IMPLEMENTACION DE UN CONTROL INTELIGENTE PARA REGULAR LA INTENSIDAD LUMINOSA DE UNA LAMPARA

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA

UNIDAD PROFESIONAL ZACATENCO

“ADOLFO LÓPEZ MATEOS”

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA

REPORTE TÉCNICO

PROYECTO DE INVESTIGACIÓN SIP-20101542

“IMPLEMENTACIÓN DE UN CONTROL INTELIGENTE PARA

REGULAR LA INTENSIDAD

_{LUMINOSA DE UNA LÁMPARA”}

PARA OBTENER EL TÍTULO DE INGENIERO ELECTRICISTA

PRESENTAN:

CIPRES SIGUENZA ROBERTO

LOZADA RUIZ HECTOR ALONSO

MEJIA BANDA CESAR ALEJANDRO

ASESORES:

M. EN C. HERRERA ESPINOSA JAVIER

Agradecimientos

Este trabajo va dedicado a todas aquellas personas que colaboraron para su realización. A nuestros familiares y profesores que nos apoyaron de alguna manera a lo largo de esta carrera, así como su colaboración en el desarrollo de nuestra tesis.

Al Instituto Politécnico Nacional, y en especial a la ESIME Zacatenco, porque en esta institución nos hemos forjado como profesionistas.

Al M. en C. Javier Herrera Espinosa asesor de la tesis, por todo su apoyo y su disposición para transmitirnos sus conocimientos, sin los cuales este trabajo no hubiera sido posible.

Al M. en C. Manuel García López asesor de la tesis, por el apoyo brindado en la realización de las pruebas de laboratorio y sus experiencias necesarias para la terminación de la tesis.

Al Ing. Guillermo Basilio Rodríguez. Por ayudarnos en la selección del tema de esta tesis.

Cipres Siguenza Roberto

Esta tesis es un pequeño reconocimiento al trabajo, a la entrega y la dedicación de quienes me han apoyado; ahora que egreso como ingeniero saben que sus desvelos y sacrificios no han sido en vano.

Agradezco a mi Madre Roberta Sigüenza Resendiz; por su cariño, por su comprensión y sus consejos que me permitieron seguir adelante y es la parte esencial de este logro.

A mi Hermano: Julio Cesar Cipres Sigüenza, por su apoyo moral a lo largo de mi formación profesional, y por ser un gran amigo.

A mis asesores M. en C. Javier Herrera Espinosa y M. en C. Manuel García López por su apoyo y dirección, para la realización de este trabajo .

A mis compañeros de tesis que con dedicación y esfuerzo hemos llevado a buen término este trabajo, gracias.

Agradezco también al M. en C. David Hernández Ledesma por las facilidades prestadas en el laboratorio de iluminación para las pruebas realizadas.

Así como a todos mis maestros que han dejado una huella en mi formación.

GRACIAS

Lozada Ruiz Héctor Alonso.

Le dedico esta tesis a mi familia que creyó en mí, a toda la gente que me ayudo durante la carrera, amigos y profesores.

A mis padres:

Ernesto Lozada Zepeda y Angela Patricia Ruiz Carrillo ,quienes me han brindado todo incondicionalmente, a ustedes que siempre están ahí y que nunca me han abandonado en toda mi vida, con el apoyo incondicional que siempre me han dado al fin he terminado mi carrera profesional.

A mis hermanos:

Diego y Alvaro por la compañía y paciencia que me brindaron para la realización de esta tesis.

A mis compañeros de equipo de tesis, porque gracias al trabajo conjunto que hicimos durante un año, podemos ver realizado al fin esta tesis

Mejía Banda Cesar Alejandro.

Esta tesis representa un parte aguas entre una etapa muy enriquecedora y el camino que el tiempo obliga. En toda la experiencia en la licenciatura y la conclusión del trabajo de tesis, ha habido personas que merecen las gracias porque sin su valiosa aportación, no hubiera sido posible este trabajo; y también hay quienes las merecen por haber plasmado su huella en mi camino.

Esta tesis está dedicada a mis Padres, a quienes agradezco de todo corazón por su amor, cariño y comprensión. En todo momento los llevo conmigo.

IMPLEMENTACIÓN DE UN CONTROL INTELIGENTE PARA REGULAR LA INTENSIDAD LUMINOSA DE UNA LÁMPARA

Resumen

En este trabajo se presenta el diseño e implementación de un sistema de control difuso tipo Mamdani, para regular la intensidad luminosa de una lámpara incandescente y tipo mixta. La finalidad es mantener un nivel de iluminación constante ante cambios de luminosidad.

El sistema de control se implementó en una tarjeta de evaluación con microcontrolador MCHS12GC32. El lenguaje del programa del sistema de control se realizó en lenguaje ensamblador con plataforma CODEWARRIOR.

La regulación de la intensidad se hizo mediante la variación de voltaje en las lámparas mediante la técnica de modulación de ancho de pulso, activado en el microcontrolador.

Índice

Agradecimientos ... ii

Resumen ... vi

Glosario ... ix

Lista de símbolos ... xi

Índice de tablas ... xiii

Índice de figuras ... xiv

CAPÍTULO 1. Introducción ... 1

1.1 Generalidades ... 1

1.2 Antecedentes ... 3

1.3 Justificación... 5

1.4 Objetivos ... 6

1.5 Estructura de la tesis ... 7

CAPÍTULO 2. Iluminación y lámparas ... 8

2.1 Introducción a la iluminación ... 8

2.2 Análisis del sistema de iluminación ... 9

2.2.1 Sistema de control ... 10

2.2.2 Luminaria ... 12

2.2.3 Fuente de luz ... 12

2.3 Lámparas incandescente y de luz mixta ... 16

2.4 Datos para seleccionar una lámpara ... 19

CAPÍTULO 3. Control convencional e inteligente ... 22

3.1 Introducción a los sistemas de control ... 22

3.2 Sistemas de lazo abierto y lazo cerrado ... 23

3.3 Controladores convencionales ... 25

3.4 Controladores inteligentes difusos ... 27

3.5 Lógica difusa ... 30

3.6.1 Obtención de valores difusos ... 32

3.6.2 Evaluación de reglas ... 34

3.6.3 Obtención de valores reales ... 36

CAPÍTULO 4. Descripción de los elementos del sistema de control ... 38

4.1 Esquema del sistema de control ... 38

4.2 Elementos físicos del sistema de regulación de intensidad luminosa ... 39

4.4 Tarjeta de evaluación con microprocesador MC9HS12GC32 ... 43

4.4.1 Tarjeta de evaluación con microprocesador MC9HS12GC32 ... 43

4.4.2 Conversión del analógico a digital (ATD10B8CV2) ... 46

4.4.3 Modulador de ancho de pulso PWM8B6CV1 ... 48

4.4.4 FUNCIONES DE LA LÓGICA DIFUSA EN EL MICROCONTROLADOR 49 CAPITULO 5. Programación del sistema de control ... 55

5.1 Introducción... 55

5.2 Estructura del programa ... 56

5.3 Descripción del programa ... 56

5.3.1 Declaración de variables reales y difusas ... 58

5.3.2 Definición de constantes difusas ... 59

5.3.3 Captura y Salida de datos ... 63

CAPÍTULO 6. Resultados y aportaciones ... 69

6.1 Resultados ... 69

6.2 Conclusiones... 74

6.3 Recomendaciones ... 75

Referencias ... 76

APÉNDICE A. Curvas de la lámpara mixta ... 78

APÉNDICE B. Equipo de medición……….80

APÉNDICE C. Programa en código ensamblador de la tesis……….81

Glosario

Candela. Se define como la intensidad luminosa de una fuente puntual que emite un flujo luminoso de un lumen en un ángulo sólido de un estereorradián.

Cantidad de luz (Energía luminosa).La energía luminosa se determina por la potencia luminosa o flujo luminoso emitido en la unidad de tiempo. Su unidad es el lumen por hora.

