Wittgenstein estudió las formas en las que una palabra puede ser

empleada para muchas cosas que tienen algo en común.

65

La primera lógica de vaguedades fue desarrollada en 1920 por el filósofo Jan

Lukasiewicz, visualizó los conjuntos con un posible grado de pertenencia con

valores de 0 y 1, después los extendió a un número infinito de valores entre 0 y 1.

En los años sesentas, Lofti Zadeh inventó la lógica difusa, que combina los

conceptos de la lógica y de los conjuntos de Lukasiewicz mediante la definición de

grados de pertenencia.

Uno de los factores fundamentales que acrecentó el interés hacia la lógica difusa;

fueron las investigaciones acerca de las redes neuronales y la similitud con los

sistemas difusos; lo que conllevo a relacionar las dos técnicas y lo resultante fue lo

conocido como Sistemas Neuro-difusos (Neuro-Fuzzy Systems), sistemas que

usan métodos de aprendizaje basados en las redes neuronales para identificar sus

parámetros. B. Kosko contribuyó a los sistemas Neuro-Fuzzy y con la ayuda de

sus artículos publicados introdujo a muchos lectores interesados en las redes

neuronales.

La lógica difusa esta teniendo bastante éxito en su utilización en los sistemas de

control. Sin embargo las investigación han encontrado aplicaciones en áreas del

reconocimiento de patrones visuales y/o la identificación de segmentos de ADN;

pero esto no acaba aquí, Algunos de los más prestigiados investigadores

presagian que el futuro de esta técnica, seria ordenar, recuperar, controlar y

gestionar la red. Y pasaría por las manos de la lógica difusa. Esta intuición fue

confirmada por el mismo Zadeh, quien pretende encaminar todo esto hacia ese

rumbo. Sin embargo los investigadores están buscando nuevas aplicaciones para

esta técnica.

4.4 Funcionamiento De La Lógica Difusa

La lógica difusa es descrita como un sistema interpretativo en el cual las variables

que se involucran con éste no están claras o nítidamente definidas dándole un

grado de pertenencia entre un rango de valores, el caso contrario a lo que utilizaba

66

la lógica tradicional en donde sólo se asignaban valores como 0 ó 1 o falso y

verdadero. Este grado de pertenencia toma todo el rango de valores que puede

ser considerado entre los números 0 y 1.

La lógica difusa permite tratar información imprecisa. Teniendo lo anterior se

definen reglas a seguir para tomar y realizar una acción. De esta manera la lógica

difusa combina las variables de entrada en términos de conjuntos difusos, por

medio de reglas que producen uno o varios valores de salida. Estos conjuntos

pueden ser manejados de manera muy similar a los conjuntos clásicos.

Es decir la lógica difusa se aplica para definir en forma de números cosas que

pueden ser relativas; dependiendo el sentido común de las personas. Por ejemplo;

si se quiere controlar la temperatura a ciertos rangos se puede considerar caliente,

muy caliente o tal vez muy frío dependiendo de la perspectiva que tenga la

persona que manipulara el sistema. Normalmente para este tipo de control se

requiere de un experto que conozca como funciona el sistema a controlar.

La lógica difusa se adapta mejor al mundo real en el que se vive, e incluso puede

comprender y funcionar con expresiones del tipo "hace mucho calor", "no es muy

alto", "el ritmo del corazón está un poco acelerado", etc.

La clave de esta adaptación al lenguaje requerido, se basa en comprender los

cuantificadores del lenguaje (en los ejemplos de arriba "mucho", "muy" y "un

poco").

En la teoría de conjuntos difusos se definen también las operaciones de unión,

intersección, diferencia, negación o complemento y otras operaciones sobre

conjuntos, en los que se basa esta lógica.

Un ejemplo de sentencia es el siguiente:

“Un cretense asegura que todos los cretenses mienten. Entonces, ¿Estará

mintiendo él también?, Si él miente entonces él esta diciendo la verdad y no

67

miente, si él no miente, entonces él esta diciendo la verdad y, por lo tanto, él

miente.”

Se dice que en la lógica difusa “Todo es cuestión de grado”. El control difuso

puede ser interpretado como un control a través de palabras que interpretan el

sentido común en lugar de números, o bien; sentencias en lugar de ecuaciones.

Sin embargo para poder realizar este tipo de control las sentencias se tienen que

pasar a números, como ya se mencionó anteriormente, grados de pertenencia. A

esta etapa en la cual se les dan valores a las sentencias se llama fusificación.

Para esto se utilizan reglas comprendidas por experiencia o también conocidas

como “si, entonces” en las cuales dependiendo de las variables de entrada del

sistema de control se obtendrá una respuesta de éste, la cual va a ser la variable

de salida

Por ejemplo:

SI hace muchísimo calor ENTONCES disminuyo drásticamente la temperatura.

SI voy a llegar un poco tarde ENTONCES aumento levemente la velocidad.

Para cada conjunto difuso, existe asociada una función de pertenencia para sus

elementos, que indican en qué medida el elemento forma parte de ese conjunto

difuso. La figura 4.10 muestra las graficas de las formas típicas de funciones de

pertenencia:

a) Función de

membresía

triangular.

68

Fig.4.10 Gráficas De Las Funciones De Membresía.

Los métodos de inferencia para esta base de reglas deben ser simples, veloces y

eficaces. Los resultados de dichos métodos son un área total, fruto de un conjunto

de áreas solapadas entre sí (cada área es resultado de una regla de inferencia).

Para escoger una salida concreta a partir de varias premisas difusas, el método

más usado es el del centroide, en el que la salida final será el centro de gravedad

del área total resultante.

b) Función de

membresía gaussiana

c) Función de

membresía entre

dos

sigmoides

69

Las reglas de las que dispone un sistema difuso para realizar un acción a partir de

inferir; pueden ser formuladas por expertos o bien aprendidas por el propio

sistema, haciendo uso en este caso de Redes neuronales para fortalecer las

futuras tomas de decisiones.

Los datos de entrada suelen ser obtenidos por sensores, que miden las variables

de entrada de un sistema. La figura 4.11 muestra el diagrama a bloques de un

sistema difuso.

