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                    <text>�REVISTA TECNICA DE DIVULGACION
ESCUELA DE GRADUADOS

Radiación Solar y Nocturna

FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
UNIVERSIDAD AUTONOMA DE NUEVO LEON

PARA LOGRAR CONDICIONES ACEPTABLES DE CONFORT
EN UNA CASA-HABITACION

ING. ROBERTO ARIZPE C.

Contenido:
La arquitectura básica de 10 viviendo actual,
utiliza por lo regular lo posición de los lechos en
forma horizontal, teniendo como resultado, efectos
térmicos que no favorecen al confort de las cosashabiloción, es decir que lo Energía Solar en verano
es absorbido en gran cantidad, provocando calentamientos excesivos, y en invierno es rechazado
evitando el calentamiento de la viviendo, obligán•

1.-RADIACIO~ SOLAR Y \OCTLRl\A PARA LOGRAR
COXDICIOi\ES .\CEPT1\BLES DE CO\FORT E\ u~A
Ci\.S \-IIABITACIO\.

donos o utilizar dentro de lo misma, sistemas de
ventilación, refrigeración o calefacción que trabajan a base de electricidad, carbón, petróleo, gas
natural, ele., produciendo un alto costo y contribuyendo o las alteraciones del medio ambiente. La
figura No. 1 muestro los efectos térmicos en una
casa normal.

2.-PROPOSICJO\ DE l \ ~IODELO MATEvIATICO DEL
CO'.\IPORT \ vllE'\TO DEL HL'IDO DE IB \FJCO E:\ LA
CIUDAD DE \10\ TEHíl.E't _ \ . L.. \JE'\JCO.
~.-1 OS C&lt;r'-:THOí \J)OHES (P !\HTF. 1 ).

lng. Lorenzo Velo P / Director de lo Facultad
Escuelo de Graduados

O

O

lng . Guodolupe E. Cedillo G. / Coordinador de la

lng. Juan Zamora V. / Secretario de la Escuela de Graduados

O

a)

·~.--

lng Víc-

f9.rr.

tor M. Trejo R. / Responsable de la publicación.

inciden con un ángulo de 87 .8 º
n respecto a la horizontal.

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VERANO

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b)

INVIERNO

Los rayos solares inciden con un ángulo de 41 º
oprox. con respecto O lo horizontol.

�Fig. No. 1.-Arquitecturo normal de lo viviendo
actual.
o) Los royos solares llegan casi perpendiculares
al techo de lo caso dando lugar a calentamientos excesivos.
b) los royos solares son reflejados evitando el
calentamiento de lo casa.

DISEÑO DE LOS TECHOS
Poro la captación de lo mayor intensidad
solar posible a través de todo el recorrido del sol
diario y anual se exponen, un techo al este, uno al
sur y otro al oeste que nos permita captor la Radiación Solar desde la salida del sol hasta la
puesto, y la inclinación de éstos está condicionada
a los movimientos de la Tierra con respecto al Sol.

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Con el anterior análisis y con el propósito de
encauzar favorablemente los efectos térmicos de lo
Radiación Solar en las casas-habitación paro su
mejor confort y utilización, se diseñó un modelo a
escala de una viviendo que utilizo la Energía Solar
paro: en verano provocar una ventilación que disminuyo los cargas térmicos, y con esto reduzca o
elimine el uso de aparatos convencionales de ventilación y refrigeración y en invierno se utiliza la
Radiación Solar poro suministrar calefacción que a
su vez disminuyo o elimine los sistemas convencionoles, y durante todo el año, exceptuondo días
críticos, tendremos agua caliente para uso doméstico.
Cuenta también con un sistema secundario de
almacenamiento que proporciono enfriamiento en
los días de verano, aprovechando el efecto de lo
radiación nocturna y colelfacción durante los noches de invierno almacenando calor durante el día.

los movimientos de la Tierro con respecto al
Sol determinan las diferentes estaciones del año y
condicionan lo incidencia de los rayos solares que
llegan a la Tierra.

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• En diciembre 22 oproximadomente ( solsticio
de invierno) poro Monterrey, N. l., México a una
lctitud de 25.66º norte los rayos solares inciden en
un ángulo de 40.834 ° con respecto al horizonte sur
o sea que P.Ora captarlo normalmente debemos
colocar una superficie a 49.166º con respecto al
horizonte norte. Ver figuro No. 2.

~~

• En julio 22 aproximadamente ( solsticio de
verano) para Monterrey, N. l., los rayos solares
inciden en un ángulo de 87.834º con respecto al
horizonte sur. De aquí que poro recibir normalmente debemos poner uno superficie o 2 .166 º con
respecto al horizonte norte. Ver figura No. 3.