Color. Es una interpretación subjetiva, psicológica y fisiológica, del espectro electromagnético visible.

Control. Manipulación de una variable para llevarla a un estado deseado.

Desdifusificación. Conversión de salidas difusas a salidas reales necesarias para realizar la acción de control.

Dimmers.Son dispositivos que regulan la tensión eléctrica en una o varias lámparas. De esta manera es posible variar la intensidad de la luz, siempre y cuando las propiedades de la luminaria lo permitan.

Eficiencia. Es el uso racional de los recursos con que se cuenta para alcanzar un objetivo predeterminado.

Eficiencia de la luminaria. La eficiencia de la luminaria depende de la potencia lumínica total de salida (en lúmenes), en comparación con la entrada total de potencia lumínica de todas las lámparas de la luminaria. Esto se expresa como un porcentaje.

Etiqueta. Descripción lingüística o el nombre asignado a un conjunto difuso.

Flujo luminoso (Potencia luminosa).El flujo luminoso que produce una fuente de luz es la cantidad total de luz emitida o radiada en un segundo, en todas las direcciones. Su unidad es el lumen.

Fotorresistencia. Es un componente electrónico cuya resistencia disminuye con el aumento de intensidad de luz incidente.

Función de membresía. Define un conjunto difuso de asignación de las entradas reales de dominio a los grados de pertenencia.

Grado de membresía. Es el grado en que un valor real es compatible con una función de pertenencia (de 0 a 1). También se conoce como el grado de pertenencia, valor de verdad o difusos de entrada.

Iluminancia (Nivel de iluminación). Es la relación entre el flujo luminoso que recibe la superficie y su área. Su unidad es el lux (lx).

Intensidad luminosa. La intensidad luminosa de una fuente de luz es igual al flujo emitido en una dirección por unidad de ángulo sólido en esa dirección. Su unidad es la candela.

Luminancia. Se llama así al efecto de luminosidad que produce una superficie en la retina del ojo, tanto si procede de una fuente primaria que produce luz, como si procede de una fuente secundaria o superficie que refleja luz.

Luminarias. Es cualquier cosa que soporte o sirva de alojamiento o revestimiento de una fuente de luz.

Luz. Es una forma de energía radiante que se evalúa en cuanto a su capacidad para producir sensación de visión.

Rendimiento luminoso (Eficacia luminosa). El rendimiento luminoso de una fuente de luz, indica el flujo que emite la misma por cada unidad de potencia eléctrica consumida para su obtención. Su unidad: el lumen/Watt.

Sistema de iluminación. Es un conjunto de dispositivos y equipos eléctricos, que trabajando en conjunto nos proveen de iluminación artificial.

Lista de símbolos

A Amperes

ADC Analog Digital Control (convertidor analógico digital)

Cambio del error Cambio en la salida

Cambio en la salida total real Cd Candela

Q Cantidad de luz I Controlador integral P Controlador proporcional

PD Controlador proporcional derivativo PI Controlador proporcional integral

PID Controlador proporcional integral derivativo CA Corriente alterna

CD Corriente directa

EEPROM Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory (memoria de solo lectura programable y eléctricamente borrable)

e Error

Error actual

Kd Ki Kp GB GHz

Flujo luminoso Ganancia derivativa Ganancia integral Ganancia proporcional Giga byte

Giga herz KB Kilo byte

Khz Kilo hertz

KΩ Kilo ohm

IRC Índice de reproducción de color Intensidad luminosa

°C Grados Celsius °K Grados kelvin

LED Light Emitting Diode (diodo emisor de luz)

lm Lumen

lm · h Lumen por hora lm/W Lumen/watt lx

Mhz

Lux

Mega hertz

COG Método del centroide o centro gravitacional de masa μs Micro segundos

$ Números Hexadecimales

PWM Pulse Width Modulation (modulador de ancho de pulso) RAM Random Access Memory (memoria de acceso aleatorio)

Rendimiento luminoso

Salida total real

TB

Suma del error Tera byte

Tiempo de derivación

Tiempo de integración k Tiempo de muestreó R Valores medidos

V Volts

Índice de tablas

Capítulo 2

Tabla 2.1 Ventajas y desventajas de las lámparas. Tabla 2.2Apariencia de color y temperatura de color. Tabla 2.3 Índice de rendimiento de color.

Capítulo 3

Tabla 3.1 Ventajas y desventajas de los sistemas en lazo abierto y lazo cerrado. Tabla 3.2 Descripción de las etiquetas difusas.

Tabla 3.3 Ejemplos de antecedentes y consecuentes.

Capítulo 4

Tabla 4.1 Características de la Lámpara Phillips151480. Tabla 4.2 Características de la Lámpara Osram HWL 250W.

Capítulo 5

Tabla 5.1 Matriz de inferencia difusa para regular la intensidad luminosa de una l lámpara.

Índice de figuras

Capítulo 2

Figura 2.1 Luxómetro Amprobe LM- 80.

Figura 2.2 Lámpara incandescente halógena Osram Classic A ES.

Figura 2.3 Lámpara de descarga de vapor de sodio Osram NAV-T 150 4Y. Figura 2.4 Lámpara de descarga fluorescente HE 28 W/840 SPS.

Figura 2.5 Lámpara de inducción Osram ENDURA. Figura 2.6 Lámpara tipo LED Osram PAR16 20 CW. Figura 2.7 Lámpara de luz de mixta Osram HWL. Figura 2.8 Partes de una lámpara incandescente. Figura 2.9 Partes de una lámpara de luz mixta.

Figura 2.10 Curva fotométrica de una lámpara de vapor de mercurio.

Capítulo 3

Figura 3.1 Sistema de control.

Figura 3.2 Sistema de control de lazo abierto. Figura 3.3 Sistema de control de lazo cerrado.

Figura 3.4 Grados de verdad de la lógica difusa y lógica Booleana. Figura 3.5 Descripción del algoritmo tipo Mamdani.

Figura 3.6 Obtención de un valor difuso de entrada a partir de un dato de entrada. Figura 3.7 Funciones de membresía.

Figura 3.8 Funciones de membresía para el diseño del control. Figura 3.9 Procedimiento de evaluación de reglas

Figura 3.10 Centro de gravedad.

Capítulo 4

Figura 4.1 Diagrama a bloques del sistema de control. Figura 4.2 Circuito de la fotorresistencia.

Figura 4.3 Fotorresistencia marca Steren 2 MOhms, 100 Vca Figura 4.4 Etapa de potencia.

Figura 4.5 Tarjeta de evaluación MC9HS12GC32. Figura 4.6 Puertos de la tarjeta de evaluación. Figura 4.7 Diagrama de bloques del ATD110B8C Figura 4.8 Diagrama de bloques del PWM8B6CV1.

Figura 4.9 Sistema de tres funciones de membresía de entrada, una para cada e etiqueta de la entrada de sistema.

Capítulo 5

Figura 5.1Diagrama de control.

Figura 5.2 Estructura general del programa del control difuso. Figura 5.3 Diagrama de flujo en memoria RAM.

Figura 5.4 Diagrama de flujo en memoria EEPROM. Figura 5.5 Mapa de usuario configurable de la memoria Figura 5.6 Funciones de membrecía para una lámpara.

Figura 5.7 Representación de funciones de membresía en un microcontrolador.

Capítulo 6

Figura 6.1 Fotografía del sistema de control.

Figura 6.2 Lectura de entrada al ADC proporcionando luz exterior al sistema. Figura 6.3 Respuesta de control medida en la entrada del ADC.

Figura 6.4 Lectura en el osciloscopio para una disminución de iluminación. Figura 6.5 Respuesta de control a un incremento de iluminación.

Figura 6.8 PWM medio. Figura 6.9 PWM bajo.

Apéndice A

Figura A.1 Distribución espectral.

Figura A.2 Características fotométricas. Figura A.3 Comportamiento en el arranque. Figura A.4 Características en servicio. Figura A.5 Curva de depreciación de flujo. Figura A.6 Curva de mortalidad.

