49 CAPÍTULO III
MARCO METODOLÓGICO
En este capítulo se presenta la metodología que permitirá el desarrollo de un sistema de control óptimo de temperatura para un horno industrial tipo túnel de producción continua, a través del uso de una serie de herramientas teórico-prácticas que proporcionen una solución coherente mediante el método científico. A continuación, se explicarán de manera detallada cada una de las secciones que conforman este capítulo tales como el tipo de investigación, diseño de la misma, población y muestra del estudio, así como también las técnicas e instrumentos de recolección de datos y las fases metodológicas propuestas para llevar a cabo esta investigación.
1. Tipo de investigación
Según Malhotra, N. (1997), la investigación descriptiva “es el tipo de investigación concluyente que tiene como objetivo principal la descripción de algo, generalmente las características o funciones del problema en cuestión”.
Teniendo en cuenta el anterior criterio, esta investigación es de tipo descriptiva ya que para la elaboración de este estudio se requiere recopilar toda la información relacionada con el horno seleccionado y su respectivo proceso de cocción, a través de la medición y evaluación de las variables que inciden en el funcionamiento del mismo para realizar un diagnóstico del rendimiento actual de la planta.
Mientras que Arias, F. (2006) expone que la investigación descriptiva consiste en la caracterización de un hecho, fenómeno, individuo o grupo, con
el fin de establecer su estructura o comportamiento. Los resultados de este tipo de investigación se ubican en un lugar intermedio en cuanto a la profundidad de los conocimientos se refiere. Los estudios descriptivos miden de forma independiente las variables y aún cuando no se formulen hipótesis, tales variables aparecen enunciadas en los objetivos de la investigación.
Es preciso aclarar que este proceso de descripción no se basa exclusivamente en la obtención y acumulación de datos, ni de su respectiva tabulación, sino que está relacionado con condiciones y conexiones existentes, prácticas que tengan validez, confiabilidad y objetividad, conceptos, puntos de vista de los involucrados y procesos en marcha.
Del mismo modo, esta investigación es de tipo proyectiva que de acuerdo a lo planteado por Hurtado, J. (2000), consiste en la elaboración de una propuesta o de un modelo como solución a un problema o necesidad de tipo práctico en un área particular del conocimiento, a partir de un diagnóstico preciso de las necesidades del momento, los procesos explicativos o generadores involucrados y las tendencias futuras.
Por lo tanto, además de la factibilidad de esta propuesta como solución alternativa en procesos industriales, también es considerada proyectiva por la rigurosidad científica y metodológica que caracterizó el desarrollo de esta investigación, teniendo en cuenta que se hizo un diagnóstico detallado de la problemática haciendo hincapié en las condiciones causales del horno y la profundización de las teorías que explican adecuadamente este proceso.
2. Diseño de la investigación
El término diseño según Hernández Sampieri et al. (2006), “se refiere al plan o estrategia concebida para obtener la información que se desea, es decir, la forma como la investigación se llevará a cabo con miras a responder
los interrogantes formulados en el estudio. Basado en el criterio de este autor, esta investigación se enmarca dentro del estudio no experimental porque durante la realización de la misma no se construyó ninguna situación de manipulación o control de variable alguna en la planta sino que se observaron eventos ya existentes en la misma, los cuales no fueron provocados intencionalmente por el investigador. En este diseño se incluyeron los siguientes pasos:
Recopilar la información necesaria.
Elaborar una guía de observación o un formato apropiado para recolectar datos.
Especificar los procedimientos para medir y elaborar escalas de las variables.
Acopiar la información obtenida en campo.
Formular el modelo matemático que describa las observaciones realizadas al sistema.
Predecir el comportamiento del sistema a partir de las soluciones del modelo matemático.
Realizar simulaciones para probar la validez de la estrategia de control planteada.
Desarrollar un plan para el análisis e interpretación de los resultados obtenidos.
