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

SISTEMA DE CONTROL DE TEMPERATURA DIFUSO PARA USO INDUSTRIAL

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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!.

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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.

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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

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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

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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

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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

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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

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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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