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�• En marzo 22 y septiembre 22 aproximadamente ( equinoccios de primavera y otoño l en Monterrey, N. L. los rayos solares inciden en un ángulo
de 64.334º con respecto o la horizontal sur; por
tanto, para recibirlos normalmente se debe colocar
un plano o 25.666º con respecto al horizonte norte.
Ver figura No. 4.
Las observaciones anteriores dan por conclusión que para captar los rayos solares normalmente
( mayor intensidad) debemos colocar una superficie
con una inclinación ( con respecto al norte) que pueda variar desde 2.166 º hasta 49.166° dependiendo
en qué época del año queremos mayor energía.
Como nuestro interés es tratar de aprovechar
la mayor cantiood posible anual y siendo más críticos los meses de invierno, nuestros techos tendrán
un ángulo de inclín-ación con respecto al horizonte
norte de 37.7º que se ajusta a lo normal establecida de que el ángulo debe ser la latitud más 10 3
a 15º. En nuestro taso es la latitud 25.66º +
12.34 º
37.7° de inclinación. Esta inclinación nos
permite aprovechar los rayos solares con mayor
eficiencia en invierno ya que éstos incidirán más
normalmente en los techos, mientras que en verano
se refle:o una buena cantidad por la misma inclinación y al mismo tiempo ofrecemos menos área expuesta normalmente, con esto las cargas térmicos
en verano por insolación serán disminuidas.

=

La figura No. 5 muestra los techos y las incidencias de los rayos solares en invierno y en verano.

Fig. No. 5
b J Los rayos solares ( l. D. 1 son reflejados por la
misma inclinación, reduciéndose las cargas térmicas en verano.

PARTES COMPONENTES DE LA CASA
Y DEL SISTEMA SECUNDARtO
La casa cuenta con paredes aisladas térmicamente, con tres techos de lómina pintados de
negro con una inclinación de 37.7° con respecto a
la horizontal y orientadas hacia el este, sur y
oeste; estos techos convergen a una chimenea
central. Cuenta también con un cielo falso de material aislante rígido que va por debajo del techo
de lámina, formando así una cámara de aire entre
lámina y cielo falso; un tanque de agua se encuentra localizado en la parte superior de la caso, a un
lado de la chimenea, el cual está atravesado por
duetos que comunican la cámara de aire con el
exterior.
También se cuenta con un sistema secundario
que se comunica con el interior de la casa por medio
de duetos y ventilas colocadas estratégicamente;
este sistema, es un depósito constituido de paredes
aislantes en cuyo interior en la parte más Interna
se tiene una cómara de aire, donde se localizan
unas aletas soportes sobre las cuales descansa uno
superficie captadora de energía que sostiene una
bolsa con aguo; este sistema posee una cubierta
plegadiza de material aislante con su superficie
exterior reflejante. Ver figura No. 6.

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Fig. No. 5

a I tos rayos solares ( l. D.) inciden más normal•
mente en los techos, permitiendo aprovecharlos
con más eficiencia.

6

1

�FUNCIONAMIENTO
Con el diseño de esto casa, aparte de evitar
pérdidas de calor en invierno y ganancias de color
en verano, también se logra aprovechar los siguientes efectos:
a) Ventilación y calentamiento de agua en los días
de verano.
b) Enfriamiento y almacenamiento en las noches
de verano.
e) Acondicionamiento de aire y calentamiento de
agua en los días de verano.
d) Calefacción y calentamiento de agua en los
dios de invierno.
e) Almacenamiento de calor, calefacción y calentamiento de agua en los días de invierno.
f)

b l ENFRIAMIENTO Y ALMACENAMIENTO
EN LAS NOCHES DE VERANO
El enfriamiento y almacenamiento durante las
noches de verano se basa en el ,:rincipio de lo
"RADIACION NOCTURNA" o radiación de calor
hacia el cielo, este fenómeno se manifiesta entr'e
los cuerpos que se encuentran en lo superficie terrestre y el cielo nocturno; es ocasionado por l-0
diferencia de temperaturas que existe entre ambos.
Cuando un cuerpo radia su calor al cielo su
temperatura puede disminuir por debajo de la del
a ire que lo rodeo.
La manero de aprovechar el fenómeno de radiación nocturna para la climatización de la caso,
se consigue con el techo de la mismo y abriendo la
cubierto del sistema secundario.

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Calefacción durante las noches de invierno.

Lo manera cómo se logran estos efectos, coda
uno de ellos, y su funcionamiento, es presento :la o
continuación:
a) VENTllACION Y CALENTAM ::NTO DE AGUA
EN LOS DIAS DE VERANO
El principio de ventilación para verano es el
de captor la energía incidente en los techos de
lámina pin todos de negro ( el color negro es poro
aumentar el coeficiente de absorción de calor),
paro que ésto aumente su temperatura; si se pone
aire en contacto con lo lámina, el aire también
eleva su temperatura y con ello perderá densidad
y tenderá o elevarse, de esta manE'ra se produce un
movimiento de aire que encauzándolo provoco un
tiro.
Este aire caliente se encauzo por los techos de
lámina hasta la chimenea, que con la inclinación
de la lámina y lo chimenea nos do una mayor
velocidad del aire o la solida y la maso de aire
que se mueve será mayor.

