“Análisis numérico y la relación con las Ingenierías” INgeniería eléctrica electrónica Fuentes Vargas Sa
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“Análisis numérico y la relación con las Ingenierías” INgeniería eléctrica electrónica Fuentes Vargas Sagrario Berenice Lara García Guadalupe Michael Análisis numérico 2017-2
fecha de entrega 17 de abril 2017
Objetivos: ● Buscar problemas relacionados con Ingeniería Eléctrica Electrónica con la finalidad de poder ser solucionados con la utilización de los primeros cuatro temas del curso de Análisis Numérico excluyendo el subtema 4.4 Integración numérica. ● Explorar los distintos campos de la ingeniería, en este caso Electrica Electronica para aplicar conocimientos relacionados con la asignatura.
Introducción El análisis numérico es una rama de las matemáticas que mediante el uso de algoritmos iterativos, obtiene soluciones numéricas a problemas en los cuales la matemática simbolica (o analitica) resulta poco eficiente y en consecuencia no puede ofrecer una solución.1 Lo anterior mencionado es la definición del análisis numérico que nos lleva al tema principal, “la solución de problemas relacionados a la Ingeniería Eléctrica Electrónica” con la finalidad de la aplicación de los conocimientos adquiridos en la clase de esta rama matemática. El propósito de este proyecto es relacionar el Análisis numérico con las diferentes ingenierías, pero en este documento solo se manejan problemas relacionados con la ingeniería ya antes mencionada. Por consiguiente el objetivo general de este tema es saber aplicar y detectar el método numérico para la solución de temas de ingeniería o en cualquier otro problema matemático y así poder relacionar diferentes algoritmos para la solución estos, con la finalidad de poder encontrar el algoritmo más eficaz en tiempo y desarrollo. Por último el desarrollo de este tema se conformará por medio de la utilización de herramientas de software como Excel y Matlab y alguno que otro ejercicio con cálculos a lápiz, consigo una breve explicación del método a utilizar. 1
Cortés Jesús, González Miguel, etc. at. (2006) “Introducción al Análisis numérico y tratamiento de errores”. Extraida el 15 de Abril 2017 desde http://www.ingenieria.unam.mx/~pinilla/Intro/Introduccion.pdf
Argumentación En este trabajo decidimos enfocarnos en circuitos eléctricos y cómo se pueden resolver ciertos problemas de éstos utilizando métodos numéricos. Se eligió este tema ya que gran parte de nuestra carrera y vida profesional vamos a estar trabajando con circuitos y debemos tener distintas soluciones para cualquier inconveniente que se nos pueda presentar. Nos dimos cuenta la elección de circuitos eléctricos fue en realidad de gran conveniencia ya que los problemas abarcan una gran cantidad de aspectos vistos en clase, sin embargo, es importante resaltar que para el trabajo en cuestión tuvimos que analizar varios sistemas pues, algunos eran bastante simples como para utilizar todos los puntos que se nos pedía desarrollar. Desglosamos el tema hasta llegar al gasto económico de la energía eléctrica, cosa que parecería no tener nada que ver con el tema elegido, sin embargo creemos que en los antecedentes y el desarrollo se podrá entender mejor por qué decidimos esto.
Antecedentes:
La determinación de corrientes y voltajes en algunos puntos de los circuitos con resistores. Tales problemas se resuelven utilizando las reglas para corrientes y voltajes de Kirchhoff. La regla para las corrientes establece la suma algebraica de todas las corrientes que entran a un nodo debe ser cero.
