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<journal-title><![CDATA[Ingeniería Electrónica, Automática y Comunicaciones]]></journal-title>
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<publisher-name><![CDATA[Universidad Tecnológica de La Habana José Antonio Echeverría, Cujae]]></publisher-name>
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<article-title xml:lang="es"><![CDATA[Controladores MPC y PID con autoajuste para un proceso de dinámica rápida a través de MATLAB®/Simulink® y OPC]]></article-title>
<article-title xml:lang="en"><![CDATA[Speed control of and induction motor through MATLAB®/Simulink® and an OPC server]]></article-title>
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<institution><![CDATA[,Instituto Superior Politécnico José Antonio Echeverría, CUJAE Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Automática y Computación]]></institution>
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<abstract abstract-type="short" xml:lang="en"><p><![CDATA[This paper shows the design of a model based predictive controller to perform a speed control of an induction motor with squirrel cage rotor with a speed reference changing through the time. To achieve this goal the software MATLAB®/Simulink® were used. The control is performed employing an OPC server which acts like a gateway between MATLAB®/Simulink® and a Programmable Logic Controller (PLC). This PLC sends the control signal to a speed driver which handles the motor. The field bus employed for the communications between the Personal Computer (PC) and the PLC was Ethernet. The designed controller is compared with an auto-tuned PID controller from the PLC OMRON®.]]></p></abstract>
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<kwd lng="es"><![CDATA[Control Predictivo]]></kwd>
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</front><body><![CDATA[ <div align="right">       <p><font face="Verdana" size="2"> <b>ART&Iacute;CULO ORIGINAL</b></font></p>       <p>&nbsp; </p> </div>     <P>&nbsp;      <P><font size="4" face="Verdana"><B>Controladores MPC y PID con autoajuste para    un proceso de din&aacute;mica r&aacute;pida a trav&eacute;s de MATLAB<SUP>&#174;</SUP>/Simulink<SUP>&#174;</SUP>    y OPC</B></font>     <P>&nbsp;<font face="Verdana"><B>     <P><font size="3">Speed control of and induction motor through MATLAB<SUP>&#174;</SUP>/Simulink<SUP>&#174;</SUP>    and an OPC server</font></B></font>      <p>&nbsp;</p>     <p>&nbsp;</p>     <P><font size="2" face="Verdana"><strong>Ing. Ram&oacute;n Imad Verd&eacute;s    Kairuz, Dra. C. Ana Isabel Gonz&aacute;lez Santos </strong></font>      ]]></body>
<body><![CDATA[<P><font size="2" face="Verdana">Departamento de Autom&aacute;tica y Computaci&oacute;n,    Facultad de Ingenier&iacute;a El&eacute;ctrica, Instituto Superior Polit&eacute;cnico    Jos&eacute; Antonio Echeverr&iacute;a, CUJAE, La Habana, Cuba. </font>      <P>&nbsp;     <P>&nbsp;  <hr size="1" noshade>     <P><font size="2" face="Verdana"><B>RESUMEN</B></font>     <P><font size="2" face="Verdana">En este trabajo se presenta el dise&ntilde;o    de un controlador predictivo basado en modelo (MPC) para el control efectivo    de la velocidad de un motor de inducci&oacute;n con rotor tipo jaula de ardilla    ante una referencia de velocidad variable en el tiempo. Para el dise&ntilde;o    del controlador y posteriormente el control de la velocidad del motor se emplea    la herramienta MATLAB<SUP>&#174;</SUP>/Simulink<SUP>&#174;</SUP>. Este control    se realiza a trav&eacute;s de un servidor OPC (Ole for Process Control, en ingl&eacute;s)    el cual funciona como pasarela entre dicha herramienta y el aut&oacute;mata    programable encargado de enviar la se&ntilde;al de control al variador de velocidad    que maneja el motor. El bus de campo empleado para las comunicaciones entre    el ordenador y el aut&oacute;mata es Ethernet. Para llegar a conclusiones sobre    el controlador dise&ntilde;ado este es comparado con un controlador PID auto-ajustado    en el aut&oacute;mata OMRON<SUP>&#174;</SUP>. </font>     <P>      <P><font size="2" face="Verdana"><B>Palabras claves:</B> Control Predictivo, OPC,    MATLAB<SUP>&#174;</SUP>/Simulink<SUP>&#174;</SUP> </font> <hr size="1" noshade>     <P><B><font size="2" face="Verdana">ABSTRACT</font></B>      <P><font size="2" face="Verdana">This paper shows the design of a model based    predictive controller to perform a speed control of an induction motor with    squirrel cage rotor with a speed reference changing through the time. To achieve    this goal the software MATLAB<SUP>&#174;</SUP>/Simulink<SUP>&#174;</SUP> were    used. The control is performed employing an OPC server which acts like a gateway    between MATLAB<SUP>&#174;</SUP>/Simulink<SUP>&#174;</SUP> and a Programmable    Logic Controller (PLC). This PLC sends the control signal to a speed driver    which handles the motor. The field bus employed for the communications between    the Personal Computer (PC) and the PLC was Ethernet. The designed controller    is compared with an auto-tuned PID controller from the PLC OMRON<SUP>&#174;</SUP>.    </font><font face="Verdana">      <P><font size="2"><B>Key words: </B>Predictive Control, OPC, MATLAB<SUP>&#174;</SUP>/Simulink<SUP>&#174;</SUP></font></font>  <hr size="1" noshade>     ]]></body>
<body><![CDATA[<P>&nbsp;     <P>&nbsp;     <P><B><font size="3" face="Verdana">INTRODUCCI&Oacute;N</font> </B>     <P>&nbsp;     <P><font size="2" face="Verdana">Los motores de inducci&oacute;n, en particular    los motores de inducci&oacute;n con rotor tipo jaula de ardilla, (<a href="#fig1">Fig.    1</a>) han sido ampliamente empleados en aplicaciones industriales tales    como veh&iacute;culos h&iacute;bridos, molinos de papel y textiles, en la rob&oacute;tica,    y en la generaci&oacute;n de energ&iacute;a e&oacute;lica. La diversidad de    aplicaciones son consecuencia de sus ventajas inherentes tales como su construcci&oacute;n    simple, robustez, confiabilidad, bajo costo, y pocas necesidades de mantenimiento    <SUP>1</SUP> <SUP>2</SUP> <SUP>3</SUP>. Su campo de aplicaci&oacute;n va desde    potencias fraccionarias hasta varios cientos de kilovatios. </font>     <P align="center"><img src="/img/revistas/eac/v36n3/f0108315.jpg"><a name="fig1"/></a>     <P><font size="2" face="Verdana">El motor trif&aacute;sico de inducci&oacute;n    con rotor tipo jaula de ardilla es una m&aacute;quina de corriente alterna,    cuyo funcionamiento no presenta grandes dificultades siempre que se desee trabajar    a velocidad constante. Una gran parte de los equipos utilizados en la industria    moderna como los ya mencionados deben funcionar a velocidades variables. Para    alcanzar un buen desempe&ntilde;o de estos motores se hace necesario que esta    velocidad variable sea controlada de una manera adecuada. En otros trabajos    realizados<SUP>2 4 5 6 7</SUP> enfocan el control de la velocidad de un motor    de inducci&oacute;n empleando l&oacute;gica difusa y algunos combinan t&eacute;cnicas    de control que incluyen un modelo difuso como elemento de predicci&oacute;n    en el control predictivo <SUP>8 9</SUP>. El objetivo de este trabajo es el control    de un servosistema con este tipo de motor.</font>     <P>&nbsp;     <P><font size="3" face="Verdana"><B>MATERIALES Y M&Eacute;TODOS</B> </font>     <P>&nbsp;      ]]></body>
<body><![CDATA[<P><font size="2" face="Verdana">Entre los materiales empleados en esta investigaci&oacute;n    estuvieron una maqueta con PLC OMRON<SUP>&#174;</SUP> como muestra la <a href="#fig2">Fig. 2</a>. El aut&oacute;mata programable CJ1M-CPU21 es el    equipo encargado de contener la programaci&oacute;n para ejecutar el control    de la velocidad del motor. El m&oacute;dulo de Ethernet ETN21 permite la implementaci&oacute;n    de una red donde se incorporan la PC (Personal Computer, en ingl&eacute;s) y    el HMI (Human Machine Interface, en ingl&eacute;s) o interface de operador.    </font>     <P align="center"><img src="/img/revistas/eac/v36n3/f0208315.jpg"><a name="fig2"/></a>     <P><font size="2" face="Verdana">La red implementada en la investigaci&oacute;n    utiliza OPC lo cual es (Object Linking and Embedding for Process Control, en    ingl&eacute;s). Entre los materiales se utiliz&oacute; la caja de herramientas    OPC en el entorno interactivo MATLAB<SUP>&#174;</SUP>. </font>     <P><font size="2" face="Verdana">Los m&eacute;todos utilizados son los propios    de la investigaci&oacute;n cient&iacute;fica y la ingenier&iacute;a. En espec&iacute;fico    hay que mencionar que se utiliz&oacute; la metodolog&iacute;a de identificaci&oacute;n    de sistemas <SUP>10</SUP> para la obtenci&oacute;n del modelo del proceso que    constituye el elemento clave de la t&eacute;cnica de control avanzado que se    implementa. </font>     <P>      <P><font size="2" face="Verdana"><B>OPC Y LA CAJA DE HERRAMIENTAS OPC DE MATLAB<SUP>&#174;</SUP></B>    </font>     <P><font size="2" face="Verdana">OPC es un est&aacute;ndar industrial que facilita    la interoperabilidad de dispositivos de control de diferentes fabricantes. Es    una especificaci&oacute;n t&eacute;cnica no propietaria que define un conjunto    de interfaces est&aacute;ndar