El techo, durante la noche, radia calor al cielo
di sminuyendo su temperatura, y como consecuen( · ~ enfría el aire que está debajo de él. Este aire
desciende y se hoce circular a través del sistema
secundario por debajo de la bolsa de agua, para
que ésto baje su temperatura, y posteriormente es
cooducido hacia el interior de la habitación donde
se combina con el a ire que hay en ello bajándole
también su temperatura con lo que se aumenta el
grado de confort dentro de la misma.
El agua del sistema secund&lt;Jrio aporte de enfriarse por el aire que circula debajo de ella, también se enfría porque el sistema secundario rodia
calor al cielo al estar descubierto, con esto se
consigue un mayor enfriamiento del agua, lo cual
aprovechamos durante el dio poro bajar la temperatura del aire del interior de la habitoc:ón. Ver
figura No. 8.
e) ACONDICIONAMIENTO DE AIRE

Y CALENTAMIENTO DE AGUA
EN LOS DIAS DE VERANO

El movimiento constante de la maso de aire y
el cielo falso evitan los ganancias de color que
tendría la caso.

En los días más calientes del verano las ganancias de calor que tiene la cosa son pequeñas,
debido a las paredes aislantes y o la inclinación y
ventilación del techo.

Con este sistema podríamos asegurar que la
mayor parte de energía recibido en los lechos en
verano se la llevará el aire ( ~e pasa entre el
lecho y el cielo 1folso l hacia el exterior, aprovechándose así para calentar un tanque con ag·•o
que está en lo porte superior de lo chimenea.
También este aire puede ser tomado del ambiente
exterior o bien del interior de lo coso y con esto
provocar lo ventilación. Con los pruebas hech'Os a
e scalo se consiguió una temperatura del agua de
55ºC. y uno velocidad teórico del aire de 4 ft / seg.

El calor que absorbe el techo, calienta el aire
de lo cámara bajándole su densidad y causándole
una circulación ascendente a través de los duetos
de lo chimenea y del tanque de agua, ( que se
encuentra en la parte superior de la casa), con esto
logramos calentar el agua del tanque y reducir
las ganancias de color para la habitación. El aire
desalojado en esta forma desde la cámara, es sustituido por aire nuevo que circula entre las paredes
después de h·aber entrado por una ventila proveniente del exterior.

Lo fguro No. 7 muestra los flujos de aire poro
el sistema de vent'.loción y calentamiento de ogu'O.

El frío almacenado en el agua del sistema secundario durante la noche por efecto de la radia-

8

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�c1on nocturna se utiliza para enfriar ei aire de la
habitación al hacerse circular éste por debajo de la
bolsa de agua, con la ayuda de un pequeño ventilador. Ver figura No. 9.

por debajo de la bolsa con agua. Ver figuras Nos.
11 y 12.

fl CALEFACCION DURANTE LAS NOCHES
DE INVIERNO

◄

◄

d I CALEFACCION Y CALENTAMIENTO DE AGUA
EN LOS DIAS DE INVIERNO

o

a:

Con las paredes aislantes se evita que el calor
del interior de la habitación se pierda; y con el
techo acondicionado para la mayor capl'ación solar
durante el invierno, calentamos el aire de la cámara; una parte de éste se hace circular por los
duetos del tanque de agu-a para su calentamiento,
y la otra parte, por el interior de la habitación.
Ver figura No. 1O.

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e) ALMACENAMIENTO DE CALOR, CALEFACCION
Y CALENTAMIENTO DE AGUA
EN LOS DIAS DE INVIERNO
La calefacción y el calentamiento de agua en
los días de invierno se consiguen en la misma
iforma que el caso anterior.
El almacenamiento de calor lo conseguimos al
destapar el sistema secundario durante el día, para
que los rayos solares incidan sobre la superficie de
captación y calienten el agua de la bolsa. Se puede
aumentar el calentamiento de esta agua haciendo
circular el aire calentado por el techo de la casa

El calor ganado en el día por el agua del sistema secundario se aprovecha para calentar el aire
de la habitación Cuando éste se hace circular por
debajo de la bolsa. Ver figura No. 13.

CONCLUSIONES
los sistemas anteriores fueron diseñados y
calculados para lograr obtener la mayor eficiencia
y continuidad en su funcionamiento durante todos
los días del año, exceptuando sit11aciones del medio
ambiente críticas, como días muy nublados, lluviosos, etc.
Estos diseños aseguran la reducción de aparatos convencionales y por consiguiente el ahÓrro de
energéticos, así como la contaminación.
los sistemas de estas casas trabajan tanto en
la ciudad como en el área rural.
la casa, como sus sistemas, utilizan métodos y
materiales comunes de construcción; siendo factible
la tarea de llevar estas viviendas a los medios rurales de escasos recursos, de tal manera, que sea
posible su auto-construcción.

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SISTEMA
SECUNDARIO

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No.
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ACONDICIONAMIENTO DE Al.RE Y CALENTAMIENTO DE AGUA
EN LOS DIAS DE VERANO.

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Figura

No.

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CALEFACCION Y CALENTAMIENTO DE AGUA EN LOS DIAS DE INVIERNO.

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No.

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SISTEtvtA
SECUNDARIO

11

ALMACENAMIENlO DE CALOR, CALEFACCION Y CALENTAMIENTO DE AGUA
EN LOS DIAS DE INVIERNO.

