avances en circuitos y sistemas: volumen...

AVANCES EN CIRCUITOSY SISTEMAS: Volumen I

AVANCES EN CIRCUITOS Y SISTEMAS

Publicado por la Universidad Autónoma de San Luis Potosí en formato Digital

ISBN: 978-607-535-119-3 México

Comité Editorial

Dr. Luis Javier Ontañón García-Pimentel

Dr. Marco Tulio Ramírez Torres

Dr. Isaac Campos Cantón

Dr. Carlos Soubervielle Montalvo

Dr. Cesar Arturo Guerra García

Diseño de la portada: Dirección de Imagen y Promoción Institucional, Universidad Autónoma de

San Luis Potosí.

Financiado por SEP-PRODEP UASLP-CA-268 ID:CA28234.

Derechos reservados © Diciembre 2019

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POTOSÍ.

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COMITÉ CIENTÍFICO

Dr. Luis Javier Ontañón García Pimentel Dr. Marco Tulio Ramírez Torres

Dr. Carlos Soubervielle Montalvo Dr. Isaac Campos Cantón

Dr. César Arturo Guerra García Dr. Roberto Martínez Montejano

Dr. Ricardo Eliu Lozoya Ponce Dr. Moises García Martínez

Dr. Guillermo Huerta Cuellar M.C. Finees Delgado

M.C. Juan Alberto Vértiz Hernández M. C. Juan Manuel Fortuna

Mtro. José Luis Echenausía Monroy

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE SAN LUIS POTOSÍ AVANCES EN CIRCUITOS Y SISTEMAS 2019

ISBN: 978-607-535-119-3 Página 1

ÍNDICE

DESARROLLO DE UN BANCO AUTOMÁTICO DE PRUEBAS EN ARNESES ELÉCTRICOS AUTOMOTRICES 3

REDES DE MUNDO PEQUEÑO 5

PROTOTIPO DE DETECCIÓN DE ACCIDENTES VEHICULARES 7

APLICACIÓN DEL CONTROLADOR PID ROBUSTO PARA UN SISTEMA VIRTUALIZADO DE RE-

ENTRENAMIENTO DE MANO 9

IMPLEMENTACIÓN DE LA MÁQUINA ENIGMA EN LA PLATAFORMA LABVIEW PARA EL CIFRADO DE TEXTO

11

ESTRATEGIA DE MANEJO DE ENERGÍA BASADA EN REGLAS DIFUSAS Y SU APLICACIÓN A VEHÍCULOS

ELÉCTRICOS. 13

DISEÑO Y SIMULACION DE UN CONVERTIDOR BIDIRECCIONAL PARALELO 15

DISEÑO CIRCUITAL SIMPLE DE DISPOSITIVO CORRECTOR DEL FACTOR DE POTENCIA 17

COMPARACIÓN DE CONTROLADORES AVANZADOS APLICADOS EN MOTORES DE INDUCCIÓN 19

MODELADO DE SISTEMAS CON DERIVADAS DE ORDEN NO ENTERO. 21

CLASIFICADOR AUTOMÁTICO DE IMÁGENES BASADO EN REDES NEURONALES DIFERENCIALES

MULTICAPA 23

DISEÑO DE UN EXOESQUELETO ROBÓTICO BÍPEDO MÓVIL CON PROPORCIONES ANTROPOMÉTRICAS

PARA NIÑOS MEXICANOS 25

TECNICAS DE CONTROL PARA CONVERTIDORES CD-CD 27

SISTEMA AUTOMATIZADO DE ROCÍO PIROLÍTICO ULTRASÓNICO PARA LA SÍNTESIS DE PELÍCULAS

DELGADAS DE ÓXIDOS METÁLICOS 29

PROTOTIPO DE ROBOT ASISTENCIAL PARA CUIDADOS PRECLÍNICOS DE PACIENTES GERIÁTRICOS 32

EXPANSIÓN DE LA CAPACIDAD DE REDES INTEGRADAS DE POTENCIA: CASO DE ESTUDIO DE ARABIA

SAUDITA 34

REMEMBRANZAS DEL LABORATORIO DE INNOVACIÓN EN ELECTRÓNICA APLICADA 36

CONTROL AUTOMÁTICO DE UN ROBOT BIOINSPIRADO EN UNA CLASE DE ORUGA MEDIDORA 38

SISTEMA PARA LA DETECCIÓN DE REGIONES EN CULTIVOS PARA AGRICULTURA DE PRECISIÓN 39

CRIPTOANÁLISIS A SISTEMA DE CIFRADO HIPERCAÓTICO PARA IMÁGENES 42

EL RETO DEL PLANEAMIENTO DE RUTA PARA ROBOTS Y VEHÍCULOS AUTÓNOMOS 44

APLICACIÓN DE MAPEOS CAÓTICOS A SISTEMAS CRIPTOGRÁFICOS. 46

COMPARACIÓN NUMÉRICA DE NÚCLEOS DE NANOCRISTAL Y FERRITA PARA CONVERTIDORES

ELECTRÓNICOS DE ALTA FRECUENCIA Y BAJA POTENCIA 48

SISTEMAS SIN PUNTOS DE EQUILIBRIO CON ATRACTORES CAÓTICOS 50

SECURITY AND PRIVACY IN IOT 52

ALGORITMOS DE APRENDIZAJE PROFUNDO 54


ISBN: 978-607-535-119-3 Página 2

CONTROLADOR DE ORDEN FRACCIONARIO PARA SISTEMA ROBÓTICO TELEOPERADO 56

CONSTRUCCIÓN Y CONTROL DE UN BALANCÍN DE DOS HÉLICES 58

PROPUESTA DE SEGMENTACIÓN SEMÁNTICA PARA AMBIENTES DE INTERIORES 60

SINCRONIZACIÓN DE ENERGÍA DE INVERSOR MULTINIVEL MEDIANTE ALGORITMO DE FIJACIÓN DE FASE

62

APLICACIÓN DE APRENDIZAJE AUTOMÁTICO EN LA BÚSQUEDA DE ASOCIACIONES INMUNOGENÉTICAS

EN VIH/SIDA 64

DIME SI POSEES UN ALTAVOZ INTELIGENTE Y TE DIRÉ TUS HÁBITOS MÁS COMUNES: ATAQUE IOT 67

PROPUESTA DE UNA SOLUCIÓN EMBEBIDA PARA EL SEGUIMIENTO DE OBJETOS EN VIDEO 69

LA CRIPTOGRAFÍA EN LA SEGURIDAD INFORMÁTICA 71

PROPUESTA PARA MEJORAS EN LA TRANSMISIÓN EN REDES FTTH 73

ANÁLISIS DE PROPAGACIÓN TÉRMICA EN TEJIDO MAMARIO POR MEDIO DE IMÁGENES INFRARROJAS 75

DETECCIÓN DE AGUJEROS EN EL ESPECTRO RADIOELÉCTRICO PARA REDES INALÁMBRICAS COGNITIVAS

77

ANÁLISIS DE CONSUMO DE ENERGÍA DEL DETECTOR DE SEÑALES CON ENTRENAMIENTO SUPERPUESTO

EN RADIO COGNITIVO 79

DE LAS PÁGINAS WEB A LA WEB DE LAS COSAS 81

HERRAMIENTA PARA PREDECIR LAS PROPIEDADES DE PRODUCTOS SINTETIZADOS DE FPGA/VHDL EN

BASE A MÉTRICAS DE CÓDIGO 83

CALIDAD DE DATOS EN OBJETOS DE APRENDIZAJE 85

ESPECIFICACIÓN DE REQUERIMIENTOS DE CALIDAD DE DATOS A TRAVÉS DEL ENFOQUE i 87

CARACTERIZACIÓN WAVELET DE SISTEMAS CAÓTICOS E HIPERCAÓTICOS 89

CARACTERIZACIÓN DE UN SISTEMA DE IMAGENOLOGÍA ÓPTICA INTRÍNSECA DE BAJO COSTO 91


ISBN: 978-607-535-119-3 Página 3

DESARROLLO DE UN BANCO AUTOMÁTICO DE PRUEBAS EN ARNESES ELÉCTRICOS AUTOMOTRICES

Domínguez-Villafaña H. de Ja, Lara-Mares AA, Pérez-Merino Da, Herrera Rb, Barranco-Gutiérrez AIa, Perez-Pinal FJa*

a Tecnológico Nacional de México en Celaya, Depto. de Ing. Eléctrica y Electrónica, Guanajuato, México b Tecnoindustrias HB S.A de C.V. *[email protected]

RESUMEN

Este articulo presenta los pasos de diseño de un banco automático de pruebas en arneses eléctricos automotrices. El sistema consta de tres secciones: a) una estructura metálica, b) un software, y c) un sistema electrónico reconfigurable. El sistema puede verificar la continuidad eléctrica en un arnés con un máximo de 128 puntos; el proyecto fue desarrollado bajo un modelo vinculado de tetra hélice.

PALABRAS CLAVE: Tetra hélice, arnés eléctrico, automotriz.

DESARROLLO

Un arnés eléctrico es un conjunto de uno o más circuitos eléctricos, al que se le pueden ensamblar

adicionalmente conectores, clips, terminales, cintas, espumas, cuerinas, conduit y otros productos. Su

función es la de transmitir corriente a todos los dispositivos eléctricos del automóvil, electrodomésticos,

tractores o motocicletas [1]. En promedio se manejan 12V–24V, algunos ejemplos son: cableado para las

luces delanteras, encendido del motor, eleva vidrios, airbag, alarmas, tablero de comando, entre otros [2].

El desarrollo de sistemas de pruebas eléctricas para arneses automotrices ha sido activo desde la década

de los 80´s. La primera patente (1981) estableció los requerimientos mínimos de un sistema de prueba

eléctrica los cuales son: la programación de puntos deseados, la prueba de continuidad entre puntos

programados y el almacenamiento de datos [3-4]. La siguiente patente que estableció un cambio de

paradigma fue la 4,859,953 reportada en el año de 1989, está propuso la idea de un sistema de prueba

modular [5-6]. El siguiente avance sucedió en el 2015 al reportarse dos patentes. La primera introdujo el

concepto de red con diferentes nodos con la finalidad de reducir el cableado interno del sistema de prueba

[7]. Y la segunda, reportó la visualización en una pantalla de las conexiones del arnés, lo que facilita al

usuario la prueba eléctrica del mismo [8]. Actualmente, un completo sistema de pruebas para la prueba de

conexión (prueba eléctrica) de arneses está compuesta por: a) módulos de prueba, b) tarjetas de punto de

prueba, c) probador de cable, d) computadora, e) programa de pruebas (software) y f) banco de pruebas

[9]. Y el mercado actual está dominado en su mayoría por empresa extrajeras provenientes principalmente

de Alemania, Italia, España, Estados Unidos de América (EUA) y en un menor porcentaje Asia [10-15].