Σi = 0 donde todas las corrientes que entran al nodo se consideran de signo positivo. La regla de las corrientes es una aplicación del principio de la conservación de la carga. La regla para los voltajes (o mallas) especifica que la suma algebraica de las diferencias de potencial (es decir, cambios de voltaje) en cualquier malla debe ser igual a cero. Para un circuito con resistores, esto se expresa como:
Σξ − ΣiR = 0
donde ξ es la fem (fuerza electromotriz) de las fuentes de voltaje, y R es la resistencia de cualquier resistor en la malla. Observe que el segundo término se obtiene de la ley de Ohm, la cual establece que la caída de voltaje a través de un resistor ideal es igual al producto de la corriente por la resistencia. La regla de Kirchhoff para el voltaje es una expresión de la conservación de la energía. Se emplean las leyes de Kirchhoff para estudiar el comportamiento de los circuitos eléctricos en estado estacionario (que no varía con el tiempo). Esto pasa cuando se cierra el interruptor de un circuito, en donde hay un periodo de ajuste; la longitud de este periodo de ajuste está relacionada con las propiedades de almacenamiento de energía, tanto del capacitor como del inductor. La energía almacenada puede oscilar entre estos dos elementos durante un periodo transitorio. Sin embargo, la resistencia en el circuito disipará la magnitud de las oscilaciones. El flujo de corriente a través del resistor provoca una caída de voltaje (VR), dada por VR = iR donde i = la corriente y R = la resistencia del resistor. Un inductor se opone a cambios de corriente tales que la caída del voltaje a través del inductor VL es VL= L di/ dt, donde L es la inductancia. La caída del voltaje a través del capacitor (VC) depende de la carga (q) sobre éste: V=q /C donde C es la capacitancia. A partir de la segunda ley de Kirchhoff y de la relación con la carga, se tiene: L
2
d q dt2
dq
+ R dt + C1 q = 0
cuya solución está dada por: f(R)= eRt/(2L) cos[
√
1 LC
2
q
R − ( 2L ) t ]- q 0
Otro circuito simple muy utilizado es el circuito de Chua con el cual se puede estudiar la dinámica no lineal en circuitos eléctricos. Éste circuito- por su simplicidad- también ayuda al estudio de sistemas dinámicos. Este circuito consta de una resistencia, dos capacitores, un inductor y un elemento no lineal. El elemento no lineal tiene una función de respuesta.
Esquema eléctrico del circuito de Chua
Función de respuesta del elemento no lineal Existen diferentes tipos de circuitos, unos más complejos que otros. A su vez, hay circuitos conectados a otros circuitos, formando así un sistema cada vez más complejo y más grande. Estos sistemas complejos son los que son utilizados por empresas gubernamentales, como es la CFE, para proveer de energía eléctrica a todo México. Esto se puede lograr gracias a los diferentes circuitos eléctricos interconectados. A esta conexión se le llama red. Hay diferentes tipos de redes que brindan energía al país, está la red municipal que conecta con otra más grande que es la red estatal o regional que a su vez está conectada con una aún más grande que es la red federal. Gracias a estas redes es posible brindar servicios eléctricos a muchas regiones de México.
Desarrollo
Temas de utilización: 1. Aproximación numérica y errores. 2. Solución numérica de sistemas de ecuaciones lineales y trascendentes. 3. Solución numérica de sistemas de ecuaciones lineales. 4. Interpolación, derivación numéricas. Problema 1. Métodos numéricos de utilización: 1. Aproximación numérica y errores.
2. Solución numérica de sistemas de ecuaciones lineales. Un circuito con resistores para resolverse usando ecuaciones algebraicas lineales simultáneas.
Circuito con resistores. (figura 1)
