DESARROLLO DE UN SISTEMA DE CONTROL FINO DE TEMPERATURA EN UNA CUNA DE CALOR RADIANTE

DAVID HENAO GONZÁLEZ DIEGO ALEJANDRO VERA PRADO

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE PEREIRA FACULTAD DE INGENIERÍAS: ELÉCTRICA, ELECTRÓNICA, FÍSICA, CIENCIAS DE LA COMPUTACIÓN PROGRAMA DE INGENIERÍA ELÉCTRONICA PEREIRA 2015

DESARROLLO DE UN SISTEMA DE CONTROL FINO DE TEMPERATURA EN UNA CUNA DE CALOR RADIANTE

DAVID HENAO GONZÁLEZ DIEGO ALEJANDRO VERA PRADO

Proyecto de grado presentado como requisito parcial para optar el título de Ingeniero Electrónico

Director ING. RODRIGO ANDRES FRANCO LUNA

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE PEREIRA FACULTAD DE INGENIERÍAS: ELÉCTRICA, ELECTRÓNICA, FÍSICA, CIENCIAS DE LA COMPUTACIÓN PROGRAMA DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA PEREIRA 2015

Nota de aceptación: _____________________________ _____________________________ _____________________________ _____________________________ _____________________________ _____________________________

_____________________________ Director Ing. Rodrigo Andrés Franco Luna

_____________________________ Jurado

_____________________________ Director del programa de Ingeniería electrónica

Pereira, Junio de 2015

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AGRADECIMIENTOS

Le agradezco a mi madre y a mi hermana quienes me han comprendido y apoyado incondicionalmente a lo largo de este proceso, al director de trabajo de grado el ingeniero Rodrigo Andrés Franco Luna, maestro y amigo quien con un horario sin límites y actitud generosa nos ha acompañado en todo momento, a la Universidad Tecnológica de Pereira y a todos sus docentes por contribuir y ser parte no solo de mi formación profesional sino también por inculcarme valores, a Clinilab S.A.S por darnos la oportunidad de realizar este trabajo de grado en base a un equipo biomédico diseñado por ellos anteriormente. David Henao González.

Agradezco a mi familia mis padres y hermanos por haber sido mi apoyo constante en esta etapa de la vida, siempre estuvieron presente y me brindaban su apoyo incondicional para seguir adelante, agradezco al Ingeniero Rodrigo Andrés Franco Luna por su acertada dirección en la elaboración del presente Proyecto, a mis amigos y compañeros de vida y de la Universidad con quien compartí experiencias que me ayudaban a crecer espiritual y profesionalmente, por ultimo a todos los docentes que hacen parte de la Universidad Tecnológica de Pereira , sin sus conocimientos y recomendaciones no habría sido posible llegar hasta este punto. Diego Alejandro Vera Prado.

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TABLA DE CONTENIDO pág. 1.

DEFINICIÓN DEL PROBLEMA ..................................................................... 10

2.

JUSTIFICACIÓN ............................................................................................ 11

3.

OBJETIVOS ................................................................................................... 12 3.1 3.2

4.

OBJETIVO GENERAL ............................................................................. 12 OBJETIVOS ESPECIFICOS .................................................................... 12

PROCESO DE TERMOREGULACIÓN .......................................................... 13 4.1 TERMOREGULACION ............................................................................ 13 4.2 TRASFERENCIA DE CALOR .................................................................. 13 4.2.1 Conducción. ......................................................................................... 13 4.2.2 Convección .......................................................................................... 14 4.2.3 Radiación ............................................................................................. 14 4.2.4 Evaporación ......................................................................................... 14 4.3 NEONATO ............................................................................................... 14 4.4 AMBIENTE TERMICO NEUTRAL............................................................ 14 4.5 TEMPERATURA CORPORAL ................................................................. 15 4.5.1 Hipotermia ............................................................................................ 15 4.5.2 Hipertermia ....................................................................................... 15

5.

CUNA DE CALOR RADIANTE ...................................................................... 16 5.1 DESCRIPCION DEL FUNCIONAMINETO INICIAL ................................. 16 5.2 ELEMENTO CALEFACTOR .................................................................... 17 5.3 EL CONTROL Y MONITORIZACIÓN DE LA TEMPERATURA ................ 17 5.3.1 Modo manual ....................................................................................... 17 5.3.2 Modo control paciente .......................................................................... 18 5.4 ALARMAS DISPONIBLES ....................................................................... 18 5.4.1 Alarma del Sensor................................................................................ 18 5.4.2 Alarma por temperatura alta o baja ...................................................... 18 5.4.3 Alarma de Control ................................................................................ 18 5.5 INTERFAZ DE USUARIO ........................................................................ 19 5.6 CONTROL REGULADO .......................................................................... 21

6.

TECNICAS DE CONTROL ............................................................................. 22 6.1 TERMINOLOGIA EN EL ASOCIADA AL ESTUDIO DEL CONTROL ....... 22 6.1.1 Planta ................................................................................................... 22 6.1.2 Sistema ................................................................................................ 22 6.1.3 Perturbación ......................................................................................... 22 6.1.4 Control realimentado ............................................................................ 22 6.1.5 Sistema de control en lazo cerrado ...................................................... 22

5

6.1.6 Sistemas de control en lazo abierto ..................................................... 23 6.1.7 Función de Transferencia. ................................................................... 23 6.2 ACCIONES DE CONTROL. ..................................................................... 26 6.2.1 Control On - Off .................................................................................... 26 6.2.2 Acción de control proporcional (P) ....................................................... 27 6.2.3 Acción de control integral (I) ................................................................ 28 6.2.4 Control proporcional - integral (P-I). ..................................................... 29 6.2.5 Control proporcional - derivativo (PD). ................................................. 30 6.2.6 Control proporcional - integral - derivativa (PID). ................................. 31 7.