Fig.4.11 Diagrama A Bloques De Un Sistema Difuso. 4.5 Funcionamiento De Un Sistema De Control Difuso

La matemática Fuzzy en general involucra a las siguientes operaciones

Fusificación: Traducción de los valores del mundo real a valores difusos.

Evaluación de reglas: Determinación de la fuerza de las reglas basadas en los

valores de entrada y las reglas.

Defusificación: Traducir de vuelta los resultados difusos a valores del mundo real

Esta teoría permite manejar y procesar información en los cuales se manejen

términos inexactos, imprecisos o subjetivos. De una manera similar a como lo

70

hace el cerebro humano, es posible ordenar un razonamiento basado en reglas

imprecisas y en datos incompletos.

Para ello se debe ampliar la teoría de conjuntos y la lógica booleana de manera

que un individuo pueda pertenecer parcialmente a un conjunto y que las

operaciones lógicas además de unos y ceros, puedan ser 0,01 ó 0,75. Un claro

ejemplo es la comunicación, la coordinación de las acciones que se realizan en la

vida cotidiana y ordenes que asuma alguien como "...eres demasiado joven para

hacer eso..."; ¿Cuánto es "demasiado"?; ¿Qué es "joven"?

4.6 Algunas aplicaciones

El control difuso ha encontrado un gran éxito en muchas diferentes ramas

tecnológicas, como por ejemplo la metalurgia, Robots encargados de realizar una

tarea especifica, Controles de avión, Sensores de imagen los sistemas de

estabilización de la imagen de cámaras fotográficas y de video de marca

reconocida mundialmente, Lavadoras de marcas muy conocidas que son capaces

de auto regular la cantidades de jabón que requiere el ciclo de lavado

dependiendo de lo sucio de la ropa, Aire acondicionado en el que el sistema fuzzy

detecta oscilaciones de temperatura y los corrige, Sistema de frenado ABS de

automotrices mundiales, Foto copiadoras, Ascensores, Hornos de microondas,

Refrigeradores, Televisores y Audio. Por citar algunos ejemplos reales de las

aplicaciones de la lógica difusa, que ya están puestos en práctica en el campo de

de los llamados sistemas expertos. Todos estos sistemas utilizan información

esencialmente imprecisa con el objetivo de lograr realizar la tarea para lo que

fueron diseñados.

71

CAPÍTULO V

ETAPA DE POTENCIA

El controlador a su salida nos entrega una respuesta con niveles de corriente y

voltaje muy pequeños con los que nos es imposible hacer que nuestra etapa de

actuadores funcione adecuadamente, por eso es necesario aumentar estos

valores y lo hacemos aplicando electrónica de potencia o etapa de potencia.

5.1 Modulación por ancho de pulso PWM

La modulación por ancho de pulsos (pulse width modulation) es una técnica en la

que se modifica el ciclo de trabajo de una señal periódica. El ciclo de trabajo de

una señal periódica es el ancho relativo de su parte positiva en relación al periodo.

La figura 5.1 muestra una modulación por ancho de pulso.

Matemáticamente:

En donde:

D = Ciclo de trabajo

τ = Tiempo en que la función es positiva (ancho del pulso)

T = Período de la función

Este tipo de modulación es una técnica utilizada para regular la velocidad de giro

de los motores eléctricos. Mantiene el par motor constante y no existe pérdida de

energía eléctrica.

Ecuación 5.1

72

Fig.5.1 PWM a diferentes ciclos de trabajo.

5.2 Puente H

El Puente H es un sistema de conmutación controlado por dos señales digitales de

baja potencia. Un puente H esta constituido por 4 interruptores (transistores).

Cuando los interruptores S1 y S3 están cerrados se aplica una tensión positiva en

el motor, haciéndolo girar en un sentido. Posteriormente cerrando S2 y S4, el

voltaje es inverso, lo que ocasiona que el giro del motor sea inverso.

El microcontrolador proporcionará la señal digital (PWM) deseada, que después

será introducida en el puente H que controlará los estados de los motores a utilizar

y como consecuencia se notará en la velocidad de los motores.

La interfaz de potencia para motores de CD, PUENTE H, es un sistema que

controla motores en un rango de 12 y 30 volts con un consumo de corriente de

hasta 2.5 amperes por medio de señales de baja potencia provenientes de un

microcontrolador. En general cualquier microcontrolador tiene la capacidad para

activar motores de CD haciéndolos girar en uno o en otro sentido usando la

interfaz Puente H como puente entre el microcontrolador y el motor de CD.

73

Las principales características del Puente H son:

Activación de motores con un rango entre 9 y 30 volts DC

Circuito de apagado térmico, lo cual protege al motor y al puente H de

cualquier sobrecarga de corriente que pueda haber

Capacidad de entrega de corriente a partir de 2.5 amperes a la carga

Capacidad para activar el giro del motor en cualquiera de los dos sentidos

Tamaño reducido del circuito

El puente H es una opción para la etapa de potencia. Con la finalidad de controlar

el arranque alto y sentido de los motores por medio de la señal digital por PWM se

controlará la velocidad de los dos motores.

El puente H se usa para invertir el giro de un motor, también se utiliza para frenar

un motor de manera brusca, al hacer un corto entre los dos extremos del motor, o

se puede dejar que el motor frene bajo su propia inercia cuando se desconecte el

motor de la fuente de alimentación. La tabla 2 muestra el funcionamiento del

puente H.

S1 a S4 se refiere a los transistores Q1 a Q4 que actúan como un switch.

74

S1 S2 S3 S4 Comportamiento

1 0 0 1 El motor gira en sentido a las manecillas

del reloj “Avance”.

0 1 1 0 El motor gira en sentido inverso a las

manecillas del reloj “Retroceso”.

0 0 0 0 El motor se detiene bajo su inercia

0 1 0 1 El motor frena (fast-stop)

Tabla 5.1 Tabla de verdad del puente H.

La figura 5.2 muestra la configuración de un puente H con transistores tipo NPN

.

Fig. 5.2 Configuración de un puente H.

Una parte importante es la instalación correcta de las tierras en los sistemas de

control y de potencia; evitará cortocircuitos por diferencia de potencial, algunas

formas de evitar estos problemas son compartir la misma conexión a tierra, usar

fuentes de alimentación flotantes para el sistema de control como por ejemplo

fuentes de alimentación sin conexión a tierra o utilizar acoplamientos ópticos o

magnéticos entre el sistema de control y la interfaz puente H.

