Ingeniería

Generalized Power Flow Algorithms for Monopolar DC Networks Using Broyden’s Method

Análisis teórico del uso de micropilotes como recuperadores de carga a través de la metodología de Poulos y Davis

Abstract Context: Micropiles have been mainly employed as soil reinforcement or supporting elements. As load-recovering elements, they have been used in pile groups where oneoftheelements hasturnedouttobedefective or incomplete. This type of use has not been directly reported in the literature, so it is important to generate knowledge about the conditions to be considered when evaluating the use of micropiles as replacements for defective piles. Method: This research verified and described the settlement behavior and load distribution of both piles and micropiles for five proposed models. The results were obtained through the analytical methodology by Poulos and Davis for pile group settlement, analyzing the influence of three variables on micropiles: position in the cap area, spacing, and quantity. Results: The load distribution in the micropiles showed greater uniformity as their number increased. Likewise, a load increase was observed as the distance between the micropiles and the upper left corner of the cap decreased. With greater spacing and micropile count, the settlements decreased.Conclusions: In order to use micropiles as load-recovering elements in existing foundations, it is convenient to consider variables such as quantity, position, and spacing, as they influence both the load distribution and the settlements of the structure.

Resumen Contexto: Los micropilotes han sido empleados principalmente como elementos de refuerzo del suelo o de apoyo. Comorecuperadores de carga, se han utilizado en grupos de pilotes donde uno de los elementos resulta defectuoso o incompleto. Este tipo de uso no se ha reportado de manera directa en la literatura, por lo que es importante generar conocimiento sobre las condiciones de análisis que deben ser consideradas al evaluar el uso de micropilotes para reemplazar pilotes defectuosos. Método: En esta investigación se verificó y describió el comportamiento en asentamientos y la distribución de carga de pilotes y micropilotes en cinco modelos propuestos. Los resultados se obtuvieron por medio de la metodología analítica de Poulos y Davis para el asentamiento en grupos de pilotes, analizando la influencia de tres variables en los micropilotes: la posición en el área del cabezal, la separación y la cantidad. Resultados: La distribución de carga en los micropilotes presentó mayor uniformidad a medida que estos aumentaban en número. Asimismo, se observó un aumento de la carga conforme se reducía la distancia entre los micropilotes y la esquina superior izquierda del cabezal. Con una mayor separación y una mayor cantidad de micropilotes, los asentamientos disminuyeron. Conclusiones: Para utilizar micropilotes como recuperadores de carga en cimentaciones existentes, es conveniente tener en cuenta variables como la cantidad, la posición y la separación, pues inciden tanto en la distribución de carga como en los asentamientos de la estructura.

Propiedades físicas y mecánicas de biocompuestos de ratán y ácido poliláctico impresos mediante fabricación por filamentos fundidos

Abstract Context: The use of alternative materials in construction requires the implementation of new methods that allow addressing the problems associated with the manufacture of traditional composite materials. In recent years, additive manufacturing techniques have attracted the attention of entrepreneurs and researchers due to its ease in processing complex designs and its low processing times. However, there is little information about the mechanical performance of composites obtained from the processing of biopolymer filaments reinforced with plant fibers. Method: We evaluated the mechanical behavior of 3D-printed biocomposites subjected to axial tension loads. For the experimental design, filaments were constructed using 90% polylactic acid granules and 10% pulverized rattan fibers. The properties of the filaments were analyzed through microscopy, density, thermogravimetry, roughness, and hardness tests. The specimens were printed according to the dimensions specified in ASTM D638, and the effect of infill density and printing orientation on their physical and mechanical properties was analyzed. A statistical analysis was carried out in order to formulate equations allow predicting the behavior of the material based on the printing parameters considered. Results: The obtained filaments were characterized and compared against their unreinforced counterparts. The specimens were printed using the fused deposition method. The effect of the printing parameters on the physical and mechanical properties of the stressed biocomposite was determined, and the impact of the studied variables was analyzed using a central composite design. Conclusions: The surface roughness of the samples increased with the printing orientation and decreased as the infill density increased. Hardness and tensile strength increased significantly with increasing infill density, and they decreased with an increasing printing angle. The probes printed with 80% infill showed a notable increase in rigidity.