basadas en las plataformas de Microsoft<SUP>&#174;</SUP>    OLE/COM/DCOM y la tecnolog&iacute;a punto NET. La aplicaci&oacute;n de las interfaces    est&aacute;ndar de OPC garantiza la interoperabilidad entre aplicaciones de    control/automatizaci&oacute;n y aplicaciones de oficina/negocio con una filosof&iacute;a    cliente servidor <SUP>11</SUP>. </font>     <P><font size="2" face="Verdana">El servidor OPC es la aplicaci&oacute;n software    la cual opera como la API (Aplication Programming Interface, en ingl&eacute;s)    o como el convertidor de protocolos. El servidor OPC se conecta a dispositivos    como los PLC (Programmable Logic Controller, en ingl&eacute;s), DCS (Distributed    Control Systems, en ingl&eacute;s), RTU (Remote Terminal Unit, en ingl&eacute;s)    o a fuentes de datos (bases de datos o interfaces de usuario) y traduce los    datos en un formato basado en un est&aacute;ndar de OPC. </font>     <P><font size="2" face="Verdana">La caja de herramientas OPC extiende las prestaciones    de MATLAB<SUP>&#174;</SUP> y Simulink<SUP>&#174;</SUP> con herramientas para    la interacci&oacute;n con servidores OPC. Este conjunto de funciones permite    la lectura, escritura y el registro de datos OPC que provienen de dispositivos    que est&aacute;n comprendidos en el est&aacute;ndar de Acceso de Datos de la    fundaci&oacute;n OPC como los ya mencionados anteriormente. Este conjunto de    funciones provee tres formas de implementar un cliente de Acceso de Datos OPC,    una de ellas es emplear el conjunto de bloques de la librer&iacute;a de Simulink<SUP>&#174;</SUP>    para leer y escribir datos hacia y desde el servidor OPC mientras se simula    un sistema. </font>     <P><font size="2" face="Verdana">La caja de herramientas OPC de Simulink<SUP>&#174;</SUP>    ofrece un bloque de configuraci&oacute;n para especificar los servidores OPC    empleados en la simulaci&oacute;n, para definir el comportamiento para errores    y eventos OPC y para establecer el comportamiento en tiempo real. Durante la    simulaci&oacute;n, el modelo se ejecuta en pseudo-tiempo real, haciendo coincidir    el reloj del sistema tan cerca como sea posible del tiempo de la simulaci&oacute;n    del proceso disminuyendo autom&aacute;ticamente la simulaci&oacute;n. Los par&aacute;metros    del bloque pueden ser tambi&eacute;n configurados de forma tal que la simulaci&oacute;n    se ejecute m&aacute;s lentamente que el reloj del sistema. La <a href="#fig3">Fig. 3</a> muestra la ventana de configuraci&oacute;n OPC y    la ventana de configuraci&oacute;n del cliente se puede observar en la <a href="#fig4">Fig. 4</a>. </font>     ]]></body>
<body><![CDATA[<P align="center"><img src="/img/revistas/eac/v36n3/f0308315.jpg"><a name="fig3"/></a>     <P align="center"><img src="/img/revistas/eac/v36n3/f0408315.jpg"><a name="fig4"/></a>     <P><font size="2" face="Verdana">En la ventana de configuraci&oacute;n de OPC,    se puede habilitar la simulaci&oacute;n en pseudo-tiempo real. Cuando est&aacute;    marcado &#171;<I>Enable pseudo real-time simulation</I>&#187; (como aparece    en la <a href="#fig3">Fig. 3</a>), el tiempo de ejecuci&oacute;n del modelo se iguala    al reloj del sistema tanto como sea posible. El ajuste &#171;<I>Speedup</I>&#187;    determina cuantas veces m&aacute;s r&aacute;pido correr&aacute; la simulaci&oacute;n    con respecto al reloj del sistema. Por ejemplo si &#171;<I>Speedup</I>&#187;    es ajustado a dos, esto significa que una simulaci&oacute;n de diez segundos    tomar&aacute; solo cinco segundos en ejecutarse. </font>     <P><font size="2" face="Verdana">Es necesario destacar que los ajustes de control    de tiempo real no garantizan un comportamiento de tiempo real. Si el modelo    se ejecuta a un tiempo m&aacute;s lento que el tiempo real, ocurre un error    de violaci&oacute;n en la latencia de pseudo-tiempo real. Cuando se marca &#171;<I>Show    pseudo real time latency port</I>&#187; se habilita la salida de la latencia    del modelo, la cual aparece expresada en segundos como una salida del bloque    de configuraci&oacute;n de OPC. La latencia de pseudo-tiempo real es el tiempo    empleado esperando por el reloj del sistema en cada paso de simulaci&oacute;n.    Si este valor es negativo, la simulaci&oacute;n se ejecuta m&aacute;s lentamente    que el tiempo real. </font>     <P><font size="2" face="Verdana">Una vez que ha sido creado un objeto grupo que    contiene elementos individuales, se puede realizar la lectura desde o la escritura    hacia elementos individuales o a todos los elementos en un grupo simult&aacute;neamente.    