A pesar de los avances realizados en el área, es necesario mencionar que aún está abierto el desarrollo

de un software de programación de un banco automático de pruebas para arneses eléctricos automotrices

con las siguientes características: a) proceso operativo confiable, b) tiempo mínimo de mantenimiento tanto

en hardware como en software, c) programación fácil e intuitiva, d) capacitación a personal en cualquier

nivel (no se requiere nivel técnico), e) e interfaz gráfica interactiva y de sencilla programación para el usuario

final. En base a la información presentada anteriormente, este artículo reporta en un inicio el diseño del

software de programación de un banco automático de pruebas para arneses eléctricos automotrices. En el

sistema propuesto, se da de alta el arnés, se especifican los puntos de conexión, bifurcaciones, secuencia

de prueba, tipo de prueba, entre otros. Para hacer uso de esta versión de software se requiere de una

unidad central de procesamiento (CPU), un monitor, un ratón y teclado. Debido a la naturaleza de la

aplicación, que es el sector automotriz, se requiere un continuo mantenimiento. En comparación con otras

soluciones actualmente en el mercado, en esta propuesta se eligió el ambiente de programación Python y

se realizó una programación por capas. En base a esta combinación, el sistema desarrollado provee una

solución amigable para el usuario final de aplicaciones complejas; como lo son estructuras de alto nivel,

arreglos asociados, manejo de memoria automático, entre otras. El sistema completo consta de tres

secciones: a) una estructura metálica, b) un software, y c) un sistema electrónico reconfigurable. El sistema


ISBN: 978-607-535-119-3 Página 4

puede verificar la continuidad eléctrica en un arnés con un máximo de 128 puntos; y el proyecto fue

desarrollado bajo un modelo vinculado de tetra hélice.

REFERENCIAS

[1] R. C. McElroy, “Computer harness adaptive tester,” US 4690475 A, Sep., 1, 1987. [2] T. D. Julson, G. W. Taraski, K. R. Will, and K. D. Pratt, “Modular wiring harness testing systems and

apparatus,”US2013/0221982 A1, Aug., 29, 2013. [3] W. E. Helms, and J. W. Adams, “Automatic harness tester,” US 4257002 A, Mar., 17, 1981. [4] H. Ryan, S. G. Miller, and J. B. Schafer, “Testing wiring harnesses,” US 4689551 A, Aug., 25, 1987. [5] D. A. Young, and J. F. Gilson, “Modular test assembly for wiring harnesses,” US 4859953 A, Aug., 22,

1989. [6] Sr. N. P. McConchie, “Diagnostic test apparatus for electrical system of automotive vehicle,” US 4884033 A, Nov., 28, 1989. [7] J. I. Ordono Hotz, A. M. Herrera, C. A. Alvarez, and E. J. Luengo, “System for performing electrical tests to electrical wiring harnesses,” CA Patent 2882174 A1, Aug., 15, 2015. [8] B. Wujin, A. Zhang, and K. Wu, “Wiring harness intelligent testing machine networking structure,” CN 204480302 U, Jul., 15, 2015. [9] M. Gong and Y. Dong, "A distributed cable harness tester based on CAN bus," in Proc. Int. Conf. on Electric Inform. and Control Eng., (ICEICE), Wuhan, China, pp. 2861-2864, 2011. [10] S. Hai-ou, F.Wei-dong, and Lo Ying-chun, “ An automobile wiring harness detecting system based on LabVIEW,” Journal of Changchun University of Tech.,2006-02, Changchun, Jilin, China. [11] R. Hunt, and P. L. Washicko, “In-vehicle wiring harness with multiple adaptors for an on-board diagnostic connector,” US 7225065 B1, May, 29, 2007. [12] Q. Wang, "Virtual instrument-based cable and harness test system hardware design and development," Advanced Materials Research, vols. 301-303, pp. 970-976, 2011. [13] Q. Wang, "Lab Windows/CVI platform-based cable and harness test system software design," Advanced Materials Research, vols. 301-303, pp. 977-982, 2011. [14] W. D. Feng, W. Xu, X. H. Wang, "Software system for automotive wiring harness testing based on virtual instrument", Advanced Materials Research, vols. 791-793, pp. 954-957, 2013. [15] W. D. Feng, J. H. Pan, W. Xu, "Hardware system for automotive wiring harness testing based on DAQ instrument", Advanced Materials Research, vols. 791-793, pp. 971-974, 2013.


ISBN: 978-607-535-119-3 Página 5

REDES DE MUNDO PEQUEÑO

Soriano-Sánchez AG a *, Rodríguez-Licea MA a, Pérez-Pinal FJ a

a Instituto Tecnológico de Celaya, Guanajuato, México. *[email protected]

RESUMEN:

El documento describe una metodología que mejora la capacidad de algunas redes para modelar la interacción entre los individuos de un sistema, así como su efecto en la realización de una tarea cooperativa. El entendimiento de las relaciones entre los sistemas y su disposición nos permite implementar acciones que mejoren el desempeño de la red. En su etapa de aplicación, el método ha sido empleado en la sincronización de redes complejas compuestas de osciladores caóticos de múltiples enrollamientos.

PALABRAS CLAVE: Redes complejas, topología, mundo pequeño, sistemas cooperativos.

INTRODUCCIÓN

En la actualidad podemos encontrar aplicaciones que emplean, en algún grado, conocimiento desarrollado por la teoría de redes. Su importancia radica en la fidelidad con que modela y describe la interacción conjunta de los diferentes entes de los sistemas, principalmente cooperativos [1, 2]. Esto permitió su uso en campos como: ciencias sociales [1] para describir y comprender el comportamiento de los individuos de una sociedad, neurología [1], para describir el cerebro humano y epidemiología [1], fundamental para describir la dispersión, disminución y supresión de epidemias. En la actualidad, se emplean activamente como factor para mejorar el desempeño del proceso del sistema. En otras palabras, la importancia de las redes complejas, y todo el cuerpo de conocimiento desarrollado a su alrededor, radica primero: en su capacidad para modelar y describir fielmente una gran variedad de sistemas. La Figura 1 muestra ejemplos de sistemas que han sido modelados por esta teoría.

(a) (b)

Figura 1. Ejemplo de redes: (a) Red criminal. (b) Red de drones formación / comunicación.

Segundo, el papel fundamental que desempeña la disposición de los entes o individuos y sus interacciones / conexiones en el proceso de contribuir positivamente al cumplimiento de un objetivo.

ALGORITMO DE MUNDO PEQUEÑO

Con este propósito han surgido ideas que permitieron comprobar el papel fundamental que juega la topología en la dinámica final de un sistema modelado como red. Una de ellas es la que se muestra en la Figura 2. El objetivo es comunicar con mayor rapidez zonas distantes de la red para permitir que los individuos o entes lleguen a un consenso en el menor tiempo, empleando una ley de control poco invasiva, mejorándole a la red al mismo tiempo, la capacidad para resistir fallas y/o ataques que propicien un fallo general.


ISBN: 978-607-535-119-3 Página 6

Figura 2. Método propuesto en [3] para acelerar la sincronización de sistemas caóticos por una ley de

control de retroalimentación de estados.

El funcionamiento general del algoritmo de la Figura 2 es el siguiente: Se comunican zonas de la red que se encuentran distantes (amarillo y verde) a través de tres nuevos caminos (líneas café y azul) que favorecen a la estabilidad del sistema completo ya que significan caminos alternativos para el flujo de información (menos saturación) y opciones de respaldo en caso de falla (robustez). Se obtuvieron resultados favorables al implementarlo para sincronizar redes complejas de osciladores caóticos [4].

CONCLUSIÓN

Las mejoras se reflejaron en la sencillez de las leyes de control para sincronizar el sistema. Las ganancias y el tiempo de consenso o sincronía se vieron seriamente disminuidos. Se estima que en la actualidad, el desarrollo y aprovechamiento del potencial del método ronda el 40%.

REFERENCIAS:

[1] Boccaletti, S; Latora V; Moreno Y; Chavez M; Hwang DU (2006). Complex networks: Structure and

dynamics. Phys. Rep. 424 (4-5), 175-308.

[2] Strogatz, SH (2001). Exploring complex networks. Nature, 410 (6825), 268.

[3] Soriano-Sánchez, AG; Posadas-Castillo C (2018). Smart pattern to generate small–world networks.

Chaos, Solitons Fract, 114, 415-422.

[4] Soriano-Sánchez AG; Posadas-Castillo C; Platas-Garza MA; Cruz-Hernández C; López-Gutiérrez

RM (2016). Coupling strength computation for chaotic synchronization of complex networks with

multi-scroll attractors. Appl. Math. Comput., 275, 305-316.


ISBN: 978-607-535-119-3 Página 7

PROTOTIPO DE DETECCIÓN DE ACCIDENTES VEHICULARES

Martínez-Montejano RCa*, Vega-Acuña Aa*, Jaime-Rodríguez JJa

aUnidad Académica Multidisciplinaria Zona Media UASLP, *[email protected]

RESUMEN:

Los accidentes vehiculares son una amenaza constante para las vidas de las personas, los cuales son abundantes hoy en día. La tasa de supervivencia después de un siniestro se ve afectada por el tiempo en que tarda en llegar la ayuda médica. Para poder aminorar la respuesta entre accidente y ayuda, es posible utilizar dispositivos de detección automática de accidentes. En el presente trabajo se desarrolla un prototipo que informa sobre un percance vehicular, el cual realiza el envío automático de las coordenadas del accidente mediante mensaje de texto a los contactos cercanos de la persona que sufrió el choque. Para lograr el objetivo se utiliza un acelerómetro de tres ejes, un sistema embebido Arduino nano y una aplicación de celular que obtiene los valores del sistema de posicionamiento global. La principal contribución de este trabajo es el desarrollo de un prototipo que se conecta al automóvil y se enlaza con el celular vía Bluetooth.

PALABRAS CLAVE: Arduino, accidente vehicular, sistema posicionamiento global.

INTRODUCCIÓN

De acuerdo a la Organización Mundial de la Salud, los accidentes vehiculares están entre las diez primeras causas de muerte, debido a diversas cuestiones como: alcohol, uso de celular, distracciones, exceso de velocidad, etc [1]. No importando la causa del accidente, es de vital importancia que la ayuda médica llegue lo antes posible, contribuyendo así a incrementar la tasa de supervivencia [2].

En el presente trabajo se desarrolla un prototipo para detección de accidentes vehiculares, que consiste en la instrumentación de un acelerómetro de tres ejes, basado en una plataforma Arduino que se conecta a un celular vía Bluetooth, el cual contiene una aplicación desarrollada en AppInventor, para comunicar a los contactos cercanos el accidente y las coordenadas del mismo.