Apéndice B

CAPÍTULO 1. Introducción

1.1 Generalidades

Sin duda el empleo de energéticos como el petróleo, carbón y la electricidad es un tema de importancia global, donde se expresan preocupaciones sobre las reservas, debido a que no son renovables. El petróleo y el carbón son recursos que algún día llegarán a consumirse completamente. La electricidad es uno de los energéticos más utilizados en el mundo, irónicamente es necesario en algunos casos consumir otros energéticos para generarla, como en las centrales termoeléctricas. Ante este problema y el alto costo de la energía eléctrica, es necesario reducir el consumo de energía utilizada en diferentes áreas, como la iluminación artificial, ya que se utilizan nuevas tecnologías de mayor eficiencia en el consumo de la energía.

La iluminación artificial es necesaria para el desarrollo de actividades en ambientes u horarios, en el que no existe iluminación natural o como complemento de ésta. Considerando que normalmente, la iluminación no mantiene un nivel adecuado acorde con la actividad desempeñada, las lámparas se encienden a toda su intensidad, y, por lo tanto, provoca un consumo innecesario de energía eléctrica.

Para tratar de resolver estos problemas se han realizado diferentes acciones, una de ellas es la adaptación de nuevas tecnologías en la construcción de lámparas. Otra es el control de iluminación basados en la conexión y desconexión de lámparas. En algunos casos se ha realizado la regulación de la iluminación mediante controles convencionales (control encendido-apagado, proporcional, proporcional integral entre otros).

Una alternativa que se desarrollo en el presente trabajo es el control de iluminación mediante lógica difusa.

Capítulo 1

La lógica difusa trata de definir los infinitos valores que se encuentran entre falso o verdadero, amplía la idea de un conjunto clásico; calificado como un conjunto difuso. A diferencia de la lógica booleana, la lógica difusa toma varios valores. En lugar de una proposición que sea totalmente cierta o totalmente falsa, se forman una serie de proposiciones que tengan grados de verdad, es decir, algo que es parcialmente verdadero y parcialmente falso, al mismo tiempo.

1.2 Antecedentes

La regulación de la intensidad luminosa en la lámpara se realizará mediante el algoritmo difuso tipo Mamdani. Es por ello que en el siguiente apartado se darán a conocer los antecedentes de la lógica difusa y se mencionarán algunos trabajos recientes que muestran diferentes aplicaciones de este tipo de algoritmo.

La lógica difusa se inventó por primera vez como un sistema de representación y cálculo de conceptos vagos o inciertos. Se trata básicamente de una lógica de valores múltiples que permite una interpretación más parecida a la interpretación humana y el razonamiento en las máquinas mediante la resolución de categorías intermedias entre las anotaciones, como falso-verdadero, caliente-frío, etc., utilizados en la lógica booleana. Esto fue visto como una extensión de la lógica convencional booleana que se extendió a manejar el concepto de verdad parcial o parcial falsa en lugar de los valores absolutos de las categorías de la lógica booleana.

La teoría de conjuntos difusos se introdujo por el profesor Lotfi Zadeh en 1965 y puede ser vista la teoría como un infinito valor de la lógica booleana. Lotfi Zadeh se desempeña actualmente como director de BISC (Iniciativa de Berkeley en Soft Computing). Antes de 1965 el trabajo de Zadeh se había centrado en la teoría de sistemas y análisis de decisiones. Desde entonces, sus intereses de investigación se han desplazado a la teoría de los conjuntos difusos y sus aplicaciones a la inteligencia artificial, la lingüística, la lógica, el análisis de decisiones, la teoría de control, sistemas expertos y redes neuronales. Actualmente, su investigación se centra en la lógica difusa, el soft computing y la teoría computacional de nuevo desarrollo de la percepción y el lenguaje natural. [10]

Las primeras aplicaciones industriales de la lógica difusa se llevaron a cabo en Europa alrededor de 1975, cuando Ebrahim Mamdani y S. Assilian de la Universidad de Londres publicaron un documento titulado "An Experiment in Linguistic Síntesis with a Fuzzy Controller" (Un Experimento en Síntesis Lingüística con un Controlador

En 1980 la lógica difusa ganó más terreno en aplicaciones con soporte de decisiones y análisis de datos. A mediados de 1985 Tomohiro Takagi y Michio Sugeno proponen un nuevo modelo de control difuso (modelo Takagi Sugeno), por lo que muchas compañías empezaron a interesarse e implementarlo en sus procesos industriales.

A continuación se presentan, algunos trabajos que permitieron la realización de esta tesis

Escareño Gómez Manuel Antonio, Trujillo Soriano José Reyes (2009). “El diseño de un control de lógica difusa en un PLC para el ahorro de energía en la iluminación de una nave industrial. [11].

Sinhue López Vite (2008). “La Simulación de reguladores difusos de velocidad para motores de C.D. con excitación separada.”[12].

Jiménez Madrigal René (2007). “El diseño de un algoritmo de lógica difusa genético para controlar la posición de un servomotor de C.D.”[13].

1.3 Justificación

En México existe una problemática en los sistemas de iluminación, ya que operan a capacidad nominal y no regulan la cantidad de luz para realizar las actividades diarias según la iluminación necesaria, aplicando comúnmente controles todo o nada. Teniendo con esto un alto consumo de energía eléctrica.

Ante el alto costo de generar energía eléctrica, y que se produce a partir de recursos no renovables como Petróleo, Carbón, Gas natural (Centrales Termoeléctricas y de Ciclo combinado); es necesario reducir el consumo de energía, utilizando nuevas tecnologías de mayor eficiencia en los sistemas de iluminación.

Por estas razones se opta por la implementación de técnicas de control inteligente en lámparas, para variar los niveles de iluminación de acuerdo a la iluminancia requerida, evitando que las lámparas se mantengan funcionando a su máxima capacidad, además se obtiene un nivel de iluminación adecuado al que se requiere para realizar las actividades cotidianas con lo que se consigue un menor consumo de energía eléctrica.

1.4 Objetivos

Objetivo General

Implementar un control inteligente tipo Mamdani, para regular la intensidad luminosa de una lámpara incandescente y tipo mixta, con el fin de reducir el consumo de energía eléctrica.

Objetivos Específicos

Conocer el contexto de las lámparas para determinar cuál de ellas es adecuada para realizar las pruebas en el laboratorio.

Familiarizarse con los conceptos de lógica difusa para implementar el control inteligente tipo Mamdani.

Diseñar el sistema de control inteligente para controlar el nivel luminoso de la lámpara seleccionada.

1.5 Estructura de la tesis

Este trabajo consta de 6 capítulos los cuales se describen a continuación:

Capítulo 1.Constituye las generalidades acerca de los aspectos a tratar en la tesis: antecedentes, justificación, objetivos y la integración de la tesis.

Capítulo 2. Explica conceptos de la iluminación y la clasificación de las lámparas. Además del principio de funcionamiento, ventajas y desventajas de las lámparas de descarga fluorescentes, vapor de sodio, inducción, LED, mixtas e incandescentes.

Capítulo 3. Enuncia el contexto del control, controladores convencionales, control inteligente y generalidades de la lógica difusa.

Capítulo 4. Contiene la descripción del diagrama a bloques del sistema de control y la descripción de cada uno de los elementos.

Capítulo 5. Describe el desarrollo del programa en lenguaje ensamblador para la implementación del control en el microcontrolador.

Capítulo 2

CAPÍTULO 2. Iluminación y lámparas

2.1 Introducción a la iluminación

La iluminación es el flujo luminoso por unidad de superficie, también se dice que la iluminación de una superficie es el flujo luminoso que cubre cada unidad de la misma.