En MATLAB<SUP>&#174;</SUP>, las operaciones de lectura y escritura pueden ocurrir    lo mismo sincr&oacute;nica (la ejecuci&oacute;n de MATLAB<SUP>&#174;</SUP> se    bloquea hasta que se completa la operaci&oacute;n) que asincr&oacute;nicamente    (MATLAB<SUP>&#174;</SUP> se puede seguir ejecutando mientras la operaci&oacute;n    est&aacute; en progreso). </font>     <P><font size="2" face="Verdana">En la herramienta Simulink<SUP>&#174;</SUP> de    MATLAB<SUP>&#174;</SUP>, los bloques contienen un administrador de clientes    que hace posible especificar y administrar los servidores OPC, seleccionar elementos,    y definir el tiempo de muestreo de los bloques. El bloque de lectura OPC mostrado    en la <a href="#fig5">Fig. 5</a> habilita la selecci&oacute;n de elementos del servidor    OPC y la lectura de datos en l&iacute;nea de la planta directamente hacia el    modelo en Simulink<SUP>&#174;</SUP>. El bloque de escritura OPC (<a href="#fig6">Fig. 6</a>) habilita la selecci&oacute;n de elementos del modelo    en Simulink<SUP>&#174;</SUP> y permite escribir directamente datos de la planta    a trav&eacute;s del servidor OPC. </font>     <P align="center"><img src="/img/revistas/eac/v36n3/f0508315.jpg"><a name="fig5"/></a>     <P align="center"><img src="/img/revistas/eac/v36n3/f0608315.jpg"><a name="fig6"/></a>     <P><font size="2" face="Verdana">A la hora de implementar experimentos en tiempo real en    Simulink<SUP>&#174;</SUP> a trav&eacute;s de la comunicaci&oacute;n OPC puede    ocurrir que el tiempo real de ejecuci&oacute;n sea mayor que el tiempo de simulaci&oacute;n    establecido en la configuraci&oacute;n de los par&aacute;metros Simulink<SUP>&#174;</SUP>.    En estos casos la latencia a cada paso es negativa. La latencia representa el    margen dentro del tiempo de muestreo; una mayor latencia representa un mayor    margen, por ejemplo, el tiempo de muestreo puede ser disminuido. Existen diversos    factores que permiten tener un tiempo de ejecuci&oacute;n cercano al valor de    tiempo establecido en el esquema Simulink<SUP>&#174;</SUP>. Un estudio detallado    de este tema se puede encontrar en <SUP>12</SUP>. El empleo de OPC como pasarela    dentro del ensayo de controladores aplicados a procesos reales es una tendencia    actual y as&iacute; lo evidencian los trabajos <SUP>13 14 15 16 17 18 19 20</SUP>. </font>         <P>      ]]></body>
<body><![CDATA[<P><font size="2" face="Verdana"><B>MPC</B> </font>     <P><font size="2" face="Verdana">El controlador predictivo basado en modelo (MPC    en ingl&eacute;s) <SUP>21</SUP> <SUP>22</SUP> <SUP>23</SUP> <SUP>24</SUP> basa    su funcionamiento en una estrategia llamada horizonte deslizante, donde a cada    instante de tiempo son calculadas las salidas futuras del proceso <I><SUP>&#094;</SUP>y(t+k|k)</I>    dentro de un horizonte de predicci&oacute;n finito <I>N</I>. Para esto se emplea    un modelo matem&aacute;tico que describe la din&aacute;mica del proceso. En    una segunda etapa la se&ntilde;al de control futura <I>&ucirc;(t+k|k)</I> es    calculada optimizando cierto criterio en aras de mantener tanto como sea posible    al proceso dentro de una trayectoria de referencia deseada, como aparece en    la <a href="#fig7">Fig. 7</a>. </font>      <P align="center"><img src="/img/revistas/eac/v36n3/f0708315.jpg"><a name="fig7"/></a>     <P><font size="2" face="Verdana">La estrategia de control MPC empleada es la desarrollada    dentro de la caja de herramientas MATLAB&#174; R2013a la cual se define como    establece <SUP>25</SUP>. El diagrama en bloques de la estructura del controlador    MPC es la mostrada en la <a href="/img/revistas/eac/v36n3/f0808315.jpg">Fig. 8</a>.</font>     <P><font size="2" face="Verdana">En el esquema del controlador predictivo, el    modelo de predicci&oacute;n del comportamiento futuro de la planta tiene como    entradas las variables manipuladas, las perturbaciones medibles, y las perturbaciones    no medibles. Las perturbaciones no medibles emplean un modelo que toma como    entrada se&ntilde;ales tipo ruido blanco. </font>     <P><font size="2" face="Verdana">El modelo de predicci&oacute;n del comportamiento    de la planta asume el sistema como lineal, invariante en el tiempo y est&aacute;    descrito por las ecuaciones (1) donde x(k) es el vector de estados nx-dimensional    de la planta, u(k) es el vector nu-dimensional de las variables manipuladas    (MV), v(k) es el vector nv-dimensional de las perturbaciones medibles (MD),    d(k) es el vector nu-dimensional de las perturbaciones no medibles (UD), ym(k)    es el vector de las salidas medibles (MO), yu(k) es el vector de las salidas    no medibles (UO) y y(k) es el vector completo ny-dimensional de todas las salidas    medibles (ym(k)) y no medibles (yu(k)). </font>     <P align="left"><img src="/img/revistas/eac/v36n3/e0108315.gif">     <P><font size="2" face="Verdana">La perturbaci&oacute;n no medible d(k) es modelada    como la salida del sistema lineal e invariante en el tiempo (2) y (3). </font>     <P align="left"><img src="/img/revistas/eac/v36n3/e0208315.gif">     <P align="left"><img src="/img/revistas/eac/v36n3/e0308315.gif">     ]]></body>