DESARROLLO

El prototipo se desarrolló de forma experimental montando los componentes físicos en una caja a la medida diseñada en una impresora 3D como se muestra en la Figura 1. En él se coloca un acondicionamiento de voltaje a 5V, el acelerómetro, un módulo Bluetooth HC-05 y un Arduino nano.

La interfaz con el usuario fue hecha en la plataforma App Inventor, en donde se ingresan los datos de tres contactos cercanos, además se realiza en enlace vía Bluetooth y en caso de accidente manda mensaje según la gravedad del mismo a los contactos previamente guardados con las coordenadas del accidente, éstas se obtienen mediante el GPS del celular.

Figura 1. Montaje de prototipo.

RESULTADOS


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En la Figura 2, se muestra parte de la interfaz con el usuario de la aplicación en el celular del lado izquierdo, y en el lado derecho se aprecia un ejemplo de los mensajes enviados cuando existe un accidente vehicular, el límite se establece en 3g, que es el valor en el que se abren las bolsas de aire de un vehículo. Para los resultados se usa un umbral de 1g.

Figura 2. Resultados de la aplicación de celular.

CONCLUSIONES

El prototipo y la interfaz desarrollados mostraron un correcto funcionamiento, ya que el acelerómetro en conjunto con el Arduino, es capaz de monitorear el grado de desaceleración sufrido por el vehículo y establecer conexión con el celular, para mandar el mensaje de ayuda a los contactos cercanos con las coordenadas del accidente. El prototipo es de fácil instalación y amigable con el usuario, sin embargo, es necesario seguir trabajando en las mejoras de la interfaz y realizar más pruebas de confiabilidad.

REFERENCIAS

[1] Lindmeier C (2015). Despite progress road traffic deaths remain too high. OMS.

https://www.who.int/es/news-room/detail/19-10-2015-despite-progress-road-traffic-deaths-remain-

too-high

[2] Desai VJ; Nawales SP; Kokane SR (2014). Design and implementation of GSM and GPS based

vehicle accidente detection system. International Journal of Technology and Science. Vol 2.


ISBN: 978-607-535-119-3 Página 9

APLICACIÓN DEL CONTROLADOR PID ROBUSTO PARA UN SISTEMA VIRTUALIZADO DE RE-ENTRENAMIENTO DE MANO

Pérez-Hernández M.A.a *, Flores-García E. a, Chairez-Oria J.I.a, Barraza-Madrigal J.A.b

a Unidad Profesional Interdisciplinaria de Biotecnología - Instituto Politécnico Nacional

b Escuela Superior de Ingeniería Química Industrial e Industrias Extractivas - Instituto Politécnico Nacional. Email: [email protected]

RESUMEN: Este trabajo evalúa la aplicación de un controlador proporcional-integral-derivativo (PID) para regular el funcionamiento de un exoesqueleto de mano implementado virtualmente. Este dispositivo tiene el objetivo de contribuir en el reentrenamiento de movimiento de mano de pacientes lesionados en las falanges. Se estima la derivada del error de seguimiento de trayectoria a través del uso del algoritmo Super-Twisting (AST). Se incluye la comparación del funcionamiento del controlador con un controlador de estado

extendido PDI2. Se estableció el efecto de introducir el derivador robusto basado en el AST en comparación con el algoritmo de derivación por el método de Euler. Este sistema se encuentra conectado a un sistema virtual del exoesqueleto para la mano el cual es controlado por los algoritmos propuestos. Con la aplicación de los controladores, se logra imitar el movimiento del paciente con un error aceptable en términos de la operación de rehabilitación planteada. PALABRAS CLAVE: Algoritmo Super-Twisting, PID Control, Rehabilitación Virtual, Exoesqueleto. INTRODUCCIÓN:

El control PID es uno de los algoritmos más usados en la industria para controlador dispositivos o procesos

de la más diversa índole. Fue el primer controlador en ser producido en masa para el mercado de alto

volumen que existía en las industrias [1]. Su aplicación se ha extendido para regular el funcionamiento de

dispositivos electromecánicos que se aplican como herramientas en la rehabilitación de diversas secciones

del cuerpo humano. Estos dispositivos incluyen los llamados exoesqueletos, los cuáles deben ser

controlados de forma precisa. A pesar de los beneficios de utilizar el controlador PID en los exoesqueletos,

la dificultad de estimar la derivada del error de seguimiento de trayectoria sigue siendo un factor que debe

ser resuelto en muchos casos de implementación práctica. Por esta razón, se ha buscado incluir el uso de

derivadores más eficientes y robustos como el AST. Más aún, la presencia de perturbaciones no constantes

también sigue siendo un factor que debe tomar en cuenta en la aplicación del controlador PID. Por esta

razón, se puede incluir un término extendido de inyección de elementos integrales de alto orden en el

control. Este estudio hace uso de este método combinado para controlar un sistema virtualizado de un

exoesqueleto de mano.

METODOLOGÍA

La metodología propuesta para el desarrollo de este trabajo consistió en dos etapas: en la primera se

propone el diseño del exoesqueleto de mano virtualizado y en la segunda se desarrolla el controlador. Por

un lado, en cuanto al diseño virtual de la mano, se utilizó el software SolidWorks® para desarrollar los

elementos mecánicos que forman el exoesqueleto. En la segunda etapa, se utilizó el software MATLAB®

y Simulink® para implementar los diferentes controladores sugeridos, haciendo uso de las herramientas de

Simscape. La interconexión de la tarjeta de desarrollo utiliza una comunicación serial basada en el

protocolo de comunicaciones RS-232. A través de este esquema de interconexión, se crea un sistema de

lazo cerrado el cual funciona con una señal de referencia, obtenida por el exoesqueleto y una señal de la

posición, adquirida por el sensor en Simulink®. La resta de estas trayectorias de lugar al error de

seguimiento, utilizado por el algoritmo de control para indicar la posición deseada descrito en la siguiente

ecuación (PID):

𝑢 = 𝑘𝑃𝑒 + 𝑘𝐷

𝑑𝑒

𝑑𝑡+ 𝑘𝐼 ∫ 𝑒(𝜏)𝑑

𝑡

0

𝜏 (1)

mailto:[email protected]


ISBN: 978-607-535-119-3 Página 10

Un segundo término integral en el controlador PID (𝐼2), representa la suma de las integrales calculadas multiplicadas por otra constante integral (kI2). Este integrador Ec. (2), permite una mejor convergencia a la trayectoria por parte del sistema.

𝐼2 = 𝑘𝐼2 ∙ ∑ (𝑘𝐼 ∫ 𝑒(𝜏)𝑑𝑡

0

𝜏)

𝑛

0

(2)

Adicionalmente, se incorporó un algoritmo de control robusto basado en el AST. Este algoritmo permite una mejor convergencia en presencia de ruido [2]. La derivada del error para el componente diferencial en el PID es calculada como se muestra en Ec. (3):

𝑥1̇ = 𝑥1 + 𝑘1|𝑒 − 𝑥1|1/2𝑠𝑖𝑔𝑛(𝑒 − 𝑥1), 𝑥2̇ = 𝑘2𝑠𝑖𝑔𝑛(𝑒 − 𝑥1) (3)

DISCUSIÓN Y RESULTADOS

Las mediciones mostradas en la Tabla. 1 fueron comparadas con los datos registrados en Simulink®, estas

fueron hechas usando el control PID+STA.

Tabla 1. Medición del error en la articulación carpometacarpiana del dedo índice

Medición 1

Medición 2

Medición 3

Medición 4

Medición 5

Promedio Error Std

91.7 92.4 91.9 85.7 90.4 90.36 -0.4% ±2.7437 Los resultados se compararon con dos trabajos similares en los que se resuelve el seguimiento de

trayectoria por un método de procesamiento de imagen, en los cuales se obtuvieron errores de medición

en el mismo dedo de entre 3.4% y 6.7% ±0.7 y 4.4 [3]; y en el segundo de entre 16% y 25% [4].

Figura 1. Controlador siguiendo la trayectoria (superior).

Comparación entre controlador PID vs PID+STA (inferior).

En la figura. 1 (gráfica superior) se muestra el seguimiento de una trayectoria del prototipo. Las variaciones están dadas por las características de la mano del paciente. En la gráfica inferior se muestran los dos controladores propuestos, se observa que el tiempo de convergencia a la trayectoria es equivalente, toda vez que son utilizados los mismos valores constantes. Mientras que los resultados obtenidos utilizando al Super-Twisting se aproximan a los datos de referencia.

CONCLUSIONES El AST brinda una mayor capacidad al controlador para alcanzar la referencia deseada con un menor error

en estado estacionario. Así mismo, la implementación del controlador PDI2 contribuye a la convergencia de la trayectoria. Por su parte, la respuesta del control mejora utilizando el AST como derivador en lugar de una derivada de Euler. El uso de un prototipo instrumentado con sensores reduce el error de medición en los ángulos de la mano. REFERENCIAS [1] Michael A. Johnson, M. H. (2005). PID CONTROL. Reino Unido: Ian Kingston Publishing Services.

[2] A. Levant, “Higher-order sliding modes, differentiation and output feedback control,” Int. J. Control,

vol. 76, no. 9/10, pp. 924-941, 2003.

[3] M. Veber, T. B. (2007). Assessing joint angles in human hand via optical tracking. Springer

Science+Business Media B.V.

[4] V. ROSE, C. C. (2002). VISUAL ESTIMATION OF FINGER ANGLES: DO WE NEED

GIONIOMETERS? Journal of Hand Surgery (British and European Volume), 382–384.


ISBN: 978-607-535-119-3 Página 11

IMPLEMENTACIÓN DE LA MÁQUINA ENIGMA EN LA PLATAFORMA LABVIEW PARA EL CIFRADO DE TEXTO

García-Martínez Ma*, Ontañon-García LJb, Martínez-Medina Ga

a Tecnológico de Monterrey, Escuela de Ingeniería y Ciencias, San Luis Potosí, b Coordinación Académica Región Altiplano Oeste UASLP.

*[email protected]

RESUMEN:

La máquina ENIGMA es tal vez la máquina electromecánica más famosa para cifrar y descifrar mensajes, esto se debe principalmente a que fue usada por los nazis durante la segunda guerra mundial y además fue el primer sistema de cifrado poli-alfabético de la historia, capaz de generar millones de combinaciones haciéndola prácticamente indescifrable. El objetivo de este trabajo es poder reconstruir por medio del software Labview el funcionamiento de todos los elementos de esta máquina y lograr el mismo proceso de cifrado-descifrado, así como la interfaz de usuario en el panel frontal.

PALABRAS CLAVE: ENIGMA, cifrado, criptografía, texto plano, sistemas simétricos.

DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO

Actualmente vivimos en la era digital en donde toda nuestra información se puede representar en archivos digitales, esto implica que en nuestro día a día, podemos realizar gran cantidad de tareas por medios digitales como el internet, por ejemplo: el envió de correos, banca en línea, comercio electrónico, etc. Todas estas comunicaciones se realizan de forma segura es decir la información se transfiere de forma cifrada, sin embargo, esto es relativamente nuevo. La criptografía ha sido usada desde tiempos remotos por civilizaciones antiguas en donde el objetivo era mantener la información oculta y que estuviera disponible solo para quienes estaban autorizados, por lo que, antes del boom tecnológico las comunicaciones cifradas eran de uso exclusivo del gobierno y la milicia.

Figura 1. Máquina ENIGMA.

Con el paso del tiempo las funciones para cifrar y descifrar información se volvieron más complejas, en específico, durante la segunda guerra mundial los nazis implementaron una máquina de cifrado poli-alfabetica (la primera en su tipo) la cual llamaron ENIGMA que se encargaba de cifrar mensajes y transmitirlos por canales abiertos de tal forma que solo quienes tenían conocimiento de la llave podían acceder al mensaje original. En la Figura 1 se puede observar la máquina ENIGMA.

De forma general el funcionamiento de esta máquina automatiza los cifrados de sustitución, para esto se basa en el uso de tres rotores, cada uno contiene 26 contactos eléctricos en cada lado y cada contacto de un lado es conectado con el otro extremo de forma aleatoria. Cuando una tecla es presionada, el rotor de la derecha avanza un paso, esto implica que internamente el cableado cambia y da como resultado una nueva letra, es importante mencionar que el cableado interno es diferente para cada rotor.


ISBN: 978-607-535-119-3 Página 12

El reflector fue un elemento indispensable y hasta ese momento único en su tipo ya que permitía que la señal eléctrica regresara por los rotores por un camino diferente y de esta forma dar energía al teclado iluminado que muestra el texto cifrado, por otro lado, el reflector es el responsable de que la información pueda ser cifrada y descifrada con la misma llave, de tal forma que se comporta como un cifrado simétrico.

CONCLUSIONES

Todos los elementos que conforman la máquina ENIGMA fueron implementados por medio del software

Labview (rotores, reflector, panel de conexiones, etc.) logrando la misma función simétrica de cifrado que

la máquina original, en la Figura 2 se muestra una imagen del panel frontal (interfaz de usuario).

Figura 2. Implementación en Labview de la Máquina ENIGMA.

REFERENCIAS:

[1] Christof Paar; Jan Pelzl (2009). Understanding Cryptography, Springer.

[2] David H Hamer (1997). Enigma: Actions involves in the ‘double stepping’ of the middle rotor.

Cryptologia 21(1):47-50.


ISBN: 978-607-535-119-3 Página 13

ESTRATEGIA DE MANEJO DE ENERGÍA BASADA EN REGLAS DIFUSAS Y SU APLICACIÓN A VEHÍCULOS ELÉCTRICOS.

Marcial Lemus I, Rodríguez Licea M A, Pérez Pinal F & Soriano Sánchez A.

Laboratorio de Innovación en Electrónica Aplicada, México. Tecnológico Nacional de México, Instituto Tecnológico de Celaya

[email protected]

RESUMEN:

Debido a la creciente demanda de vehículos que funcionan con energías alternativas, preferentemente al uso de combustibles fósiles, el manejo o gestión de la energía en un vehículo eléctrico equipado para su propulsión con un banco de baterías, paneles solares, ultracapacitores, celdas de combustible más cualquier otra tecnología que aporte energía para su funcionamiento, es un tema de relevancia. Este trabajo presenta una alternativa difusa que responde preguntas como ¿qué fuente de energía va a aportar en cada momento?, ¿cuánta energía aportará?, ¿se podrá incrementar el tiempo de autonomía del vehículo? para un vehículo con las fuentes de energía mencionadas. PALABRAS CLAVE: Control difuso, estrategia de manejo de energía, vehículo eléctrico.

EL VEHÍCULO ELÉCTRICO COMO UNA MICRORED

El concepto de microred se asume como un conjunto de cargas y fuentes, que operan como un sistema

controlable sencillo que provee energía a una red local.

Figura 1. Microgrid del vehículo de prueba experimental.

En la Figura 1, se muestra una configuración básica de microred que suministrará la energía requerida de

nuestro vehículo eléctrico experimental. Esta microred cuenta con fuentes de energía para la propulsión

como la celda de combustible y los paneles solares, así como sistemas de almacenamiento de energía

como los ultracapacitores y las baterías. Todos estos elementos deben trabajar en armonía para alimentar

un motor eléctrico. Tanto las fuentes como el sistema de almacenamiento de energía deben ser capaces

de suministrar al bus de CD, la potencia demandada por el motor eléctrico. Junto a cada dispositivo se

encuentra un convertidor CD/CD que puede ser unidireccional o bidireccional; esto es debido a que algunos

elementos pueden funcionar únicamente como fuentes suministradoras y otros elementos pueden operar

además como sistemas de almacenamiento de energía.

ESTRATEGIA DE MANEJO DE ENERGÍA DIFUSA

Debido a la sencillez de operación de los métodos difusos, así como su tolerancia a mediciones imprecisas,

variaciones en los componentes, adaptabilidad y facilidad de sintonización, se han adoptado para la

Estrategia de Manejo de Energía (EME) en este trabajo. Existen tres pasos fundamentales para diseñar

una EME basada en reglas difusas. Primero la fuzzificación, posteriormente el mecanismo de inferencia

basado en reglas difusas y finalmente la defuzzificación. Este proceso de diseño se ilustra en la Figura 2.



ISBN: 978-607-535-119-3 Página 14

Figura 2. Estrategia basada en reglas difusas.

La fuzzificación se refiere a transformar nuestras señales de entrada a variables difusas, esto se logra

mediante funciones de membresía (triángulos y trapecios en la Figura 2), a la cual se le da una ponderación

de pertenencia para cada valor de entrada. Posteriormente el mecanismo de inferencia, es el que hace la

relación entre las entradas y la salida, mediante un conjunto de reglas que fueron previamente diseñadas

en base a la experiencia y al conocimiento heurístico del sistema. Finalmente, la defuzzificación se refiere

al hecho de transformar una variable difusa a una digital que pueda ser transmitida a cada controlador

electrónico de cada dispositivo.

CONCLUSIONES

Hoy en día hay una gran cantidad de herramientas para elaborar una EME. En este trabajo se presenta una alternativa implementable de forma sencilla a pesar de la gran cantidad de dispositivos involucrados en un vehículo eléctrico con múltiples fuentes de energía.

REFERENCIAS:

[1] Wenhao Z; Mian L; He Y; Chengbin M (2014). An Adaptive Fuzzy Logic Based Energy Management

Strategy for Electric Vehicles. IEEE 978-1-4799-2399-1/14: 1778-1783.

[2] Farzard Rajaei S (2007). Control Strategies for Hybrid Electric Vehicles: Evolution, Classification,

Comparison, and Future Trends. IEEE TRANSACTIONS ON VEHICULAR TECHNOLOGY, VOL.

56, NO. 5, SEPTEMBER 2007. 2393-2404.

[3] Lasseter R H (2002). MicroGrids. IEEE 0-7803-7322-7/02: 305-308


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DISEÑO Y SIMULACION DE UN CONVERTIDOR BIDIRECCIONAL PARALELO

Gaona-Cárdenas LFa, Rodríguez-Licea MAa, Pérez-Pinal Franciscoa & Soriano-Sánchez Aa.

aTecnológico Nacional de México en Celaya, ITC, Guanajuato, México.

[email protected] RESUMEN

En este artículo se presenta el diseño y simulación de un convertidor bidireccional paralelo con PWM ajustable, el cual será utilizado en una aplicación motriz con múltiples fuentes de energía. Utilizando el DSPIC33EV256G102 se activan los MOSFET a alta frecuencia con un ciclo de trabajo ajustable para controlar el nivel de voltaje y la dirección de la corriente de cada etapa. El mismo microcontrolador puede ser utilizado para realizar labores de control en lazo cerrado en cada etapa, en tiempo real y a un bajo costo de implementación.

PALABRAS CLAVE: Convertidor bidireccional, vehículo eléctrico, vehículo híbrido.

DISEÑO DEL CONVERTIDOR

Un convertidor bidireccional tiene la capacidad de cambiar la dirección de la corriente, de la entrada a la

salida y viceversa. La mayoría de las topologías de convertidores CD – CD existentes, ya sea con o sin

aislamiento galvánico, pueden ser utilizadas como convertidores bidireccionales substituyendo los diodos

rectificadores por conmutadores MOSFET que permitirán el flujo de la corriente en ambas direcciones [1].

Figura 1: Convertidor bidireccional paralelo.

En la figura 1 se muestra un convertidor con múltiples etapas bidireccionales conectadas en paralelo a un

Bus de CD, con diferentes dispositivos conectados en cada una de ellas; por ejemplo una batería

recargable o un panel solar. Cada etapa del convertidor, consiste de un convertidor Boost en una dirección

y un convertidor Buck en la otra. Analizando el circuito mediando nodos y mallas obtenemos las siguientes

ecuaciones:

𝐿𝑑𝑖

𝑑𝑡= −(1 − 𝑢)𝑣 + 𝐸

𝐶𝑑𝑣

𝑑𝑡= (1 − 𝑢)𝑖 −

𝑣

𝑅 (1)

Estas ecuaciones describen la dinámica en modo Boost del convertidor bidireccional, mientras las

ecuaciones (2) describen el modo Buck.

𝐿𝑑𝑖

𝑑𝑡= −𝑣 + 𝑢𝐸


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𝐶𝑑𝑣

𝑑𝑡= 𝑖 −

𝑣

𝑅 (2)

Para obtener los valores de los elementos en el convertidor bidireccional con las ecuaciones 1 y 2 se utiliza

algebra y para el diseño específico de la etapa boost del convertidor se obtiene que L= 40 mH, C=100 uF,

Vin= 12 V con una frecuencia de 100 KHz y un ciclo de trabajo del 50%. De manera similar se obtienen los

valores de los componentes restantes.

ACTIVACIÓN DE LAS ETAPAS

Para activar cada etapa del convertidor bidireccional, se utiliza el módulo generador PWM a una frecuencia

de 100 Khz con un ciclo de trabajo de 50 % con la finalidad de verificar su funcionamiento. En esta prueba,

se efectúa un cambio de dirección al vuelo (sin interrupción o retraso). Para lograr el cambio de dirección,

la señal de PWM se conmuta entre pines diferentes del DSP utilizando interrupciones.

RESULTADOS

Al simular el convertidor con las señales de activación, obtenemos el comportamiento de corriente que se

muestran en la Figura 2.

Figura 2: Comportamiento dinámico en el inductor.