SISTEMAS EN TIEMPO DISCRETO ............................................................. 33 7.1 PERÍODO DE MUESTREO ..................................................................... 34 7.2 MUESTREO DE SEÑALES CONTINUAS ............................................... 35 7.3 TRANSFORMADA Z................................................................................ 36 7.3.1 Muestreo en Función de Transferencia................................................ 36 7.4 CAMBIO DE OPERADORES LINEALES ................................................. 38 7.4.1 Ecuaciones Diferencias hacia adelante (Forward) ............................... 38 7.4.2 Ecuaciones Diferencias hacia atrás (Backward) .................................. 38 7.4.3 Transformación bilineal (Tustin) ........................................................... 39 7.5 ANÁLISIS DE SISTEMAS EN TIEMPO DISCRETO ................................ 39

8.

INTRODUCCION AL CONTROL ADAPTATIVO ........................................... 41 8.1 ADAPTACION EN LAZO ABIERTO O AJUSTE DE GANACIA ................ 43 8.2 ADAPTACION EN LAZO CERRADO O POR REALIMENTACION ......... 44 8.2.1 MRAC (Model – Reference Adaptative Controller) .............................. 44 8.2.2 Esquema de alta ganancia ................................................................... 45 8.2.3 Esquema en paralelo ........................................................................... 46 8.2.4 STR (Controladores Autoajustables).................................................... 46

9.

IDENTIFICACION DE PARAMETROS DE SISTEMAS ................................ 48 9.1 IDENTIFICACION DE SISTEMAS ........................................................... 48 9.2 PROCESO DE IDENTIFICACIÓN ........................................................... 48 9.2.1 Obtención de datos de Entrada – Salida.............................................. 48 9.2.2 Tratamiento previo de los datos registrados ........................................ 48 9.2.3 Determinar la estructura del modelo .................................................... 48 9.2.4 Estimación de los parámetros del modelo .......................................... 49 9.3 MÉTODOS DE IDENTIFICACIÓN OFF-LINE .......................................... 50 9.4 MÉTODOS DE IDENTIFICACIÓN ON-LINE ............................................ 51 9.4.1 RLS (Mínimos Cuadrados Recursivos) ................................................ 51 9.4.2 RLS Normalizado ................................................................................. 51 9.4.3 RLS Factor De Olvido ......................................................................... 52 9.4.4 Algoritmo de Proyección ...................................................................... 52 9.5 VALIDACIÓN DEL MODELO ................................................................... 53

10. METODOLIGIA PARA EL DISEÑO E IMPLEMENTACION DEL CONTROLADOR FINO ......................................................................................... 54 6

10.1 PRECISIÓN DE LOS DATOS DE FUNCIONAMIENTO ........................... 58 10.2 ACONDICIONAMIENTO DE LA SEÑAL .................................................. 58 10.3 ADQUISICION Y PROCESAMIENTO DE DATOS ................................... 60 10.3.1 Funciones de Arduino....................................................................... 61 10.4 ETAPA DE POTENCIA ............................................................................ 62 10.4.1 Potenciometro Programable. MCP4141-103 .................................... 63 10.4.2 Conversor de tensión a corriente XTR110KP. .................................. 63 10.4.3 Ajuste de zero y span. ...................................................................... 64 10.4.4 Rele de estado solido SRPH1-A220 Autonics. ................................. 64 10.5 IDENTIFICACION FUNCION DE TRANSFERENCIA .............................. 66 10.6 DISEÑO DEL CONTROLADOR POR UBICACIÓN DE POLOS .............. 67 10.7 DISEÑO DEL CONTROLADOR .............................................................. 67 11. 11.1 11.2 11.3 11.4

RESULTADOS ........................................................................................... 74 ESTIMACION DE PARAMETROS EN LINEA .......................................... 74 RESULTADOS OBTENIDOS VALIDANDO LA NORMA .......................... 77 COMPORTAMIENTO ANTE PERTURBACIONES .................................. 81 COMPARACIÓN CONTROLADORES ON-OFF Y ADAPTATIVO.......... 83

12.

CONCLUSIONES GENERALES ................................................................ 84

13.

RECOMENDACIONES............................................................................... 86

BIBLIOGRAFÍA ..................................................................................................... 87 ANEXOS……………………………………………………...…………………………...89

7

LISTA DE FIGURAS

pág. Figura 1: Cuna de Calor Radiante CLINIWARM II ................................................. 16 Figura 2: Elemento Calefactor ............................................................................... 17 Figura 3: Panel Frontal Cuna calor radiante CLINIWARM II .................................. 19 Figura 4: Diagrama de bloques funcional de un microcontrolador ......................... 20 Figura 5: Respuesta escalón unitario sistema segundo orden con varios valores de amortiguamiento. Tomado [18] .............................................................................. 24 Figura 6: Curva de respuesta a un escalón unitario Tomado [18] ......................... 25 Figura 7: Diagrama de bloques de un sistema de control. ..................................... 26 Figura 8: Diagrama de bloques de un controlador on-off. ..................................... 27 Figura 9 : Diagrama de Bloques Control Proporcional ........................................... 27 Figura 10: Diagrama de Bloques Control Integral .................................................. 28 Figura 11: Diagrama de Bloques Control Proporcional Integral ............................. 30 Figura 12: Diagrama de bloques proporcional derivativo. ...................................... 31 Figura 13: Diagrama de Bloques control proporcional - integral - derivativo. ......... 32 Figura 14: Relación entrada/salida de un sistema discreto. Tomado de [19]. ........ 33 Figura 15: Estructura básica de un sistema de control digital. Tomada de [20]. .... 34 Figura 16: Sistema de Control Digital Tomado de [22]. ......................................... 36 Figura 17: Sistema equivalente en Función de Transferencia del sistema completo de Control Digital Tomado de [22]. ....................................................................... 37 Figura 18: Estabilidad y correspondencia entre plano s y plano z [20]. ................. 40 Figura 19 : Configuración básica control adaptativo Tomada [23] ......................... 43 Figura 20: Diagrama de Bloques de control de lazo abierto .Tomada [23] ............ 44 Figura 21: Diagrama de bloques control Adaptativo MRAC Tomada [23] .............. 45 Figura 22: Diagrama de control Alta Ganancia MRAC .......................................... 45 Figura 23: Diagrama de control en Paralelo .......................................................... 46 Figura 24: Diagrama de bloques controlador Autoajustable Tomada [23] ............. 46 Figura 25 : Diagrama de Flujo de la Implementación del STR ............................... 47 Figura 26 : Etapas para la Identificación de Parámetros ....................................... 53 Figura 27 : Disposición de los dispositivos de ensayo ........................................... 54 Figura 28: Dispositivos de ensayo ......................................................................... 55 Figura 29 : Dispositivos de Ensayo ....................................................................... 55 Figura 30 : Diagrama funcional del sistema de adquisición y procesamiento de datos ............................................................................................................................... 57 Figura 31 : Discos mecanizados ubicados en el Colchón ...................................... 58 Figura 32 : Esquema del Circuito Electrónico ........................................................ 58 Figura 33: Circuito Impreso .................................................................................... 60 Figura 34: Arduino UNO ........................................................................................ 61 Figura 35: Diagrama esquematico de la etapa de potencia. .................................. 62 Figura 36: Descripción de pines MCP4141-103 .................................................... 63 Figura 37 : Conversor de tensión a corriente con ajuste y zero y span. ................ 64 8