Resumen Contexto: El uso de materiales alternativos en la construcción requiere implementar nuevos métodos que permitan enfrentar los problemas asociados a la fabricación de materiales compuestos tradicionales. En los últimos, años las técnicas de fabricación aditiva han llamado la atención de emprendedores e investigadores debido a su facilidad para procesar diseños complejos y sus tiempos de procesamiento reducidos. Sin embargo, existe poca información sobre el desempeño mecánico de los compuestos obtenidos del procesamiento de filamentos de biopolímeros reforzados con fibras vegetales. Método: Se evaluó el comportamiento mecánico de biocompuestos impresos en 3D sometidos a cargas de tensión axial. Para el diseño experimental, se elaboraron filamentos utilizando 90% de gránulos de ácido poliláctico y 10% de fibras pulverizadas de ratán. Las propiedades de los filamentos se analizaron mediante ensayos de microscopía, densidad, termogravimetría, rugosidad y dureza. Las probetas se imprimieron de acuerdo con las dimensiones especificadas en ASTMD 638, y se analizó el efecto de la densidad de relleno y la orientación de impresión sobre sus propiedades físicas y mecánicas. Se realizó un análisis estadístico orientado a formular ecuaciones que permitieran predecir el comportamiento del material con base en los parámetros de impresión considerados. Resultados: Los filamentos obtenidos fueron caracterizados y comparados con sus contrapartes no reforzadas. Las probetas se imprimieron mediante el método de deposición fundida. Se determinó el efecto de los parámetros de impresión sobre las propiedades físicas y mecánicas del biocompuesto sometido a esfuerzo, y se analizó el impacto de las variables estudiadas mediante un diseño compuesto central. Conclusiones: La rugosidad superficial de las muestras aumentó con la orientación de impresión y disminuyó a medida que aumentó la densidad de relleno. La dureza y la resistencia a la tracción aumentaron significativamente con el incremento de la densidad de relleno y disminuyeron con el aumento del ángulo de impresión. Las probetas impresas con un 80% de relleno mostraron un incremento notable en su rigidez

Desarrollo de una máquina desfibradora de hojas de agave con alimentación segura

Abstract Context: This work presents the development of an agave decorticator with a safe feeding mechanism. Despite advancements in decortication technology, the literature provides few descriptions that could enable the reproduction of these devices, particularly those with safe feeding mechanisms. Therefore, this article presents the design of an agave decortication machine with a novel feeding system that enhances operational safety. This machine is intended for small-scale production in remote locations with limited access to technology and economic resources, and it is amenable to application in developing countries. Method: A mechanical and electronic design methodology was adopted to configure the drum decortication mechanism, the belt drive, the shaft, bearings, the feeding mechanism, and the electronic control and command elements. Structural verification was also carried out through finite element simulations. Theoretical analysis and simulation tools, along with CAD/CAE and electronic design software, were utilized. The construction involved typical workshop machining operations such as turning, drilling, girder cutting, and shield metal arc welding. Results: The machine was successfully constructed. Preliminary tests demonstrated a good performance, with a dry fiber production rate of 31.2 kg/h, which is comparable to traditional hand-fed decorticators. The feeding mechanism operates at a significantly low speed (2.5% of the beater drum’s tangential speed), which prevents accidents associated with typical machine configurations. The cost of the equipment is estimated to be 1152 USD, a good value when compared against other similar prototypes in the literature. Conclusions: Our agave decorticator with a safe feeding mechanism was successfully designed, built, and preliminarily tested, demonstrating its potential to enhance process safety and efficiency in remote and developing regions while supporting environmental sustainability, sustainable agriculture, and rural employment opportunities.

Resumen Contexto: En este trabajo se presenta el desarrollo de una máquina desfibradora de hojas de agave con un mecanismo de alimentación seguro. A pesar de los avances en la tecnología de desfibrado, la literatura ofrece pocas descripciones que permitan la reproducción de estos dispositivos, particularmente de aquellos con mecanismos de alimentación seguros. Por ello, este artículo presenta el diseño de una máquina desfibradora de hojas de agave con un sistema de alimentación novedoso que mejora la seguridad operativa. La máquina está destinada la producción de pequeña escala en ubicaciones remotas con acceso limitado a tecnología, y su aplicación es viable en países en desarrollo. Método: Se adoptó una metodología de diseño mecánico y electrónico para configurar el mecanismo de desfibrado con tambor, la transmisión por correa, el eje del tambor, los rodamientos, el mecanismo de alimentación y los elementos de mando y control electrónico. También se realizó una verificación estructural mediante simulaciones por elementos finitos. Se utilizaron herramientas de análisis teórico, simulación y software de diseño CAD/CAE y diseño electrónico. La construcción incluyó operaciones típicas de taller como torneado, taladrado, corte con pulidora y soldadura de arco con electrodo revestido. Resultados: La máquina fue construida con éxito. Las pruebas preliminares demostraron un buen desempeño, logrando una producción de fibra seca de 31.2 kg/h, comparable con aquella de las máquinas tradicionales de alimentación manual. El mecanismo de alimentación opera a una velocidad significativamente baja (2.5 % de la velocidad tangencial del tambor de decorticado), lo que previene accidentes relacionados con las configuraciones típicas de estas máquinas. El costo del equipo se estima en 1152 USD, un buen valor si se lo compara con otros prototipos similares en la literatura. Conclusiones: Nuestra máquina desfibradora de hojas de agave con mecanismo de alimentación seguro fue diseñada, construida y probada preliminarmente con éxito, demostrando su potencial para mejorar la seguridad y eficiencia del proceso en regiones remotas y en desarrollo, al tiempo que respalda la sostenibilidad ambiental, la agricultura sostenible y las oportunidades de empleo rural.