La luz se origina de muchas maneras; de la energía solar (Luz diurna), de la combustión, de las reacciones químicas y de la conversión de la energía eléctrica de todas las fuentes luminosas. La luz diurna es abundante, sin embargo, no está disponible de noche y es demasiada durante el día, siendo a veces muy brillante para el confort visual o muy caliente para soportarla durante largo tiempo. Aun así, cuando es controlada adecuadamente, como con anteojos de sol y con aire acondicionado, es la más económica de las fuentes luminosas. En los edificios, la iluminación eléctrica se ha convertido en la única fuente luminosa durante la noche y en fuente complementaria durante el día. Los siguientes aspectos constituyen la parte principal de un estudio de iluminación:

Cantidad de luz (energía luminosa) Color

Flujo luminoso (potencia luminosa) Iluminancia (nivel de iluminación) Intensidad luminosa

Luminancia

Rendimiento luminoso (eficacia luminosa)

Iluminación y

El nivel de iluminación (iluminancia) es el aspecto principal a considerar debido a que es el parámetro obtenido mediante el cálculo de iluminación de un área. Para obtener la medición del nivel de iluminación, se realiza por medio de un aparato especial denominado luxómetro (Figura 2.1), que consiste en una célula fotoeléctrica que, al incidir la luz sobre su superficie, genera una débil corriente eléctrica que aumenta en función de la luz incidente. Dicha corriente se mide con un miliamperímetro, de forma analógica o digital, calibrado directamente en lux.

Figura 2.1 Luxómetro Amprobe LM- 80.

2.2 Análisis del sistema de iluminación

En la actualidad, los centros laborales y lugares en que vivimos , son más que un simple lugar de trabajo, es el entorno en los que las personas y sus necesidades deben ser puntos de máxima atención para el diseño de iluminación.

Los factores fundamentales que se deben tener en cuenta al realizar el diseño de iluminación son los siguientes:

Determinar el lugar a iluminar ya sea interior o exterior.

Iluminancias requeridas (niveles de flujo luminoso (lux) que inciden en una superficie).

Uniformidad de la repartición de las iluminancias. Limitación de deslumbramiento.

Limitación del contraste de luminancias. Color de la luz y la reproducción cromática.

Por lo tanto es importante tener en cuenta la cantidad y calidad de luz necesaria, siempre en función de la dependencia que se va a iluminar y de la actividad que en ella se realizará. Como elementos de un sistema de iluminación tenemos:

a) Sistema de control. Son los elementos y dispositivos que gobiernan la iluminación artificial.

b) Luminaria. Sirve para aumentar el flujo luminoso, evitar el deslumbramiento y viene condicionada por el tipo de iluminación y fuente de luz escogida.

c) Fuente de luz. Tipo de lámpara utilizada, que nos permitirá conocer las cualidades del sistema eléctrico.

A continuación se describirán las funciones de cada elemento del sistema de iluminación.

2.2.1 Sistema de control

La iluminación en un espacio, en ocasiones llega a ser muy brillante o su dirección es incorrecta, causando incomodidad visual o utilización ineficiente. Por ejemplo la luz llega a ser de color equivocado, causando una mala distribución de colores. Por cualquiera de estas razones la luz debe ser controlada.

El cambio de iluminación en un local es regulado a través de varios parámetros diferentes. Este empieza por las funciones básicas que son:

Energizar y desenergizar circuitos eléctricos, y llega hasta transiciones entre colores, gobernadas automáticamente en forma cronológica. A través de la programación de escenas de luz, no sólo es posible guardar los ajustes hechos, sino igualmente su nueva definición flexible, en adaptación a las necesidades cambiantes.

Conmutar y regular, a fin de conseguir una adaptación diferenciada de la iluminación.

En el caso del proyecto la función del control de luz que se utilizo es la función de regular la intensidad luminosa de una lámpara. Para llevar a cabo dicha regulación, se debe de tomar en cuenta los siguientes aspectos:

Control de luz natural y luz artificial Percepción visual y confort

Durante el día, la combinación de luz natural y artificial determina el confort visual en un entorno de trabajo. Y si controla la entrada de luz diurna, el control total del entorno implica también el del alumbrado eléctrico. De hecho, la luz eléctrica se inventó como complemento de la luz solar. Una correcta integración de ambas permite reducir gradualmente la luz eléctrica si hay suficiente luz diurna. Además que si se regula la cantidad necesaria de iluminación artificial, traerá como beneficio un menor consumo de energía y por lo tanto beneficios económicos.

Como es sabido, el propósito principal de un adecuado diseño lumínico es crear ambientes bien iluminados donde sea factible el buen desarrollo visual sin fatiga de la vista. La importancia de estas consideraciones depende asimismo de la función o tarea visual que se vaya a desarrollar en el espacio diseñado; no es lo mismo el diseño para una biblioteca que el de un taller de orfebre o el de un local de ventas. Por estas razones, es importante determinar los niveles de iluminación adecuados para que permanezcan constantes en las tareas a realizar, teniendo en cuenta que si la iluminación natural baja la iluminación artificial debe de regular la iluminación en el área de trabajo para conservar el nivel de iluminación adecuado y manteniendo los niveles de confort constantes.

Algunos dispositivos para un sistema de control de iluminación son:

Interruptores sencillo y de tres vías (energizar y desenergizar) Dimmer (regular la intensidad luminosa)

2.2.2 Luminaria

La luminaria es cualquier elemento que soporte o sirva de alojamiento o revestimiento de una fuente de luz. En general es aquello que proporciona soporte eléctrico y mecánico a una fuente de luz. Se compone de:

Armadura o carcasa (para interiores o exteriores, de superficie, para brazo o sobre columna y para ambientes normales o de riesgo)

Equipo eléctrico (lámpara, cables, balastro, dimmers y protecciones) Reflectores (simétrico o asimétrico, concentrador o difusor y especular o

no especular)

Difusores (opal liso, lamas o reticular, especular y no especular) Filtros

2.2.3 Fuente de luz

Las fuentes de luz que se analizarán serán las lámparas eléctricas. Estas lámparas se clasifican según su principio de funcionamiento siendo la siguiente:

Lámparas incandescentes Lámparas de descarga

Lámparas de descarga fluorescentes Lámparas de inducción

Lámparas tipo LED Lámparas tipo Mixta

La descripción de las características de cada lámpara se da a continuación:

Lámparas Incandescentes. Son aquellas que poseen un filamento en vacio o una

atmosfera de gases, que al calentarse producen luz visible. Son las fuentes de luz más usadas, ya que en esta familia se hallan las lámparas tradicionales, halógenas (Figura 2.2), dicroicas etc.

Lámparas de Descarga. Estas lámparas funcionan por la descarga de un arco entre dos electrodos, en una atmósfera de gases metálicos (vapor de sodio (Figura 2.3), y vapor de mercurio); se usa tanto en iluminación interior como exterior.

Figura 2.3 Lámpara de descarga de vapor de sodio osram NAV-T 150 4Y.

Lámparas de descarga Fluorescentes. Son lámparas mixtas de incandescencia,

descarga (Figura 2.4) y luminiscencia cuyo uso principalmente está dirigido a la iluminación general.

Figura 2.4 Lámpara de descarga fluorescente HE 28 W/840 SPS.

Lámparas de Inducción. Son lámparas de alta tecnología que funcionan a través de un circuito electrónico de alta frecuencia (Figura 2.5).

Lámparas Tipo LED. Son lámparas de alta tecnología que funcionan a través de un semiconductor que al circular una corriente eléctrica por él, emite luz visible (Figura 2.6).

Figura 2.6 Lámpara tipo LED osram PAR16 20 CW.

Lámparas de luz Mixta. Las lámparas de luz mixta (Figura 2.7) son una combinación de la lámpara de vapor de mercurio a alta presión y de la lámpara incandescente, como resultado de uno de los intentos para corregir la luz azulada de las lámparas de vapor de mercurio.

Figura 2.7 Lámpara de luz mixta Osram HWL.

La tabla 2.1 muestra las ventajas y desventajas de los tipos de lámparas que fueron descritos.

Tabla 2.1 Ventajas y desventajas de las lámparas.