Figura 38: Conexión recomendada por el fabricante. ............................................ 64 Figura 39: Valores tipicos de control de potencia por angulo de fase. ................... 65 Figura 40 : Control de salida del ángulo de fase proporcional a la señal de control de entrada (4-20mA). ............................................................................................. 65 Figura 41 : Entrada y Salida de la Señal ................................................................ 66 Figura 42: Figura Controlador ................................................................................ 68 Figura 43Modelo de Lazo cerrado ......................................................................... 68 Figura 44 : Diagrama de Bloques por Ubicación de Polos. .................................... 71 Figura 45: Diagrama de Bloques Hlc en Simulink................................................... 73 Figura 46: Respuesta en Lazo cerrado. ................................................................. 73 Figura 47 : Representación de los Algoritmos de Estimación ................................ 74 Figura 48: Evolución Paramétrica .......................................................................... 76 Figura 49: Verificación de temperaturas en los discos de ensayo ......................... 77 Figura 50 : Sistema de adquisición de datos y STR físico. .................................... 78 Figura 51: Verificación de temperatura cutánea en Modo Bebe Controlado ......... 79 Figura 52 : Evolución Paramétrica del Controlador................................................ 79 Figura 53: Evolución de la señal de entrada u ...................................................... 80 Figura 54: Validación de temperatura con patrón .................................................. 80 Figura 55: Perturbación en el sistema ................................................................... 81 Figura 56 : Perturbación ........................................................................................ 82 Figura 57: Evolución de la señal de entrada ante una perturbación ...................... 82 Figura 58 : Evolución de los parámetros ante una perturbación ............................ 83 Figura 59 : Comparación de controladores ............................................................ 83

9

1.

DEFINICIÓN DEL PROBLEMA

En la actualidad los prestadores de servicios de salud del país, deben de cumplir con las condiciones necesarias para habilitar sus servicios según como lo establece la resolución 1441 de 2013 del ministerio de salud y protección social [1]. Las salas de parto deben contar con equipos médicos especializados para atención y cuidado del recién nacido (RN) o neonato, entre estos equipos se encuentra una cuna de calor radiante la cual es básicamente un dispositivo conformado de un generador infrarrojo de cuarzo que produce calor radiante creando un ambiente agradable y una temperatura óptima que calienta rápida y suavemente la piel del bebé, minimizando las probabilidades de sufrir una hipotermia, la principal ventaja de este dispositivo a diferencia de una incubadora es el fácil acceso al neonato, el cual permite varias intervenciones médicas [2] como es limpieza, intubación de sondas [3], introducción catéteres, monitoreo de signos vitales entre otros. En condiciones normales la temperatura uterina se encuentra alrededor 37.9°C. Al nacer, la transición del ambiente intrauterino al extrauterino genera un cambio de temperatura significativo que pone a prueba la capacidad de termorregulación del recién nacido, debido a la fragilidad del sistema corporal, los neonatos son vulnerables tanto al calentamiento como al enfriamiento. Por lo tanto, mientras menor sea su peso en el recién nacido, mayor es la diferencia entre la habilidad de producir calor (masa) y la pérdida de calor (área de superficie). [4]. En el 2004 la empresa Clinilab S.A.S ubicada en la ciudad de Pereira desarrolló una cuna de calor radiante llamada CLINIWARM II. Con el tiempo estas cunas comenzaron a presentar fallas de confiabilidad y mantenimiento, pues el tiempo medio entre fallas (MTBF [5]) era demasiado corto, razón por la cual algunos clientes optaron por buscar el reemplazo total de la máquina, el sistema de acondicionamiento de señales presenta problemas de ajuste lo cual provoca errores en el controlador de temperatura. Según la norma internacional IEC 60601-2-21 [6] la temperatura neonatal en estado de estabilidad térmica el error debe ser menor a 0.5 °C, la cuna CLINIWARM II al tener un controlador tipo ON-OFF está alejada de esta norma ya que esta puede alcanzar variaciones de hasta los 1°C, dado la naturaleza del algoritmo de control se garantiza siempre oscilaciones en su estado estable. La acumulación de todos estos pequeños problemas hacen que la cuna de calor radiante Cliniwarn II elaborada por la empresa CLINILAB SAS , pierda credibilidad y posicionamiento en el mercado de todos sus productos, otorgando ventajas a sus competidores directos de la región.

10

2.

JUSTIFICACIÓN

Inicialmente lo que se busca es mejorar el control de temperatura de la cuna de calor radiante CLINIWARM II recuperando la credibilidad, innovación y calidad en sus productos por lo cual se evidencia una gran oportunidad de rediseño para concebir desde el principio una solución general que aborde este conjunto de problemas. Si no se toman las medidas correctivas necesarias en la cuna y se sigue operando como está actualmente podría causar daños en la salud en un neonato debido a la fragilidad de sus órganos y su capacidad de termorregulación ocasionando problemas como hipotermia, hipertermia, daños cerebrales incluso la muerte. Son muchas las aplicaciones en las cuales encontramos un control ON-OFF como calentadores y refrigeradores domésticos, también son usados en aplicaciones industriales no críticas como algunos lazos de control de nivel o sistemas de calentamiento, estos controladores son simples pero poco efectivos [7] para controlar la temperatura en una cuna de calor radiante, por consiguiente se necesita indagar otras en técnicas de control para establecer cuál es la que mejor se ajusta para cumplir la norma internacional IEC 60601-2-21 y la resolución 00001441 de 2013 del ministerio de salud y protección social en Colombia.