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S!SiEtv1A
SECUNDARIO
Figura

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No .

12

ALMACENAMIENTO DE CALOR, CALEFACCION Y CALENTAMIENTO DE AGUA
EN LOS DIAS DE INVIERNO.

�PROPOSICION DE UN MODELO MATEMATICO DEL COMPORTAMIENTO DEL
RUIDO DE TRAFICO EN LA CIUDAD DE MONTERREY, N. L., MEXIcom

M. MEDINA, F. GARZA,
E. COLUNGA Y F. ELIZONDO

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INTRODUCCION

CII:

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la ciudad de Monterrey, capital del Estado de
Nuevo León, se encuentro ubicado al norte del país
a 537 mts. sobre el nivel del mor, en una zona semi
montañoso.

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De acuerdo con datos actuales, el área metropolitano cuenta con 1.700,000 habitantes, con un
índice de crecimiento anual del 5.8 por ciento y
uno población económ:comente activa de 500,000
personas; por su importancia, Monterrey es el tercer
centro industrial del país contando aproximadamente
con 5,100 factorías con sus respectivos complejos
viales y ferroviarios, además de un aeropuerto internacional, situado a 40 kilómetros del centro de
la ciudad.
Circulan por las calles de la ciudad, aproximodomente 160,000 vehículos diariamente, de los
cuales un 1O% lo constituyen los vehículos denominados pesados (con un peso mayor de 3,000 kg.)
dentro de los cuales se encuentran los camiones de
cargo, autobuses de pasajeros y los denominados
"trailers", componiendo el 90% restante; automóviles de pasajeros ( en general, vehículos con un peso
menor de 3,000 kg).

~~==::::¡=-mr..r.r.
( 1)

16

Con lo anteríormente expuesto se identifica o
la ciudad de Monterrey como uno de los ciudades
latinoamericanas con mayor índice de contaminación ambiental por ruido.
ANTECEDENTES

Con el fin de evaluar el grado de contaminación ambiental por ruido y de encontrar alternativas de solución, el Gobierno del Estado y el
CONACYT han apoyado materialmente o lo Universidad Autónomo de Nuevo León. Con esta ayuda
recibida, la Universidad encomendó al Centro de
Investigaciones Ecológicos en coordinación con la
Facultad de Ingeniería Mecánico y Eléctrico lo
realización de un Proyecto de estudio que fue denominado "Estudio de Ruido de Tráfico en la Ciudad de Monterrey, N. L.", del cual se tiene publicación en la Editorial Universitaria, fechada en
agosto de 1976 y sobre el que se fundamento el
presente trabajo.
En 1-o publicación mencionado se indican los
resultados obtenidos de las mediciones de ruido en
27 cruceros de la ciudad, paro cado uno de los cuales se reportan los valores LNP, L¡ O, L50, L90, Leq
y TNI, así como los características de los cruceros,
número de vehículos por hora con su respectivo
clasificación de ligeros y pesados, todo lo anterior
hora por hora para 12 horas de muestreo que van
de los 7:00 ó.m. o las 7:00 p.m. (fg. 1).

Este tra bajo se presentó en el 9o. Congreso Internacional de Acústica con sede en Madrid, España, eJ 9 de
julio de 1977.

11

�RESULTADOS DE MEDICION DE RUIDO

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PINO SUAREZ Y J. l. RAMON
Vehleuloa

Puados

HORA

LlO

L50

L90

Ln-p

Leq

TNI

por Horcr

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73.5

72.1

83.8

75.7

63.3

~2

1,294

8:00- 9:00

78.5

74.0

71.0

85.7

76.3

71.0

35

2,293

9:00-10:00

n.9

73.5

69.9

85.9

76.2

71.9

10:00-11 :00

78.0

73.2

69.0

85.2

75.6

75.0

22

2,268

11 :00-12:00

78.3

73.6

70.1

84.9

75.8

72.9

28

2,606

12:00-13:0()

78.9

73.8

69.2

87.9

n.1

78.0

25

2,6n

17

2,173

78.4

14:00-15:00

78.3

73.1

68.0

87.6

76.5

79.2

20

2,005

15:00-16:00

78.6

73.8

70.0

86.9

76.9

74.4

27

2,397

16:00-17:00

78.8

73.5

69.ll.

87.1

76.7

n.6

34

2,501

73.6

69.6

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76.5

74.8

17

1

J

74.4

71.9

86.7

n.2

70.3

31

2,513

18:00-19:00

79.2

74.7

73.0

86.7

77.2

67.8

38

3,,127

19:00-20:00

78.7

74.2

72.9

84.9

76.4

66.1

25

2,599

los niveles sonoros se evaluaron con un sistema
de medición acústica B &amp; K formado por un micrófono de condensador, un amplificador de medición
con un circuito ponderador A, un gra.ficador y un
analizador estadístico, todo esto instalado dentro
de una camioneta tipo panel y siguiendo rigurosamente las recomendaciones ISO considerando también los efectos de humedad, temperatura, presión
atmosférica y viento.
las mediciones se llevaron a cabo en días
háb'les excluyendo sábados y domingos y días festivos por alejarse las características del tráfico a
las de los días normales de labores.
Debido a que la tendencia general en nuestro
país para expresar la medida del ruido en cuanto
al efecto a la comunidad es el uso de la unidad
LNP, el modelo que aquí se presenta se ha desarrollado en función de dicha ~nidad.
METODOLOGIA DEL PROCESAMIENTO
PE DATOS:
Para el procesamiento y análisis de los datos
se utilizó una computadora CYBER 72 del Departamento de Sistemas de lo Universidad, utilizando el
paquete SPSS "Statistical P-ackage for the Social
Sciences", utilizando los siguientes posos:

1 .-Poro construir el modelo matemático fue necesario tomar en cuenta las características
físicas de los cruceros, tales como anchos de
las calles, número de carriles, posición del micrqfono y las edificaciones cercanas, osimismo
el número de vehículos ligeros, número de
vehículos pesados y la dirección del flujo
vehicular por coda carril.
2.-Una vez an-alizadas las características de los
cruceros, se procedió a obtener algunas gráficas de LNp como variable dependiente contra
número de automóviles, número de vehículos
pesados, total de vehículos y suma de anchos
de calles, como variables independientes en
las que se notó una tendencia no lineal, además que en las gráficas correspondientes al
número de automóviles y total de vehículos, se
observó una gran dispersión, ( Figs. 2, 3 y 4).
3.-Aplicando la técnica estadística de análisis de
regresión para encontrar una relación funcional entre las variables, se ensayó con los siguientes tipos de modelos: lineal, cuadrático,
exponencial y logarítmico, encontrando que la
mejor R2 fue para el modelo cuadrático con:
X
Número de vehículos pesados,
Y = Suma de anchos de calles
( dos ca Iles/ crucero 1,
Z
Número de vehículos ligeros
como variables independientes.

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que lo variable correspondiente o los vehículos
pesados (X) fue lo de mayor influencia en codo
modelo, en segundo término resultó lo variable
"suma anchos de calles" ( Y1; finalmente lo variable
"número de vehículos ligeros" (Z).
4.-De la matriz de la correlación se encontró que
existía una estrecha relación enfre las variables
Y y Z con un coeficiente de .83204, ( fig. 5) y
tomando en cuenta que la variable de mayor
influencio fue Y, se excluyó del análisis.
5.-Considerando lo anterior, y utilizando "Steepwise" se probaron de nuevo todos los modelos
antes mencionados con LNP como variable dependiente y X y Y como variable dependiente.
En seguid~ se hizo la selección del modelo,
encontrándose qu,e el más adecuado fue el cuadrático.
RESULTADOS:

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B2X2
B4y2
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DONDE:

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Constantes.

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No. de vehículos pesados

Y

Grupo ] .-Cruceros con amplio dispersión acústico,
25 o/r de los medidos.
Requirieron factor de ajuste de
(fig. 8).

+

Sumo de los anchos de las calles ( m)

Siendo los valores de las constantes con sus
respectivos intervalos de confianza dados en la fig.
6. Y cuya respectiva ANOVA se muestra en la
fig. 7.
Donde se observa que la F calculado es mucho
mayor que los de la tabla con .05 y .01.

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lizar o otra área de la ciudad debido a que el
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de LNP por medio del modelo obtenido y compararlos con los valores medidos en el campo, de
donde se observaron los errores correspondientes.

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fuente y/o paredes reflejantes, l 7o/r• de
los medidos.

predecir los niveles de ruido conocienúo las
características físicas de los cruceros y el tipo
de vehículos presentes. En el caso particular del
centro de lo ciudad de Monterrey se encontró
que lo fuente principal de ruido son los vehículos pesados ( autobuses de pasajeros y camiones de cargo) . Por lo que su adecuado control
determinaría una reducción considerable o este
problema.

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2dB

Grupo 4.-Cruceros que no requirieron ajuste, 33'/,
de los medidos. ( fig. 11 ) .

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No es posible determinar factor de
ajuste. ( fig. l O).

El modelo matemático estadísticamente más
adecuado fue:
LNP

En seguido del análisis ae los errores se encontró cierta homogeneidad que corresponde o las
característicos de los cruceros y a la posición del
micrófono, de donde se establecieron cuatro grupos
distintos de dichas característicos.

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CON SUS RESPECTIVOS INTERVALOS DE CONFIANZA

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CONSTANTES

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Génova-Suizo .

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poder utilizar el mayor número de características de los cruceros en la obtención de un
modelo representativo para coda zona y de
ser posible encontrar un modelo más general
para todas las zonas.

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29

�LOS CONTROLADORES

(PARTE 1)

ING. MANUEL AMARANTE RODRIGUEZ

¿ QUE SON LOS CONTROLADORES ?