Tipo de lámpara Ventajas Desventajas

Incandescentes

-No necesita equipos auxiliares de arranque (balastros).

-Inmejorable IRC, a menudo 100.

-Bajo costo unitario.

-Facilidad de mantenimiento. -Facilidad de regulación con dimmers.

-Tamaño compacto.

-Baja eficiencia luminosa. -Son lámparas de vida útil corta (1000h).

-Costo de operación alto.

Descarga

-Alta variedad de IRC. -Buena eficiencia luminosa. -Vida útil larga (6000 a 9000 h). -costo de operación moderado.

- Necesitan balastros. -Alto costo unitario.

-Mayor dificultad de mantenimiento. -No son regulables con dimmers. -Mayor tamaño.

Fluorescentes

-Amplia variedad de IRC. -Costo unitario moderado. -Menor mantenimiento -Buena eficiencia luminosa. -Vida útil larga (7500 h). -Bajo costo de operación.

-Necesitan balastros.

-Los sistemas de regulación dimmers son costosos y producen una gran cantidad de armónicas. -Mayor Tamaño.

Inducción

-Mantenimiento simple. -Alta eficiencia luminosa. -Larga vida útil (60000 h). -Bajo costo de operación.

-Necesita balastros. -Poca variedad de IRC. -Alto costo unitario. -No son regulables.

-Tamaños poco compactos.

LED

-No necesita balastros -Alta variedad de IRC. -Mantenimiento simple. -Tamaño compacto. -Alta eficiencia luminosa. -Vida útil larga(50 000 h) -Bajo costo de operación.

-Alto costo unitario. -No son regulables.

Luz mixta

-No necesitan equipos de arranque (balastros).

-Alta variedad de IRC. -Costo unitario medio

-Son regulables en la zona lineal de la lámpara.

-Bajo mantenimiento

-Buena eficiencia luminosa. -Costo de operación bajo.

- Tamaño medio.

2.3 Lámparas incandescente y de luz mixta

La lámpara incandescente (Figura 2.8) produce luz por medio del calentamiento eléctrico de un alambre (el filamento) a una temperatura alta que emite de esta forma radiación dentro del campo visible del espectro.

Figura 2.8 Partes de una lámpara incandescente.

Las partes principales de una lámpara incandescente son el filamento, los soportes del filamento, la ampolla, el gas de relleno y el casquillo.

Filamento: El utilizado en las lámparas modernas está hecho de wolframio

(alto punto de fusión y bajo grado de evaporación). Se logró mayor eficiencia lumínica enrollando el filamento en forma de espiral.

Ampolla: Es una cubierta de vidrio sellado que encierra al filamento y evita

que tome contacto con el aire exterior (para que no se queme).

Gas de relleno: La evaporación del filamento se reduce rellenando la ampolla

con un gas inerte. Los gases que comúnmente se utilizan son argón y nitrógeno. En estas lámparas, la energía luminosa obtenida es muy poca comparada con la energía calorífica que irradia, es decir, gran parte de la energía eléctrica transformada se pierde en calor y por ello su eficacia luminosa es pequeña (es una lámpara derrochadora de energía).

Estas lámparas tienen la ventaja de que se conectan directamente a la red, no necesitando ningún equipo auxiliar para su funcionamiento.

El filamento actúa como fuente luminosa y a la vez como resistencia de conexión para la lámpara de mercurio. Por lo tanto, éste tipo de lámparas no necesitan aparatos de conexión especiales. La duración media de las lámparas de luz mixtas es de unas 6000 horas, y su rendimiento de 18 a 28 lm/w. Esta clase de lámparas se emplean en naves industriales, calles, estadios e iluminación de obras públicas. El principio de funcionamiento de la lámpara es el siguiente:

Están formadas por una ampolleta llena de gas cubierta con una capa de fósforo que contiene además, el tubo de descarga de mercurio conectado en serie con un filamento de tungsteno. La capa de fósforo convierte la radiación ultravioleta de la descarga de mercurio en luz visible, a ésta se agregan la radiación visible del tubo de descarga y la luz cálida del filamento incandescente. La radiación de estas dos fuentes de luz (mercurio e incandescente) se combinan armoniosamente al atravesar la capa de fósforo, produciendo una luz blanca y difusa con un buen rendimiento de color y un buen aspecto cromático.

El filamento de tungsteno actúa como reactancia inductiva para la descarga de la ampolla mercurial estabilizando la corriente de la lámpara. Por lo tanto no necesitan reactor o balastro y se conectan directamente a la red con los mismos sockets o casquillos de las lámparas incandescentes y sin necesidad de cambiar el cableado o el tablero. Las lámparas de luz mixta tienen doble eficiencia que las incandescentes y una vida útil casi a veces mayor. La lámpara se constituye de las siguientes partes:

Tubo de descarga y soporte: El tubo de descarga está hecho de cuarzo.

Presenta una baja absorción a la radiación ultravioleta y a la visible, y posee la capacidad de soportar las altas temperaturas de trabajo involucradas.

Electrodos: Cada electrodo principal se compone de una varilla de wolframio,

Figura 2.9 Partes de una lámpara de luz mixta.

Ampolla exterior: Para lámparas de hasta 125 W de potencia, el material de la

ampolla exterior es vidrio de cal-soda. Sin embargo, las lámparas de potencias mayores se fabrican, generalmente, con vidrio duro de boro silicato, ya que soportan temperaturas de trabajo mayores y golpes térmicos.

La ampolla exterior, que normalmente contiene un gas inerte (argón o una mezcla de argón y nitrógeno), protege al tubo de descarga de cambios en la temperatura ambiente y protege de corrosión a los componentes de la lámpara.

Revestimiento de la ampolla: En la mayoría de las lámparas de mercurio de

alta presión, la superficie interna de la ampolla exterior está cubierta por fósforo blanco para mejorar la reproducción de color de la lámpara y para aumentar su flujo luminoso.

El fósforo convierte una gran parte de la energía ultravioleta radiada por la descarga en radiación visible, predominantemente en el extremo rojo del espectro.

Filamento: El filamento, que también actúa como un balastro de resistencia

Gas de relleno en ampollas externas: Así como en las lámparas

incandescentes, el gas de relleno en lámparas de luz mixta está compuesto de argón pero agregándole un porcentaje de nitrógeno para evitar un arco en el filamento. Comparada con la lámpara convencional de vapor de mercurio a alta presión, se utiliza una presión mayor de llenado para mantener la evaporación del wolframio al mínimo.

Las lámparas de luz mixta tienen la ventaja de conectarse directamente a la red (no precisan de balastro y arrancador para su funcionamiento). Tardan unos dos minutos en el encendido y no se efectúa el re-encendido hasta que la lámpara no se enfría.

2.4 Datos para seleccionar una lámpara

Para seleccionar una lámpara se consideran los siguientes aspectos:

Condiciones de servicio. Se determina si es lámpara tipo interior o tipo exterior (intemperie).

Posición de operación. La aplicación de la lámpara es en posición horizontal o vertical esto depende de la luminaria a utilizar.

Potencia Nominal. Condiciona el flujo luminoso y el dimensionamiento de la instalación desde el punto de vista eléctrico (selección del conductor, dispositivos de protección etc.).En la lámpara se especifica la potencia en Watt.

Eficiencia luminosa y decaimiento del flujo luminoso. Durante el funcionamiento, duración de vida media y costo de la lámpara, estos factores condicionan la economía de operación de la instalación. En las lámparas el flujo luminoso se expresa en lúmenes, la eficiencia el lúmenes/ Watt y la vida útil se expresa en horas de funcionamiento continúo.