3. Unidad de análisis
La unidad de análisis o unidad de estudio está referida al contexto, característica o variable que se desea investigar. Es así como la unidad
puede estar dada por una persona, un grupo, un objeto o una serie de elementos como parte constitutiva de la población que se va a delimitar y sobre la cual es posible generalizar los resultados. Hurtado, J. (2000) resalta que “las unidades de estudio se deben definir de tal modo que a través de ellas se puedan dar una respuesta completa y no parcial a la interrogante de la investigación”.
Bajo esta premisa, la unidad de estudio en la presente investigación está centrada en el horno industrial tipo túnel que opera en las instalaciones de Gres Caribe S.A. (Barranquilla – Colombia), empresa dedicada a la manufacturación de tejas de arcilla y ladrillos, caracterizándose por ser la mayor exportadora de este tipo de materiales en la región.
4. Técnicas e instrumentos de recolección de datos
Las técnicas de recolección de datos, son definidas por Tamayo (1999), como la expresión operativa del diseño de investigación la cual específica concretamente cómo se hizo la investigación. Así mismo, Hurtado, J. (2000), puntualiza que las técnicas son los procedimientos y actividades que le permiten al investigador obtener la información necesaria para dar respuesta a la pregunta de investigación. En otras palabras, las técnicas corresponden a las distintas maneras de obtener los datos que luego de ser procesados, se convertirán en información. Entre éstas se tienen la observación, la encuesta, la entrevista, el análisis de datos y de documentos, entre otros.
La técnica empleada en esta investigación para la recolección de datos es, inicialmente, la de observación directa, pautada por una serie de visitas programadas por el investigador a las instalaciones donde se encuentra el horno en estudio, recopilando toda la información necesaria sobre las variables del proceso que guardan relación con el problema que motiva la investigación y que permitan determinar el comportamiento del sistema.
De igual manera, en este trabajo es plasmada una revisión documental debido a la investigación bibliográfica realizada en diversos tipos de escritos tales como libros, documentos académicos, informes, revistas, documentos personales, entre otros. Esta observación es puramente teórica pero es fundamental para construir el marco teórico de la investigación ya que a través de ella se logra abarcar cada una de las disciplinas que hacen parte de este proyecto.
Por otra parte, Arias, F. (2006) define a los instrumentos como los medios materiales que se emplean para recoger y almacenar la información.
Ejemplo de ellos son las fichas, formatos de cuestionario, guías de entrevista, escalas de actitudes u opinión, etc. Mientras que Sabino, C. (1999) establece que un instrumento de recolección de datos es, en principio, cualquier recurso de que pueda valerse el investigador para acercarse a los fenómenos y extraer de ellos información.
Para el desarrollo de esta investigación se deben utilizar instrumentos que permitan recolectar y almacenar la información necesaria sobre las variables a investigar, con el deseo de obtener un conocimiento más amplio de la realidad de la problemática. Debido a la naturaleza del estudio, para la recolección de datos en las técnicas de observación empleadas se hace uso de instrumentos tales como una guía de observación, cámara fotográfica, flexómetro, termocuplas, hojas de datos, entrevistas no estructuradas con investigadores del área, herramientas de software, consultas en internet de documentos e investigaciones tanto nacionales como internacionales que guarden relación con la problemática abordada en este estudio.
Dentro de las herramientas de software empleadas en este trabajo, la más destacada es la herramienta de programación Matlab, fundamental para la construcción y simulación del modelo matemático del sistema mediante
diagramas de bloques, así como también permite realizar un análisis del comportamiento de la estrategia de control óptimo implementada.
5. Procedimiento de la Investigación
De acuerdo con el problema planteado y a los objetivos del estudio, la investigación se ha estructurado en diferentes etapas bien delimitadas con el interés de obtener toda la información necesaria que permitan alcanzar las metas previstas en el inicio de la investigación. De allí que a continuación, se esbozan las distintas fases con sus respectivas descripciones y actividades, que deben cumplirse en el desarrollo de la investigación para lograr tal fin.