75

El circuito LMD18200 de la marca National Semiconductor es el que se ocupara

para el control de velocidad de las turbinas y el control de temperatura del

elemento calefactor. El cual cuenta con un puente H constituido por cuatro

transistores con tecnología CMOS. Este dispositivo es ideal para el control de

motores eléctricos de CD.

Características de este circuito son:

Opera con voltajes de hasta 55V

Es compatible con tecnología TTL y CMOS a la entrada

Soporta una corriente arriba de 3A

Terminal de protección de temperatura a la salida a 145º C

Protección con diodos internos

Principales aplicaciones son:

Control de velocidad de motores de CD

Control de velocidad y posición de servomecanismos

Mecanismos de control numérico

Aplicaciones en impresoras y plotters

La figura 5.3 muestra el diagrama de funcionamiento del puente que se va ocupar.

.

Fig. 5.3 Circuito

LMD18200 De La

Marca National

Semiconductor

76

5.3 Acoplamiento Óptico Entre Un Sistema Digital Y Una Etapa De Potencia Los microcontroladores realizan funciones de control tales que deben ser

interconectados a una etapa de potencia, con dispositivos como los tiristores

(triacs, scr, etc.) para actuar sobre cargas resistivas o inductivas, como en

sistemas de iluminación, o en procesos industriales y en el control de la velocidad

de motores, etc. Al manejar potencia, es decir manipulación de corrientes muy

altas, implica tener consideraciones de seguridad eléctrica para la operación y

protección del microcontrolador.

La interconexión entre ambas etapas (la digital y la de potencia) se deberá hacer

por medio de un acoplamiento que permita aislar eléctricamente los dos sistemas.

Esto se puede lograr con los dispositivos llamados optoacopladores. La figura 5.4

muestra un acoplamiento óptico y, al mismo tiempo, un aislamiento eléctrico. Por

ello también se les conoce como optoaisladores. El acoplamiento se efectúa en el

rango del espectro infrarrojo a partir de dispositivos emisores de luz, usualmente

LED’s, actuando como emisores y utilizando dispositivos optodetectores

detectores de luz actuando como receptores.

Fig.5.4 Configuración De Un Optoacoplador.

77

La razón fundamental para llevar a cabo acoplamiento óptico y aislamiento

eléctrico es por protección del microcontrolador ya que si ocurre un corto en la

etapa de potencia, o cualquier otro tipo de anomalía eléctrica, el optoacoplador

protege a toda la etapa de control.

La figura 5.5 muestra el diagrama de bloques general para la conexión de un

microcontrolador a una etapa de potencia mediante el uso de un optoaclopador..

Fig.5.5 Diagrama De Bloques Para Interconexión De Un Sistema Digital Y Un

Sistema De Potencia.

Las figuras 5.6, 5.7 y 5.8 presentarán las configuraciones estándar empleadas

para hacer acoplamiento óptico entre sistemas digitales y etapas de potencia. El

montaje requerido se selecciona de acuerdo con las características del sistema a

estudiar.

Fig.5.6 Montaje Estándar Básico Con Lógica Digital Positiva.

MICROCONTROLADOR SISTEMA DE POTENCIAOPTOACOPLADOR

78

Fig.5.7 Montaje Si La Lógica Digital Es Negativa.

Fig.5.8 Montaje Para Asegurar Disparo Y Permitir Monitoreo Adicional De La

Salida

El optoaclopador es un dispositivo fácil de usar, con una amplia variedad de tipos

de acoplamiento y de bajo costo. Se deben usar cuando se requiera controlar

potencia.

El cálculo de la carga o del dispositivo de manejo de corriente en la etapa de

potencia siempre será absolutamente recomendable hacer uso del criterio de

seguridad del 30% respecto de los regímenes máximos señalados por el

fabricante. Es la única manera de asegurar el manejo de dispositivos de potencia.

79

CAPÍTULO VI

MICROCONTROLADOR

Se usó un microcontrolador, ya que este tiene los módulos necesarios dentro del

integrado (contiene memoria ROM, RAM, timers, convertidores A/D, comunicación

serial, etc.) para desarrollar el algoritmo de control y realizar el manejo de las

señales de entrada y de salida usando los conceptos de los capítulos anteriores.

En adelante se explica más a detalle cada una de las etapas del microcontrolador.

6.1 Características Del Microcontrolador HCS12

Para el desarrollo del proyecto se utilizará un microcontrolador de la marca

Motorola de la familia HCS12. Este dispositivo cuenta con instrucciones de lógica

difusa las cuales se utilizarán para el control del sistema.

Dentro de las principales características de este microcontrolador es que cuenta

con una unidad central de 16 bits, una memoria EEPROM de tipo flash de hasta

128 Kbyte y una memoria RAM de hasta 8 Kbyte, otras características se

enumeran a continuación:

Dos convertidores digital analógico (DAC) de un canal con resolución de 8

bits

Un convertidor analógico digital (ADC) de 16 canales con 10 bits de

resolución y conversión externa con capacidad trigger

Tres timers (TIM) de cuatro canales

Estos pueden ser programables y comparados entre si

Con un modo simple de PWM.

Contador de eventos externos

Acumulador de tiempo.

6 canales de PWM

Con periodo programable y duty cycle (ciclo de trabajo)

80

8-bits 6-canales o 16-bits 3-canales

Control separado por cada ancho de pulso y duty cycle

Señal de reloj programable con un gran rango de frecuencias.

Interfaz serial

Tres interfases de comunicación serial asíncrona (SCI).

Interfaz serial síncrona periférica (SPI).

Generador de reloj y reset

Interrupciones en tiempo real

control de reloj

oscilación del cristal de reloj a 16MHz

Frecuencia de operación

50MHz equivalentes a 25MHz de velocidad del bus.

Regulador interno a 2.5V

Rango de entrada de voltaje de 1.135V a 5.5V

Capacidad de trabajar a baja potencia

Incluye reset a bajo voltaje (LVR)

Incluye interrupción a bajo voltaje (LVI)

112-pines LQFP o 80-pines QFP o 64-pines QFN dependiendo el tipo de

empaque.