En la Figura 2a se puede apreciar el comportamiento dinámico de la corriente en el inductor, se puede observar que la corriente primeramente aumenta y es positiva ya que está activado el modo boost del convertidor bidireccional, y en la figura 2b se puede observar que la corriente desciende hasta ser negativa, esto quiere decir que ahora se activa el modo Buck.

REFERENCIAS:

[1] Luis, A (2004). Estudio y análisis de soluciones Topológicas de convertidores CC-CC

bidireccionales para su aplicación en vehículos híbridos. Reimpresión 2004. Editorial McGraw.Hill,

México. 722 p.

(a

(b


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DISEÑO CIRCUITAL SIMPLE DE DISPOSITIVO CORRECTOR DEL FACTOR DE POTENCIA

Ruíz-Martínez OFa, Ramirez-Vazquez JCa*, Zuñiga-Ramos CAa, Castillo-Del Angel ERa, Rivera-Garcia GEa

aInstituto Tecnológico Superior de Pánuco, Veracruz, México. [email protected]

RESUMEN:

El control del Factor de Potencia (F.P.) en aplicaciones de tipo industrial es un requerimiento dado por estándares de CFE y así evitar multas. Un bajo factor de potencia ocasiona una mayor demanda de corriente y provoca un desbalance en la red de suministro. En este artículo se propone el diseño de un corrector automático del F.P. realizado con simples circuitos analógicos y digitales evitando el uso de dispositivos programados. Las ventajas que presenta son las siguientes: es efectivo para un amplio rango de potencia, corrige el F.P. aunque se presenten pequeñas variaciones, su lógica de operación es sencilla. PALABRAS CLAVE: Factor de potencia, diseño de circuitos, electrónica de potencia.

INTRODUCCIÓN

El valor del F.P. viene determinado por el tipo de cargas conectadas en una instalación y expresa la relación entre la potencia activa (𝑃) y la potencia aparente (𝑆). El F.P. toma valores entre 0 y 1 (𝑐𝑜𝑠(𝜑)). Donde 𝜑 expresa el desfasamiento de ángulo entre voltaje y corriente. Si existen cargas inductivas o capacitivas se presenta la denominada potencia reactiva (𝑄). La relación entre las diversas potencias se da por el denominado triángulo de potencia y son de la siguiente manera: 𝑃 = 𝑉𝐼𝑐𝑜𝑠(𝛿), 𝑄 = 𝑉𝐼𝑠𝑒𝑛(𝛿), |𝑆| =

√𝑃2 + 𝑄2 y 𝑐𝑜𝑠(𝛿) =𝑃

𝑆. Generalmente para corregir el F.P. se conectan capacitores en paralelo con la

carga. Existen diferentes maneras de corregir el F.P. [1], [2] pero algunos presentan cierta complejidad para determinar su capacidad de acción [3]. La presente propuesta se basa en el diseño de un corrector del F.P. mediante capacitores conmutados. Estos ya han sido previamente reportados en la literatura pero presentan como complejidad el utilizar alguna interfaz de programación y requerir aislar de forma adecuada las señales proporcionadas por los sensores [4]. DESARROLLO Y RESULTADOS EXPERIMENTALES

La figura 1 a) y b) muestran el circuito completo diseñado y las señales propias de funcionamiento.

Inicialmente se sensan las señales de corriente y voltaje de la red, esta señal es acondicionada por medio

de amplificadores y convertida a una señal cuadrada por medio de comparadores. La comparación entre

estas señales en una compuerta EXOR establece una señal digital de duración igual al desfasamiento (𝛿).

En forma paralela a este procedimiento, se obtiene el valor pico de voltaje y corriente por medio de la

identidad 𝑠𝑒𝑛2 + 𝑐𝑜𝑠2 = 1 (Fig. 1 (d) realizado con el circuito AD633). La manipulación de estas señales

produce un valor 𝑄 que es proporcionado a un ADC0804. Este convierte este valor a uno digital de 8 bits

que activa un conjunto de FLIP-FLOPS. Estos activan la combinación ideal para conectar los capacitores

con la carga. Observe que si la carga varia, la señal sin (𝛿) y su comparación con la señal RAMPA

reestablecerá los FLIP-FLOPS y volverá a calcular la combinación ideal de capacitores para corregir el F.P.

La figura 1(c) muestra como es corregido el F.P. a un valor ideal.


ISBN: 978-607-535-119-3 Página 18

Figura 1. Señales y aspecto circuital del compensador automático de F.P.

CONCLUSIONES

Note por la Figura 1 (e) que el presente circuito puede ser visto como algo modular donde solo se necesitan las señales de sensores y establecer los valores de ganancias adecuadas a través de resistencias así como también un capacitor que haga la rampa lineal. Los resultados obtenidos han sido satisfactorios. Aunque los resultados mostrados son de simulación (Saber Sketch) se utilizaron los circuitos comerciales que serán requeridos para la implementación experimental. REFERENCIAS:

[1] Dixon J; Moran L; Rodriguez J; Domke R (2005). Reactive power compensating technologies:

State of Art Review. Proceedings of the IEEE. Vol. 93, No. 12: 2144-2164.

[2] Pundir A; Yadab GD (2016). Comparison of Different types of Compensating Devices in Power

System. International Research Journal of Engineering and Technology (IRJET). Vol. 3, No. 11: 420-426.

[3] Ruhul A; Rajib BR (2014). Determination of Volume of Capacitor Bank for Static VAR Compensator.

International Journal of Electrical and Computer Engineering. Vol. 4, No. 4: 512-519.

[4] Bilal M; Owais M (2016). Automatic Power Correction Unit. International Conference in

Computing, Electronic and Electrical Engineering (ICE). 283-288


ISBN: 978-607-535-119-3 Página 19

COMPARACIÓN DE CONTROLADORES AVANZADOS APLICADOS EN MOTORES DE INDUCCIÓN

Ortega-García LE*, Pérez-Pinal FJ, Rodríguez-Licea MA, Soriano-Sánchez AG

Laboratorio de Innovación en Electrónica Aplicada, Instituto Tecnológico de Celaya, Guanajuato, México.

[email protected]*

RESUMEN:

Este trabajo de investigación presenta una comparación numérica entre los controladores clásicos y controladores avanzados. Se realiza un análisis de desempeño entre los controladores clásicos como lo son: el control de flujo orientado (FOC) y control directo de par (DTC). Así como, algunos controladores avanzados, como control de lógica difusa (FLC) y modelo de control predictivo (MPC). Tales se implementaron en el controlador clásico más factible que pueda presentar mejoras significativas en las magnitudes del flujo y par.

PALABRAS CLAVE: Motor de inducción, control con lógica difusa, modelo de control predictivo.

INTRODUCCIÓN

A pesar de tener más de un siglo de invención, los motores de inducción, son los más utilizados en la

industria debido a su simple construcción, confiabilidad, robustez y bajo costo. Algunos motores de

inducción (MI) no cuentan con un control apto, esto representa una deficiencia en la operación del mismo.

Es por ello, que se han implementado técnicas de control, entre los más importantes, destacan el control

de campo orientado (FOC) y control directo de par (DTC inglés).

El FOC aventaja al DTC en que tiene una mejor respuesta en el par y flujo, pues los rizos de estos son

menores al DTC, pero la gran desventaja es que hace uso de transformaciones de coordenadas de las

corrientes y el voltaje del estator. El DTC realiza transformación de coordenadas, pero el proceso es

diferente, en este método utiliza una banda de histéresis, que no es más que una acotación del nivel del

valor medido, Por esta misma razón, el DTC presenta fluctuaciones en el flujo y par. Esta comparativa se

muestra en la Tabla I.

Por otra parte, el control de lógica difusa es considerado como un tipo de control inteligente. En ella se

ajusta a la lógica humana que, tiene un rango de expresiones lingüísticas que son meramente abstractas,

es decir, “mucho”, “poco”, “grande”, “pequeño”. Cada expresión lingüística es parte de un universo del

discurso; el universo del discurso comprende todos los valores posibles que puede tomar una variable, por

lo tanto, cada una de las expresiones lingüísticas empleadas se relaciona con un rango de valores dentro

del universo del discurso y que depende de nuestra perspectiva, experiencia y/o marco de referencia.

En el DTC convencional se sustituyen las bandas de histéresis y la tabla de búsqueda de selección por un

controlador difuso que permite desarrollarlo de manera intuitiva y detallar con más precisión los estados

del par, flujo y la posición del flujo, dando como resultado una respuesta mejorada de par y flujo.

El MPC tiene como característica inherente que es un método discreto, iterativo y tiene como parámetros:

el modelo del sistema correctamente definido, variables de entrada y salida, referencia de las variables a

controlar, ventana de horizonte que es el rango de las muestras futuras; restricciones que permiten acotar

los valores de variables que no sobrepasen a lo nominal y, por último, la función objetivo que a partir de las

restricciones, estados actuales de variables de entrada y salida se calcula el valor mínimo. Esto significa

que un valor de entrada que minimice la función es la que mejor se ajusta a las condiciones actuales. La

implementación del MPC con el DTC no es necesario la posición del flujo, además que iterativamente en

cada instante elige una solución óptima, mejorando la respuesta del flujo y par.



ISBN: 978-607-535-119-3 Página 20

REFERENCIAS:

[1] Yukai Wang, Yuying Shi, Yang Xu, y Robert D. Lorenz (2015). A Comparative Overview of Indirect

Field Oriented Control (IFOC) and Deadbeat-Direct Torque and Flux Control (DB-DTFC) for AC

Motor Drives. Chinese Journal of Electrical Engineering, vol. 1, no. 1, pp. 9-20.

[2] Abdulrahim Thiab Humod, Mohammad Najm Abdullah, y L. Fatma H. Faris, (Abril 2016). A

Comparative Study between Vector Control and Direct Torque Control of Induction Motor Using

Optimal Controller. », International Journal of Scientific & Engineering Research, vol. 7, no. 4, pp.

1362-1371.

[3] Andrej M. Trzynadlowski (2001) Control of Induction Motors. Chapter 7-8.Field Orientation & Direct

Torque and Flux Control Volume 1. 1st. edition. Academic Press. ISBN: 0-12-701510-8. London &

San Diego. pp. 119-158.

[4] Margarita Norambuena, Jose Rodriguez, Zhenbin Zhang, Fengxiang Wang, Cristian Garcia, Ralph

Kennel (Enero 2019). A Very Simple Stategy for High-Quality Performance of AC Machines Using

Model Predictive Control. IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 34, No. 1

[5] P.Sweety Jose, Jovitha Jerome & S.Sathya Bama (Julio 2011). Performance Enhancemente of

Direct Torque Control of Induction Motor Using Fuzzy Logic. ICTACT Journal on Soft Computing:

Special Issue on Fuzzy in Industrial and Process Automatation. vol. 2, No. 1.