Corrientes supuestas. (figura 2) Solución: La aplicación de estas reglas da como resultado un sistema de ecuaciones algebraicas lineales simultáneas, ya que las mallas que forman un circuito están conectadas. Las corrientes asociadas con este circuito son desconocidas (figura 1), tanto en magnitud como en dirección. Esto no presenta gran dificultad, ya que tan sólo se supone una dirección para cada corriente. Si la solución resultante a partir de las leyes de Kirchhoff es negativa, entonces la dirección supuesta fue incorrecta. Por ejemplo, la figura 2 muestra direcciones supuestas para las corrientes. Dadas estas suposiciones, la regla de la corriente de Kirchhoff se aplica a cada nodo para obtener: i12 + i52 + i32 = 0 Ecuación 1 i65 − i52 − i54 = 0 Ecuación 2 i43 − i52 = 0
Ecuación 3
i54 − i43 = 0
Ecuación 4
Nota: se calculan por medio del circuito, por divisiones de este mismo. La aplicación de la regla de voltajes en cada una de las mallas da: − i54 R54 − i43 R43 − i32 R32 − i52 R52 = 0 − i65 R65 − i52 R52 + i12 R12 − 200 = 0 sustituyendo el valor de las resistencias de la figura 1 y pasamos las constantes al lado derecho, − 5i54 − 2i43 − 15i32 − 5i52 = 0 Ecuación 5 − 25i65 − 5i52 + 10i12 = 200 Ecuación 6 Por lo tanto el problema consiste en la solución del siguiente conjunto de seis ecuaciones con seis corrientes como incógnitas:
La solución obtenida para las corrientes y voltajes (figura 3) Las soluciones: i12 = 5.1184 i52 = − 4.1706 i32 = − 0.9478
i65 = − 5.1184 i54 = − 0.9478 i43 = − 0.9478 para comprobar los resultados se debe de utilizar las tres figuras sustituyendo los valores de las resistencias y las corrientes la suma de ellas debe dar 200 y la resta de ellas menos 200 debe dar 0. (véase en los cálculos) 200 − 10i12 − 15i32 − 2i43 − 5i54 − 25i65 = 0 Problema 2 (Uso de errores) Pero existe un error en estos resultados de: Er = 0.0044 Ep = 1 % ¿Por qué? ¿Que pasa si hay un error? En la realización de este problema se utilizaron valores truncados o sea que solo se tomaron ciertas numeros después del punto, por lo tanto los valores que se mostraron anteriormente tienen un error de tipo truncamiento. ¿Que pasa si utilizo los valores con error tipo Truncamiento? Puede traer consecuencias, quizá el sistema tendrá una fuga de corriente o tal vez no funcione y se queme el sistema, al no detectar este error y realizar el cálculo y el ensamblado de este sistema con esos valores pueden contraer consecuencias, si fuera un profesional tuviera consecuencias muy graves. Por otra parte se recomienda que se utilice valores de redondeo, pero al igual que utilizar valores truncados, esté también trae consigo errores de tipo Redondeo, pero es menor. Er = 0.000036 Ep = 1 % Valores: i52 = − 4.170617 i32 = − 0.947868 i65 = − 5.118484
i54 = − 0.947868 i43 = − 0.947868 es un error menor y puede ser más eficaz y tener menos consecuencias. Los valores reales que se calcularon con ayuda de herramientas de software son: i12 = 5.118483412 i52 = − 4.170616114 i32 = − 0.947867299 i65 = − 5.118483412 i54 = − 0.947867299 i43 = − 0.947867299 Comprobación: 200 − 10i12 − 15i32 − 2i43 − 5i54 − 25i65 = 0
Er = 0 y Ep = 0 por lo tanto es más eficaz el uso de herramientas de software
Problema 3
Métodos numéricos de utilización: 5. Solución numérica de sistemas de ecuaciones lineales y trascendentes. Determinación del resistor apropiado para disipar energía.
Solución: Se despeja R de la ecuación: L
2
d q dt2
dq
+ R dt + C1 q = 0
Se tiene que usar una técnica de aproximación numérica, en este caso, es conveniente el método de bisección, ya que R es una variable implícita en la Rt/(2L)
ecuación q(t) = e queda: f(R)= eRt/(2L) cos[
√
1 LC
cos[
√ 2
1 LC
2
q
R − ( 2L ) t ]- q . Reordenando esta ecuación nos 0
q
R − ( 2L ) t ]- q 0
Utilizando los valores dados: f(R)= e−0.05R cos
[√2000 − 0.01R (0.05)] − 0.01 2
Se sugiere para R un rango desde 0 hasta 400Ω ya que 2 000 – 0.01R2 debe ser mayor que cero sino habría un número imaginario y no estamos buscando eso en este circuito. Se deben conocer los valores q, q0, L y C. Al hacer veintiún iteraciones con el método de bisección se obtiene una raíz aproximada R = 399.99981 Ω, con un error del 0.00019%. Así, se utiliza un resistor con el valor de 399.99981 Ω para el circuito con una discipación que satisfaga las condiciones del sistema dado. Problema 4: Métodos numéricos de utilización: 6.- Derivación numérica Derivación numérica de las ecuaciones del circuito de Chua.