11

3.

OBJETIVOS

3.1 OBJETIVO GENERAL

Diseñar e implementar un sistema de instrumentación y control para la variable de temperatura presente en la cuna de calor radiante CLINIWARM II.

3.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS 

Identificar el modelo de la cuna de calor radiante presente en la CLINIWARM II.



Definir la técnica de control funcional que cumpla con la norma internacional IEC 60601-2-21.



Desarrollar e implementar el sistema de control de la variable de temperatura presente en la cuna de calor radiante.



Verificar y realizar comparación de resultados obtenidos del controlador nuevo frente al anterior.

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4. PROCESO DE TERMOREGULACIÓN

4.1 TERMOREGULACION La sociedad iberoamericana de neonatología SIBEN define la termorregulación como una función fisiológica crítica en el neonato ligada a la supervivencia y a la habilidad de mantener un equilibrio entre la producción y la pérdida de calor para que la temperatura corporal esté dentro de cierto rango normal [15]. En un neonato la termorregulación es importante, porque a través del hipotálamo permite controlar los estímulos térmicos que proporcionan información al cerebro que provienen de la piel, de receptores térmicos profundos y del área preóptica, la cual contiene un gran número de neuronas receptoras de temperatura corporal del hipotálamo. En el hipotálamo, la información que describe el estado térmico corporal se procesa y se compara con el punto de set del sistema de control térmico [8]. Las principales fuentes de pérdida de calor son las paredes frías del quirófano o sala de partos y cercanía con ventanas y exteriores. El conocimiento de estos factores permite efectuar las medidas para evitarlos y proporcionar un ambiente térmico neutro tanto en la sala de partos y quirófanos como en las unidades de cuidados especiales del neonato [4].

4.2 TRASFERENCIA DE CALOR La transferencia de calor es debida a una gradiente (de más alta a más baja temperatura), a mayor gradiente, mayor es el flujo de calor. El niño es térmicamente insensible a la vía de pérdida o ganancia de calor, en otras palabras, la respuesta térmica al enfriamiento es la misma sin importar la forma en que se perdió el calor, este se gana o se pierde por convección, conducción, radiación y evaporación [11][12].

4.2.1 Conducción. Se entiende como pérdida o ganancia de calor corporal en superficies frías o calientes que se encuentran en contacto directo con el RN como por ejemplo: Balanzas, colchones, radiológicas, entre otros. Por tal razón se debe valorar la temperatura de los objetos que entran en contacto con el neonato [11][12].

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4.2.2 Convección Es la pérdida o ganancia de calor corporal que se ejerce por una corriente de aire o líquido que envuelve al RN, por ejemplo: la inmersión del bebé durante el baño a temperatura inadecuada conlleva a una pérdida de calor considerable. Existen otras fuentes de pérdida de calor que se deben controlar como ventanas, aire acondicionado, ventiladores, corredores entre otros [11][12]. 4.2.3 Radiación Es la pérdida o ganancia de calor corporal hacia objetos que no están en contacto, debido a que el flujo de calor radiante no implica contacto físico por lo general es ignorado y no atendido, por lo cual es muy importante antes de ingresar al RN en la cuna de calor radiante realizar un precalentamiento, algunos modelos de cunas ya incluyen esta función [11][12]. 4.2.4 Evaporación Es la pérdida de calor asociada a la exposición de la piel, tracto respiratorio o sudoración del RN por lo cual es importante aplicar lociones, soluciones y compresas húmedas las cuales reduzcan la descompensación de temperatura del bebé. Los factores que aumentan las pérdidas por evaporación son: Velocidad del aire, superficie corporal y cabello húmedo del neonato en la sala de partos o quirófano [11][12]. El conocimiento de estos mecanismos ayudan prevenir y a proporcionar las medidas necesarias para garantizar un ambiente térmico neutro tanto en las salas de parto, quirófanos y salas de cuidados intensivos.

4.3 NEONATO Un neonato o también denominado "recién nacido". Es el período que comprende las primeras 4 semanas de la vida de un bebé contados desde el día de su nacimiento, ya sea que haya sido por parto natural o por cesaría, este representa un tiempo en el que los cambios son muy rápidos y se pueden presentar muchos eventos críticos. Este término se aplica tanto a Bebes nacidos antes de tiempo, en tiempo y forma o pasados los nueves meses de embarazo [16].

4.4 AMBIENTE TERMICO NEUTRAL Ambiente térmico neutral se define como el rango de temperatura del ambiente en la cual la tasa metabólica (consumo oxígeno) es mínima y la termorregulación se logra sin control vasomotor. Dentro de este rango el niño está en equilibrio con el 14

ambiente. Es decir la ingestión de calorías se empleara en el crecimiento y desarrollo del bebe en lugar de utilizarse para el mantenimiento de la temperatura.

4.5 TEMPERATURA CORPORAL En el recién nacido, la capacidad de producir calor es limitada y los mecanismos de pérdidas pueden estar aumentados, según la edad gestacional y los cuidados en el momento del nacimiento y el periodo de adaptación. Valores normales de temperatura en el recién nacido a término (OMS 1997) 

Temperatura corporal central normal: Se considera a la temperatura axilar y rectal. El valor normal es de 36,5 - 37,5 °C.



Temperatura de piel: Se considera a la temperatura abdominal. El valor normal es de 36,0 -36,5 °C). Academia Americana de Pediatría (AAP) [16].

