Ingeniería e Investigación

Simulation Strategy to Reduce Quality Uncertainty in the Sugar Cane Honey Process Design

ABSTRACT This work proposes to increase the acceptability of the sensory quality attributes of sugarcane honey by simulating and decreasing the uncertainty of operational parameters. To this effect, it relies on the development of a case study through a strategy that contemplates the analysis of the initial data and performs calculations through the use of mathematical models, the determination of the Sigma quality level, and the use of the GUM methodology (Guide to the expression of uncertainty in measurement). It was demonstrated that a range with a great variability in the initial operational parameters generated a Sigma level of less than three and a decrease in revenues of 30-52% due to low product sales for the studied productions. By decreasing pH uncertainty from 3,79 to 4,21, and Brix degrees from 75,13 to 76,88, an increase in the Sigma level of quality was observed, which exceeded six, in compliance with product quality specifications, as well as a reduction in economic losses due to defective products. The importance of quality in the product design and the process is evinced, given its influence on the acceptability of the product and the feasibility of the process.

RESUMEN El trabajo propone incrementar la aceptabilidad de atributos de calidad sensorial del jarabe de caña de azúcar mediante la simulación y disminución de la incertidumbre de parámetros operacionales. Para ello, se apoya en el desarrollo de un estudio de caso a través de una estrategia que contempla el análisis de los datos iniciales y efectúa cálculos a través del empleo de modelos matemáticos, la determinación del nivel Sigma de calidad y de la metodología de la GUM (Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement). Se demostró que un rango con gran variabilidad de los parámetros operacionales iniciales generaba un nivel Sigma menor que tres y una disminución de los ingresos del 30 al 52 %, debido a las bajas ventas de productos en las producciones estudiadas. Al disminuir la incertidumbre del pH de 3,79 a 4,21 y los grados Brix de 75,13 a 76,88, se garantizó un incremento del nivel Sigma de calidad superior a seis, en cumplimiento de las especificaciones de calidad del producto, y una reducción en las pérdidas económicas por productos defectuosos. Se evidencia la importancia de la calidad en el diseño del producto y del proceso, dada su influencia en la aceptabilidad del producto y lafactibilidad del proceso.

Hazard Maps of Shallow Landslides Associated to Infiltration Processes in the Sapuyes River Basin

ABSTRACT Hazard mapping of shallow landslides associated with infiltration processes at a regional scale was carried out by means of the spatial and temporal distribution of safety factor and its classification, within hazard level ranges, into cells that represent hillside units in Sapuyes river basin, located near the city of Pasto in the Nariño department. Hazard assessment follows the theoretical approaches of the Iverson model, which takes into account the redistribution of underground pore pressures associated with the transient infiltration of the rain and its effects on the time and location of landslides, considering that shallow landslides are associated with periods of rain with a short duration and greater intensity. Results showed that both the pressure heads and the safety factor are valid approximations for hazard analysis at regional scale and allow observing the transient physical process involved in the development of shallow landslides.

RESUMEN La elaboración de mapas de amenaza por deslizamientos superficiales relacionados con procesos de infiltración a escala regional se realizó mediante la distribución espaciotemporal del factor de seguridad y su clasificación en rangos de nivel de amenaza, en celdas que representan unidades de ladera en la cuenca del río Sapuyes, situada cerca de la ciudad de Pasto, en el departamento de Nariño. La evaluación de la amenaza sigue las aproximaciones teóricas del modelo de Iverson, que tiene en cuenta la redistribución de las presiones de poros subterráneas asociadas a la infiltración transitoria de la lluvia y sus efectos en el tiempo y ubicación de deslizamientos, teniendo en cuenta que los deslizamientos superficiales están asociados a periodos de lluvia de corta duración y de mayor intensidad. Los resultados mostraron que tanto las cabezas de presión como el factor de seguridad son aproximaciones válidas para un análisis de amenaza a escala regional y permiten observar el proceso físico transitorio involucrado en el desarrollo de deslizamientos superficiales.

Analysis of the Efficiency of Traffic Lights Turning Red in Case of Exceeding Speed Limit

ABSTRACT Due to the presence of various traffic calming measures (TCM) and traffic lights in urban areas, the speed of vehicles is maintained low. Nevertheless, a problem arises in the frontier between urban and non-urban areas because drivers must adapt their speed and behavior to new conditions. This risk becomes even greater in rural roads that penetrate small villages without a bypass and with a short urban segment, since drivers do not normally speed down in these segments. Various measures can be installed, but traffic lights that turn red if the speed limit is exceeded is not usually considered as a TCM in the literature. Therefore, this paper aims to analyze the efficiency of traffic lights turning red in case of exceeding speed limit. The village of /Abalos in Spain was selected for this research, with an urban area of 630 m and this type of traffic lights in both directions. Results showed that drivers do not respect the speed limit - and hence, the red light - when they are placed separately. However, if they are placed next to a crosswalk, their effect is increased. Consequently, it is recommended to place these traffic lights with a crosswalk to reinforce the efficiency of both TCMs.