Más de 90 líneas de entrada-salida con entrada de 5V y capacidad de

drive (en el empaque de 112 pines)

16 entradas de 3.3V/5V para el convertidor A/D

La figura 6.1 muestra el diagrama a bloques del microcontrolador HC12, también

de los elementos que lo componen y la distribución de los diferentes pines.

81

Fig. 6.1 Diagrama A Bloques Del Microcontrolador HC12.

82

Para el desarrollo del proyecto se usará principalmente dos bloques específicos de

este microcontrolador los cuales son el convertidor analógico-digital (ADC) y la

función del PWM que contiene el circuito.

El convertidor analógico-digital (ADC) que tiene dentro el microcontrolador es el

ATD10B16C este ADC cuenta con 16 canales y bits multiplexados a la entrada,

algunas de sus características son:

8/10 bits de resolución

Tiempo de conversión simple a10 bits de 7µs.

Amplificador de buffer

Tiempo de muestra programable

Control externo de trigger

Generación de interrupciones al término de la conversión.

Entrada analógica multiplexada por 16 canales

Pines de entrada analógica –digital multiplexados

Secuencia de conversión de 1 a16 bloques

Modo de conversión continua

Escaneo de múltiples canales

Los modos de operación pueden variar y se pueden seleccionar por medio de

software entre conversión simple o conversión continua y operación de un solo

canal o varios canales a la vez. La figura 6.2 muestra el diagrama a bloques del

convertidor analógico-digital (ADC) del microcontrolador HC12.

83

Fig.6.2 Diagrama A Bloques Del Moduló Convertidor Analógico-Digital Del

Microcontrolador HC12.

Algunas de las señales externas que se muestran en el diagrama a bloques son

las siguientes:

AN15 este pin sirve como entrada analógica canal 15, también puede ser

usado como entrada digital con una compuerta AND/OR externa para un

trigger.

ANx( x= 14,13,12,11,10,9,8,7,6,5,4,3,2,1,0) estos pines son usados como

entradas analógicas de propósito general.

VRH, es la referencia de voltaje alto y VRL es la referencia de voltaje bajo

para que realice la conversión el ADC.

84

VDDA, VSSA estos pines sirven de fuente de poder para el bloque de circuitos

analógicos.

Otro bloque del microcontrolador HC12 que también se usará es el bloque que

proporciona una señal PWM la cual se utilizará para controlar la velocidad del

motor de las turbinas ya que éstas son indispensables para el buen

funcionamiento del sistema.

El microcontrolador cuenta con un bloque de modulación por ancho de pulso

(PWM) el cual esta basado en las especificaciones del HC11 y cuenta con las

siguientes características:

Seis canales de PWM independientes y programables en periodo y duty

cycle

Un contador dedicado por cada canal de PWM

Habilitación/des habilitación programable por cada canal de PWM

Selección de la polaridad del pulso por software para cada canal

Alineación al centro o a la izquierda programable a la salida por cada canal.

Seis canales de 8 bits o tres de 16 bits de resolución.

Cuatro fuentes de reloj (A, B, SA y SB) para un gran rango de frecuencias.

Reloj programable con selección lógica

Apagado de emergencia

85

La figura 6.3 muestra el diagrama a bloques del PWM con el que cuenta el

microcontrolador HC12.

Fig.6. 3 Diagrama A Bloques Del Moduló PWM Del Microcontrolador HC12.

Este bloque solo tiene seis salidas las cuales entregan las diferentes señales de

PWM de las cuales se pueden controlar el periodo y duty cycle.

Estos módulos del microcontrolador son los que más interesa manejar y conocer

su funcionamiento ya que son los que se utilizarán para el control de las turbinas y

el elemento calefactor y para la conversión de analógico a digital de la señal que

proporcionan los sensores que utilizados para la medición de la temperatura.

86

CAPÍTULO VII

IMPLEMENTACIÓN DEL ALGORITMO

En el capitulo numero 4 se explicaron los conceptos básicos de la lógica difusa, en

este capítulo aplicamos dicho conceptos en el sistema desarrollado. A través de

un experto se desarrollaron las matrices, las reglas de evaluación y se obtuvieron

los conjuntos difusos para posteriormente desarrollar el software.

7.1 Matrices y conjuntos difusos

La tablas 7.1, 7.2 y 7.3 muestran las matrices de evaluación, las cuales son

indispensables y una parte muy importante dentro del control por medio de lógica

difusa.

Elemento calefactor (resistencia): para controlar la temperatura de la resistencia

se regularán los niveles de corriente que pasen a través de ella.

Alta Apagada Baja Apagada

Media Media Baja Media

Baja Alta Media Alta

Temperatura/

Velocidad Del

Aire

Lenta Media Rápida

Tabla 7.1. Matriz De Evaluación Para El Elemento Calefactor.

87

Motor aire frío: para el control de la velocidad del motor se hace por medio de una

señal de PWM.

Alta Alta Media Alta

Media Media Media Baja

Baja Apagado Apagado Apagado

Temperatura/

Velocidad Del

Aire

Lenta Media Rápida

Tabla 7.2. Matriz De Evaluación Para El Motor Del Aire Frio.

Motor aire caliente: el aire caliente es importante para que el sistema funcione de

forma correcta y la velocidad a la que éste es enviado se controla con el

porcentaje de señal de PWM que se le envía al motor.

Alta Apagado Apagado Media

Media Baja Baja Media

Baja Alta Media Alta

Temperatura/

Velocidad Del

Aire

Lenta Media Rápida

Tabla 7.3. Matriz De Evaluación Para El Motor Del Aire Caliente.

Ya obtenidas las matrices para cada actuador; se enuncian las diferentes reglas

de evaluación las cuales ayudarán a desarrollar los conjuntos difusos.

Primero se definen las reglas para la resistencia que se utiliza como elemento

calefactor. Tomarán como variables de entrada la temperatura y el flujo de aire en

el sistema y la salida será el nivel de potencia que inducirá al elemento calefactor.

