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REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA UNIVERSIDAD PRIVADA RAFAEL BELLOSO CHACÍN
FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE ELECTRÓNICA
MENCIÓN: AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL
SISTEMA DE CONTROL DE TEMPERATURA DIFUSO PARA USO INDUSTRIAL
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO PARA OPTAR AL TÍTULO DE INGENIEROS EN ELECTRÓNICA MENCIÓN: AUTOMATIZACIÓN
Y CONTROL
PRESENTADO POR:
CALDERA, FELIPE FUENMAYOR, HENDRICK
PIÑA, MOISES
ASESORADO POR: MSC. MONTIEL, LUÍS
DRA. MÉNDEZ, MARISELA
MARACAIBO, JULIO DE 2013
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DEDICATORIA
Dedico el éxito y la dicha de esta investigación primero que todo a Dios
por permitirme realizar mis sueños, por dejarme llegar a esta etapa de la
carrera, por darme la vida y mantenerme en buen estado de salud.
A mi papá, mamá y hermanos, por ser los miembros más cercanos de mi
familia, por el apoyo incondicional tanto emocional como económicamente
durante toda la carrera. A mis amigos más cercanos, con los cuales he
podido reír, llorar, compartir cada uno de los momentos de mi vida, y a mis
tutores y profesores de la universidad por todo lo enseñado.
CALDERA, FELIPE
Esta tesis se da dedico a Dios por darme la salud, el valor, la fuerza y la
oportunidad de vivir y poder cumplir con esta gran anhelada meta. Así mismo
a mis padres, hermanos y familiares los cuales me han ayudado y brindado
todo su apoyo para hacer de mí una mejor persona forjándome buenos
principios con una formación ejemplar y llena de amor, cariño y comprensión.
FUENMAYOR, HENDRICK
Quiero dedicarle principalmente esta tesis a Dios y a la virgen María por
haberme permitido culminar esta etapa de mi vida y haberme otorgado los
dones del entendimiento, fortaleza e inteligencia. De igual manera a mi
familia y amigos por el apoyo que me han brindado en todo momento y por lo
que aprendimos estando juntos, por tantas experiencias vividas.
PIÑA, MOISES
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AGRADECIMIENTO
A Dios por bendecirnos con todos los dones maravillosos de la vida, en
espacial el conocimiento para hacer posible la culminación de esta carrera.
A la Universidad Privada Dr. Rafael Belloso Chacín, institución que se
convirtió en nuestra casa de estudio donde materializamos nuestros
proyectos profesionales y académicos.
A Nuestros Tutores, en especial al Msc. Luis Montiel y a la Dra.
Marisela Méndez por su ayuda incondicional, por ser guías del conocimiento,
por brindarnos su sabiduría, dedicarnos su tiempo y esfuerzo con la finalidad
de lograr el éxito de este proyecto.
A todas aquellas personas, que de una u otra forma nos ayudaron para
culminar nuestro proyecto: ¡Gracias a Todos!.
viii
Caldera Felipe, Fuenmayor Hendrick, Piña Moisés. Sistema de Control de Temperatura Difuso para Uso Industrial. Universidad Privada Dr. Rafael Belloso Chacín. Facultad de Ingeniería. Escuela de Electrónica. Mención Automatización y Control. Maracaibo, 2013.
RESUMEN
El propósito del estudio consistió en desarrollar un sistema de control de temperatura difuso para uso industrial, bajo el enfoque teórico de Ogata, Oppenheim y Willsky (1998), D’Negri y Vito (2006). El tipo de investigación fue descriptiva, y el diseño fue documental bibliográfico, no experimental. La población no se aplicó en este estudio, debido a que la referencia sobre la cual se realizaron las observaciones fue en base al controlador difuso de temperatura, el cual se implementó por medio un prototipo virtual, por ende no se necesitó una población de estudio para obtener los resultados determinados, así como tampoco aplicar la muestra y muestreo respectivo o característico de una población. Para dar respuesta a todos los objetivos propuestos en el proyecto se siguió la de metodología definida por Angulo (1999), la cual consta de nueve fases, aplicando solo seis de estas debido a que fueron las más adecuadas para el desarrollo de esta investigación. Así mismo se utilizó dentro el desarrollo de una de esas fases una entrevista no estructurada para alcanzar los propósitos pautados. Las herramientas y materiales utilizados en el estudio fueron el programa MATLAB, resistencias de 10Ω con 10 vatios, termocupla y fuente de alimentación de 12v con 2 amperios. Se concluyó que los sistemas de lógica difusa se basan en una propiedad de difusidad, que en base a la variable temperatura, permite establecer decisiones entre que, tan frio o caliente puede estar un elemento, permitiendo un sistema de control efectivo y eficaz para este tipo de variable.
Palabras Claves: Sistema de Control, Lógica Difusa, Temperatura.
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Caldera Felipe, Fuenmayor Hendrick, Piña Moises. Fuzzy Temperature Control System for Industrial Use. Private University Dr. Rafael Belloso Chacin. Faculty of Engineering. School of Electronics. Mention Automation and Control. Maracaibo, 2013.