RESUMEN Debido a la presencia de varias medidas de calmado de tráfico (MCT) y semáforos en zonas urbanas, la velocidad de los vehículos se mantiene baja. No obstante, un problema aparece en la frontera entre áreas urbanas y no urbanas porque los conductores deben adaptar su velocidad y comportamiento a nuevas condiciones. Este riesgo se vuelve incluso mayor en las carreteras interurbanas que penetran en pequeñas poblaciones sin circunvalación y con un corto tramo urbano, pues normalmente los conductores no reducen su velocidad en estos tramos. Varias medidas pueden ser instaladas, pero los semáforos que se ponen rojos si se sobrepasa el límite de velocidad no suelen considerarse como MCT en la literatura. Por lo tanto, el objetivo de este artículo es analizar la eficacia de los semáforos que se ponen rojos en caso de exceder el límite de velocidad. La población de Abalos en España fue seleccionada para esta investigación, con un área urbana de 630 m y con este tipo de semáforos en ambas direcciones. Los resultados muestran que los conductores no respetan el límite de velocidad - y por tanto, el semáforo en rojo - cuando son colocados por separado. Sin embargo, si son colocados junto a un paso de peatones, se aumenta su efecto. En consecuencia, se recomienda disponer este tipo de semáforos junto con un paso de peatones para reforzar la eficacia de ambas MCT.

PLL Wrap Function for Synchronization in Phase Jump Disturbances

ABSTRACT Synchrony plays a major role in the interconnection process between local electric power generation systems and the electrical grid. Grid phase disturbances prevent the generation system from maintaining synchrony. Therefore, an efficient phase tracking method is necessary in order to detect phase jumps and abrupt changes in amplitude. In this paper, we propose a software-designed method to strengthen phase tracking based on the wrap process of a second-level Phase Locked Loop (PLL). The term 'wrap' means establishing the phase values of the reference signal in intervals of n to match it with the values obtained from the PLL output (sync pulse). To quantify phase error, a mathematical transformation of the time domain to the frequency domain is implemented. The validity of the proposed wrap function is verified using electrical disturbances.

RESUMEN La sincronía es primordial para la interconexión de sistemas locales de generación de energía con el sistema eléctrico. Las perturbaciones en fase evitan que el sistema de generación mantenga la sincronía. Por lo tanto, un método eficiente de seguimiento de fase es necesario para detectar saltos en la misma y cambios abruptos en amplitud. En este trabajo se propone un método para fortalecer el seguimiento de fase basado en el proceso de envoltura de fase de un PLL (Phase Locked Loop) de segundo grado diseñado por software. El término 'envoltura' (wrap) se refiere a establecer los valores de fase de la señal de referencia en intervalos de n para que coincida con los valores obtenidos de la señal de salida del PLL (pulso de sincronía). Una técnica de transformación matemática del dominio del tiempo al dominio de la frecuencia es implementada con el fin de cuantificar el error de fase. La validez de la función de envoltura propuesta es verificada usando perturbaciones eléctricas.

Energy Management Electronic Device for Islanded Microgrids Based on Renewable Energy Sources and Battery-Based Energy Storage

ABSTRACT Energy management systems are one of the most important components in the operation of an electric microgrid. They are responsible for ensuring the supervision of the electrical system, as well as the coordination and reliability of all loads and distributed energy resources in order for the microgrid to be operated as a unified entity. Because of that, an energy management system should be fast enough at processing data and defining control action to guarantee the correct performance of the microgrid. This paper explores the design and implementation of an energy management system deployed over a dedicated electronic device. The proposed energy management device coordinates the distributed energy resources and loads in a residential-scale islanded microgrid, in accordance with a rule-based energy management strategy that ensures reliable and safe operation of the battery-based energy storage system. A hardware-int-he-loop test was performed with a real-time simulation platform to show the operation of the electronic device.

RESUMEN Los sistemas de gestión de energia son uno de los componentes más importantes en la operación de las microrredes eléctricas. Son responsables de asegurar la supervisión del sistema eléctrico, además de la confiabilidad y coordinación de todas las cargas y los recursos energéticos distribuidos, de tal forma que la microrred pueda ser operada como una entidad unificada. Debido a esto, un sistema de gestión de energia debe ser lo suficientemente rápido para procesar un gran número de datos y definir las acciones de control para garantizar el correcto funcionamiento de la microrred. Este documento explora el diseño e implementación de un sistema de gestión de energia desplegado sobre un dispositivo electrónico dedicado. El dispositivo de gestión de energia propuesto coordina las cargas y los recursos energéticos distribuidos en una microrred aislada a escala residencial de acuerdo a un sistema de gestión de energia basado en reglas que asegura una operación confiable y segura del sistema de almacenamiento de energia basado en baterias. Se realizó una prueba de hardware en el lazo de control usando una plataforma de simulación en tiempo real para demostrar la operación del dispositivo electrónico.