<body><![CDATA[<P><font size="2" face="Verdana">El sistema descrito mediante las ecuaciones (2)    y (3) es afectado por el ruido aleatorio Gausiano n<SUB>d</SUB>(k), que tiene    media cero y matriz de covarianza unitaria. Otros modelos son empleados tambi&eacute;n    dentro de la formalizaci&oacute;n de la t&eacute;cnica de control predictivo    como pueden ser los modelos neuronales <SUP>26</SUP> <SUP>27</SUP> y los modelos    difusos <SUP>28</SUP>. </font>     <P>      <P><font size="2" face="Verdana">Asumiendo que los estimados de x(k), x<SUB>d</SUB>(k)    est&aacute;n disponibles en el instante k. La acci&oacute;n de control del controlador    predictivo en el instante k se obtiene a partir de la soluci&oacute;n de un    problema de optimizaci&oacute;n que se plantea de la forma (4). </font>     <P align="left"><img src="/img/revistas/eac/v36n3/e0408315.gif">     <P><font size="2" face="Verdana">donde el sub&iacute;ndice &#171;j&#187; denota    el j-&eacute;simo componente de un vector, &#171;(k+i|k)&#187; denota el valor    predicho para el tiempo k+i con la informaci&oacute;n disponible hasta k; r(k)    es el valor actual de la referencia para la salida, donde la se&ntilde;al de    control, sus incrementos y la salida est&aacute;n sujetas a las restricciones    (5) con respecto a la secuencia de incrementos de la entrada {&Delta;u(k|k), &#133;, &Delta;u(m-1+k|k)} y a la variable de relajaci&oacute;n &epsilon;, y se establece adem&aacute;s u(k)=u(k-1)+&Delta;u(k|k), donde &Delta;u(k|k) es el primer elemento de la secuencia &oacute;ptima.    </font>     <P align="left"><img src="/img/revistas/eac/v36n3/e0508315.gif">     <P><font size="2" face="Verdana">&omega;<SUP>Du</SUP><SUB>i,j</SUB>, &omega;<SUP>u</SUP><SUB>i,j</SUB>,    &omega;<SUP>y</SUP><SUB>i,j</SUB>, son pesos no negativos para las correspondientes    variables. Mientras m&aacute;s peque&ntilde;o sea &omega;, menos importancia    tiene esa variable en el comportamiento del &iacute;ndice de performance del    sistema. u<SUB>jmin</SUB>, u<SUB>jmax</SUB>, &Delta;u<SUB>jmin</SUB>, &Delta;u<SUB>jmax</SUB>,    y<SUB>jmin</SUB>, y<SUB>jmax</SUB> son las barreras superior/inferior de las    correspondientes variables. En la ecuaci&oacute;n (5), las restricciones a &#171;u&#187;,    &#171;&Delta;u&#187; y &#171;y&#187; son relajadas introduciendo la variable    de relajaci&oacute;n &epsilon;&ge;0. El peso &rho;<SUB>&epsilon;</SUB> en la    variable de relajaci&oacute;n &epsilon; penaliza la violaci&oacute;n de las    restricciones. Mientras m&aacute;s grande &rho;<SUB>&epsilon;</SUB> con respecto a los pesos de las entradas    y las salidas, m&aacute;s es penalizada la violaci&oacute;n de las restricciones.    Los vectores ECR (Equal Concern for the Relaxation, en ingl&eacute;s) V<SUP>u</SUP><SUB>min</SUB>,    V<SUP>u</SUP><SUB>max</SUB>, V<SUP>&Delta;u</SUP><SUB>min</SUB>, V<SUP>&Delta;u</SUP><SUB>max</SUB>,    V<SUP>y</SUP><SUB>min</SUB>, V<SUP>y</SUP><SUB>max</SUB> tienen valores no negativos    los cuales representan el inter&eacute;s por el relajamiento de la correspondiente    restricci&oacute;n; mientras m&aacute;s grande V, m&aacute;s &#171;suave&#187;    es la restricci&oacute;n. V=0 significa que la restricci&oacute;n es &#171;dura&#187;    y que no puede ser violada. Por defecto todas las restricciones para las entradas    son &#171;duras&#187; (V<SUP>u</SUP><SUB>min</SUB>=V<SUP>u</SUP><SUB>max</SUB>    =V<SUP>&Delta;u</SUP><SUB>min</SUB>=V<SUP>&Delta;u</SUP><SUB>max</SUB>=0) y    todas las restricciones para las salidas son &#171;suaves&#187; (V<SUP>y</SUP><SUB>min</SUB>=V<SUP>y</SUP><SUB>max</SUB>    =1). Debido a que las restricciones &#171;duras&#187; de las salidas pueden    causar que el problema de optimizaci&oacute;n no sea apropiado (por ejemplo,    debido a perturbaciones no predichas, discrepancias del modelo, o simplemente    debido a redondeo num&eacute;rico), se produce un mensaje de alerta si V<SUP>y</SUP><SUB>min</SUB>,    V<SUP>y</SUP><SUB>max</SUB> son menores que un valor peque&ntilde;o dado y