Tabla 2.2Apariencia de color y temperatura de color. Apariencia del color Temperatura de color(°K)

Cálida Por debajo de 3300 Intermedio De 3300 a 5300

Frio Por encima de 5300

Índice de rendimiento de color (IRC). La temperatura de los colores se refiere únicamente al color de la luz, pero no a su composición espectral que resulta decisiva para la reproducción de colores. Así, dos fuentes de luz en ocasiones tienen un color muy parecido y poseen al mismo tiempo unas propiedades de reproducción cromática muy diferentes. El índice de reproducción cromática (Tabla 2.3), caracteriza la capacidad de reproducción cromática de los objetos iluminados con una fuente de luz. El IRC ofrece una indicación de la capacidad de la fuente de la luz para reproducir colores normalizados, en comparación con la reproducción proporcionada por una luz patrón de referencia.

Tabla 2.3 Índice de rendimiento de color.

Fuentes luminosas Tc(°K) IRC

Cielo azul 10000 a 30000 85 a 100

Cielo nublado 7000 85 a 100

Lámpara de descarga luz solar de día 6000 85 a 100 Lámpara de descarga luz de día(halogenuros 6000 96 a 100 Lámpara de descarga Blanco neutral 3000 a 5000 70 a 84 Lámpara de descarga Blanco cálido Menos de 3000 40 a 69

Lámparas de descarga (Na) 2900 Menos de 40

Lámpara incandescente 2100 a 3200 85 a 100

Dimensiones del local. La forma de la construcción y sus dimensiones condicionan al tipo y características de los aparatos de iluminación, como son la direccional del haz luminoso, costo, etcétera.

Mediante la curva fotométrica de una fuente de luz se determina con exactitud la intensidad luminosa en cualquier dirección, dato necesario para algunos cálculos de iluminación.

Figura 2.10Curva fotométrica de una lámpara de vapor de mercurio.

Variaciones de la tensión de alimentación. Las variaciones de la tensión de alimentación influyen en los datos luminotécnicos de cualquier lámpara. En las lámparas incandescentes afectan muy notablemente a la duración y temperatura de color, y en las de descarga, a las relaciones de presión del arco y con ello a las condiciones de descarga.

CAPÍTULO 3. Control convencional e inteligente

3.1 Introducción a los sistemas de control

Un sistema de control está formado por subsistemas y procesos unidos con el fin de controlar las salidas de los procesos. Un horno produce calor como resultado del flujo de combustible. En este proceso, los subsistemas, llamados válvulas de combustible y actuadores de válvulas de combustible, se usan para regular la temperatura de una habitación al controlar la salida de calor del horno. Otros subsistemas, como los termostatos que funcionan como sistemas detectores, miden la temperatura de la habitación. En su forma más sencilla, un sistema de control produce una salida o respuesta para una entrada o estímulo dado, como se ilustra en la figura 3.1. [5]

Figura 3.1 Sistema de control.

Los sistemas de control se aplican para mover equipos inmensos con una precisión que de otra forma sería difícil de obtener. Construimos sistemas de control por cuatro razones básicas:

1. Amplificación de potencia 2. Control remoto

3. Comodidad de forma de entrada 4. Compensación por perturbaciones

Capítulo 3

Control

convencional

Algunas ventajas de usar los sistemas de control son, por ejemplo los robots, diseñados para compensar con alguna discapacidad humana y en ocasiones proporcionan movilidad a las personas que la habían perdido. Los sistemas de control también son útiles en lugares remotos o peligrosos.

En general, controlamos variables como la temperatura en los sistemas térmicos; la posición y velocidad en los sistemas mecánicos, y voltaje, corriente o frecuencia en los sistemas eléctricos. El sistema debe ser capaz de dar la salida correcta, incluso con una alteración del ambiente.

Un sistema de control se clasifica de acuerdo a dos criterios:

a) En base a su salida con respecto a la entrada Sistemas de lazo abierto.

Sistemas de lazo cerrado.

b) De acuerdo a su controlador Convencional

Inteligente

En los siguientes apartados se profundiza en cada uno de los controles antes mencionados.

3.2 Sistemas de lazo abierto y lazo cerrado

Figura 3.2 Sistema de control de lazo abierto.

Las desventajas de los sistemas en lazo abierto, por ejemplo la sensibilidad a perturbaciones e incapacidad para corregirlas, deben ser superadas en los sistemas en lazo cerrado. La estructura genérica de un sistema en lazo cerrado se ilustra en la figura 3.3. En esta figura el transductor de entrada convierte la forma de entrada a la forma empleada por el controlador. Un transductor de salida, o detector, mide la respuesta de salida y la convierte en la forma empleada por el controlador. En la figura 3.3, la señal de salida se resta de la señal de entrada. El resultado, generalmente, recibe el nombre de señal de actuación; pero, en sistemas donde los transductores de entrada y salida tienen ganancia unitaria (es decir, el transductor amplifica por 1 su entrada), el valor de la señal de actuación es igual a la diferencia real entre la entrada y la salida. Bajo esta condición, la señal de actuación se llama error.

Figura 3.3 Sistema de control de lazo cerrado.

Los sistemas en lazo cerrado entonces, tienen la obvia ventaja de una mayor precisión que los sistemas en lazo abierto, aun cuando son menos sensibles al ruido, a perturbaciones y a cambios en el entorno. La respuesta transitoria y error en estado estable se controlan en forma más cómoda y con mayor flexibilidad en los sistemas en lazo cerrado, con frecuencia mediante un sencillo ajuste de la ganancia (amplificación) en el lazo, y a veces con un rediseño del controlador. Al rediseño se le llama compensación del sistema y al hardware resultante, compensador. Por otra parte, los sistemas en lazo cerrado son más complejos y costosos que aquellos en lazo abierto. Así, se debe considerar el punto intermedio entre la sencillez y el bajo costo de un sistema en lazo abierto o la precisión y el alto costo de un sistema en lazo cerrado.

Las ventajas y desventajas de los sistemas de control de lazo abierto y cerrado se describen en la tabla 3.1.

Tabla 3.1 Ventajas y desventajas de los sistemas en lazo abierto y lazo cerrado.

Tipo de Sistema Ventajas Desventajas

Lazo abierto

-Fácil construcción. -Fácil detección de fallas -Construcción económica

-No corrige perturbaciones. -Menor precisión

-Amplia sensibilidad al ruido

Lazo cerrado

-Corrige perturbaciones. -Mayor precisión

-Poca sensibilidad al ruido

-Construcción compleja -Su construcción costosa

3.3 Controladores convencionales

Los controladores convencionales se clasifican de acuerdo a la acción que le aplicarán a la señal del error, la forma de representar esta acción se determina por ecuaciones matemáticas. Los tipos de controladores convencionales son:

Controlador proporcional (P). El modo proporcional o regulación proporcional es aquella en que el elemento final de regulación efectúa, con referencia a una posición inicial correspondiente a una señal de error nula, un movimiento o carrera proporcional a la magnitud de la desviación. El factor de proporcionalidad (Kp) es ajustable. La expresión de salida de este tipo de control está dada por la ecuación 3.1.

………. (3.1)

Controlador integral (I).Este modo de regulación es llamado también flotante de velocidad proporcional. El controlador hace que el elemento final de control se mueva a una velocidad que es proporcional a la señal de error. En otras palabras, cuanto mayor es la desviación, mayor es la velocidad de desplazamiento de la válvula. El factor de proporcionalidad (Ki) es ajustable, con lo que la válvula se mueve a distinta velocidad, para una misma señal de error. La expresión de salida de este tipo de control está dada por la ecuación 3.2.

………(3.2)

Controlador proporcional-integral (PI). Este modo de regulación reúne las características de los modos proporcional e integral, aprovechando las ventajas y obviando los inconvenientes de ambos modos. Contendrá, por tanto, la acción proporcional y la integral. Así que, en los instantes que siguen a un cambio de carga o de punto de consigna, la acción proporcional facilitará inmediatamente un cambio en la salida del controlador que tenderá de manera aproximada a ajustar el proceso. Mientras tanto, la acción integral proporcionará paulatinamente la corrección suplementaria exacta hasta anular la desviación. La expresión de salida de este tipo de control está dada por la ecuación 3.3.