Copper Recovery Through Smelter Slag Flotation in Atacama, Chile: An Industrial Case Study

ABSTRACT Copper slag flotation was studied on an industrial scale at a concentrator plant in the region of Atacama, Chile. This study consisted of the physical, chemical, and mineralogical characterization of the copper slag, along with preliminary flotation tests. This article focuses on industrial flotation, which consisted of two one-year campaigns (2016 and 2017). The first campaign was carried out using an existing copper slag flotation circuit in the plant. During the second campaign (2017), a circuit for sulfide ore flotation with an additional columnar flotation cleaning stage was evaluated. Results showed an improvement in metallurgical parameters on the second campaign (including improvements in processing capacity, concentrate copper grade, and metallurgical recovery). From the industrial copper slag flotation campaigns, it was concluded that it is possible to obtain a commercial-quality copper concentrate, suitable for further processing in a copper smelter. This mitigates certain environmental impacts of copper processing.

RESUMEN Se estudió la flotación de escoria de cobre en una planta concentradora de la Región de Atacama, Chile. El estudio consistió en la caracterización física, química y mineralógica de la escoria de cobre, además de las pruebas preliminares de flotación. Este artículo se enfoca en la flotación industrial, la cual consistió en dos campañas de un año cada una (2016 y 2017). En la primera campaña se utilizó un circuito de flotación de escorias existente en la planta. Para la segunda campaña (2017), se utilizó un circuito de flotación de sulfuros, más una etapa adicional de limpieza mediante flotación columnar. Los resultados mostraron mejora en los parámetros metalúrgicos de la segunda campaña (incluyendo mejoras en capacidad de procesamiento, ley de concentrado de cobre y recuperación metalúrgica). De las campañas de flotación de escoria de cobre, se concluyó que es posible obtener un concentrado de cobre de calidad comercial, apto para su posterior procesamiento en una fundición. Esto mitiga ciertos impactos ambientales del procesamiento de cobre.

Fuzzy Logic Control for a Soft Exoskeleton Glove Using a Motor-Tendon Actuator

ABSTRACT A hand is one of the essential limbs on the human body that is used for daily activities. The aim of this research is to develop a soft exoskeleton hand to assist people with hand deterioration. The developed exo-glove is made of low-cost RTV (room-temperature vulcanizing) silicone rubber with a motor-tendon actuation system that produces the flexion and extension motion. Here, the actuator converts rotation motion into linear motion from DC motor, while a potentiometer sensor is utilized to measure the rotation angle on the actuator system, in which fuzzy logic control (FLC) is employed for controlling the motion of the proposed motor-tendon actuator. To validate the function and mechanism of the developed soft exoskeleton glove, testing was conducted towards the FLC performance on the healthy human hand for various object grasping tests. Based on the test results, this study shows that the soft glove can be implemented on the human hand as an assistive device.

RESUMEN La mano es una de las extremidades más importantes del cuerpo humano que se utiliza para actividades de la vida diaria. El objetivo de esta investigación es desarrollar una mano exoesqueleto suave para ayudar a las personas con la mano deteriorada. El exo-guante desarrollado está hecho de caucho de silicona RTV (vulcanización a temperatura ambiente) de bajo costo con un sistema de accionamiento motor-tendón que produce el movimiento de flexión y extensión. Aquí, el actuador convierte el movimiento de rotación en movimiento lineal del motor de DC, mientras que se utiliza un sensor de potenciómetro para medir el ángulo de rotación en el sistema del actuador, en el que se utiliza el control lógico difuso (FLC) para controlar el movimiento del actuador motor-tendón propuesto. Para validar la función y el mecanismo del exo-guante blando desarrollado se realizaron pruebas para lograr el rendimiento de FLC en la mano humana sana en varias pruebas de agarre de objetos. Según los resultados de la prueba, este estudio muestra que el guante blando se puede implementar en la mano humana como un dispositivo de asistencia.