autom&aacute;ticamente    se ajustan a ese valor. Por defecto se cumple (6). </font>      <P align="left"><img src="/img/revistas/eac/v36n3/e0608315.gif">     <P><font size="2" face="Verdana">El vector u<SUB>jtarget</SUB>(k+i) es una referencia    para el vector de entradas. Se emplea t&iacute;picamente si el n&uacute;mero    de entradas es mayor que el n&uacute;mero de salidas, como una especie de referencia    de menor prioridad. </font>     <P><font size="2" face="Verdana">El algoritmo implementado en la caja de herramientas    de control predictivo basado en modelo emplea diferentes procedimientos dependiendo    de la presencia de restricciones o no. Si todas las barreras son infinitas,    entonces la variable de relajaci&oacute;n &epsilon; se elimina, y el problema de optimizaci&oacute;n de las ecuaciones    (4) y (6) tiene soluci&oacute;n anal&iacute;tica. De lo contrario un m&eacute;todo    de soluci&oacute;n de programaci&oacute;n cuadr&aacute;tica (QP, en ingl&eacute;s)    es empleado. </font>     ]]></body>
<body><![CDATA[<P><font size="2" face="Verdana">Debido a que las restricciones para las salidas    son siempre &#171;suaves&#187;, el problema QP nunca deja de tener soluci&oacute;n.    Si por razones num&eacute;ricas el problema QP se vuelve inapropiado, la segunda    muestra de la secuencia &oacute;ptima anterior es aplicada, es decir, se cumple    (7). </font>     <P align="left"><img src="/img/revistas/eac/v36n3/e0708315.gif">     <P><font size="2" face="Verdana">Los par&aacute;metros definidos para el controlador    dise&ntilde;ado son mostrados en la <a href="#tab1">Tabla 1</a>. </font>     <P align="center"><img src="/img/revistas/eac/v36n3/t0108315.jpg"><a name="tab1"/></a>     <P><font size="2" face="Verdana"><B>Restricciones</B>: </font>     <P>      <P><font size="2" face="Verdana">0 &le; Frecuencia (Hz) &le; 50 </font>     <P><font size="2" face="Verdana">-0.2 &le; Raz&oacute;n de cambio de la Frecuencia &le; 0.2 </font>     <P><font size="2" face="Verdana">0 &le; Velocidad &le; 2980 </font>      <P>      ]]></body>
<body><![CDATA[<P><font size="2" face="Verdana">Las restricciones expresadas en la ecuaci&oacute;n    (5) quedan para este caso de la siguiente manera: </font>     <P><font size="2" face="Verdana">0-0.75*0 &le; y<SUB>j</SUB>(k+i|k) &le;    2980+0*0.75*0 </font>     <P><font size="2" face="Verdana">0-0.75*0 &le; u<SUB>j</SUB>(k+i|k) &le;    50+0.75*0 </font>     <P><font size="2" face="Verdana">0.2-0.75*0.1 &le; &Delta;u(k+i|k) &le; 0.2+0.75*0.1 </font>     <P><font size="2" face="Verdana">i=0,&#133;, 9 </font>     <P><FONT size="2" face="Verdana">&epsilon;=0.75    </font>     <P><FONT size="2" face="Verdana">&Delta;u(k+h|k)=0,    h=2,&#133;, 9 </font>     <P>      <P><font size="2" face="Verdana">El modelo del proceso que muestra la <a href="#tab1">Tabla 1</a>, es un modelo en funci&oacute;n de transferencia    de segundo orden que fue obtenido y validado empleando la metodolog&iacute;a    de Lennart Ljung <SUP>10</SUP> con la peculiaridad de que los est&iacute;mulos    utilizados en los experimentos fueron se&ntilde;ales pseudo-aleatorias multinivel    de tipos MLB (Multi Level Binay, en ingl&eacute;s) y QRB (Quadratic Residue    Binary, en ingl&eacute;s)<SUP>29</SUP> en el rango de trabajo del motor. Se    hicieron 10 r&eacute;plicas de una longitud de 31 elementos entre 42 y 50 Hz    para un rango de velocidades entre 2500 y 2980 rpm. Los juegos de datos obtenidos    fueron pre-tratados y compartidos para la estimaci&oacute;n de los par&aacute;metros    del modelo y la validaci&oacute;n del mismo <SUP>30</SUP>.</font>     <P>&nbsp;     ]]></body>
<body><![CDATA[<P><font size="3" face="Verdana"><B>RESULTADOS</B> </font>     <P>&nbsp;      <P><font size="2" face="Verdana">En esta secci&oacute;n se realiza un estudio    del control de la velocidad de un motor de inducci&oacute;n con rotor tipo jaula    de ardilla mediante la ley de control predictivo MPC que se ejecuta desde MATLAB<SUP>&#174;</SUP>    en la PC (Personal Computer, en ingl&eacute;s) y a trav&eacute;s de OPC-PLC    se env&iacute;a la se&ntilde;al de control al variador de velocidad el cual    es el encargado de variar la relaci&oacute;n tensi&oacute;n/frecuencia del motor    y con esto la velocidad. El diagrama tecnol&oacute;gico de la maqueta empleada    para las simulaciones se puede apreciar en la <a href="#fig9">Fig. 9</a>.    </font>     <P align="center"><img src="/img/revistas/eac/v36n3/f0908315.jpg"><a name="fig9"/></a>     <P><font size="2" face="Verdana">1-PC (Computadora de escritorio) </font>     <P><font size="2" face="Verdana">2-HMI (Interface hombre-m&aacute;quina del fabricante    OMRON<SUP>&#174;</SUP> NS- NS8-TV01-V2) </font>     <P><font size="2" face="Verdana">3-PLC (Controlador L&oacute;gico Programable    del fabricante OMRON<SUP>&#174;</SUP> CJ1M CPU21) </font>     <P><font size="2" face="Verdana">4-Variador de velocidad (fabricante OMRON<SUP>&#174;</SUP>,    modelo VZAB0P2BAA) </font>     <P><font size="2" face="Verdana">5-Motor de inducci&oacute;n con rotor de ardilla    (fabricante Kelvin<SUP>&#174;</SUP>, modelo K90T2) </font>     <P><font size="2" face="Verdana">6-Encoder incremental (fabricante OMRON<SUP>&#174;</SUP>,    modelo E6B2-CWZ6C) </font>     ]]></body>