Controlador proporcional-derivativo (PD). A la forma de regulación proporcional, con o sin acción integral, se le añade una acción llamada derivativa, que responde solamente a la magnitud de la velocidad de cambio de la desviación, de tal manera que se opone a ella. La formula de salida de este tipo de control está dada por la ecuación 3.4

…….……….(3.4)

Controlador proporcional-integral-derivativo (PID). Las acciones proporcional, integral y derivativa se combinan en un mismo controlador, para obtener todas sus ventajas y superar sus inconvenientes.La formula de salida de este tipo de control está dada por la ecuación 3.5.

…(3.5)

A continuación se describen las características y el comportamiento de:

La acción proporcional Kp, corrige el valor del error en una cuantía pro-porcional a la desviación. Es de efecto instantáneo y enérgico, pero suele presentar desviación permanente.

La acción integral Ki, el error cambia en razón proporcional a la señal de error o desviación. Es de efecto lento y progresivo, pero sigue actuando hasta anular la desviación permanente.

La acción derivativa Kd, corrige el valor del error en una cantidad pro-porcional a la velocidad de cambio de la desviación. Ello produce un efecto anticipativo al tener en cuenta la tendencia de la variable controlada.

3.4 Controladores inteligentes difusos

Un sistema de control inteligente consiste por una parte en una base de conocimiento con objeto de representar la información necesaria para el control de la planta, y por otra de un “mecanismo de inferencia” que procese el conocimiento por medio del razonamiento, utilizando, un nuevo conjunto de datos, para la obtención de una decisión. Por tanto, ambos aspectos, representación y procesamiento son de fundamental importancia en el control difuso. Los controladores difusos son:

Controlador proporcional difuso. La representación simbólica de una regla para un control convencional P como un control difuso, está dado por:

Si e es propiedad del símbolo, entonces u es propiedad del símbolo.

Controlador proporcional derivativo difuso. La ecuación 3.4 representa el controlador convencional PD, donde kP y kD son el coeficiente proporcional y el

de ganancia diferencial. Entonces un control PD tipo difuso consiste de reglas. La descripción simbólica está dada como:

Si e(t) es propiedad del símbolo y e(t) es propiedad del símbolo entonces, u(t) es

propiedad del símbolo.

Donde propiedad del símbolo es el nombre simbólico de un valor lingüístico, el lenguaje natural equivalente de la descripción simbólica, arriba mencionada, se lee como sigue:

Si el valor del error tiene la propiedad de ser (valor lingüístico) y el valor del cambio del error tiene la propiedad de ser (valor lingüístico), entonces el valor de salida del control tiene la propiedad de ser (valor lingüístico).

Por el motivo de la simplicidad omitiremos la referencia explícita del tiempo de muestreo k como una regla que expresa una relación causal entre el estado de

proceso y las variables de salida del control cada uno permanece para un tiempo de muestreo k. De este modo la representación simbólica al final de la regla es:

Si e es propiedad del símbolo y e es propiedad del símbolo entonces, u es

Controlador proporcional integral difuso. La ecuación dada para un control convencional PI, está dada por la ecuación 3.3 donde kP y kI son los coeficientes

de ganancia proporcional e integral. Donde la derivada con respecto al tiempo, de la ecuación arriba mencionada, es dada, de la transformada de una ecuación equivalente 3.6.

……(3.6)

El control PI dado como un control difuso, consiste en la reglas de la forma:

Si e es propiedad del símbolo y e es propiedad del símbolo entonces, u es

propiedad del símbolo. En este caso para obtener el valor de control de salida del control u(t) es agregado a u(t-1).Esto para ser acentuado aquí y tomar el lugar de

salida del control PI como un control difuso, que no es reflejado en las reglas mismas.

Controlador Proporcional-integral-derivativo difuso.La expresión dada para un control convencional PID, está dada por la ecuación 3.5. De esta manera, en un caso discreto de un control PID como un control difuso, uno tiene un proceso de variable de estado adicional, nombrado suma del error denotado e y registrado como:

………(3.7)

Entonces la expresión simbólica para una regla de un control PID como control difuso es:

Si e es propiedad del símbolo y e es propiedad del símbolo entonces, u es

propiedad del símbolo.

La expresión simbólica para una regla en el caso de entradas múltiples y una salida, es la siguiente:

Si x1 es propiedad del símbolo y….xnes propiedad del símboloentonces

u =f (x1…..xn).

Donde f es una función lineal del proceso de variables de estado xi (i=…….n) el tipo de un control difuso.

Con el objetivo de familiarizarse con los conceptos de lógica difusa se profundizara en los siguientes apartados.

3.5 Lógica difusa

A mediados de 1969 Lofti Zadeh, profesor de la Universidad de California en Berkeley, reconoció que lo verdadero o falso de la lógica booleana no tomaba en cuenta los múltiples matices de gris en el mundo real.

Para explicar los infinitos valores que se encuentran entre falso o verdadero, Zadeh amplió la idea de un conjunto clásico a lo que él calificó como un conjunto difuso. A diferencia de la lógica booleana, la lógica difusa toma varios valores.

En lugar de una proposición que sea totalmente cierta o totalmente falsa, se forman una serie de proposiciones que tengan grados de verdad, es decir, algo que es parcialmente verdadero y parcialmente falso, al mismo tiempo.

Se ha demostrado por Bart Kosko que la lógica booleana es un caso especial de la lógica difusa, la cual puede ser descrita mediante la teoría de conjuntos difusos. La mayoría de las aplicaciones de la lógica difusa implican tres pasos principales: obtención de valores difusos (difusificación), la evaluación de reglas, y la obtención de valores reales (desdifusificación). En la lógica difusa, la transición es gradual (es decir, un elemento tiene la adhesión parcial en varios conjuntos).

Figura 3.4 Grados de verdad de la lógica difusa y lógica Booleana.

La implicación de un control inteligente basado en lógica difusa incluyen beneficios tales como:

Un mayor grado de facilidad de uso. Mayor grado de autonomía.

Un mejor rendimiento.

Capacidades de auto diagnóstico. Un mayor grado de adaptabilidad.

Un potencial para superar a un operador humano calificado.

La lógica difusa tiene 2 algoritmos sobresalientes siendo estos:

Mamdani. Takagi-Sugeno.

Para este proyecto se aplicará la estructura tipo Mamdani, ya que este tipo de algoritmo se puede aplicar por el hardware contenido en el microcontrolador MC9HS12GC32.En el siguiente apartado se profundizará con este algoritmo por su importancia en este trabajo.

3.6 Descripción del algoritmo difuso tipo Mamdani

Figura 3.5 Descripción del algoritmo tipo Mamdani.

A continuación se detalla este tipo de algoritmo.

3.6.1 Obtención de valores difusos

El primer paso en el procesamiento de la lógica difusa implica una transformación de dominio llamada Difusificación. Las entradas reales se transforman en entradas difusas como se muestra en la figura 3.6.

Para transformar las entradas reales a valores difusos, se necesita evaluar cada entrada real en las funciones de membresía de entrada. En este trabajo, la iluminación corresponderá al valor real, se evalúa en la función de membresía triangular almacenada para producir valores de entrada difusos.

El primer paso para difusificación es asignar etiquetas difusas (tabla 3.2) en el universo de discusión de cada una de las entradas reales. Por lo que, para la iluminación de un área, asignaremos un rango de etiquetas como se muestra en la figura 3.7.

Tabla 3.2 Descripción de las etiquetas difusas. NG Negativo grande

NP Negativo pequeño CE Centro

PP Positivo pequeño PG Positivo grande

La Función de membresía toma varias formas diferentes, como los que se muestran en la Figura 3.7. Como son las formas Trapezoidal y triangular las que se utilizan frecuentemente. Aunque otras formas son más representativas de los fenómenos que ocurren en la naturaleza, estos necesitan ecuaciones más complicadas o tablas de búsqueda de gran precisión. Dentro de los microcontroladores están incluidas en el software las funciones triangular y trapezoidal.

Figura 3.7. Funciones de membresía.