ABSTRACT
The purpose of the study was to develop a fuzzy temperature control for industrial use, under the theoretical approach of Ogata, Oppenheim and Willsky (1998), D’Negri and Vito (2006). The research type was descriptive and the bibliographical documentary design was not experimental. The population was not applied in this study, because the reference on which the observations were made was based on temperature fuzzy controller, which was implemented through a virtual prototype therefore did not need a study population for obtain the results determined, nor apply the sample and the respective sampling or characteristic of a population. To meet all the objectives proposed in the project followed the methodology defined by Angulo (1999), which consists of nine phases, using only six of these because they were the most suitable for the development of this research. It also was used in the development of these phases an unstructured interview to achieve the purposes ruled. The tools and materials used in the study were the MATLAB program, 10Ω resistors with 10 watts, thermocouple and 12v power supply with 2 amps. It was concluded that fuzzy logic systems are based on a property of fuzziness, that based on the variable temperature allows for decisions from that as hot or cold can be an element, allowing a control system effective and efficient for this type variable. Key Words: Control System, Fuzzy Logic, Temperature.
x
ÍNDICE GENERAL
Pág. VEREDICTO .............................................................................................. iii
DEDICATORIA .......................................................................................... vi
AGRADECIMIENTO .................................................................................. vii
RESUMEN ................................................................................................. viii
ABSTRACT ............................................................................................... ix
ÍNDICE GENERAL .................................................................................... x
ÍNDICE DE CUADROS .............................................................................. xiii
ÍNDICE DE FIGURAS ................................................................................ xiv
ÍNDICE DE GRÁFICOS ............................................................................. xv
ÍNTRODUCCIÓN ....................................................................................... 1
CAPÍTULO I. EL PROBLEMA ................................................................... 3
1. DESCRIPCIÓN DE LA SITUACIÓN OBJETO DE ESTUDIO ................ 4
1.1. FORMULACIÓN DEL PROBLEMA ................................................. 8
2. OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN................................................... 8
2.1. OBJETIVO GENERAL ................................................................... 9
2.2. OBJETIVOS ESPECIFICOS .......................................................... 9
3. JUSTIFICACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN ............................................ 9
4. DELIMITACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN ............................................. 11
CAPÍTULO II. MARCO TEÓRICO ............................................................. 12
1. ANTECEDENTES DE LA INVESTIGACIÓN .......................................... 13
2. BASES TEÓRICAS ................................................................................ 22
xi
2.1. SISTEMA ...................................................................................... 22
2.1.1. CLASIFICACIÓN ..................................................................... 23
2.2. SISTEMA AUTOMATICO ............................................................. 24
2.2.1. SISTEMA DE CONTROL ........................................................ 24
2.2.1.1. SISTEMA LINEAL ........................................................... 25
2.2.1.2. SISTEMA NO LINEAL ..................................................... 25
a. LÓGICA DIFUSA ..................................................................... 25
A. FUNCIONAMIENTO ............................................................. 26
B. TEORÍA DE LOS CONJUNTOS DIFUSOS ......................... 27
B.1. CONJUNTOS CLÁSICOS. ............................................... 27
B.2. CONJUNTOS DIFUSOS. ................................................. 28
C. FUNCIONES DE PERTENENCIA. ....................................... 29
D. CONTROLADOR DIFUSO .................................................... 29
D.1. FUSIFICACIÓN ............................................................... 31
D.2. BASE DE CONOCIMIENTO ........................................... 31
D.3. INFERENCIA .................................................................. 31
D.4. DEFUSIFICACIÓN .......................................................... 32
2.2.2. SISTEMA DE CONTROL A LAZO ABIERTO ........................ 32
2.2.3. SISTEMA DE CONTROL DE LAZO CERRADO ................... 33
2.3. TEMPERATURA ............................................................................. 34
2.3.1. LEY CERO DE TERMODINÁMICA ....................................... 35
2.3.2. SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA .......................... 37
2.3.3. UNIDADES............................................................................. 38
2.3.3.1. CONVERSIÓN DE TEMPERATURAS ............................. 38
2.3.4 COEFICIENTE DE DILATACIÓN TÉRMICA.......................... 39
3. SISTEMA DE VARIABLES .................................................................... 40
xii
3.1. DEFINICIÓN NOMINAL .................................................................. 41
3.2. DEFINICIÓN CONCEPTUAL .......................................................... 41
3.3. DEFINICIÓN OPERACIONAL ........................................................ 42
CAPÍTULO III. MARCO METODOLÓGICO .............................................. 43
1. TIPO Y DISEÑO DE LA INVESTIGACIÓN ............................................ 44
2. POBLACIÓN .......................................................................................... 46
3. TÉCNICAS E INSTRUMENTOS DE RECOLECCIÓN DE DATOS ....... 46
4. METODOLOGÍA SELECCIONADA ....................................................... 48
5. CUADRO Y CRONOGRAMA, DE ACTIVIDADES Y RECURSOS ........ 50
6. HERRAMIENTAS Y MATERIALES UTILIZADOS ................................. 52
CAPÍTULO IV. RESULTADOS DE LA INVESTIGACIÓN ......................... 53
1. ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE LOS DATOS Y RESULTADOS ............... 54
1.1. DESARROLLO DE CADA FASE DE LA INVESTIGACIÓN ............ 54
1.2. PRESENTACIÓN DE LA PROPUESTA ......................................... 71
CONCLUSIONES ...................................................................................... 77
RECOMENDACIONES .............................................................................. 81
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ......................................................... 82
ANEXOS .................................................................................................... 86
A. CUADRO DE RESULTADOS OBTENIDOS (DATA REAL) ................. 87
xiii
ÍNDICE DE CUADROS
CUADROS Pág.