Análisis modal teórico-experimental de un rotor flexible basado en el modelo de Jeffcott

Abstract Context: Rotating equipment that operates at high speeds or handles significant loads is designed based on the concept of flexible shafts. This is the case with turbines, compressors, and turbopumps, among others. The theoretical-experimental modal analysis of these shafts is crucial for ensuring a safe and efficient operation, as well as for identifying appropriate maintenance strategies. Method: In this work, we perform both theoretical and experimental modal analyses of an isotropic flexible rotor based on the Jeffcott model. The theoretical modal analysis is carried out using a numerical model with conditions similar to those of the experimental analysis. The results are compared using the modal assurance criterion (MAC). The validated numerical model enables the evaluation of eigenfrequencies and their associated modal shapes. Results: The first two bending natural modes of the flexible rotor were obtained from the theoretical and experimental modal analysis, and the mode shapes and natural frequencies were determined. The mode shapes were correlated, exhibiting a correlation value greater than 88%, thus validating the numerical model. Conclusions: This approach not only enhances the understanding of the shaft’s dynamic response but also contributes to improved decision-making during the design and operation stages of rotating systems in various industrial applications.

Resumen Contexto: El equipo rotativo que opera a altas velocidades o maneja cargas significativas se diseña con base en el concepto de ejes flexibles. Este es el caso de las turbinas, los compresores y las turbobombas, entre otros. El análisis modal teórico-experimental de estos ejes es esencial para garantizar una operación segura y eficiente, así como para identificar estrategias de mantenimiento adecuadas. Método: En este trabajo desarrollamos análisis modales tanto teóricos como experimentales de un rotor flexible isotrópico basado en el modelo de Jeffcott. El análisis modal teórico se realiza utilizando un modelo numérico con condiciones similares a las del análisis experimental. Los resultados se comparan utilizando el criterio de aseguramiento modal (MAC). El modelo numérico validado permite evaluar las frecuencias propias y sus formas modales asociadas. Resultados: Se obtuvieron los dos primeros modos naturales de flexión del rotor flexible del análisis modal teórico y experimental, y se determinaron las formas modales y las frecuencias naturales. Las formas modales estuvieron correlacionadas, obteniendo un valor de correlación superior al 88%, lo que valida el modelo numérico. Conclusiones: Este enfoque no solo mejora la comprensión de la respuesta dinámica del eje, sino que también contribuye a mejorar la toma de decisiones durante las etapas de diseño y operación de sistemas rotativos en diversas aplicaciones industriales.

Implementación de un controlador predictivo generalizado con parámetros difusos de supresión y ponderación para una planta de nivel con tanques concéntricos interconectados

Abstract Context: This paper employs fuzzy logic in the unconventional adjustment of suppression and weighting factors within a generalized predictive controller (GPC). Method: The control strategy is applied to a level plant featuring interconnected concentric tanks. For the tuning process, a fuzzy proportional-integral-derivative PID controller is compared against the proposed GPC equipped with fuzzy suppression and weighting parameters. Evaluation metrics related with response time and integration criteria are employed in this comparison. Results: The results demonstrate the superiority of the GPC combined with fuzzy logic over the fuzzy PID controller. Dynamic weighting factors contribute to enhanced control performance, as evidenced by the evaluation metrics. Conclusions: The proposed approach proved to be effective in improving control performance in the tested system. This approach offers a promising alternative to traditional methods, especially in systems where dynamic adjustments are beneficial.