Una función de membresía de entrada es creada para un número en específico, es decir, el grado de membresía, para cada valor de entrada posible en cada etiqueta. Los valores del eje y (u) se refieren al grado en el que las entradas medidas ó capturadas (Intensidad luminosa en lux) se aplican en cada una de las etiquetas (NG, NP, CE, PP, PG, etc.) de las funciones de membresía como se muestra en la figura 3.8. Los valores de entrada en ocasiones llegan a pertenecer a más de una función de membresía.

Figura 3.8 Funciones de membresía para el diseño del control.

Al obtener los valores difusos de entrada, permite al sistema responder correctamente a los cambios graduales por medio de la evaluación de reglas. Así por ejemplo, “si la Intensidad luminosa exterior es menor a la iluminación deseada” la etiqueta de la función de membresía que adquiere es positivo grande (PG), por lo tanto la acción de control que debe hacer es aumentar la intensidad luminosa de la lámpara.

3.6.2 Evaluación de reglas

Las reglas difusas son preposiciones si-entonces las cuales describen las medidas

que deben adoptarse en respuesta a varias salidas difusas. Las reglas deben seguir el comportamiento de sentido común del sistema y se escriben en términos de funciones de membresía (etiquetas lingüísticas).

El método utilizado para la evaluación de reglas se llama inferencia de "mínimos-máximos", ya que tiene el mínimo de los antecedentes (tabla 3.3) para determinar las fortalezas de reglas y el máximo de los puntos fuertes de cada estado para determinar el consecuente (tabla 3.4) de la salida difusa (figura 3.9).En ocasiones las reglas se determinan a base de la experimentación o del conocimiento del operador del sistema; por el método empírico, ya que la aplicación del sistema de control a un sistema real tiene problemas de sintonización.

Tabla 3.3 Ejemplos de antecedentes y consecuentes

Antecedente Consecuente

SI la iluminación exterior es mínima Entonces la lámpara enciende Si la iluminación exterior es demasiada La lámpara se apaga

3.6.3 Obtención de valores reales

En la desdifusificación las salidas difusas son combinadas en un punto específico. Uno de los procedimientos más utilizados es el método del centroide o centro gravitacional de masa (COG) figura 3.10. La razón por la que se utiliza este método es porque se requiere una menor cantidad de cálculos.

Figura 3.10 Centro de gravedad.

En el método del centro gravitacional de masa se aplican funciones tipo barra (singleton) como funciones de membresía de salida.

Una función de membresía de salida tipo singleton se representa por un punto individual en el espacio de salida y por lo tanto, tiene una masa igual a cero; en la figura 3.11 se muestra el proceso de desdifusificación.

Figura 3.11 Obtención de valores reales.

Al truncar una función singleton se obtiene una reducción en la altura de las funciones como se ilustra en la figura 3.12.

Figura 3.12 Funciones singleton.

Usando el método COG los valores de salida singleton de los resultados se combinan utilizando un promedio ponderado, por esta razón el cálculo se reduce a:

…..(3.8)

CAPÍTULO 4. Descripción de los elementos del sistema de control

4.1 Esquema del sistema de control

El diagrama a bloques de sistema de control, que permite la regulación de la intensidad luminosa se muestra en la figura 4.1.

Figura 4.1 Diagrama a bloques del sistema de control.

En la figura 4.1 se observa que es un sistema retroalimentado. Este sistema puede ser descrito de la siguiente manera:

La cantidad de intensidad luminosa se mide a través de una fotorresistencia. Este elemento se encuentra montado en un divisor de tensión. El sistema (divisor de tensión) entrega un valor de tensión de CD proporcional al nivel de iluminación existente en el ambiente.

Capítulo 4

Descripción de los

elementos del

La salida del circuito es leída por el puerto de entrada configurado con la función ADC, en la tarjeta de evaluación. El ADC convierte la entrada analógica en un valor digital, para que se reste con un valor de referencia. El valor obtenido de esta operación se introduce en el algoritmo de Mamdani. La salida que se determina en este algoritmo, permite la modulación de ancho de pulso (PWM).

La señal de salida PWM del microcontrolador se necesita adecuar mediante una etapa de potencia, ya que esta señal no tiene la potencia eléctrica suficiente para el funcionamiento de las lámparas ya que estas requieren valores de corriente y tensión más grandes.

A continuación se describe la composición de los elementos físicos del sistema de regulación de intensidad luminosa.

4.2 Elementos físicos del sistema de regulación de intensidad luminosa

Los elementos físicos del sistema de regulación de intensidad luminosa, se pueden dividir en cuatro bloques:

Sistema de Iluminación Transductor de voltaje Sistema de Potencia

Tarjeta de Evaluación con microprocesador MC9HS12GC32

Estos elementos se interrelacionan con el programa a través de una computadora.

El Sistema de Iluminación está constituido por lámparas incandescentes y tipo mixta. Los datos de la lámpara incandescente se describen en la tabla 4.1.

El tipo de lámpara de luz mixta que se eligió, es del fabricante Osram modelo HWL 250W. Las características de la lámpara sé muestran en la tabla 4.2.

La fotorresistencia mide la cantidad de luz emitida por el sol, la cual se transforma a un nivel de voltaje. Este nivel se adecua al rango de 0,3-5 V mediante una resistencia de 250 kΩ (figura 4.2). La característica de la fotorresistencia se puede ver en la figura 4.3.

Tabla 4.1 Características de la Lámpara Phillips151480. Potencia consumida 100 W

Tensión de lámpara 120V Corriente de lámpara 0,925 A

Flujo luminoso 1560lm

Efic. Luminosa de la lámpara 15.60lm/w

Diámetro 85 mm

longitud máxima 94mm

Bulbo A55

Casquillo E27

Posición de funcionamiento universal Conexión a la red directa Vida útil promedio 1000 hs

Tabla 4.2 Características de la Lámpara Osram HWL 250W. Potencia consumida 250 W

Tensión de lámpara 225 V Tensión de encendido a 25°C > 180 V Tensión de encendido a -18 °C > 220 V Corriente de lámpara 1,23 A

Flujo luminoso 5800 lm

Efic. Luminosa de la lámpara 21 lm/W Luminancia media 11 cd/cm2 Indice de reprod. cromática 68

Tono de luz nw

Temperatura de color 3800 K

Diámetro 90 mm

Longitud máxima 221 mm

Casquillo E 40

Figura 4.2 Circuito de la fotorresistencia.

Figura 4.3 Fotorresistencia Marca Steren 2 MOhms, 100 Vca.

El Sistema de Potencia se muestra en la figura 4.4.

Figura 4.4 Etapa de potencia.

Las partes de la etapa de potencia omitiendo la lámpara son:

Inversor. Este dispositivo aparte deinvertir la señal PWM del microcontrolador, tiene

Optoacoplador. Tiene la función de separar toda conexión física entre la etapa de

potencia y la tarjeta de evaluación. Esto es para evitar la introducción de niveles de voltaje y corriente por parte de la etapa de potencia, que dañen el funcionamiento de la tarjeta (MC9HS12GC32). El optoacoplador es el EGG 3095. Y algunas de sus especificaciones son:

Voltaje de aislamiento: 3000 V.

Alta velocidad de conmutación: menor a 8µs

Excitador (driver). Este dispositivo adecua los niveles de voltaje de la señal PWM,

necesarios para controlar la operación del IGBT. Algunas de las especificaciones del dispositivo son:

Voltaje Offset: 500 Vmax

Rango de voltaje de alimentación para compuerta: 10-20 V Tiempo de encendido/apagado típico: 120 y 94 ηs.

Fuente de corriente directa 35V. Esta fuente se emplea para la alimentación del

excitador IR2110, ya que para su funcionamiento se requiere de una tensión de 15V.

Tensión eléctrica 0.5 – 35 V Corriente eléctrica 1 A

Transistor bipolar de puerta aislada (IGBT). Este dispositivo es un transistor bipolar