4.5.1 Hipotermia El equilibrio térmico se ve afectado por la humedad relativa, flujo de aire, la proximidad de las superficies frías, y la temperatura del aire ambiente. Los recién nacidos son particularmente propensos a la pérdida rápida de calor y la consiguiente hipotermia debido a una alta área de superficie a volumen, lo que es particularmente alta en los recién nacidos de bajo peso al nacer. La pérdida de calor radiante se produce cuando la piel desnuda se expone a un entorno que contiene objetos de temperatura más fresca. La pérdida de calor por evaporación se produce cuando los recién nacidos están mojadas con el líquido amniótico. La pérdida de calor por conducción se produce cuando el recién nacido se coloca en contacto con una superficie fría o un objeto. La hipotermia también puede ser causada por las condiciones patológicas que deterioran la termorregulación (por ejemplo, sepsis, hemorragia intracraneal) [17]. 4.5.2 Hipertermia Este es un evento que puede suceder tanto en el RNT como en el prematuro. Se define con una temperatura axilar de mayor 37,5ºC, con el esfuerzo del organismo por disipar calor, ocurre vasodilatación periférica Puede ser en consecuencia de anomalías en el SNC, por sustancias tóxicas que afectan el centro de termorregulación, como en las infecciones bacteriana en las que se liberan toxinas o también se puede deber a condiciones ambientales, los cuales deberían ocurrir dado los sistemas de control que tienen las incubadoras y calefactores radiantes, los cuales presuponen siempre una buena enfermería.

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5.

CUNA DE CALOR RADIANTE

Es básicamente un dispositivo conformado de un generador de rayos infrarrojos de cuarzo que produce calor radiante creando un ambiente agradable y una temperatura óptima que calienta rápida y suavemente la piel del bebé, Una cuna de calor radiante debe tener como objetivo mantener al paciente lo más cerca posible de la termoneutralidad (recordemos que este concepto se define como la temperatura ambiente en la cual el consumo de oxígeno y el metabolismo del neonato se reduce al mínimo). Si esto se logra, la ingestión calórica del neonato se destinará al crecimiento, en lugar de al mantenimiento de la temperatura [18] y minimizando las probabilidades de sufrir una hipotermia, la principal ventaja de este dispositivo a diferencia de una incubadora es el fácil acceso al neonato, el cual permite varias intervenciones médicas [2] como es limpieza, intubación de sondas [3], introducción catéteres, monitoreo de signos vitales entre otros.

5.1 DESCRIPCION DEL FUNCIONAMINETO INICIAL En la figura número 1 se puede apreciar la cuna de CLINIWARM II, En general, consiste en una plataforma estable; que además, está abierta al ambiente y sobre la que existe un colchón donde descansa el paciente. El perímetro de esta plataforma está delimitado por medio de unas paredes abatibles construidas con material trasparente y de escasa altura, creando un micro clima que ayuda a reducir las pérdidas por convección y brindan seguridad ante caídas accidentales del neonato, adicionalmente permite la administración, si fuera necesario de fototerapia, ventilación mecánica y otros tratamientos. Figura 1: Cuna de Calor Radiante CLINIWARM II

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5.2 ELEMENTO CALEFACTOR La cuna térmica dispone de un sistema calefactor radiante en conjunto con una parábola de material reflectivo, situado a 1.5 m sobre el colchón para conseguir la temperatura deseada en el paciente. Al igual que en las incubadoras, resulta crítico que la cuna térmica utilizada sea capaz de mantener la temperatura en la zona termoneutra de la forma más estable posible. Además, fundamental que el calor irradiado sobre el colchón sea lo más uniforme posible en toda su superficie Figura 2: Elemento Calefactor

5.3 EL CONTROL Y MONITORIZACIÓN DE LA TEMPERATURA Es asumido por un sistema electrónico gobernado por un microcontrolador. Los algoritmos de control de temperatura están incluidos en el programa informático que ejecuta el procesador. El usuario puede optar, de forma general, por dos modos diferentes de funcionamiento: 5.3.1 Modo manual En este modo se establece un valor de referencia de temperatura que es equivalente a la potencia suministrada al elemento calefactor. En este modo se monitoriza la temperatura que se obtiene a través del sensor de temperatura de piel.

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Tabla 1: Tabla de Equivalencia Potencia - Temperatura

NIVEL DE POTENCIA 1 TEMPERATURA °C 27

2 29

3 31

4 34

5 35

6 36

7 37

8 38

9 39

5.3.2 Modo control paciente En este modo se establece un valor de referencia (temperatura de control) para la temperatura deseada en el paciente. La cuna térmica intentará igualar la temperatura de control con la del paciente (en este modo es imprescindible el uso y correcta colocación de una sensor de temperatura de paciente). Como es lógico, se establecen alarmas por diferencias de temperatura entre la de control y la de paciente.

5.4 ALARMAS DISPONIBLES

5.4.1 Alarma del Sensor Detecta cualquier problema en el sensor de temperatura que se ajusta al recién nacido, en caso de estar desconectado o detectar alguna falla emite una señal luminosa y sonora. El indicador de temperatura marca 00 si esta desconectado, si el caso es un corto en el sensor marca 50 oscilan los display y se enciende el indicador de alarma alta bloqueando el equipo hasta hacer la revisión respectiva. 5.4.2 Alarma por temperatura alta o baja Mantiene controlada la temperatura seleccionada, en caso de presentarse una disminución o un incremento por encima del margen de seguridad programado en el microcontrolador del equipo este emite una señal luminosa y sonora. 5.4.3 Alarma de Control Cada diez minutos el equipo hace un chequeo del sistema y emite una señal sonora que llama la atención del operario y le indica que el equipo está funcionando correctamente.

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5.5 INTERFAZ DE USUARIO El microcontrolador se encarga de manejar visualizador, un conjunto de botones y un pequeño altavoz los cuales actúan como interfaces con el usuario. Estos elementos permiten al usuario establecer los parámetros de funcionamiento del equipo, visualizar los datos medidos y recibir las alarmas visuales y acústicas que puedan producirse.

Figura 3: Panel Frontal Cuna calor radiante CLINIWARM II

5.5 MICROCONTROLADOR Los microcontroladores están presentes en muchos dispositivos electrónicos que empleamos en nuestra vida cotidiana, aunque hay gran diversidad, los principios de funcionamiento y las arquitecturas de muchos microcontroladores son compartidas, un microcontrolador está compuesto de una Unidad de procesamiento, CPU, memoria y recursos de entrada y salida en un solo circuito integrado, además dispone de un oscilador que puede ser de tipo RC, sin embargo, se prefiere el cristal de cuarzo debido a la gran estabilidad en frecuencia, la velocidad de ejecución de las instrucciones del programa están en relación directa con la frecuencia del oscilador. La figura 4, describe el diagrama de bloques funcional de un microcontrolador. Un microcontrolador está caracterizado por tener un espacio optimizado, es idóneo para cada aplicación, posee seguridad en el funcionamiento, bajo consumo de energía y protección de los programas frente a copias. [14].