<body><![CDATA[<P>      <P><font size="2" face="Verdana"><B>Simulaci&oacute;n del control MPC en MATLAB<SUP>&#174;</SUP>/Simulink<SUP>&#174;</SUP></B>    </font>     <P><font size="2" face="Verdana">Todas las simulaciones desarrolladas tienen una    duraci&oacute;n de 300 segundos, el diagrama en bloques del esquema de simulaci&oacute;n    desarrollado en Simulink<SUP>&#174;</SUP> se muestra en la <a href="#fig10">Fig. 10. </a>En la <a href="#fig11">Fig. 11 </a>se muestra el comportamiento de la velocidad ante    una referencia que var&iacute;a desde 2500 r.p.m hasta 2800 r.p.m empleando    el bloque MPC que brinda Simulink<SUP>&#174;</SUP> y el modelo del proceso.    </font>     <P><font size="2" face="Verdana">Para hacer m&aacute;s cercana la simulaci&oacute;n    a la realidad se adiciona un ruido con valores comprendidos entre las +/- 7    r.p.m. La se&ntilde;al de control para este caso tiene la forma que se aprecia    en la <a href="#fig12">Fig. 12</a>. </font>     <P align="center"><img src="/img/revistas/eac/v36n3/f1008315.jpg"><a name="fig10"/></a>     <P align="center"><img src="/img/revistas/eac/v36n3/f1108315.jpg"><a name="fig11"/></a>     <P align="center"><img src="/img/revistas/eac/v36n3/f1208315.jpg"><a name="fig12"/></a>     <P><font size="2" face="Verdana"><B>Control MPC en tiempo real de la velocidad    desde MATLAB<SUP>&#174;</SUP>/Simulink<SUP>&#174;</SUP></B> </font>     <P><font size="2" face="Verdana">La ley de control es calculada por el controlador    predictivo MPC desde MATLAB<SUP>&#174;</SUP>/Simulink<SUP>&#174;</SUP> (<a href="#fig13">Fig. 13</a>) y mediante la pasarela OPC esta es escrita en    la salida anal&oacute;gica del aut&oacute;mata programable conectada al variador    de velocidad que controla al motor. La latencia durante este experimento se    aprecia en la <a href="#fig14">Fig. 14</a>. En esta figura se corrobora la condici&oacute;n    de tiempo real durante los experimentos. </font>     <P align="center"><img src="/img/revistas/eac/v36n3/f1308315.jpg"><a name="fig13"/></a>     ]]></body>
<body><![CDATA[<P align="center"><img src="/img/revistas/eac/v36n3/f1408315.jpg"><a name="fig14"/></a>     <P>      <P><font size="2" face="Verdana">En la <a href="#fig15">Fig. 15</a> se    muestra el comportamiento de la velocidad siguiendo una referencia que var&iacute;a    desde 2500 r.p.m hasta 2800 r.p.m. La se&ntilde;al de control &oacute;ptima    para este caso tiene la forma que se aprecia en la <a href="#fig16">Fig.    16</a>. </font>     <P align="center"><img src="/img/revistas/eac/v36n3/f1508315.jpg"><a name="fig15"/></a>     <P align="center"><img src="/img/revistas/eac/v36n3/f1608315.jpg"><a name="fig16"/></a>     <P><font size="2" face="Verdana"><B>Control de la velocidad mediante PID con autoajuste    en aut&oacute;mata programable</B> </font>     <P><font size="2" face="Verdana">Para el caso del controlador PID, este es autoajustado    en un experimento preliminar ante una se&ntilde;al paso escal&oacute;n de amplitud    2500 r.p.m. Una vez el m&eacute;todo de oscilaciones de ciclo l&iacute;mite    implementado por este aut&oacute;mata determina y actualiza las nuevas constante    P, I y D del controlador, se cambia la referencia a la mostrada en la <a href="#fig17">Fig. 17</a>. La se&ntilde;al de control calculada por el controlador,    ante esta referencia de velocidad, para el motor de inducci&oacute;n con rotor    tipo jaula de ardilla se muestra en la <a href="#fig18">Fig. 18</a>.    </font>     <P align="center"><img src="/img/revistas/eac/v36n3/f1708315.jpg"><a name="fig17"/></a>     <P align="center"><img src="/img/revistas/eac/v36n3/f1808315.jpg"><a name="fig18"/></a>     <P><font size="2" face="Verdana">El experimento para el an&aacute;lisis del comportamiento    del proceso bajo perturbaciones se desarrolla aplicando un freno manual al eje    del motor como muestran las <a href="#fig19">Fig. 19</a>, <a href="#fig20">Fig. 20</a>, <a href="#fig21">Fig. 21 </a>y <a href="#fig22">Fig. 22 </a>para el caso del controlador MPC y las <a href="#fig23">Fig. 23</a>, <a href="#fig24">Fig. 24</a>, <a href="#fig25">Fig. 25</a> y <a href="#fig26">Fig. 26</a> para el caso del controlador PID auto-ajustado.    Lo que se analiza en este caso es la capacidad del controlador de rechazar a    estas perturbaciones y devolver al proceso a su condici&oacute;n de estado estacionario.    </font>     ]]></body>