Un controlador es la parte de un control de
lazo cerrado, donde se localiza l·a estrategia de
control que se seguirá para lograr su automatización.
Lo existencia de este dispositivo es de gran
importancia técnica porque desde que apareció, ha
mejorado los procesos de fabricación industrial, los
sistemas de dirección y guía y los artefactos de uso
militar que han determinado en gran manera su
desarrollo y permite prescindir de los sentidos humanos, generalmente inexactos y lentos, para lograr controles altamente satisfactorios y eficientes.
El controlador recibe el error E, que proviene
de comparar en el detector de error la variable de
control C con la referencia R, y lo manipula para
lograr hacer que el actuador lleve a la variable de
control C, a través de la variable manipulado M,
de una formo rápida y eficaz, a un valor predeterminado por la referencia R, ver figur-a 1.

Figura 1.-Diagrama a cu-odros de un lazo de
control automático.
El controlador para lograr su contenido hace
uso de infinidad de estrategias y manipulaciones,
pero comúnmente usa una combinación adecuada
de los modos de control que a continuación se
describen :
MODO DE CONTROL PROPORCIONAL: En este
modo de control, la variable manipulada M, es directamente proporcional al error E. Esto es:
m(t) = Kp e(t)
MODO DE CONTROL DERIVATIVO: En este
modo de control la variable manipulada M, es direct-amente proporcional a la derivada del error
Esto es:

MODO DE CONTROL INTEGRATIVO: En este
modo la variable manipulado M, es directamente
proporcional a la integral del error. Esto es:

m(t)-K~

f.

e(t)dt

Los controladores comerciales no hacen uso
del control derivativo solo, ni del integrativo solo,
ya que si se utiliza el modo derivativo, el control se
confunde cuando el error permanece constante,
aunque sea grande, creyendo que h-a desaparecido.
Si se usa el modo integrativo, el control adquiere

31

�un cierto grado de inestabilidad. Como consecuencia los controladores comerciales utilizan las siguientes combinaciones de modos de control:
Controlador P utiliza el modo proporcional
solo.
Controlador PO utiliza una combinación del
modo proporcional y el derivativo.
Controlador PI utiliza una combinación del
modo proporcional y el integrativo.

Para ifadlitar el estudio haremos uso de la
transformada de lap-loce.
De la figura 3, por álgebra de block, obtenemos la función de transferencia de lazo cerrado y
lazo abierto:

Kp Wn2

C(S)

R(S)=

vativo.

KpWn2

Comercialmente los modos de control reciben otros nombres. El proporcional es
band-a proporóonal, el derivativo es el rate
y el integrativo es el reset.

Para entender el funcionamiento y las ventajas
de cada uno, se hará un desarrollo matemático,
comparando con el proporcional a las demás combinaciones, para esto, se conecta el controlador a un
sistema convencional de segundo grado y se cierra
el lazo unitariamente. Ver figura 2.

G(s}H(s}::---,S,-,-(S.,..+_2_SWn--=-=-...-)--

Con la variación de estos dos parámetros generales de un sistema de segundo grado, podemos
deducir el funcionamiento transitorio del sistema.
El por ciento de sobrepaso que depende exclusivamente de 6 varío como lo muestro la Ec. ( 1O).
2

(2)

Controlador PID utiliza una combinación de
los modos proporcional, integrativo y deriN O T A :

minuye y la nueva razón de amortiguamiento 6~ Ec. ( 9), aumenta.

Figura 3.-Diograma de block de un controlador P.

(3)

Del denominador del cociente de la E-e. ( 2),
obtenemos las características transitorias de la respuesta, ya que igualado a cero, Ec. ( 4), es la
ecuación característica y de sus raíces depende el
funcionamiento durante el transitorio.

% Sobrepaso = 100e-'Tfs/ll-S

(10)

Si 6 disminuye lógicamente, de la Ec. ( 1O},
aumento el por ciento de sobrepaso y si 6 aumenta,
disminuirá el por ciento de sobrepaso. Ver figura 4.
El tiempo de alcance máximo TA que depende
de Wn y 6, cambio según las voriacfones de estos
dos parámetros, siguiendo lp fórmula de lo Ec. ( 11 ) .
Ver figura No. 4.
1T

(11)

TA=---,;::_:_-_:..:_--

Wn J 1-S

2

(4)

A

Ts=------ =
g Wn

(1'..?)

A

SWn

A=3 si 5%&gt; % e SS &gt;2%
A=4 si 2% &gt; % e SS &gt; 1%
A=5 si 1% &gt; % ess
El error de estado estable no depende directamente de estos dos parámetros, sino de la forma
de la función de transferencia de lazo abierto GH
( S), Ec. ( 3 l. Aquí se puede observar que el sistema
es tipo uno y se usará lo fórmula de error o lo
rampa para calcular t I porciento de error de estado
estable '/&lt; €ss, utilizando el procedimiento siguiente;

% e SS

K

_,_ _100
_ __

(13)

Kv

_ Lim

(14)
SG(s}H(s)
s-+o
Aplicando la Ec. ( 14) a la Ec. ( 3) tenemos:
V

~v-

Kf~

(15)

Substituyendo lo Ec.

( 15)

en la Ec.

( 13)

tenemos,
De la Ec. ( 4) se puede obtener la nueva frecuencia natural del sistema Wn, Ec. ( 6), y la nueva
razón de amortiguamiento s; Ec. ( 9). la nueva
frecuencia natural se obtiene del término independiente de lo Ec. ( 4) de la siguiente manero:

(Wn

)2= Kp(Lln2

% ess= 1)00
% Sobrepaso =

( 5)

ess
% ess =-R-

POR LO TANTO
Figura 2.-Diagromo a cuadros de la formo general de conexión de un controlador.