Al aplicar las leyes de Kirchhoff al circuito, se obtienen las siguientes ecuaciones que describen su comportamiento: C 1 dVdt1 = R1 (V 2 − V 1) − f (V 1) Ecuación 1 dV 2 1 C 2 dt = R (V 1 − V 2) + iL Ecuación 2 L diL dt =− V 2 − r 0iL f (V 1) = GV 1 +
1 2 (Ga
ECuación 3 − Gb){|V 1 + B p| − |V 1 − B p|} Ecuación 4
Donde f (V 1) es la función de respuesta del elemento no lineal. Las variables que surgen de estas ecuaciones son: la tensión V1 que aparece en los bornes del condensador de la derecha, la tensión V2 que aparece en los bornes del condensador izquierdo e iL que es la intensidad que circula por la bobina. Las constantes que aparecen son las capacitancias C1 y C2 de los dos condensadores, la inductancia, la resistencia interna y la resistencia variable R. Se trabajará con la forma adimensional del sistema de ecuaciones que se obtiene con los cambios de variables: iL x = VBp1 y = VBp2 z = R Bp t = t/RC2 Se resuelve para la ecuación 1:
Se resuelve para la ecuación 2:
Se resuelve para la ecuación 3:
Con lo que se simulará el siguiente sistema de ecuaciones: dx 1 Ecuación 5 dt = α((y − x) + bx + 2 (a − b){|x + 1| − |x − 1|}) dy dt
=x−y+z
Ecuación 6
dz dt
=− β y − γ z
Ecuación 7
Cuyos valore vienen determinados por las siguientes expresiones: x= α=
V1 Bp C2 C1
y=
V2 Bp
β=
R C2 L
2
iL z = R Bp t = t/RC2
γ=
r0RC2 BL
a =− RGa b =− RGb
Problema 5 Métodos numéricos de utilización: 7.- Interpolación numérica La energía que se brinda al país gracias a las redes está dada por servicios como son el alumbrado público, bombeo de aguas potables o negras, etc. Y
cada uno de estos servicios tiene un costo que es conveniente saber al igual que su aumento durante un periodo de tiempo. Para fines de este problema decidimos concentrarnos en el total de gastos en energía eléctrica por año (desde 2010 hasta enero de 2017). Y como el costo es diferente por estado, decidimos concentrarnos en el de la Ciudad de México. TABLA2 Año
Precio
2010/01
1597378
2011/01
1849199
2012/01
2240032
2013/01
2246629
2014/01
2350732
2015/01
2232338
2016
1991203
2017
2394921
Cálculos. Problema 1 Existen varias formas y varios paquetes de software para resolver ecuaciones algebraicas lineales pero existen dos formas para la solución en Excel: 1. por medio de la herramienta Solver. 2. usando la inversión de matrices y las funciones de multiplicación. Para determinar la solución de ecuaciones algebraicas lineales es: [A] {X} = {B} 2
La tabla utilizada es un pedazo de una tabla que se encuentra en la página de la Comisión Federal de Electricidad (CFE).
{X} = [A]-1{B} Excel tiene funciones predeterminadas para obtener la inversa de una matriz como =MINVERSA(matriz) y la multiplicación de matrices =MMULT(Matriz1, Matriz 2) Uso de Excel Matriz A[6x6]:
Matriz B[6x 1]:
Matriz Inversa de A:
Multiplicación de matriz A-1[6x6] x B[6x1]:
Solución: {X} = [A]-1{B}
Problema 2 Ep =
|V C − V T | VC
x 100
Er = | V C − V T | Error de truncamiento − 0| Ep = | 0.0044 x 100 = 1 % 0.0044
Er = 0.0044 Error de Redondeo − 0| Ep = | 0.000036 x 100 = 1% 0.000036 Er = 0.000036
Error Ep = | 0 0− 0| x 100 = 0%
Er = 0 Problema 3 Se utilizó el método de bisección pero también se pudieron utilizar otros métodos como es el Newton-Raphson, aunque éste tiene el inconveniente Rt/(2L)
de que la derivada de la ecuación q(t) = e
cos[
√
1 LC
2
q
R − ( 2L ) t ]- q es difícil 0
de resolver con este método. La utilización del método de bisección fue porque resultó ser el más fácil y conveniente de hacer. Por medio de MATLAB se resolvió este problema. Código:
Solución: c=399.99981 f(c)=-0.01000 error= 0.00019 Problema 4 Se modificará los elementos del circuito mientras que los otros se mantienen fijos, en este caso se variará el resistor R y el condensador C2. Debido a que, aunque el circuito de Chua es uno de los más sencillos, el estudio y análisis de éste el largo, por lo que para fines de este trabajo, sólo se estudiarán los cambios en la ecuación 1. Se utilizará MATLAB para la simulación del circuito. Código:
Las gráfica queda:
Problema 5 La herramienta que se utilizó fue MATLAB.