Resumen Contexto: Este documento emplea lógica difusa en el ajuste no convencional de factores de supresión y ponderación dentro de un controlador predictivo generalizado (GPC). Métodos: La estrategia de control se aplica en una planta a nivel que cuenta con tanques concéntricos interconectados. Para el, se compara un controlador PID difuso con el GPC propuesto, equipado con parámetros de supresión y ponderación difusos. Se emplean métricas de evaluación relacionadas con el tiempo de respuesta y criterios de integración para la comparación. Resultados: Los resultados demuestran la superioridad del GPC combinado con lógica difusa sobre el controlador PID difuso. Los factores de ponderación dinámica contribuyen a mejorar el rendimiento del control, como lo evidencian las métricas de evaluación. Conclusiones: El enfoque propuesto resultó ser efectivo para mejorar el rendimiento de control en el sistema probado. Este enfoque ofrece una alternativa prometedora a los métodos tradicionales, especialmente en sistemas que se benefician de ajustes dinámicos.

Aplicación de un algoritmo de optimización basado en la distribución de Cauchy para la gestión de potencia activa y reactiva con baterías en sistemas de distribución de energía

Abstract Context: This study developed an energy dispatch model (EDM) using the Cauchy-based distribution optimizer (CbDO) for coordinating battery energy storage units (BESUs) and photovoltaic (PV) sources in medium-voltage distribution networks, aiming to minimize energy losses and operating costs while observing to network constraints. Method: The CbDO was implemented in MATLAB and benchmarked against the continuous genetic algorithm (CGA), the parallel particle swarm optimizer, the parallel vortex search algorithm, and a semidefinite programming (SDP) approach. The analyzed scenarios included unitary and variable power factor operation in order to test optimization performance. Results: The CbDO outperformed traditional methods, achieving lower energy losses and CO2 emissions, closely matching the SDP method’s results in variable power factor scenarios. The most significant gains were observed when all DERs operated flexibly, validating our proposal’s effectiveness in complex non-convex problems. Conclusions: The CbDO is a viable and efficient solution for EDM, providing near-SDP performance with a simpler implementation. BESU integration and f lexible power factor operation can notably enhance grid efficiency.

Resumen Contexto: Este estudio desarrolló un modelo de despacho de energía (EDM) utilizando el optimizador basado en la distribución de Cauchy (CbDO) para coordinar unidades de almacenamiento de energía en baterías (BESU) y fuentes fotovoltaicas (PV) en redes de distribución de media tensión, con el fin de minimizar las pérdidas de energía y los costos de operación a la vez que se cumplen las restricciones de la red. Método: El CbDO fue implementado en MATLAB y comparado con el algoritmo genético continuo (CGA), el optimizador de enjambre de partículas en paralelo (PPSO), el algoritmo de búsqueda de vórtice en paralelo (PVSA) y un enfoque de programación semidefinida (SDP). Los escenarios analizados incluyeron la operación con factor de potencia unitario y variable, a fin de evaluar el desempeño de la optimización. Resultados: El CbDO superó a los métodos tradicionales, logrando menores pérdidas de energía y emisiones de CO2, siguiendo de cerca los resultados del método SDP en los escenarios con factor de potencia variable. Las mayores mejoras se observaron cuando todos los DERs operaban de manera flexible, validando la efectividad de nuestra propuesta en problemas no convexos complejos. Conclusiones: El CbDO constituye una solución viable y eficiente para el EDM, ofreciendo un desempeño cercano al del método SDP con una implementación más sencilla. La integración de BESUs y la operación con factor de potencia flexible pueden mejorar significativamente la eficiencia de la red.

Sistema de gestión de energía mediante optimización por enjambre de partículas para la reducción de costos operativos en microrredes de CAconalmacenamiento en baterías durante la operación interconectada y aislada

Abstract Context: This paper proposes an energy management system (EMS) for battery energy storage systems (BESS) to reduce operating costs in AC microgrids (MGs) operating in grid-connected (GON) and islanded (GOFF) mode, considering energy purchase, conventional generation, and maintenance costs while accounting for all the operational constraints of the system and its components. Method: A master-slave methodology based on particle swarm optimization (PSO) andanhourlypowerflowbasedonthesuccessiveapproximations method (SAM)is used as a smart BESS operation strategy. This proposal is validated in a 33-bus AC MGoperating in GONandGOFFmodes,incomparisonwithtwomethodsutilizing the vortex search algorithm (VSA) and conitnuos version of the Chu & Beasley ge netic algorithm (CBGA) and the same power flow. Results: The PSO-based EMSachievedthelowestcostsi.e., 6897.59 USD/day (GON) and 17 527.42 USD/day (GOFF), with cost reductions of 1.45 and 0.13%, and low standard deviation values (0.067 and 0.014%), which confirms its efficiency, robust ness, and constraint compliance. Conclusions: The EMS based on PSO/SAM delivers superior solution quality and processing times in both modes of operation. In GON mode, it reduces the mean costs by0.0287%comparedtotheVSAand0.2252%vs.the CBGA,where as,inGOFF mode, the reductions are 0.0191 and 0.0355%, respectively. These results reflect a more effective cost reduction than exact methods, which constitutes this paper’s main contribution.