Tabla I. Comparativa entre los controladores FOC y DTC.

Parámetros FOC DTC Reguladores Tres controladores de

corriente PI Dos reguladores de histéresis

Variables controladas Par y flujo del rotor Par y flujo del estator

Control de par y flujo Mediante las corrientes del estator

Directamente

Dinámica de flujo Lenta Alta

Rizo de par Baja Alta

Tiempo de respuesta de par Buena Muy buena

Complejidad de implementación Alta Baja


ISBN: 978-607-535-119-3 Página 21

MODELADO DE SISTEMAS CON DERIVADAS DE ORDEN NO ENTERO.

Gilardi-Velázquez H.E.a*, Campos-Cantón E.b

a Facultad de ciencias UASLP, San Luis Potosí, México. b Instituto Potosino de investigación científica y tecnológica, San Luis Potosí, México.

*[email protected]

RESUMEN:

La idea de una derivada de orden fraccional es tan vieja como la teoría del cálculo. Muchos investigadores han tratado de dar una definición para una derivada de orden fraccional, sin embargo, a pesar de que se tienen más de trescientos años de estudio está abierto el encontrar interpretaciones físicas y geométricas de estas definiciones. En este trabajo se presenta la utilidad de las derivadas fraccionarias para compensar incertidumbres en el modelado del movimiento Browniano.

PALABRAS CLAVE: Modelado, derivadas de orden no entero, movimiento Browniano.

INTRODUCIÓN

La descripción matemática de un sistema de fenómenos se llama modelo matemático. Puesto que con frecuencia las hipótesis acerca de un sistema implican una razón de cambio de una o más de las variables, el enunciado matemático de todas esas hipótesis puede ser una o más ecuaciones que contengan derivadas. En otras palabras, el modelo matemático puede ser una ecuación diferencial o un sistema de ecuaciones diferenciales. A pesar de la complejidad que pueda tener un sistema, en muchas ocasiones, se puede descomponer en sus partes más simples y ser analizado de esta manera; sin embargo, en algunos de estos casos existen limitaciones que no nos permiten predecir su comportamiento ni construir un sistema dinámico determinista que lo represente. Un ejemplo de un sistema, característico por su complejidad, que ha sido ampliamente estudiado con teoría de probabilidad, a pesar de conocerse su naturaleza, es el movimiento Browniano.

MOVIMIENTO BROWNIANO

Se conoce como el movimiento Browniano como el fenómeno descrito por el desplazamiento irregular que

presentan algunas partículas al estar suspendidas en un fluido [1]. P. Langevin propuso un método para

resolver el problema, usar ecuaciones diferenciales estocásticas; con ello obtuvo una aproximación a partir

de la segunda ley de Newton. El modelo propuesto por Langevin [2] está basado en una ecuación

diferencial de segundo orden con un término estocástico el cual representa la naturaleza aleatoria del

movimiento:

𝑚𝑑2𝑥

𝑑𝑡2= −𝛾�̇� + 𝐴𝑓(𝑡). (1)

Para su modelo Langevin considera dos fuerzas que actúan sobre la partícula. La primera relacionada a la

resistencia viscosa. La segunda una fuerza estocástica relacionada a la irregularidad de los impactos con

las moléculas de su alrededor, a la que él llama fuerza complementaria. Huerta-Cuellar y colaboradores [3]

proponen un modelo determinista para la generación de movimiento Browniano, a partir del modelo

propuesto por Langevin. Agregando un grado de libertad al sistema reemplazaron el proceso estocástico,

relacionado a la aceleración fluctuante, por una ecuación diferencial de tercer orden. Esta nueva variable

produce una dinámica de movimiento determinista; que está relacionada a los cambios de velocidad y

aceleración ocasionados por la fricción y las colisiones con otras partículas del medio. Con este modelo

Huerta-Cuellar y colaboradores logran aproximarse a una distribución de probabilidad “tipo Gaussiana” y

un desplazamiento cuadrado promedio lineal. El movimiento Browniano es caracterizado por una

distribución Gaussiana para el desplazamiento promedio, en este trabajo se consideraron derivadas de

orden fraccionario para compensar las incertidumbres asociadas al modelo propuesto por Huerta-Cuellar

obteniendo los siguientes resultados [4]:


ISBN: 978-607-535-119-3 Página 22

𝑥�̇��̇�

̇

===

𝑦,−𝛾𝑦 + 𝑧,

𝛼1𝑥 − 𝛼2𝑦 − 𝛼3𝑧 + 𝛼4, (2)

Figura 1: Desplazamiento de una partícula Browniana en una dimensión y distribución de probabilidad para el desplazamiento promedio de la partícula.

Si bien aún no se cuenta con una interpretación física o geométrica de una derivada de orden fraccionario,

hemos visto su utilidad para compensar incertidumbres en modelos de sistemas complejos, en los cuales

se logran obtener mejores aproximaciones al comportamiento real de los sistemas.

REFERENCIAS:

[1] Robert Brown, (1828). A brief Account of Microscopical Observations made in the Months of June,

July, and August, 1827, on the Particles contained in the Pollen of Plants; and on the general

Existence of active Molecules in Organic and Inorganic Bodies, Philosophical Magazine N. S. 4,

161-173.

[2] Uhlenbeck, G. E., & Ornstein, L. S. (1930). On the theory of the Brownian motion. Physical review,

36(5), 823.

[3] Huerta-Cuellar, G., Jiménez-López, E., Campos-Cantón, E., & Pisarchik, A. N. (2014). An approach

to generate deterministic Brownian motion. Communications in Nonlinear Science and Numerical

Simulation.

[4] H. E. Gilardi-Velázquez and E. Campos-Cantón. (2018). Nonclassical point of view of the Brownian motion generation via fractional deterministic model. International Journal of Modern Physics C Vol. 29, No. 3 1850020.


ISBN: 978-607-535-119-3 Página 23

CLASIFICADOR AUTOMÁTICO DE IMÁGENES BASADO EN REDES NEURONALES DIFERENCIALES MULTICAPA

Llorente-Vidrio D.a,*, Ballesteros-Escamilla M.b, Salgado, I.a y Chairez I.c aCentro de Innovación y Desarrollo Tecnológico en Cómputo, Instituto Politécnico Nacional

bCentro de Investigación y Estudios avanzados del Instituto Politécnico Nacional cUnidad Profesional Interdisciplinaria de Biotecnología, Instituto Politécnico Nacional

Autor de correspondencia: *[email protected]

RESUMEN: Las redes neuronales diferenciales (RND) multicapa se aplican comúnmente en la identificación y estimación no paramétrica de sistemas dinámicos no lineales. Estudios recientes muestran que las RND de una capa también permiten resolver la tarea de clasificación de patrones de señales variantes en tiempo. Este trabajo describe la aplicación de las RND multicapa en la clasificación de patrones en imágenes. Se define una función variante en tiempo objetivo y se hace un preprocesamiento de la imagen para extraer sus características principales. El entrenamiento, basado en la idea de estabilidad de Lyapunov, relaciona estas características con la función objetivo que corresponde al criterio de clasificación. Los resultados numéricos muestran la clasificación de la base de datos del Instituto Nacional Modificado de Estándares y Tecnología (MNIST, por sus siglas en inglés) con un porcentaje de aciertos del 90%, el cual es competitivo con los mejores resultados reportados en estudios similares. PALABRAS CLAVE: Redes neuronales diferenciales; Clasificación de patrones, Tratamiento de imágenes, Redes multicapa. INTRODUCCIÓN.

Las redes neuronales artificiales (RNA) buscan imitar las actividades tanto de procesamiento autónomo y

distribuido, como de aprendizaje de una red neuronal biológica. Las RNA pueden ser clasificadas en redes

estáticas y redes dinámicas. Las redes estáticas tienen la característica de que su salida es función de su

entrada, a diferencia de las redes dinámicas, cuya salida es función de la entrada y cuentan con una

retroalimentación de sus estados, lo que les brinda capacidad de memoria y robustez. Las RND actualizan

sus pesos a partir de una serie de ecuaciones diferenciales matriciales obtenidas a partir del segundo

método de estabilidad de Lyapunov [1]. La aplicación de un clasificador para objetos discretos, pero con

naturaleza continua con un horizonte de tiempo finito, establece una clase de sistema hibrido que aparece

como una contribución técnica al estado del arte.

ESTRUCTURA DEL CLASIFICADOR.

La estructura de una RND de dos capas se representa por la siguiente ecuación diferencial matricial

�̇� = 𝐴𝑥 + 𝑊1,𝑡𝜎(𝑉1,𝑡𝑥) + 𝑊2,𝑡ø(𝑉2,𝑡𝑥)𝑢𝑡. (1)

Donde, x representa la función objetivo de clase; A es una matriz Hurtwitz de dimensiones apropiadas; u

son los patrones a clasificar; W1,t, W2,t, V1,t, V2,t, son los pesos a ajustar en la red; 𝜎(⋅), ø(⋅) son las funciones

de activación. Las leyes de ajuste de la red por motivos de espacio no se integran en este documento, pero

pueden ser consultadas en [1]. Nótese que estas leyes de ajuste de pesos se pueden caracterizar a partir

del uso de métodos formales de estabilidad para sistemas dinámicos, en comparación con las formas

estáticas basadas en métodos de optimización.

FUNCIONAMIENTO DEL CLASIFICADOR.

El algoritmo de clasificación de patrones en imágenes se divide en dos etapas: la de entrenamiento y la de

validación. En la etapa de entrenamiento se diseña una RND para cada clase, que establece un clasificador

binario. La función objetivo que diferencia cada clase se propone como una composición de señales

sigmoidales ( 𝛾𝑐𝑛 =𝑎

1+𝑒−𝑐𝑥− 𝑑). Las leyes de aprendizaje de la red asocian los patrones a analizar de las

imágenes con las funciones objetivo a partir de la señal de error (𝑒 = �̂� − 𝑥 ). La etapa de entrenamiento

finaliza toda vez que se han encontrado el conjunto de pesos ideales W1,t , W2,t , V1,t , V2,t para cada clase, los cuales constituyen la salida de dicha etapa. El proceso de validación consiste en fijar los pesos

obtenidos del proceso de entrenamiento y hacer pasar una un conjunto de patrones prueba. La clase a la

cual pertenece el patrón se obtendrá a partir de la siguiente función:


ISBN: 978-607-535-119-3 Página 24

𝑐 = min {𝑒1, 𝑒2, … , 𝑒𝑛}. (2)

Es decir, el error mínimo que produce el patrón de prueba con la función objetivo en cada clase.

RESULTADOS.