En este controlador se uso el modo proporcional puro, lo cual conlleva que la variable monipuloda tome lo siguiente formo:

=

Wn¡i.P

X

100

(6)

Y la nueva razón de amortiguamiento se obtiene del término en 6 de la Ec. ( 4). Esto es:

EL CONTROLADOR p

m{t)

flirt=

Sobrepaso máximo
- - - - - - - X 100
R

Kp e

(t)

2S Wrl =2SWn

(7)

sWn

(8)

Wi1

R

(16 l

Sacando conclusiones de lo sucedido al
variar la ganancia proporcional Kp, nos damos
cuento que si aumentamos Kp Wn', Ec. (6), aumentoró y 6', Ec. ( 9) disminuye, lo que trae como
consecuencia que el por ciento de sobrepaso, Ec.
( 10), aumente y el tiempo de alcance máximo
Ec. ( 11 ) disminuyo haciendo al sistema más inestable. Por otro lado, de lo Ec. ( 16) nos domos
cuenta que el por ciento de error de estado estable
'/, €ss disminuye, lo ct1al nos dice que los características de estabilidad y de error de estado estable
del sistema, dependen en formo inversa de lo
ganancia Kp, teniendo que tomar estos valores intermedios paro lograr que el sistema seo lo suficientemente estable y exacto.

(1)
Sustitctyendo la Ec. ( 6) en la Ec. ( 8) tenemos:

la figura 3 muestra este controlador conectado a un sistema d~ segundo grado con retroa1imentoción unitario.

CONTROLADOR PD.

(9)

En este controlador se usa el modo proporcional combinado con el derivativo, donde la variable
manipulada queda como sigue:

De la Ec. ( 6) y ( 9) podemos observar los
efectos producidos por las variaciones de la ganancia proporcional Kp:
Si aumentamos Kp, la nueva frecuencia natural Wn', Ec. (6), aumenta y la nueva rozón
de amortiguamiento
Ec. (9), disminuye.

6;

Si disminuimos Kp, sucede lo contrario, lo
nuevo frecuencia natural Wn', E'c. ( 6), dis-

32

2 S

KpWn

Figura 4.-Respuesta transitoria de un sistema de
control automático.
El tiempo de asentamiento Ts como lo muestra
la Ec. ( 1 2) es independiente de las variaciones de
la gonancio Kp.

m(t)= Kpe(t)+ Kd _d_e_(t_)_
dt

(17)

lo figuro 5 mllestra el diagrama de block de
este controlador conect-ado a un sistema de segundo
grado de retroalimentación unitaria.

33

�Y la nueva razón de amortiguamiento del término en 6 de lo Ec. ( 20). Esto es:

( 23)
6¡_

26Wn

+

2Wn'

Wn

2

wrt

Kd

(24)
(22)

en

lo

Ec.

Wn

(24)

Figul'a 5.-Diagroma de blocks de un controlador
PO.

s' - 6
~

Poro facilitar el estudio, seguiremos los mismos
posos del caso anterior donde se analizó el comportamiento de un sistema con controlador P, esto
se hace con el objeto de poder hacer comparaciones y observar las ventajas que se obtienen de
agregarle control derivativo al sistema.

Comparando la Ec. ( 6), que corresponde a la
nueva frecuencia natural Wn ', con el controlador
P, con la Ec. ( 22), que corresponde a la nueva
frecuencia natural Wn', con controlador PO nos
damos cuenta que al agregar control derivativo no
varío la frecuencia natural.

De la figura 5, por álgebra de block obtenemos la función de transferencia de lazo cerrado y
de lazo abierto.

Ahora si comparamos la Ec. ( 9), que corresponde a la nueva razón de amortiguamiento 6',
con controlador P, con la Ec. ( 25), que corresponde a la nueva razón de amortiguamiento b', con
controlador PO, nos damos cuenta que al agregar
control derivativo, la razón de amortiguamiento
aumenta debido a un término nuevo que aparece
y es dependiente de la ganancia derivativa Kd.

C(s)=(Kp + Kd S)Wn2
R(s) S2 + 2 bWn S + KdWn 2 + KpWn 2
GH ( s ).::

(18)

2

__;.(K_.p.__+_Kd_S...:)_Wn;.:__

(19)

S (s + 2 SWn}

Del denominador del cociente de la Ec. ( 18),
obtenemos las características transitorios de lo
respuesto, ya que igualada a cero, Ec. ( 20), es lo
ecuación característica y de sus raíces depende el
funcionamiento durante el transitorio.