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Actualmente los controladores digitales están basados en microcontroladores, estos operan sobre números, pueden manejar ecuaciones de control no lineales que involucran cálculos complicados u operaciones lógicas, son muy versátiles dado que permiten implementar técnicas de control más complejas que los mismos controladores analógicos. La toma de decisiones es una de sus funciones más importantes, estos se emplean en planta industriales para resolver problemas relacionados con la operación óptima. En las cunas de calor radiante los microcontroladores son utilizados, para el procesamiento de las señales provenientes de la instrumentación y control de los sensores de temperatura, actuadores, periféricos de entrada y salida, como botones, paneles táctiles, teclados, entre otros. También permite la elección de operación ya sea en modo manual o servocontrolado. Es parte esencial en el diseño de la cuna, dado que actúa como cerebro para el funcionamiento de la misma.

Figura 4: Diagrama de bloques funcional de un microcontrolador

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5.6 CONTROL REGULADO Por otro lado, la utilización de algoritmos de control de temperatura más eficientes permite que la variación de la temperatura sobre el colchón de la cuna térmica sea mínima respecto de la especificada, limitando los picos de variación y minimizando así el estrés térmico del neonato. En este sentido resulta más ventajosa la utilización de un sistema de control en cascada frente a los más convencionales sistemas proporcionales. En el control en cascada los aportes de energía aplicados al calefactor se entregan poco a poco, observando el cambio obtenido para salvar la diferencia de temperatura entre la temperatura de control y la medición, de forma que la primera no es sobrepasada. En este caso no es necesario esperar al enfriamiento y posterior calentamiento, lo cual produciría un mayor estrés térmico del paciente como puede suceder en un sistema proporcional.

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6.

TECNICAS DE CONTROL

Las técnicas de control han mejorado con el tiempo, por lo cual es importante conocer las bases de la teoría de control para entender su funcionamiento. El objetivo del control es medir los valores en la variable controlada del sistema por lo cual la variable manipulada se modifica para afectar directamente a la variable controlada.

6.1 TERMINOLOGIA EN EL ASOCIADA AL ESTUDIO DEL CONTROL 6.1.1 Planta La planta es un conjunto de partes de cualquier sistema físico que se desea controlar. 6.1.2 Sistema Un sistema es un conjunto de componentes que trabajan juntos para lograr un objetivo determinado. 6.1.3 Perturbación Una perturbación es una señal que afecta la variable que se controla en el sistema. Las perturbaciones son internas cuando se dan dentro del sistema, o externas cuando se dan por fuera del sistema y pueden ser confundidas por una entrada. 6.1.4 Control realimentado El control realimentado es la comparación entre la entrada de referencia del sistema y la salida deseada, una vez se obtiene el resultado de la comparación este es utilizado para controlar el sistema. 6.1.5 Sistema de control en lazo cerrado Los sistemas de control en lazo cerrado son aquellos en los que la señal de salida del sistema (variable controlada) tiene un efecto directo en la acción de control (variable de control). El término control de lazo cerrado implica una acción de control realimentado para reducir el error del sistema

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6.1.6 Sistemas de control en lazo abierto Se dice que un sistema de control en lazo abierto la salida no afecta la acción de control. La salida puede ser o no medida, sin afectar la medición del controlador. 6.1.7 Función de Transferencia. Los sistemas de control dependen de la estabilidad del sistema. Un sistema es estable si a pesar de alguna perturbación, la salida permanece en el mismo estado. Debemos conocer las características del sistema a través de su función de transferencia. La mayoría de los sistemas de control actuales generalmente son no lineales, pero a través de procesos matemáticos los podemos modelar; por lo cual debemos analizar la respuesta transitoria de la planta para poder implementar las acciones de control deseadas. Cuando analizamos de la respuesta transitoria optemos como resultado la Función de Transferencia de la planta a controlar. La mayoría de los sistemas de control tiene funciones de transferencia de segundo orden y son modelados por la Ecuación (1).

𝐶(𝑠) 𝑤𝑛2 = 𝑅(𝑠) 𝑠 2 + 2𝜁𝑤𝑛 𝑠 + 𝑤𝑛2 Ecuación 1 Donde

wn : Frecuencia natural no amortiguada.  : Factor de amortiguamiento Relativo

El sistema tiene dos polos en: 𝑠 = −𝜁 ± 𝑤𝑛√𝜁 2 −1 Ecuación 2 Para :

 1

Dos polos reales diferentes. "Caso sobre amortiguado".

 1

Dos polos reales e iguales. "Caso críticamente amortiguado".

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0   1

Dos polos complejos conjugados. "Caso subamortiguado".

 0

Dos polos complejos conjugados puros. "Caso oscilador".

En la figura 5 se muestran diferentes gráficos para los factores de amortiguamiento descritos bajo una entrada escalón unitario, estas características de desempeño de un sistema de control se especifican en términos de la respuesta transitoria para una entrada escalón Figura 5: Respuesta escalón unitario sistema segundo orden con varios valores de amortiguamiento. Tomado [18]

La respuesta transitoria para una entrada escalón unitario de un sistema de control con frecuencia oscilaciones amortiguadas antes de alcanzar el estado estable. Estas especificaciones se definen a continuación y se muestran en forma gráfica en la figura siguiente:

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Figura 6: Curva de respuesta a un escalón unitario Tomado [18]

  

Tiempo de retardo, td: Es el tiempo para que la respuesta alcance la primera vez la mitad del valor final. Tiempo de levantamiento, tr : Tiempo para que la respuesta pase del 10 al 90%, del 5 al 95% ó del 0 al 100% de su valor final. Tiempo pico, tp. Tiempo en el cual la respuesta alcanza el primer pico del sobrepaso (máximo sobreimpulso). El tiempo pico es inversamente proporcional a la frecuencia natural amortiguada.

𝑡𝑝 =

𝜋 𝑤𝑑 Ecuación 3



Máximo sobreimpulso Mp: Es el valor pico máximo de la curva de respuesta, medido a partir de la unidad. El máximo sobreimpulso normalmente se indica en porcentaje. La cantidad de sobrepaso máximo indica de manera directa la estabilidad relativa del sistema.