5.1. Fase I: Recopilación de la información
En esta fase se busca identificar el objeto de estudio partiendo del contexto, con la intención de estructurar un marco teórico que permita fundamentar la investigación planteada. Para ello, fue necesario recurrir a fuentes bibliográficas, hemerográficas y digitales para recopilar, agrupar, indagar, consultar y organizar adecuadamente la información que se utilizará dentro de la misma.
5.2. Fase II: Observación del funcionamiento actual del horno
Esta fase metodológica considera algunas reflexiones, análisis y observaciones obtenidas en campo a partir de las visitas realizadas a la planta por parte del investigador, consultando con el personal de operaciones el actual funcionamiento e inconvenientes que se presentan durante el proceso de cocción del horno industrial tipo túnel de la empresa ladrillera Gres Caribe S.A. Todo esto con la idea de establecer criterios organizados de los eventos fundamentales que allí se efectúan para identificar todas las variables que intervienen en el proceso para así obtener un estimado muy
cercano a la realidad al momento de construir el modelo matemático del sistema.
5.3. Fase III: Determinación de la función de transferencia
Dada la naturaleza multidisciplinaria de este sistema de control, es preciso emplear una estrategia metodológica que permita identificar y relacionar las ecuaciones de equilibrio o las leyes físicas involucradas en el proceso, para luego plantear las ecuaciones diferenciales correspondientes a cada variable de interés y seguidamente obtener la transformada de Laplace de cada ecuación considerando condiciones iniciales cero para simplificar en gran medida cierto tipo de operaciones matemáticas que se presentan en el proceso de resolución. Finalmente, para determinar la función de transferencia del sistema se debe establecer una relación entre la(s) variable(s) de salida y la(s) variable(s) de entrada.
5.4. Fase IV: Estudio de estabilidad, observabilidad y controlabilidad
Dado el carácter académico de este estudio, en esta sección se investigará la estabilidad, controlabilidad y observabilidad del sistema, lo cual contribuye a una mejor comprensión de su funcionamiento en circunstancias diversas que suelen presentarse en la práctica. Este análisis permite, respectivamente, caracterizar la capacidad del control para ejercer una influencia sobre alguno de sus estados y la posibilidad de extraer información de alguno de sus estados mediante un observador.
En efecto, las condiciones de estabilidad, controlabilidad y observabilidad determinarán la existencia de una solución para el problema del diseño del controlador. Aunque la mayoría de los sistemas físicos son controlables y observables, el modelo matemático puede no tener la propiedad de controlabilidad u observabilidad. En tal caso, es esencial
conocer las condiciones bajo las cuales el sistema es estable, controlable y observable.
5.5. Fase V: Diseño del controlador
En esta fase se diseñará un controlador óptimo en el espacio de estados para conseguir la minimización de las variables, ajustando el regulador óptimo de tiempo infinito mediante la resolución de la ecuación algebraica de Riccati. Luego se define el diagrama de bloques que regirá el comportamiento del regulador óptimo. Seguidamente, se debe encontrar la solución que permita minimizar el criterio de desempeño del regulador.
El algoritmo final de control consistirá en el cálculo de la matriz óptima de realimentación y el nuevo estado realimentado que se debe sustituir en la función de transferencia del sistema. Todo esto se alcanzará realizando un programa en Matlab utilizando sus respectivos comandos y generando el diagrama de bloques en el simulador Simulink que permita obtener la respuesta final del sistema.
5.6. Fase VI: Análisis e interpretación de resultados
Esta etapa de la metodología corresponde al estudio de los resultados obtenidos por medio de la técnica de recolección de la información seleccionada por el investigador con relación al enfoque metodológico adoptado en la misma. Para culminar, en esta fase se redactan las conclusiones y recomendaciones del estudio a realizar con la finalidad de proveer una solución a la problemática planteada en capítulos anteriores respectivamente.