La base de datos del MNIST conta de una serie de imágenes caligráficas de los números del 0 al 9. Para

cada clase se tienen 1000 imágenes. El preprocesamiento de las imágenes consistió en la obtención del

perímetro y del área de cada patrón en su imagen. Estos dos valores constituyen los patrones a evaluar en

la red. En este trabajo se clasificaron tres de las diez clases disponibles. Las funciones objetivo fueron

seleccionadas como:

𝛾𝐶1(𝑡) =3.8

1 + 𝑒−1.3𝑥+8+

3.8

1 + 𝑒−1.3𝑥+18 (3)

𝛾𝐶2(𝑡) =5

1 + 𝑒−0.3𝑥+6 (4)

𝛾𝐶3(𝑡) =4.5

1 + 𝑒−1.7𝑥+8 (5)

La figura 1 muestra los resultados obtenidos por el clasificador. El ajuste de los estados de las diferentes redes �̂�𝑛 con las funciones objetivo se aprecia en la Figura 1a. Las oscilaciones en los primeros instantes de tiempo son producto del proceso de aprendizaje. La Figura 1b muestra la variación de los pesos para dos clases, las imágenes que describen el número de cero y las imágenes que describen el número uno. La Figura 1c muestra la fase de validación para dos patrones en particular pertenecientes a la clase dos y a la clase tres. Se nota como el patrón perteneciente a la clase dos se ajusta mejor a la función objetivo. La Figura 1d se muestra el valor absoluto para un patrón de la clase dos y un patrón de la clase tres. Se observa como el área bajo la curva del error producido por un patrón de la clase dos, evaluado en la función objetivo correcta (línea continua azul) es menor que el evaluado de una clase aleatoria (línea continua roja). Se obtuvo un porcentaje de aciertos del 90 % utilizando el método de leave one-out [2].

Figura 1. Proceso de entrenamiento y validación del clasificador por RND de dos capaz.

CONCLUSIONES. Se propuso un nuevo algoritmo para la clasificación de patrones a partir de redes neuronales diferenciales de dos capaz. Para el ejemplo mostrado en este artículo se propusieron dos capaz de 5 neuronas, las cuales simplifican el procesamiento en comparación con redes neuronales convolucionales cuyo número de capaz internas y neuronas se ve incrementado. REFERENCIAS: [1] Differential neural networks for robust nonlinear control. Alexander S. Poznyak, Edgar N. Sánchez

y Wen Yu

[2] Pattern recognition for electroencephalographic signals based on continuous neural networks. M.

Alfaro-Ponce, A. Arguelles, I. Chairez


ISBN: 978-607-535-119-3 Página 25

DISEÑO DE UN EXOESQUELETO ROBÓTICO BÍPEDO MÓVIL CON PROPORCIONES ANTROPOMÉTRICAS PARA NIÑOS MEXICANOS

Pérez-San Lázaro R.a*, Salgado-Ramos I.b, Chairez-Oria I.a aUnidad Profesional Interdisciplinaria de Biotecnología, Institutito Politécnico Nacional

bCentro de Investigación y Desarrollo Tecnológico en Cómputo, Instituto Politécnico Nacional [email protected]

RESUMEN: El presente trabajo describe el diseño y control de un exoesqueleto robótico bípedo autónomo desarrollado en un ambiente virtual. El exoesqueleto fue diseñado con proporciones antropométricas de niños mexicanos de entre 7 y 8 años. El diseño se realizó en un software de diseño asistido por computadora a partir de perfiles de aluminio y actuadores lineales. El exoesqueleto propuesto cuenta con un sistema de locomoción tipo oruga para permitir movimientos autónomos en ambientes estructurados. Las trayectorias del robot bípedo fueron obtenidas a partir de un análisis biomecánico del patrón de caminata en pacientes sanos. Simulaciones numéricas muestran el seguimiento de trayectorias del robot a partir de un control de tipo proporcional integral no lineal basado en la aplicación del algoritmo Super-Twisting, el cual permitió hacer el seguimiento de estados de referencia con presencia limitada de sobretiros en las etapas transitorias. PALABRAS CLAVE: Exoesqueleto robótico, Locomoción tipo oruga, Control proporcional integral no lineal, Seguimiento de trayectorias. INTRODUCCIÓN

La Organización Mundial de la Salud describe las discapacidades como un término que resulta de la

interacción entre factores biológicos, sociales, ambientales y personales [1]. Durante la niñez se pueden

realizar intervenciones que ayuden a mejorar de manera significativa la calidad de vida de las personas

con discapacidades [2]. De acuerdo con datos del Instituto Nacional de Estadística y Geografía (INEGI), en

México, el 64.1% de personas con discapacidad tienen problemas para caminar, subir o bajar usando sus

piernas [3]. Actualmente, existen alternativas para tratar estas discapacidades, entre las que se encuentran

las órtesis activas (OA). Una OA permite modificar las características estructurales y funcionales de los

sistemas neuromuscular y esquelético [4] a partir de la reproducción de movimientos controlados por

sistemas mecánicos. Una de las OA más extendidas y con mayor efecto sobre la salud es el exoesqueleto

de miembros inferiores.

DISEÑO E INSTRUMENTACIÓN

Para la propuesta de las dimensiones del exoesqueleto se tomaron medidas antropométricas de la población mexicana reportados por la Universidad de Guadalajara [5]. El exoesqueleto está compuesto por perfiles de aluminio y cuenta con seis grados de libertad controlados por actuadores lineales. Está recubierto por piezas de ácido poliláctico (PLA) generadas a través de impresión 3D. El exoesqueleto consta de un sistema de tracción de tipo oruga que le permite un movimiento autónomo proporcional a la velocidad del ciclo de caminata. El método de movimiento conjunto permite el desplazamiento libre del exoesqueleto, mientras se lleva a cabo el proceso de movilización de las diferentes articulaciones de los miembros inferiores, a través de la aplicación de un control automático distribuido. La Figura 1 muestra el modelo generado en un software de diseño asistido por computadora (Solidworks) para su simulación y evaluación.

CONTROLADOR AUTOMÁTICO DE SEGUIMIENTO DE TRAYECTORIA

Las trayectorias para cada grado de libertad se obtuvieron a través de un análisis biomecánico para reproducir el ciclo de marcha. Se consideró un control robusto para forzar el seguimiento de trayectoria de cada grado de libertad a las trayectorias deseadas basado en la teoría de modos deslizantes. El control es una variación del algoritmo de Super-Twisting [6] definido por la siguiente expresión:

Figura 1. Modelo del prototipo

generado en Solidworks


ISBN: 978-607-535-119-3 Página 26

𝑢(𝑡) = −𝑘1𝜙1(𝑠) − 𝑘2 ∫ 𝜙2(𝑠(𝜏)

𝑡

0

)𝑑𝜏 (1)

𝜙1(𝑠) = |𝑠|12𝑠𝑖𝑔𝑛(𝑠) + 𝑘3|𝑠|

32𝑠𝑖𝑔𝑛(𝑠), 𝑘3 > 0, (2)

𝜙2(𝑠) =1

2 𝑠𝑖𝑔𝑛(𝑠) + 2𝑘3𝑠 + 𝑘3

2|𝑠|2𝑠𝑖𝑔𝑛(𝑠), 𝑠 = 𝑐𝑥1 + 𝑥2 (3)

En el algoritmo anterior, 𝑠 es la superficie de deslizamiento, 𝑥1, 𝑥2 son la posición y velocidad de cada junta y 𝑐 es una constante positiva. RESULTADOS La figura 2 muestra los resultados obtenidos en dos de los seis grados de libertad del sistema. La línea continua azul constituye la señal de referencia y la señal simulada del sistema. Nótese que el seguimiento de trayectorias obtenido por la aplicación de un algoritmo de control distribuido del tipo Super-Twisting logra, al menos teóricamente, el rechazo de perturbaciones acopladas a la dinámica de la superficie definida en términos de los errores de seguimiento y sus derivadas. CONCLUSIONES. Se realizó el diseño de un prototipo de exoesqueleto robótico controlado por algoritmos de modos deslizantes. Las simulaciones del control muestran un correcto seguimiento de trayectorias, evaluado en términos de los errores medios cuadráticos de los errores de seguimiento de trayectorias. REFERENCIAS: [1] Asanuma K, Definition of the Terms ‘Medical Device’ and ‘In Vitro Diagnostic (IVD) Medical

Device’. GHTF/SG1/N071:2012: 5-6. [2] Aslam A., Mills C., Estado Mundial de la Infancia, Niñas y Niños con discapacidad (2013),

UNICEF, ISBN: 978-92-806-4658-0 [3] INEGI, La discapacidad en México (2014), VIII 358 p. 28-30 [4] Organización Mundial de la Salud. (2017). Normas de ortoprotésica de la OMS. Organización

Mundial de la Salud. ISBN 978-92-4-351248-8 7-8 [5] Ávila R., Prado R., González E. Dimensiones antropométricas de la población latinoamericana:

México, Cuba, Colombia (2007), ISBN 978-970-27-1193-3 51-58. [6] Cruz-Zavala E., Moreno A., J., Fridman, L., Adaptive gain Super-Twisting Algorithm for systems

with growing Perturbations, Proceedings of the 18th World Congress on Automatic control.

Figura 2. Gráficas correspondientes al seguimiento de trayectorias

en la articulación de la cadera y de la rodilla, respectivamente.


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TECNICAS DE CONTROL PARA CONVERTIDORES CD-CD

Juárez-León F. A.*, Pérez-Pinal F. J.

Laboratorio de Innovación en Electrónica Aplicada (LIEA), Instituto Tecnológico de Celaya, Guanajuato, México,

[email protected]

RESUMEN:

En este trabajo se presenta de forma resumida diversas técnicas de control empleadas en convertidores CD-CD. Como se sabe, un convertidor CD-CD convierte un voltaje de entrada continuo a otro de mayor o menor magnitud. Adicionalmente, estos dispositivos deben operar bajo un esquema de control en lazo cerrado que compense: perturbaciones en el voltaje de alimentación, cambios de carga, etc. En la literatura se han reportado numerosas técnicas de control, algunas de ellas son: control clásico, control por histéresis, control por retroalimentación de estados, modos deslizantes, control difuso, entre otras. Cada una de estas técnicas cuenta con una serie de ventajas y desventajas con respecto a las otras.

PALABRAS CLAVE: Convertidor CD-CD, técnicas de control, espacio de estados.