88

Para el elemento calefactor se definen las reglas SI y ENTONCES de la

siguiente manera:

1. Si la TEMPERATURA es BAJA y VELOCIDAD DEL

AIRE es LENTA entonces la RESISTENCIA estará

ALTA

2. Si la TEMPERATURA es MEDIA y VELOCIDAD DEL

AIRE es LENTA entonces la RESISTENCIA estará

MEDIA

3. Si la TEMPERATURA es ALTA y VELOCIDAD DEL

AIRE es LENTA entonces la RESISTENCIA estará

APAGADA

4. Si la TEMPERATURA es BAJA y VELOCIDAD DEL

AIRE es MEDIA entonces la RESISTENCIA estará

MEDIA

5. Si la TEMPERATURA es MEDIA y VELOCIDAD DEL

AIRE es MEDIA entonces la RESISTENCIA estará

BAJA

6. Si la TEMPERATURA es ALTA y VELOCIDAD DEL

AIRE es MEDIA entonces la RESISTENCIA estará

BAJA

7. Si la TEMPERATURA es BAJA y VELOCIDAD DEL

AIRE es RAPIDA entonces la RESISTENCIA estará

ALTA

89

8. Si la TEMPERATURA es MEDIA y VELOCIDAD DEL

AIRE es RAPIDA entonces la RESISTENCIA estará

MEDIA

9. Si la TEMPERATURA es ALTA y VELOCIDAD DEL

AIRE es RAPIDA entonces la RESISTENCIA estará

APAGADA

Para el motor que proporcionará el aire frío se tiene:

1. Si la TEMPERATURA es BAJA y VELOCIDAD DEL

AIRE es LENTA entonces EL MOTOR DEL AIRE FRIO

será APAGADO

2. Si la TEMPERATURA es MEDIA y VELOCIDAD DEL

AIRE es LENTA entonces EL MOTOR DEL AIRE FRIO

será MEDIO

3. Si la TEMPERATURA es ALTA y VELOCIDAD DEL

AIRE es LENTA entonces la EL MOTOR DEL AIRE

FRIO será RAPIDO

4. Si la TEMPERATURA es BAJA y VELOCIDAD DEL

AIRE es MEDIA entonces EL MOTOR DEL AIRE FRIO

será APAGADO

5. Si la TEMPERATURA es MEDIA y VELOCIDAD DEL

AIRE es MEDIA entonces EL MOTOR DEL AIRE FRIO

será MEDIO

90

6. Si la TEMPERATURA es ALTA y VELOCIDAD DEL

AIRE es MEDIA entonces EL MOTOR DEL AIRE FRIO

será MEDIO

7. Si la TEMPERATURA es BAJA y VELOCIDAD DEL

AIRE es RAPIDA entonces EL MOTOR DEL AIRE

FRIO será APAGADO

8. Si la TEMPERATURA es MEDIA y VELOCIDAD DEL

AIRE es RAPIDA entonces EL MOTOR DEL AIRE

FRIO será BAJO

9. Si la TEMPERATURA es ALTA y VELOCIDAD DEL

AIRE es RAPIDA entonces EL MOTOR DEL AIRE

CALIENTE será RAPIDO

Para el motor que proporcionará el aire caliente se tiene:

1. Si la TEMPERATURA es BAJA y VELOCIDAD DEL

AIRE es LENTA entonces EL MOTOR DEL AIRE

CALIENTE será RAPIDO

2. Si la TEMPERATURA es MEDIA y VELOCIDAD DEL

AIRE es LENTA entonces EL MOTOR DEL AIRE

CALIENTE será BAJO

3. Si la TEMPERATURA es ALTA y VELOCIDAD DEL

AIRE es LENTA entonces la EL MOTOR DEL AIRE

CALIENTE será APAGADO

91

4. Si la TEMPERATURA es BAJA y VELOCIDAD DEL

AIRE es MEDIA entonces EL MOTOR DEL AIRE

CALIENTE será MEDIO

5. Si la TEMPERATURA es MEDIA y VELOCIDAD DEL

AIRE es MEDIA entonces EL MOTOR DEL AIRE

CALIENTE será BAJO

6. Si la TEMPERATURA es ALTA y VELOCIDAD DEL

AIRE es MEDIA entonces EL MOTOR DEL AIRE FRIO

será BAJO

7. Si la TEMPERATURA es BAJA y VELOCIDAD DEL

AIRE es RAPIDA entonces EL MOTOR DEL AIRE

FRIO será RAPIDO

8. Si la TEMPERATURA es MEDIA y VELOCIDAD DEL

AIRE es RAPIDA entonces EL MOTOR DEL AIRE

FRIO será MEDIO

9. Si la TEMPERATURA es ALTA y VELOCIDAD DEL

AIRE es RAPIDA entonces EL MOTOR DEL AIRE

CALIENTE será MEDIO

92

La figura 7.1 muestra las funciones de membrecía ya hechas; acotadas al rango

de temperatura (ºC) que trabajara él sistema y los grados ºC transformados a

hexadecimal para que el microcontrolador pueda trabajar.

Donde:

T.B es la temperatura

baja

T.M es temperatura

media

T.A es temperatura alta

Fig. 7.1. Funciones De Membrecía Para El Elemento Calefactor.

Donde:

V.L es velocidad lenta

V.M es velocidad media

V.R es velocidad rápida

Fig. 7.2. Funciones De Membrecía Para El Motor De Aire Frio.

Donde:

V.L es velocidad lenta

V.M es velocidad media

V.R es velocidad rápida

Fig. 7.3 Funciones de membrecía para el motor de aire caliente.

T.B T.M T.A

00

FF

3B FF4C 5D 77

93

SOFTWARE DE UN SISTEMA DE INFERENCIA FUZZY

Fig. 7.4 Software De Un Sistema De Inferencia Fuzzy

BASE DE CONOCIMIENTO

ENTRADA

FUNCIÓN DE

MEMBRESIA

REGLAS

SALIDA

FUNCIÓN DE

MEMBRECIA

FUSIFICACIÓN

REGLAS DE

EVALUCIÓN

DEFUSIFICACIÓN

SISTEMA DE ENTRADAS

SISTEMA DE SALIDAS

UNIDAD DE

INFERENCIA

FUZZY

ENTRADAS

FUZZY

SALIDAS

FUZZY

94

7.2 Programa Principal De Obtención De Singleton's De Salida

; Programa Principal De Obtención De Singleton's De Salida Motor Aire ;Frio,

Motor Aire Caliente Y Elemento Calefactor

INCLUDE 'C:\control\equhc12.asm'

INCLUDE 'C:\control\monitorm.asm'