Tensile Properties of 3D printed polymeric pieces: comparison of several testing setups

ABSTRACT This work aims to evaluate and compare variations of a methodology for performing tensile tests on thermoplastic specimens constructed by additive manufacturing technologies (AMT) with filament deposition modeling (FDM). The testing procedures of pieces made in FDM machines do not yet have any conclusive standards because 3D printing, as a disruptive and exponentially growing technology, has not allowed enough time to reach a definitive scientific consensus. Nowadays, testing standards for injected thermoplastic parts or laminated composites are employed as substitutes with careful implementation. A comparative study was carried out on the elasticity modulus, determined within the framework of the same standard but with different measuring devices and testing machines. These machines cover a broad range from professional automated high precision machines to lab and specialized machines. Sets of 3D-printed specimens with identical manufacturing parameters were constructed in a commercial 3D printer. An analysis of variance was performed in order to evaluate the consistency and significance of experimental data for the same polymer, considering the machine type and its corresponding setup. From the experimental data, it is concluded that, with the due care, all evaluated testing setups can reach comparable results, especially in the absence of sophisticated and expensive measuring systems.

RESUMEN El objetivo de este trabajo es evaluar y comparar variantes en una metodología para realizar ensayos de tracción en probetas termoplásticas hechas con tecnologías de construcción aditiva (AMT) con modelado por deposición de filamento (FDM). Los procedimientos de ensayo para piezas hechas en máquinas FDM aún no tienen estándares conclusivos, pues la impresión 3D, al ser una tecnología disruptiva que crece exponencialmente, no ha dado tiempo suficiente para establecer un consenso científico definitivo. Actualmente, los estándares de prueba para partes con inyección termoplástica se emplean como sustitutos con una implementación cuidadosa. Se efectuó un estudio comparativo del módulo de elasticidad, determinado en el marco del mismo estándar pero con dispositivos de medición y máquinas de prueba diferentes. Estas máquinas cubren un rango que va desde máquinas de ensayo profesionales de alta precisión hasta máquinas de laboratorio construidas ad-hoc. Se construyeron conjuntos de probetas bajo los mismos parámetros de manufactura en una impresora 3D comercial. Se hizo un análisis de varianza con el fin de evaluar la consistencia y significancia de los datos experimentales para el mismo polímero, teniendo en cuenta el tipo de máquina y su correspondiente configuración. A partir de los datos experimentales, se concluye que, con el debido cuidado, todas las configuraciones de ensayo analizadas pueden alcanzar resultados comparables, especialmente en ausencia de sistemas de medición sofisticados y costosos.

Accelerated Adaptive Backstepping Control of the Chaotic MEMS Gyroscope by Using the Type-2 Sequential FNN

ABSTRACT In this paper, we propose an accelerated adaptive backstepping control algorithm based on the type-2 sequential fuzzy neural network (T2SFNN) for the micro-electromechanical system (MEMS) gyroscope with dead-zone and constraints. Firstly, the mathematical model of the MEMS gyroscope is established to perform dynamical analyses and controller design. Then, the phase diagrams and Lyapunov exponents are presented to reveal its chaotic oscillation, which is harmful to system stability. In order to suppress oscillations derived from chaos and dead-zone, an accelerated adaptive backstepping controller is proposed wherein an adaptive auxiliary is established to compensate the influence of nonsymmetric dead-zone on stability performance, along with the T2SFNN designed to approximate unknown functions of dynamic systems. Furthermore, the speed function is introduced to accelerate convergence speed of the control system, and the problem of complex term explosion in traditional backstepping is successfully solved by a second-order tracking differentiator. Finally, simulation results show that the proposed control scheme can guarantee asymptotic convergence of all signals in the closed-loop system, as well as satisfying states constraints and fulfilling the purposes of chaos suppression and accelerated convergence.

RESUMEN En este artículo se propone un algoritmo de control acelerado y autoadaptado de backstepping basado en la red neural analgésica de tipo 2 (T2SFNN) para giroscopios del sistema microeléctrico (MEMS) con zona muerta y limitaciones. En primer lugar, se establece el modelo matemático del giroscopio MEMS para realizar análisis dinámicos y diseño de controladores. Luego, se presentan los diagramas de fase y los exponentes de Lyapunov para revelar su oscilación caótica, que es perjudicial para la estabilidad del sistema. Con el fin de suprimir las oscilaciones derivadas del caos y la zona muerta, se propone un controlador de backstepping adaptativo acelerado en el que se establece un auxiliar adaptativo para compensar la influencia de la zona muerta no simétrica en el rendimiento de estabilidad, junto con el T2SFNN diseñado para aproximar funciones desconocidas de sistema dinámico. Además, se introduce la función de velocidad para acelerar la velocidad de convergencia del sistema de control, y el problema de la explosión de términos complejos en el backstepping tradicional es resuelto exitosamente por un diferenciador de seguimiento de segundo orden. Finalmente, los resultados de la simulación muestran que el esquema de control propuesto puede garantizar la convergencia asintótica de todas las señales en el sistema de circuito cerrado, además de satisfacer las restricciones de los estados y lograr los propósitos de supresión del caos y convergencia acelerada.