𝑀𝑝 =

𝜁𝜋 2 √1−𝜁 𝑒

Ecuación 4 

Tiempo de asentamiento ts: Tiempo que se requiere para que la curva de respuesta alcance un rango alrededor del valor final del tamaño especificado por el porcentaje absoluto del valor final (por lo general, de 2 a 5%) y

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permanezca dentro de él. El tiempo de asentamiento se relaciona con la mayor constante de tiempo del sistema de control. 𝑡𝑠 =

𝐶 𝜁𝑤𝑛 Ecuación 5

Donde C es 4 para un criterio de 2% o 3 para un criterio de 5%.

6.2 ACCIONES DE CONTROL. Cuando el controlador produce la señal de control se le denomina acción de control. Los controladores básicamente comparan el valor de la salida de la planta con la entrada de referencia, determina la desviación y produce una señal de control que reduce la desviación a cero o a un valor pequeño. El siguiente diagrama de bloques muestra un sistema de control general formado por un controlador, un actuador, una planta y un sensor. En el diagrama siguiente el controlador detecta la señal de error, el controlador amplifica la señal y la envía al actuador que produce la entrada a la planta; la salida de la planta es medida por un sensor que transforma la señal y la envía al controlador para que pueda ser comparada con la señal de referencia.

Figura 7: Diagrama de bloques de un sistema de control.

6.2.1 Control On - Off El modo de control ON - OFF es el más elemental y es un sistema de dos posiciones y que en muchos casos es simplemente el encendido o apagado del sistema. El

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control de dos posiciones o de es relativamente simple y barato, razón por la cual su uso es extendido en sistemas de control tanto industriales como domésticos. Supóngase que la señal de salida del controlador es u(t) y que la señal de error es e(t). En el control on/off, la señal u(t) permanece en un valor ya sea máximo o mínimo, dependiendo de si la señal de error es positiva o negativa, de este modo: 𝑢(𝑡) = 𝑈1 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑒(𝑡) ˃ 1 𝑢(𝑡) = 𝑈2 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑒(𝑡) ˂ 1 Ecuación 6 Donde U1 y U2 son constantes. Figura 8: Diagrama de bloques de un controlador on-off.

6.2.2 Acción de control proporcional (P) En este tipo de control la salida depende directamente del error. Se define como error a la diferencia entre el valor real o Medido y el valor de consigna o Set Point correspondientes a la variable del proceso que se está controlando.

Figura 9 : Diagrama de Bloques Control Proporcional

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𝐾𝑝 =

Kp: Ganancia Proporcional

𝑢(𝑡) 𝑒(𝑡)

Ecuación 7

u(t): Señal del controlador e(t): Señal de error.

6.2.3 Acción de control integral (I) Es un controlador cuyo valor de salida varía en razón proporcional a la señal del error e(t) acumulado; lo que implica que es un modo de controlar lento. Ki : ganancia integral Es una constante ajustable, la función de transferencia del control integral es:

𝑈(𝑆) 𝑘𝑖 = 𝐸(𝑆) 𝑆 Ecuación 8 Figura 10: Diagrama de Bloques Control Integral

6.2.4 Acción de control derivativa (D). Esta acción de control se adelanta a la señal de control frente a la aparición de una tendencia de error, esto hace que se anticipe al sistema, puesto que los retardos en controlar lo tienden a inestabilizar. La desventaja del control derivativo es prácticamente inaplicable ante la presencia de ruido, este hace que la variable de control tome valores contrapuestos y máximos. Cuando la pendiente de ruido entra como señal de error. Efectivamente el control derivativo puede efectuar correcciones antes de la magnitud del error e(t) que este sea significativa, ya que actúa en forma proporcional

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a la velocidad de variación de e(t) “velocidad de variación”. Si la derivada de e(t) es nula no hay acción, por parte del controlador, lo que implica que no tendrá ningún efecto con el error estacionario. También aumenta la amortiguación sobre las oscilaciones del sistema (tiende a estabilizar) permitiendo usar ganancias Kp más elevadas: Control derivativo:

𝑢(𝑡) = 𝐾𝐷

𝑑𝑒(𝑡) 𝑑(𝑡) Ecuación 9

KD = ganancia derivativa

Función de transferencia:

𝑈(𝑆) = 𝐾𝐷 . 𝑆. 𝐸(𝑆) Ecuación 10 El control derivativo tiene la ventaja de ser previsorio, pero también amplifica el ruido y provoca un efecto de saturación en el actuador. El control derivativo, nunca se usa solo, es eficaz en el periodo transitorio.

6.2.4 Control proporcional - integral (P-I). Un control P-I se define:

𝐾𝑝 𝑡 𝑢(𝑡) = 𝐾𝑝𝑒(𝑡) + ∫ 𝑒(𝑡)𝑑𝑡 𝑇𝑖 0 Ecuación 11

Donde: Ti = tiempo integral y es quien ajusta la acción integral. Ti = Ki

Su función de trasferencia está dada:

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𝑈(𝑠) 1 = 𝐾𝑝 (1 + ) 𝐸(𝑠) 𝑇𝑖𝑆 Ecuación 12

Figura 11: Diagrama de Bloques Control Proporcional Integral

En este caso Kp y Ti son ajustables. 6.2.5 Control proporcional - derivativo (PD). Un control P-D se define mediante:

𝑢(𝑡) = 𝐾𝑝𝑒(𝑡) + 𝐾𝑝𝑇𝑑

𝑑𝑒(𝑡) 𝑑𝑡

Ecuación 13

Donde: Td = tiempo derivativo Td = Kd

Su función de transferencia está dada por: 𝑈(𝑠) = 𝐾𝑝(1 + 𝑇𝑑𝑆) 𝐸(𝑆) Ecuación 14

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Figura 12: Diagrama de bloques proporcional derivativo.

6.2.6 Control proporcional - integral - derivativa (PID). Este sistema se encuentra los 3 tipos de control mencionados anteriormente y posee las ventajas de cada uno de los controles individuales. Kp Nos da una salida proporcional al error (amplifica la señal). Ki Da una salida proporcional al error acumulativo, nos da una respuesta lenta. KD Se comporta de una manera previsoria.