+

(25)

2fi.p

De lo anteriormente expuesto, nos damos cuente que el sistema se hace más estable debido a que
el '¡{ de sobrepaso máximo, Ec. ( 1O), disminuye
y el tiempo de alcance máximo, E.e. ( 11 ) , aumenta,
también se hace más rápido el sistema porque
el tiempo de asentamiento, Ec. ( 12), disminuye.
Analizando ahora el error de estado estable
€'ss, nos damos cuento de la Ec. ( 19), que el sistema es tipo 1 y por lo tanto, obtendremos el error
a la rampa. lo cual logramos con el procedimiento
siguiente:

% ess =

100

Lim

Kv-·----

En este controlador se usa el modo proporcional combinado con el integrativo, donde ta variable
manipulada queda como sigue:

m(t}= Kp e(t)

(21)

Wrf = Wn~

34

(22)

1
~
,(.,

Jt

e(t)dt

o

Kv::;:_K_..pW_n__
2 8

128)

Sustituyendo la
tenemos:

% ess = 100

2 S

Ec.

(28)

en la

Ec.

(26)

( 29)

Wn2

(34)

En la Ec. ( 33) podemos ver que el sistema es
de tercer grado y por lo tanto, para valores grandes de Kp el sistema puede hacerse inestable y aun
siendo estable el sistem.a es un poco más oscilatorio y tardado en su transitorio.

Aquí hay que cuidar mucho las combinaciones
de la ganancia proporcional Kp y la ganancia in1
tegrativa para evitar un sistema inestable o
Ki
muy oscilatorio.

CONTROLADOR PID.
Figura 6.-Diogramo de block de un controlador

PI.
Para facilitar el estudio y poder hacer comparaciones, seguiremos hasta donde seo posible, los
pasos realizados para mostrar el comportamiento de
un sistema de control con controlador P.
De la figuro 6 por álgebra de block, obtenemos la función de transferencia de lazo cerrado y
-de lazo abierto.

(27}

Aplicando la Ec. ( 27) a la Ec. ( 19) tenemos:

GH(s)- (KpS +u)
S2 (S+2SWn)

Comparando la Ec. ( 3) con la Ec. ( 34) nos
damos cuenta que el sistema aumentó de tipo 1 a
tipo 2 haciendo cero el error a la rampa.

(26)

SG(s)H(s}

1

(30)

lo figuro 6 muestra el diagramo de block de
este controlador, conectado a un sistema de segundo
grado con retroalimentación unitaria.

1

Wn 2

C(s)

(Kp

+fü"

R(s)

s2 +

28WnS+KpWn 1 ~

---e:

De la Ec. ( 20) se puede obtener la nuevo
fre::uencia natural del sistema Wn', Ec. ( 22), y la
nueva razón de amortiguamientos 6', Ec. ( 25). la
nuevo frecuencia natural se obtiene del término independiente de la Ec. ( 20) de lo siguiente manera:

(33)

CONTROLADOR PI.

Kv

(20)

Haciendo álgebra para dejar la Ec. ( 31 ) y la
Ec. ( 32) en forma más entendible tenemos;

2

Kd

Sustituyendo la Ec.
tenemos:

De la comparación de Ia Ec. ( 16) y la Ec. ( 29)
nos damos cuenta que el error de estado estob!e
ess en un sistema con controlador P, y en uno con
controlador PD, es el mismo porque éste aparece en
estado estable y el control derivativo no afecta
más a los transitorios, ya que éstos tienen cambios.

G H(s)= (K~)Wn2

2

2

En este controlador se usa el modo proporcional combinado con el integrativo y el derivativo
donde la variable manipulada m ( t) queda como
sigue:
(35)

'

m(t)=Kp e(t)IK.l

J\ t e(t) dt +Kd

de(t)
dt

O

La figura 7 muestra el diagrama de block de
este controlador conectado a un sistema de segundo
grado con retroalimentación unitaria.

(31}

(32)

S(S+2 SWn)

Figura 7.-Diograma de block de controlador PI.

KpWn

l'i

�De la figura 7 nos domos cuento que este controlador es uno combinación de los dos anteriores,
el PO y el PI, y como el sistema es lineal, se puede
hacer uso del teorema de superposición de efectos.
Haciendo a este sistema muy rápido, muy estable
y muy exacto
El mejor de los cuatro controladores sería el
PIO, pero también es el más coro, por eso no se

utiliza en todos los casos, únicamente se utilizo en
los casos que lo ameritan. En otros cosos, es posible
utilizar controladores PI, PD o hasta P, obteniendo
controles más económicos. A lo largo, el factor que
de!ermino qué controlador se utilizará en codo
coso, es el económico y resulta de combinar adecuadamente calidad, velocidad y bojo costo de los
procesos donde se aplica.

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                <text>Revista de la Escuela de Graduados de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Contenido técnico y científico en cuanto a mecánica, ingeniería, radiación, matemáticas, y temas afines.</text>
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                <text>Universidad Autónoma de Nuevo León, Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica</text>
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                <text>Trejo R., Víctor M., Responsable de la Publicación</text>
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                <text>Arizpe G., Roberto, Colaborador</text>
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                <text>El diseño y los contenidos de La hemeroteca Digital UANL están protegidos por la Ley de derechos de autor, Cap. III. De dominio público. Art. 152. Las obras del dominio público pueden ser libremente utilizadas por cualquier persona, con la sola restricción de respetar los derechos morales de los respectivos autores</text>
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