DESCRIPCION DE LAS TECNICAS DE CONTROL:

Como se ha descrito, un convertidor de potencia debe ser capaz de operar bajo un esquema de

control en lazo cerrado, es decir, una estructura en la cual se sensen las variables de voltaje y/o corriente

de interés y, en base a éstas, tomar una acción específica. La primera técnica de control es el control

clásico. El control clásico por lo general se enseña a nivel licenciatura en la carrera de ingeniería

electrónica en dos dominios: el dominio del tiempo y el dominio de la frecuencia. Para emplear el control

clásico en un convertidor CD-CD (o para cualquier convertidor de potencia) es necesario contar con las

funciones de transferencia del convertidor en cuestión. Para determinar dichas funciones de transferencia

uno de los métodos con mayor formalidad matemática es el modelado en espacio de estados [1]. Una vez

que se cuenta con estas expresiones, es posible diseñar un controlador clásico ya sea empleando el lugar

geométrico de las raíces (LGR) o mediante diagramas de Bode (dominio de la frecuencia). En el ámbito

de la electrónica de potencia se prefiere el uso de los diagramas de Bode debido a que proporcionan mayor

información acera del comportamiento del convertidor, además de mostrar claramente dos parámetros de

estabilidad: el margen de ganancia y el margen de fase [2]. De tal forma, los controladores que se pueden

implementar son: los proporcionales (P), proporcional-integral (PI) y proporcional-integral-derivativo (PID).

Donde el más utilizado es el PI debido a que asegura un error cero en estado estable, es decir, hace que

el convertidor regule adecuadamente hasta alcanzar la referencia de voltaje deseado. Implementar este

tipo de controladores es bastante sencillo (tanto de forma analógica como digital).

Por otro lado, el control por histéresis es una técnica cuya base matemática es bastante simple.

Consiste en establecer dos bandas (conocidas como bandas de histéresis), ya sea de voltaje y/o corriente

y cuyo objetivo es mantener las variables en un rango conocido. Por ejemplo, cuando la corriente en uno

de los inductores de un convertidor cruza una de las bandas de histéresis, el control decide si prender o

apagar la señal de gobierno de cada transistor en el convertidor. La desventaja que presenta esta técnica

es que la frecuencia de conmutación de los transistores es variable y depende de las bandas de histéresis.

Esta variabilidad de frecuencia puede provocar un aumento en las pérdidas por conmutación de los

semiconductores, lo cual no es conveniente para el convertidor [3]. Una ventaja que tiene este tipo de

control es su facilidad de implementación.


ISBN: 978-607-535-119-3 Página 28

Otra técnica de control ampliamente estudiada y aplicada a los convertidores CD-CD es el control

por retroalimentación de estados. Esta técnica de control moderno, consiste en retroalimentar todos los

estados (voltajes en capacitores y corrientes en inductores) del convertidor de potencia, multiplicarlos por

ciertas ganancias y sumarlos entre ellos mismos; esto, con el objetivo de obtener una dinámica deseada

[4]. La base matemática para implementar un control de este tipo requiere tener conocimientos

intermedios-avanzados de álgebra lineal y saber determinar la dinámica de sistemas estables de n-ésimo

orden. En adición, su implementación física es relativamente sencilla.

Finalmente, el control por modos deslizantes es una técnica de control no lineal propuesta desde

la década de los 50s y popularizada por el ingeniero ruso Vadim Utkin [5]. La base matemática para este

tipo de control es compleja y un tanto abstracta a comparación de las anteriores. Para implementar un

controlador por modos deslizantes es necesario obtener una representación en espacio de estados de un

sistema de estructura variable (como lo son los convertidores CD-CD), determinar una superficie

deslizamiento (ley de control) y verificar la estabilidad (condición de alcance) [6,7]. El control por modos

deslizantes, al ser no lineal, tiene la capacidad de: estabilizar sistemas no lineales que no pueden ser

estabilizados por otras técnicas de control, proveer un error en estado estable cercano a cero, reducir el

orden de la planta a controlar, exhibir mejor seguimiento de la referencia y gran robustez ante variaciones

en los parámetros de la planta y ante perturbaciones externas.

[1] S. Ang, “Power-Switching Converters, Second Edition.” p. 18, 2005.

[2] R. Erickson and D. Maksimovic, Fundamentals of power electronics, Second Edi. Springer, 2001.

[3] O. Ruíz, “Control híbrido de rectificadores modulados en ancho de pulso,” Instituto Potosino de Investigación Científica y Tecnológica, A.C., 2017.

[4] J. Ramírez and J. Beristáin, Electrónica de potencia: modelado y control de convertidores cd-cd, 1st ed. Pearson, 2016.

[5] W. Perruquetti and J. Barbot, Sliding Mode Control in Engineering. New York: Marcel Dekker, Inc., 2002.

[6] J. A. Fernando, V. F. Pires, S. Ferreira, and J. Dion, “Advanced control methods for power electronics systems,” Math. Comput. Simul., vol. 63, no. 3–5, pp. 281–295, 2003.

[7] S. Chong and Y. Ming, Sliding Mode Control of Switching Power Converters. CRC Press, 2012.


ISBN: 978-607-535-119-3 Página 29

SISTEMA AUTOMATIZADO DE ROCÍO PIROLÍTICO ULTRASÓNICO PARA LA SÍNTESIS DE PELÍCULAS DELGADAS DE ÓXIDOS METÁLICOS

Cruz-Jiménez G.*, Aguilera-Gomez B.1, Barraza-Madrigal J. A.1, Guzmán Rodríguez I. C.1 Chairez Oria I.2

1Escuela Superior de Ingeniería Química Industrial e Industrias Extractivas - Instituto Politécnico Nacional

2Unidad Profesional Interdisciplinaria de Biotecnología - Instituto Politécnico Nacional

RESUMEN.

Este trabajo reporta el desarrollo de un dispositivo automático que genera una forma controlada del

proceso de rocío pirolítico ultrasónico (RPU) para deposición de óxidos metálicos. El desarrollo del sistema

automatizado incluyó la instrumentación electrónica y el desarrollo del controlador para movilizar el difusor

de tal forma que las películas obtenidas tengan un espesor y tamaño de grano homogéneo. El sistema

comprende el desarrollo de los elementos estructurales, mecánicos y electrónicos que permitieron el

funcionamiento controlado del proceso RPU. El sistema de control permite ajustar la velocidad de rocío, el

tiempo de rocío por ciclos predefinidos y formas de trayectorias de referencia. El uso de una interfaz gráfica

permite al usuario ajustar estos parámetros de forma independiente. El sistema RPU se utilizó para crear

películas delgadas de óxido de cerio con espesores menores a 25 nm. Estas películas pueden ser

utilizadas en procesos de descontaminación de aguas residuales a través del proceso de ozonación

catalítica.

PALABRAS CLAVES: Rocío pirolítico ultrasónico, deposición de óxidos metálicos, Películas delgadas,

Automatización, Interfaz de usuario.

INTRODUCCIÓN.

La contaminación del agua es un problema que se ha agravado con el tiempo, dada la presencia de

compuestos orgánicos utilizados en la industria química, ocasionando daños al ambiente y a los mantos

acuíferos. Debido a la toxicidad de estas moléculas, se ha enfatizado la búsqueda de procesos que

permitan su degradación. El tratamiento de agua con ozonación catalítica es un proceso eficiente en la

mineralización de compuestos recalcitrantes [1-3]. Sin embargo, dicho proceso conlleva altos costos de

producción y recuperación del catalizador, al requerir de un método adicional de separación que no

siempre es eficiente. Una opción es el uso de catalizadores inmovilizados en soportes planos, tubulares,

etc. Una de las formas más empleadas para inmovilizar catalizadores es generar placas planas y delgadas

del mismo catalizador. El uso de películas delgadas utilizadas como catalizadores en un proceso de

degradación por ozonación, es una alternativa recurrente que permite la reutilización del catalizador,

eficientes remociones de contaminantes y ahorro en el uso del material depositado [3]. En este estudio se

propone el desarrollo de un sistema automatizado de RPU el cual permita, mediante el monitoreo y control

de las distintas variables que intervienen en la deposición y formación de la capa depositada [2,4-10], la

obtención de películas delgadas uniformes de óxidos metálicos. Estos compuestos tienen características

y propiedades fisicoquímicas, que le permiten ser utilizados en la evaluación de la degradación de

compuestos orgánicos tóxicos en el agua por el método de ozonación catalítica heterogénea [3].

METODOLOGÍA.

El desarrollo del sistema automatizado de RPU se llevó a cabo en cuatro etapas: a) La primera etapa

consiste en la atomización de la solución precursora, b) La segunda etapa permite la formación de la

suspensión en forma de aerosol, c) La tercera etapa corresponde al sistema de calentamiento y d) La

cuarta etapa permite el movimiento y posicionamiento del difusor (boquilla de rocío). El dispositivo

desarrollado incluyó de las dos secciones relevantes: hardware y de software.

RESULTADOS.

El esquema general del sistema RPU se muestra en la Figura 1 [3,4]. El dispositivo automático desarrollado

para la síntesis de películas delgadas de óxidos metálicos se muestra en la Figura 2.


ISBN: 978-607-535-119-3 Página 30

FIGURA 1 Esquema representativo de un sistema de rocío pirolítico ultrasónico [4]

FIGURA 2 Sistema automático de RPU 1. Nebulizador ultrasónico, 2. Contenedor, 3. Entrada de gas de arrastre, 4. Salida de la solución precursora en forma de aerosol, 5.

Eje de movimiento Z, 6. Difusor, 7. Parrilla de calentamiento con controlador de temperatura, 8. Sistema

de iluminación.

Con base a la evaluación en el funcionamiento del sistema automático de RPU, se demostró cuatro

aspectos fundamentales, relacionados con la homogeneidad de las películas.

I. La capacidad del sistema para reproducir trayectorias específicas desarrolladas por software

aplicas al rocío de la solución precursora, con movimiento suave, fluido y sincronizado en los ejes

XYZ.

II. Una precisión en el posicionamiento del difusor del 99.58 % respecto a distancias establecidas por

software.

III. La uniformidad en el movimiento, con una relación directamente proporcional distancia vs. tiempo,

descrita por el modelo lineal d = 6.6685*t -0.7177 determinado por mínimos cuadrados. Con una

R2 de 0.9969 que indica la representatividad del modelo lineal característico de un movimiento

rectilíneo uniforme.

IV. Repetibilidad del sistema en torno a la realización de trayectorias de rocío.

Las películas delgadas sintetizadas con el sistema automático RPU desarrollado se evaluaron en la

degradación de contaminantes en el agua por ozonación catalítica. La tabla 1 muestra los datos de las

concentraciones de un compuesto de interés ambiental (4-clorofenol) a través del tiempo (el perfil de

degradación). Nótese que se degrada el 99.1 % del compuesto inicial en un tiempo de 10 minutos. Este

tiempo es dos veces menor al obtenido sin la presencia del catalizador inmovilizado en la placa.

TABLA 1 DEGRADACIÓN DE 4-CLOROFENOL POR OZONACIÓN CATALÍTICA

Concentración (mg/ L-1)

100 52.1 18.4 4.5 0,9

Tiempo (min) 0 2.5 5 7.5 10

CONCLUSIONES. Mediante el desarrol

avances en circuitos y sistemas: volumen...

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