Su ecuación está dada: 𝐾𝑝 𝑡 𝑑𝑒(𝑡) 𝑢(𝑡) = 𝐾𝑝𝑒(𝑡) + ∫ 𝑒(𝑡)𝑑𝑡 + 𝐾𝑝𝑇𝑑 𝑇𝑖 0 𝑑𝑡 Ecuación 15 Su función de trasferencia 𝑈(𝑠) 1 = 𝐾𝑝 (1 + + 𝑇𝑑𝑆) 𝐸(𝑠) 𝑇𝑖𝑆 Ecuación 16

Donde Kp es la ganancia proporcional, Ti es el tiempo integral y Td es el tiempo derivativo.

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Figura 13: Diagrama de Bloques control proporcional - integral - derivativo.

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7.

SISTEMAS EN TIEMPO DISCRETO

En la actualidad, muchos sistemas de control se basan en sistemas digitales debido a la implementación de instrumentos computacionales en la mayoría de procesos de la industria y la ingeniería. Aunque el control digital puede ser entendido como una aproximación del control analógico, este brinda características ventajosas a nivel teórico que en el control analógico no se presentan. Por estas razones se hace importante el estudio e implementación de sistemas en tiempo discreto.. Un sistema en tiempo discreto se define como un dispositivo que actúa después de una excitación en la entrada por una señal que tiene un número finito de muestras en un intervalo dado. Se puede decir que a una entrada x(n) se espera una salida y(n) cuya relación está dada por [19]:

y(n)≡T {x(n)} Ecuación 17 Donde T se define como la operación aplicada a x(n) para obtener y(n). Esta relación se observa en la figura 14 como una representación en bloques.

Figura 14: Relación entrada/salida de un sistema discreto. Tomado de [19].

Básicamente un sistema de control digital se muestra en la figura 15, consta de un proceso que tiene una señal de salida analógica y(t) la cual se convierte a una señal digital y(tk) a través de un conversor A/D y luego es llevada a un algoritmo de control, después un conversor D/A toma la señal del u(tk) algoritmo y lo pasa nuevamente a la naturaleza continua del proceso. Este proceso depende totalmente del tiempo de muestreo tk y se sincroniza por medio de una señal de reloj [21].

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Figura 15: Estructura básica de un sistema de control digital. Tomada de [20].

El muestreo de una señal continua puede presentar fenómenos no naturales de un sistema lineal e invariante con el tiempo pero que pueden ser aprovechados para obtener resultados de control que con un sistema continuo no podrían ser posibles [21].

7.1 PERÍODO DE MUESTREO Es el período de tiempo donde cada una de las mediciones son convertidas de análogo a digital, el intervalo entre conversión y conversión es denominado periodo de muestreo (h). Podemos emplear varios tipos de muestreo, depende de las características de la señal, sin embargo el más común es el muestreo por periodo constante y el muestreo por cambios de valor en la señal con respecto a una referencia. Existe necesario seleccionar un periodo de muestreo adecuado con el fin de no perder datos relevantes de la dinámica del sistema, complementando los datos con la implementación de filtros anti aliasing [19]. Cuando se muestrea una señal se generan componentes de frecuencia de diferentes magnitudes a la de muestreo y que deterioran las características de las señales a la salida de un sistema. Teniendo esto en cuenta, es necesario tomar precauciones en las propiedades del sistema para evitar que el muestreo cambie el comportamiento y el desempeño del control digital. La buena selección del periodo de muestreo depende del propósito, la planta, su dinámica y de los costos computacionales principalmente. Escoger un periodo muy grande hace difícil reconstruir la señal en tiempo continuo y un periodo muy pequeño incrementa la cantidad de cálculos computacionales, lo cual no es apropiado. En sistemas en lazo abierto se debe tener en cuenta el tiempo de subida y el periodo de muestreo como la relación de cuántos períodos existe en el tiempo de subida. 34

De esta forma el número de periodos se relaciona con el tiempo de subida y el tiempo de muestreo (h) como indica la siguiente ecuación. 𝑁𝑟 =

𝑡𝑟 ℎ

Ecuación 18

Para sistemas de primer orden la constante de tiempo del sistema es igual al tiempo de subida, por lo cual un factor adecuado sería 4< Nr

en

<

[16] Versión en inglés revisada por: Neil K. Kaneshiro, MD, MHA, Clinical Assistant Professor of Pediatrics, University of Washington School of Medicine. Also reviewed by David Zieve, MD, MHA, Medical Director, A.D.A.M., Inc. [17] J. W. Kemdig, « Hypothermia in Neonates,» Enero 2015. [En línea]. Available: http://www.merckmanuals.com/professional/pediatrics/perinatal_problems/hypother mia_in_neonates.html. [18] K. OGATA, Ingeniería de Control Moderna. Educación Pearson, Tercera Edición, 1998. [19] J. G. PROAKIS y D. G. MANOLAKIS, “Tratamiento Digital de Señales’’Ed. 3. Prentice Hall,. [20] K. ASTROM, B. Wittenmark , Computer Controlled Systems Theory and Design , Prentice Hall , 1995. [21] J. SILVA, D. Aniruddha y P. S. BHATTACHARYYA, PID Controllers for TimeDelay Systems. Birkhäuser. [22] K. OGATA, Sistemas de Control en Tiempo Discreto. Prentice Hall, Segunda Edición, 1996. [23] F. R. Rubio, M. J. López, Control Adaptativo y Robusto. Universidad de Sevilla, 1996, pp. 27-44. [24] S. SASTRY, M. BODSON, Adaptive Control: Stability, Convergence and Robutsness. Prentice Hall. USA. 1989 [25] J. V. Bobál, J. Bohm, J. Fessl and J. Machácek, Digital- Self-tuning Controllers, Springer, 2005, pp. 26-50. [26] K. J. Astrom and B. Wittermark, Adaptive Control, 2nd ed. Dover Publicationsl, 2008.

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ANEXOS

A.1. CODIGO DE ESTIMACION Y CONTROL ADAPTATIVO PRESENTADOS EN FORMATO DIGITAL.

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