Resumen Contexto: En este artículo se propone un sistema de gestión energética (EMS) para sistemas de almacenamiento de energía en baterías (BESS) orientado a la reducción de costos operativos en microrredes (MG) AC que operan conectados a la red (GON) y en modo isla (GOFF), considerando los costos de compra de energía, generación convencional y mantenimiento a la vez que se cumple con todas las restricciones operativas del sistema y sus componentes. Método: Comoestrategia de operación inteligente del sistema de almacenamiento en baterías, se utiliza una metodología maestro-esclavo basada en optimización por enjambre de partículas y un flujo de potencia horario basado en el método de aproximaciones sucesivas (SAM). Esta propuesta se valida en una MG-AC de 33 nodos, operando en modos GON y GOFF, en comparación con dos métodos alternativos que utilizan el algoritmo de búsqueda por vórtices (VSA) y el algoritmo genético continuo de Chu&Beasley (CBGA) y el mismo método de flujo de potencia. Resultados: El EMS basado en PSOalcanzó los menores costos, i.e., 6897.59 USD/día (GON) y 17 527.42 USD/día (GOFF), con reducciones en costos del 1.45 y el 0.13% respectivamente y bajas desviaciones estándar (0.067 y 0.014%), lo que confirma su eficiencia, robustez y cumplimiento de restricciones. Conclusiones: El EMS basado en PSO/SAM ofrece una calidad de solución y un tiempo de procesamiento superiores en ambos modos de operación. En el modo GON, reduce los costos promedio en un 0.0287% en comparación con el VSA y en un 0.2252% con respecto al CBGA, mientras que, en el modo GOFF, las reducciones son de 0.0191 y 0.0355% respectivamente. Estos resultados reflejan una reducción de costos más efectiva que la obtenida por métodos exactos, lo que constitye la principal contribución de este artículo.

Metodología basada en la integral del error al cuadrado para el diseño de controladores difusos

Abstract Context: This work applies an experimental methodology to the design of a control system based on a non-conventional Mamdani fuzzy controller that regulates the speed of an encoder-based DC motor. Method: The proposed methodology consists of four steps: i) fuzzy controller input/output selection, ii) fuzzy controller design, iii) controller hardware implementation, and iv) membership function parameterization. This methodology generates seven pairs of unique error and control signals that are differentiated by experimentally adjusting the parameters of the triangular membership functions used for the fuzzy controller design, which was implemented in an Atmega328P micro-controller. For each of the seven approaches defined, an experiment was performed, performing a control action to obtain the transient response of the DC motor speed when the reference was a step-type signal. Results: The motor response and the reference signal were used to calculate the error, whose squared error integral was estimated to determine which experimental approach yielded the best fuzzy control results, i.e., with the lowest possible error. Conclusions: The proposed methodology ensures the minimization of the squared error integral between the signal to be controlled and the reference signal. For fitting 6, the performance index obtained was J = 0.0002, which represents a decrease of ≈ 99.99% with respect to the worst case (fitting 1), whose performance index was J = 4.10.

Resumen Contexto: Este trabajo aplica una metodología experimental al diseño de un sistema de control basado en un controlador difuso no convencional del tipo Mamdani que regula la velocidad de un motor DC basado en encoders. Métodos: La metodología propuesta constade cuatro pasos: i) selección de la entrada/salida del controlador difuso, ii) diseño del controlador difuso, iii) implementación en hardware del controlador yiv) parametrización de las funciones de membresía. Esta metodología genera siete pares de señales únicas de error y de control que se diferencian ajustando experimentalmente los parámetros de las funciones de membresía triangulares usadas para el diseño del controlador difuso, el cual se implementó en un microcontrolador Atmega 328P. Para cada uno de los siete en foques usados, se realizó un experimento en el que se realizó una acción de control para obtener la respuesta transitoria de la velocidaddelmotordeDCcuandolareferenciaeraunaseñaldetipoescalón. Resultados: La respuesta del motor y la señal de referencia se utilizaron para calcular el error, cuya integral de error al cuadrado se estimó a fin de determinar qué enfoque experimental brindaba los mejores resultados de control difuso,i.e.,con el menor error posible. Conclusiones: La metodología propuesta garantiza la minimización de la integral del error al cuadrado entre la señal a controlar y la señal de referencia. Para el ajuste 6, el índice de desempeño obtenido fue J=0.0002, lo que representa una disminución de≈99.99% respecto al peor caso(ajuste1), donde el índice de desempeño fue J=4.10.