1. Cuadro de actividades y Recursos ........................................................ 50
2. Cronograma de actividades periodo abril– junio (2013) ......................... 51
xiv
ÍNDICE DE FIGURAS
FIGURAS Pág.
1. Sistema de tiempo continúo ................................................................... 23
2. Sistema de tiempo discreto .................................................................... 24
3. Conjuntos Difusos .................................................................................. 28
4. Función de transferencia para conjunto difuso triangular....................... 29
5. Función de transferencia para conjunto difuso trapezoidal .................... 29
6. Estructura de un modelo difuso clásico.................................................. 30
7. Diagrama de flujo ................................................................................... 62
8. Diagrama de bloque ............................................................................... 65
9. Controlador de lógica difusa….………........... ........................................ 67
10. Reglas de lógica difusa ........................................................................ 68
11. Sistema de control de temperatura difuso a lazo abierto ..................... 75
12. Sistema de control de temperatura difuso a lazo cerrado .................... 76
13. Sistema de control de temperatura difuso a lazo cerrado con
generador de pulso (perturbación) ............................................................. 76
xv
ÍNDICE DE GRÁFICOS
GRÁFICOS Pág.
1. Resultados del comportamiento del controlador .................................... 69
2. Resultados de los sistemas de temperatura de control difuso ............... 73
xvi
INTRODUCCIÓN
En los últimos años el área de control ha venido explorando el uso y la
incorporación de técnicas no clásicas que permitan emular el
comportamiento humano o animal, todas ellas se enmarcan dentro de la
denominada Inteligencia Artificial, entre éstas se encuentra la lógica difusa.
La lógica difusa se ha convertido en uno de los más grandes éxitos
tecnológicos para el desarrollo de sistemas de control cada vez más
adaptativos y optimizadores de la operación de una variedad de procesos y
sistemas.
La razón de este éxito es simple, ellos reproducen con exactitud el
proceso del controlador más eficiente y exitoso que haya existido: el ser
humano. Dicho controlador tiene la virtud de generar soluciones precisas y
optimas basado en información ambigua y, muchas veces, aproximada.
Igualmente, llena un vacante dejado por enfoques de control puramente
matemáticos tales como el PID, los PLC (control lineal) o puramente lógicos
tales como los sistemas expertos. Así mismo acomoda las ambigüedades del
lenguaje humano en una matriz matemática y provee de un método intuitivo
que plasma en dicho modelo la experiencia e inspiración de los operadores
humanos.
Por tal motivo, nace la necesidad de impulsar este sistema de control,
bajo el fomento de la lógica difusa, a niveles industriales, con la finalidad de
evaluar la razón de éxito de estos sistemas en base al control de cualquier
xvii
variable de estudio, que en este caso se asentará a la temperatura debido a
la dificultad de su regulación.
Ahora bien, la investigación desarrollada en este estudio se estructura de
la siguiente manera: El primer capítulo, donde se encuentran la descripción
de la problemática, formulación del problema de investigación expresada en
interrogantes, objetivos generales y específicos, así como la justificación y
delimitación de la investigación; el segundo capítulo, correspondiente al
marco teórico, el cual contiene los antecedentes de la investigación, las
bases teóricas y el sistema de variables con sus respectivas definiciones.
El tercer capítulo, marco metodológico, el cual contiene el tipo y diseño
de investigación, población del estudio, las técnicas e instrumentos de
recolección de datos, metodología seleccionada, cuadro de actividades y
recursos, y cronograma de actividades; cerrando con el cuarto capítulo, en
donde se detallan los resultados de la investigación, con el correspondiente
análisis y discusión de los mismos por medio del desarrollo de cada fase del
proyecto, con la finalidad posterior de presentar la propuesta en base a la
implementación del prototipo de estudio.
Por último, se presentan conclusiones y recomendaciones asertivas del
proyecto. A su vez se reflejan las referencias bibliográficas en las cuales se
encuentran las fuentes de información consultadas, las cuales sirvieron como
soporte y apoyo para el avance del análisis realizado, así mismo se incluyen
los anexos que muestran la información correspondiente del estudio
investigativo.
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