Código:
Análisis de resultados La utilización de métodos numéricos para resolver algunos problemas relacionados con la Ingeniería Eléctrica Electrónica, puede ser en algunos casos muy eficaz como en el caso del problema 1, el uso de métodos numéricos para la solución numérica de sistemas de ecuaciones lineales es muy rápido pero se hace tediosos cuando son más de 4 ecuaciones, cabe decir que para esto el sistema debe ser determinado ya que debe de consistir de 4 incógnitas y por consiguiente 4 ecuaciones con soluciones independientes osea que cada incógnita debe tener una única solución. Se puede afirmar lo mismo del experimento 3 en donde resultó conveniente la utilización del método de Newton-Raphson. Y en el ejemplo 5, el método de interpolación fue útil para saber el precio de la energía eléctrica entre un año y otro; siempre y cuando se tome en cuenta que se trabaja con valores discretos ya que en la vida real es difícil encontrar valores continuos. En tanto que en el experimento 4 se puede notar que por medio de la derivación numérica es más fácil la resoluciòn del circuito de Chua por lo que es más sencillo graficar las bifurcaciones y sus diferentes resultados al cambiar los valores de algunas variables como R y C2. En segunda parte podemos decir que los resultados de los problemas en parte gracias a la utilización de herramientas de software es más rápido su proceso, por otra lado podemos decir que el uso de estos tienen ciertos errores pero a veces son errores humanos por algún dato mal o algoritmo. Los errores se pueden dar en cualquier cálculo ya que tenemos cierta costumbre de utilizar valores truncados o de redondeo ya sea por eficiencia o por pereza del uso de todos los dígitos.
Conclusiones Por persona. Fuentes Vargas Sagrario Berenice
Este proyecto tenía como objetivo el que supiéramos aplicar los distintos métodos numéricos que hemos visto. Requería el conocimiento necesario para poder desarrollar de manera práctica cada uno de los puntos y esto
fomentaba la creatividad y el ingenio sobre cómo relacionar los temas de análisis numérico a la ingeniería, concretamente la que estamos estudiando. Creo que el objetivo se alcanzó. Nos dimos cuenta que varios de los problemas que tienen que ver con circuitos están altamente relacionados con el análisis numérico. Aunque los métodos y resultados no son completamente idóneos, pues también se pudo comprobar que hubo errores en los cálculos (mínimos claro está) y que en cuestiones prácticas y laborales éstos se tienen que tomar en cuenta. Una cuestión importante a resaltar es que el propio análisis numérico tiene métodos para calcular el error, lo cual es muy conveniente, por lo que sirve incluso para eso. También fue de gran ayuda la utilización de herramientas computacionales como EXCEL y MATLAB para la graficación de algunos ejemplos. Fue obvio que resultó más sencillo encontrar los resultados, pues en algunos problemas la resolución de sistemas de ecuaciones o la realización de varias iteraciones no resultaba tan fácil de hacer a mano, mientras que con las herramientas mencionadas fue bastante sencillo la resolución de los problemas presentados.
Lara García Guadalupe Michael En este proyecto se puede concluir que el uso de métodos numéricos en algunos cálculos de ingeniería son prácticos, ya que se pueden obtener soluciones con menos error porque en cada iteración se considera un error para su cálculo, aunque de cierta manera es tedioso el uso de estos a lapiz, osea que los cálculos a mano y calculadora, se puede contar con herramientas de software como Excel y matlab, aunque cada una tiene un métodos o librerías específicas. Por otro lado puedo tener en cuenta que en cualquier algoritmo que se utilice para la solución de algún o algunos problemas siempre tendrá un error ya sea, error inherente que es el causado por la incertidumbre de las mediciones, errores de truncamiento que son errores que se presentan por truncar valores como 3.1415 (valor de PI) este dato puede desarrollar en todo un problema un error de truncamiento por no usar todos los dígitos, pero a veces es necesario esto, pero se utilizan errores de tipo redondeo que se presenta cuando redondeamos una cifra a valor más aproximado ya sea
menor o mayo como PI = 3.1416 en todo problema que se resuelva con este valor tendrá un error de tipo redondeo. En este proyecto se este proyecto se explica el uso de estos errores como también el funcionamiento de las herramientas de software y se explica el proceso de estos métodos numéricos usados para problemas relacionados con Ingeniería Eléctrica Electrónica especialmente en circuitos.
Bibliografía
1. Cortés Jesús, González Miguel, etc. at.
(2006) “Introducción al Análisis numérico y tratamiento de errores”. Extraida el 15 de Abril 2017 desde http://www.ingenieria.unam.mx/~pinilla/Intro/Introduccion.pdf 2. Chapra Steven C. (2007), “Métodos numéricos para ingenieros”, México, The MCGRaw-Hill Companies. 3. Martínez Verdú, Jaime.(2011). “Derivación Numérica de Ecuaciones Diferenciales Ordinarias”. Extraída el 15 de Abril 2017 desde https://es.slideshare.net/balzasbravas/derivacin-numrica-de-ecuacionesdiferenciales-ordinarias 4. Instituto Nacional de Estadística y Geografía (INEGI).(2017).Extraída el 16 de abril 2017 desde http://www.inegi.org.mx/sistemas/bie/