ORG $800

; ******** INICIA LA BASE DE CONOCIMIENTO Y VARIABLES DE

ALMACENAMIENTO FUZZY ********

ENT_FUZZY: EQU * ; REFERENCIA DE ENTRADAS

DIFUSAS

; VARIABLE 1 REFERENCIAS DE ENTRADA DE ;SISTEMA SENSOR T

BAJAT DS 1 ; VARIABLE PARA FUNCION DE

MEMBRESÍA BAJAT

;(SENSORT)

MEDIAT DS 1 ; VARIABLE PARA FUNCION DE

MEMBRESIA MEDIAT

;(SENSORT)

ALTAT DS 1 ; VARIABLE PARA FUNCION DE

MEMBRESIA ALTAT

;(SENSORT)

;VARIABLE 2 ;REFERENCIAS DE ENTRADA DE

SISTEMA SENSORF

LENTAF DS 1 ; VARIABLE PARA FUNCION DE

MEMBRESIA LENTAF ;(SENSOR2)

95

MEDIAF DS 1 ; VARIABLE PARA FUNCION DE

MEMBRESIA MEDIAF ;(SENSOR2)

RAPIDAF DS 1 ; VARIABLE PARA FUNCION DE

MEMBRESIA RAPIDAF ;(SENSOR2)

; SALIDA FUZZY 1 BYTE POR ETIQUETA

SAL_FUZZY EQU * ; REFERENCIAS DE SALIDA DE

SISTEMA

; VELOCIDADES DE LOS MOTORES Y CORRIENTE DE ;LA RESISTENCIA

ALTA 1 DS 1 ; VELOCIDAD DE SALIDA MOTORAF

(ALTA1)

BAJA1 DS 1 ; VELOCIDAD DE SALIDA

MOTORAF (BAJA1)

MEDIA1 DS 1 ; VELOCIDAD DE SALIDA MOTORAF

MEDIA1)

APAGADO1 DS 1 ; VELOCIDAD DE SALIDA MOTORAF

(APAGADO1)

ALTA 2 DS 1 ; VELOCIDAD DE SALIDA MOTORAC

(ALTA2)

BAJA2 DS 1 ; VELOCIDAD DE SALIDA

MOTORAC (BAJA2)

MEDIA2 DS 1 ; VELOCIDAD DE SALIDA MOTORAC

MEDIA2)

APAGADO2 DS 1 ; VELOCIDAD DE SALIDA MOTORAC

(APAGADO2)

96

ALTA 3 DS 1 ; CORRIENTE DE SALIDA DE LA

RESISTENCIA (ALTA2)

BAJA3 DS 1 ; CORRIENTE DE SALIDA DE LA

RESISTENCIA (BAJA2)

MEDIA3 DS 1 ; CORRIENTE DE SALIDA DE LA

RESISTENCIA (MEDIA2)

APAGADA3 DS 1 ; CORRIENTE DE SALIDA DE LA

RESISTENCIA (APAGADA3)

;SALIDA DEL SISTEMA 1 BYTE DE RAM

VEL_MOTORAF DS 1 ; VARIABLE DE ALMACENAMIENTO

(SALIDA DEL

; SISTEMA)

VEL_MOTORAC DS 1 ; VARIABLE DE

ALMACENAMIENTO

COR_RESISTENCIA DS 1 ; VARIABLE DE

ALMACENAMIENTO

; CADA COJUNTO DIFUSO DEFINIDO POR 4 BYTES PT1, PT2, PENDIENTE1,

PENDIENTE2

ENT_FMS:

;SENSOR T

DB $00,$40,$00,$08 ; CONJUNTO DIFUSO PARA BAJAT

DB $40,$C0,$08,$08 ; CONJUNTO DIFUSO PARA MEDIAT

DB $A0,$FF,$08,$00 ; CONJUNTO DIFUSO PARA ALTAT

97

; SENSOR F

DB $00,$40,$00,$08 ; CONJUNTO DIFUSO PARA LENTAF

DB $40,$C0,$08,$08 ; CONJUNTO DIFUSO PARA MEDIAF

DB $A0,$FF,$08,$00 ; CONJUNTO DIFUSO PARA RAPIDAF

; ESTABLECEMOS OFFSET PARA LAS REGLAS

VAR1_BAJAT EQU (BAJAT-ENT_FUZZY)

VAR1_MEDIAT EQU (MEDIAT-ENT_FUZZY)

VAR1_ALTAT EQU (ALTAT-ENT_FUZZY)

VAR2_LENTAF EQU (LENTAF-ENT_FUZZY)

VAR2_MEDIAF EQU (MEDIAF-ENT_FUZZY)

VAR2_RAPIDAF EQU (RAPIDAF-ENT_FUZZY)

MOTORAF_ALTA1 EQU (ALTA1-ENT_FUZZY)

MOTORAF_BAJA1 EQU (BAJA1-ENT_FUZZY)

MOTOR1AF_MEDIA1 EQU (MEDIA1-ENT_FUZZY)

MOTORAF_APAGADO1 EQU (APAGADO1-ENT_FUZZY)

MOTORAC_ALTA2 EQU (ALTA2-ENT_FUZZY)

MOTORAC_BAJA2 EQU (BAJA2-ENT_FUZZY)

MOTOR1AC_MEDIA2 EQU (MEDIA2-ENT_FUZZY)

MOTORAC_APAGADO2 EQU (APAGADO2-ENT_FUZZY)

RESISTENCIA_ALTA3 EQU (ALTA3-ENT_FUZZY)

RESISTENCIA _BAJA3 EQU (BAJA3-ENT_FUZZY)

RESISTENCIA _MEDIA3 EQU (MEDIA3-ENT_FUZZY)

RESISTENCIA _APAGADA3 EQU (APAGADA3-ENT_FUZZY)

98

SEP EQU $FE ; UTILIZAMOS ESTE PARA SEPARAR LAS

REGLAS

FIN_REGLAS EQU $FF ; FIN DE LA BASE Y DE LAS REGLAS DE

EVALUACION

LISTA_REGLAS1:

; REGLAS PARA EL MOTORAF 5 BYTES DE MEMORIA POR CADA REGLA DE

EVALUACION

; MATRIZ DE REGLAS DE CONTROL MOTORAF

DB VAR1_BAJAT, VAR2_LENTAF, SEP, MOTORAF_APAGADO1, SEP

DB VAR1_BAJAT, VAR2_MEDIAF, SEP, MOTORAF_RAPIDA, SEP

DB VAR1_BAJAT, VAR2_RAPIDAF, SEP, MOTORAF_BAJA, SEP

DB VAR1_MEDIAT, VAR2_LENTAF, SEP, MOTORAF_RAPIDA, SEP

DB VAR1_MEDIAT, VAR2_MEDIAF, SEP, MOTORAF_MEDIA, SEP

DB VAR1_MEDIAT, VAR2_RAPIDAF, SEP, MOTORAF_BAJA, SEP

DB VAR1_ALTAT, VAR2_LENTAF, SEP, MOTORAF_MEDIA, SEP

DB VAR1_ALTAT, VAR2_MEDIAF, SEP, MOTORAF_ALTO, SEP

DB VAR1_ALTAT,VAR2_RAPIDAF, SEP, MOTORAF_ALTO, SEP

DB FIN_REGLAS

LISTA_REGLAS2:

; REGLAS PARA EL MOTORAC 5 BYTES DE MEMORIA POR CADA REGLA DE

EVALUACION

99

; MATRIZ DE REGLAS DE CONTROL MOTORAC

DB VAR1_BAJAT, VAR2_LENTAF, SEP, MOTOR2_ALTA2, SEP

DB VAR1_BAJAT, VAR2_MEDIAF, SEP, MOTOR2_MEDIA2, SEP

DB VAR1_BAJAT, VAR2_RAPIDAF, SEP, MOTOR2_ALTA2, SEP

DB VAR1_MEDIAT, VAR2_LENTAF, SEP, MOTOR2_BAJA2, SEP

DB VAR1_MEDIAT, VAR2_MEDIAF, SEP, MOTOR2_BAJA2, SEP

DB VAR1_MEDIAT, VAR2_RAPIDAF, SEP, MOTOR2_MEDIA2, SEP

DB VAR1_ALTAT, VAR2_LENTAF, SEP, MOTOR2_APAGADO2, SEP

DB VAR1_ALTAT, VAR2_MEDIAF, SEP, MOTOR2_APAGADO2, SEP

DB VAR1_ALTAT, VAR2_RAPIDAF, SEP, MOTOR2_MEDIA2, SEP

DB FIN_REGLAS

LISTA_REGLAS3:

; REGLAS PARA EL MOTORAF 5 BYTES DE MEMORIA POR CADA REGLA DE

EVALUACION

; MATRIZ DE REGLAS DE CONTROL MOTORAF

DB VAR1_BAJAT, VAR2_LENTAF, SEP, RESISTENCIA_ALTA3, SEP

DB VAR1_BAJAT, VAR2_MEDIAF, SEP, RESISTENCIA_MEDIA3, SEP

DB VAR1_BAJAT, VAR2_RAPIDAF, SEP, RESISTENCIA _ALTA3, SEP

DB VAR1_MEDIAT, VAR2_LENTAF, SEP, RESISTENCIA _MEDIA3, SEP

DB VAR1_MEDIAT, VAR2_MEDIAF, SEP, RESISTENCIA _BAJA3, SEP

DB VAR1_MEDIAT, VAR2_RAPIDAF, SEP, RESISTENCIA _MEDIA3, SEP

DB VAR1_ALTAT, VAR2_LENTAF, SEP, RESISTENCIA _APAGADA3, SEP

DB VAR1_ALTAT, VAR2_MEDIAF, SEP, RESISTENCIA _BAJA3, SEP

DB VAR1_ALTAT,VAR2_RAPIDAF, SEP, RESISTENCIA _APAGADA3, SEP

100

SINGLETON_SALIDAS:

DB $20 ; SINGLETON DE SALIDA PARA MOTOR PARADO

DB $88 ; SINGLETON DE SALIDA PARA MOTOR MEDIA

DB $BC ; SINGLETON DE SALIDA PARA MOTOR RAPIDA

DB $FF ; SINGLETON DE SALIDA PARA MOTOR MAXIMA

; SI LAS SALIDAS DEL ACTUADOR FUERAN DIFERENTES HABRIA QUE

NOMBRAR TODOS LOS ;SINGLETONS CON SUS RESPECTIVOS VALORES

FUZZYMOTORAF:

LDX #ENT_FMS ; APUNTADOR A FUNCIONES DE

PERTENENCIA

LDY #ENT_FUZZY ; APUNTADOR A ENT_FUZZY

(ENTRADAS DE SISTEMA)

LDAA SENSORT ; CARGA EN A EL VALOR DE ENTRADA

"SENSOR1"

LDAB #03 ; SISTEMA DE 3 ETIQUETAS (VARIABLE

1)

LAZO1_FUZZY:

MEM ;ESTABLECE Y EVALUA PERTENENCIAS A 3

;ETIQUETAS FUZZY

DBNE B,LAZO1_

LDAA SENSORF ; CARGA EN A EL VALOR DE ENTRADA

"SENSOR2"

LDAB #03 ; SISTEMA DE 3 ETIQUETAS (VARIABLE

101

2)

LAZO2_FUZZY1:

MEM ; ESTABLECE Y EVALUA PERTENENCIAS A 3

;ETIQUETAS FUZZY

DBNE B,LAZO2

LDAB #04 ; CONTROL DE CICLO PARA SALIDAS

DIFUSAS

;AQUÍ YA SE TIENEN LAS ENTRADAS FUZZY, PRIMERO HACEMOS LIMPIEZA

DE LAS ;LOCALIDADES DE MEMORIA PARA LAS SALIDAS FUZZY

REG-EVAL1:

LDAB #4 ;4 SALIDAS FUZZY PARA MOTOR1

CLR 1,Y+ ; LIMPIA LAS SALIDAS DEL SISTEMA

DBNE B, REG_EVAL1

LDX #LISTA_REGLAS1 ; APUNTA A LA LISTA DE REGLAS DEL

MOTOR 1

LDY #ENT_FUZZY ; APUNTA A LAS ENTRADAS

FUZZY

LDAA #$FF ; CARGA EN A FF (INICIALIZA A Y

LIMPIA BIT V)

REV ; PROCESA LA LISTA DE REGLAS

DEFUZZY:

LDY #SAL_FUZZY ; APUNTA A SALIDA FUZZY

LDX #SINGLE_SAL1 ; APUNTA A SIGLETONS DE SALIDA

LDAB #04 ; 4 SALIDAS DIFUSAS POR SALIDA

NITIDA

WAV ; INICIA LA DEFUZZYFICACION

102

EDIV ; DIVIDE POR SUMA PONDERADA

TFR Y,D ; TRANSFIERE REGISTRO Y A

ACUMULADOR D

STAB VEL_MOTORAF ; ALMACENA EL SINGLETON DE SALIDA

EN LA

;VARIABLE "VEL_MOTORI"

;PARA UNA SEGUNDA SALIDA

LDAB #4 ;4 SALIDAS FUZZY PARA MOTOR2

LDY #SAL-FUZZY2 ;APUNTA A SALIDA FUZZY, SI SON DE

LA MISMA

;MATRIZ (1), SI SON DE OTRA (2)

CLR 1,Y+ ;LIMPIA LOCALIDAD DE SALIDA FUZZY

E

;INCREMENTA PUNTERO

DBNE B,REG_EVAL2 ;YA ESTAN LIMPIAS LOCALIDADES DE

SALIDA

;FUZZY 2

LDX #LISTA-REGLAS2 ;APUNTA A LA LISTA DE REGLAS DE

MOTOR2

LDY #ENT_FUZZY ;APUNTA A ENTRADAS FUZZY

LDAA #$FF ;INICIALIZA A Y LIMPIA V

REV ;PROCESA LISTA DE REGLAS2

DEFUZZY1:

LDY #SAL_FUZZY ;APUNTA A SALIDAS FUZZY

LDX #SINGLE_SAL2 ;APUNTA A SINGLETON DE SALIDA SI

ES

103

;CAMBIA ETIQUETA

LDAB #4 ;4 SALIDAS FUZZY

WAV ;INICIA DEFUSIFICACION

EDIV ;DIVIDE POR SUMA PONDERADA

TFR ;TRANSFIERE CONTENIDO DE

REGISTRO Y A

;ACUMULADOR D

STAB VEL_MOTORAC ;ALMACENA SALIDA REAL PARA

MOTOR2

STAB PORTB ;MANDA A PUERTO B, O A UNA RUTINA

DE

;CONTROL DE POTENCIA

LDAB VEL_MOTORAF ;CARGA EN B EL VALOR DE SALIDA

REAL

;PARA MOTOR1

STAB PORTA ;MANDA A PUERTO A, O A UNA RUTINA

DE

;CONTROL DE POTENCIA

RTS ;RETORNA DE SUBRUTINA

104

CAPÍTULO VIII

DESARROLLO DEL PROTOTIPO

Este capítulo analizará y justificará la construcción del prototipo en sus diferentes

etapas de desarrollo hasta llegar al resultado final obtenido.

8.1 Primera Etapa.

El prototipo fue elaborado de triplay y aluminio, como primera etapa. La figura 8.1

muestra como quedó armado el esqueleto en su primera fase de construcción y se

explicará el por qué de su construcción y por qué se optó por estos materiales.

Fig.8.1 Armado principal del prototipo.

El cuerpo principal esta hecho de aluminio, con las siguientes características:

82cm de ancho, 60cm de profundidad y 60cm de altura Ya armado el esqueleto

deseado de aluminio se pasó a forrar con triplay cuatro extremidades, quedando la

parte frontal descubierta para posteriores usos.

La forma escogida para este prototipo se basó en la parte frontal de un automóvil

porque la distribución de aire dentro de este debe ser muy buena para el quien

manipula dicho auto, en un vehículo real se harán los cambios necesarios.

105

Sus dimensiones dificultan un poco su traslado pero con características diferentes

no se podrían percibir de manera correcta las condiciones a las que se requería

llegar.

Los materiales para la construcción, fueron los más rápidos de conseguir, liviano

peso para su trasporte y económicos.

8.2 Segunda Etapa.

Dentro de la estructura se montó una tubería de PVC hidráulico de ¾ “, como

ductos de distribución con dos entradas en sus extremos, por ellos se inyectará el

aire generado por dos motores y trasportará el flujo requerido hacia todo el recinto.

La ductos consta a todo lo largo el de varios orificios pequeños por donde saldrá el

flujo de aire para su distribución dentro del prototipo. La figura 8.2 se puede

observar la instalación de la tubería..

a) Tubería instalada dentro del recinto.

b) Entradas de flujo de aire dentro del

recinto.

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c) Orificios por fuera del recinto, donde se inyectará el aire el aire.

Fig.8.2 Instalación de los ductos de ventilación a lo largo del recinto con y toma de

inyección de aire.

8.3 Tercera Etapa.

En esta fase de construcción se decidió colocar unas portezuelas de plástico

transparente mostradas en la figura 8.3 en su cara frontal, con bisagras sujetas al

armazón principal mostradas en la figura 8.4, por donde los operadores podrán

percibir, con tan solo abrir las puertas la variación de temperatura y así observar

la respuesta de los actuadores.

Fig.8.3 Puertas montadas en la cara frontal.

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Fig.8.4 Puertas sujetas con bisagras al cuerpo principal.

También como se podrá notar, se colocó un triplay de 14cm de alto y 82cm de

largo en la parte superior de las portezuelas. Esto con la finalidad de cubrir la

tubería instalada en el interior del recinto, para dar una mejor presentación. La

figura 8.5 muestra lo mencionado.

Fig.8.5 Recubrimiento frontal.

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8.4 Cuarta Etapa.

Obtenido un avance importante en la construcción del prototipo se procede al

armado de los diferentes circuitos, para su posterior comprobación y correcto

funcionamiento de éstos, los cuales sensan las variables requeridas en el proceso

para su control y corrección a medida que no funcione de la manera indicada.

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BIBLIOGRAFÍA

• Ingeniería de control 2ª Edición W. Bolton Alfaomega

• Hornos industriales de resistencias Julio Astigarraga Urquiza McGraw-Hill

• Instrumentación industrial 6ª Edición Antonio Creus Solé Alfaomega-marcombo

• Manual MC9S12E128V1 REV. 1.07 10/2005 DATASHEET

• J.Jantzen design of fuzzy controllers technical university of Denmark,1998