<body><![CDATA[<P align="center"><img src="/img/revistas/eac/v36n3/f1908315.jpg"><a name="fig19"/></a>     <P align="center"><img src="/img/revistas/eac/v36n3/f2008315.jpg"><a name="fig20"/></a>     <P align="center"><img src="/img/revistas/eac/v36n3/f2108315.jpg"><a name="fig21"/></a>     <P align="center"><img src="/img/revistas/eac/v36n3/f2208315.jpg"><a name="fig22"/></a>     <P align="center"><img src="/img/revistas/eac/v36n3/f2308315.jpg"><a name="fig23"/></a>     <P align="center"><img src="/img/revistas/eac/v36n3/f2408315.jpg"><a name="fig24"/></a>     <P align="center"><img src="/img/revistas/eac/v36n3/f2508315.jpg"><a name="fig25"/></a>     <P align="center"><img src="/img/revistas/eac/v36n3/f2608315.jpg"><a name="fig26"/></a>     <P><font size="2" face="Verdana"><B>AN&Aacute;LISIS Y DISCUSI&Oacute;N DE LOS    RESULTADOS</B> </font>     <P><font size="2" face="Verdana">Como parte de la investigaci&oacute;n se realiz&oacute;    el siguiente experimento sometiendo al proceso real a tres valores constantes,    durante un per&iacute;odo de tiempo determinado, a la salida anal&oacute;gica    que da la referencia al variador de velocidad con el objetivo de analizar la    medici&oacute;n de velocidad a trav&eacute;s del encoder incremental. Los resultados    se muestran en la <a href="#fig27">Fig. 27</a>. </font>     ]]></body>
<body><![CDATA[<P align="center"><img src="/img/revistas/eac/v36n3/f2708315.jpg"><a name="fig27"/></a>     <P><font size="2" face="Verdana">Como se puede apreciar en la <a href="#fig27">Fig. 27 </a>en los tres intervalos en los que se mantuvo constante    el valor de la salida anal&oacute;gica (5, 7 y 9 V), la medici&oacute;n de la    velocidad presenta un comportamiento oscilatorio dentro de una banda espec&iacute;fica    para cada caso. Estas oscilaciones tienden a disminuir a medida que la velocidad    crece en valor absoluto. Sobre el intervalo de inter&eacute;s alrededor de las    2600 r.p.m estas oscilaciones tienen un valor de +/- 7 r.p.m aproximadamente.    </font>     <P><font size="2" face="Verdana">Los valores dentro de los cuales oscila la velocidad    para el seguimiento de una trayectoria variable en el caso del controlador MPC    no supera las +/- 20 r.p.m (<a href="#fig28">Fig. 28</a>). Para el caso del controlador PID con auto-ajuste    el rango dentro del cual oscilan los valores de velocidad para una referencia    fija en 2800 r.p.m no superan las +/- 23 r.p.m y para el caso de la referencia    fija en 2500 r.p.m no superan las +/- 30 r.p.m como se aprecia en la <a href="#fig30">Fig. 30. </a></font>      <P><font size="2" face="Verdana">Como se vio la se&ntilde;al de medici&oacute;n    de la velocidad proveniente del encoder incremental no est&aacute; exenta de    ruidos de baja intensidad, no es una se&ntilde;al plana, a pesar de que la se&ntilde;al    de control se mantiene estable en un valor constante para cada caso analizado.    Esto ciertamente tiene sus repercusiones en el lazo de control y se puede analizar    como una perturbaci&oacute;n no medible con comportamiento aleatorio que se    adiciona a la variable medida del proceso. </font>     <P><font size="2" face="Verdana">Estas perturbaciones no medibles tienen gran    repercusi&oacute;n en el controlador PID con autoajuste y as&iacute; lo evidencia    el comportamiento de la se&ntilde;al de control (<a href="#fig26">Fig. 26</a>), la cual presenta oscilaciones m&aacute;s marcadas    que en el caso del algoritmo de control predictivo MPC. Para este &uacute;ltimo    un papel importante lo juegan las restricciones para el cambio y la raz&oacute;n    de cambio impuestas para la se&ntilde;al de control, una ventaja sin dudas de    este controlador sobre el PID, el cual no admite restricciones ni restricciones    en la raz&oacute;n de cambio para la se&ntilde;al de control. Otra desventaja    de la naturaleza del controlador PID comparado con el controlador MPC es que    al no tener restricciones para la se&ntilde;al de control como ya se mencion&oacute;,    este alcanza la saturaci&oacute;n ante cambios bruscos en la referencia como    se aprecia en la <a href="#fig31">Fig. 31</a> en los primeros instantes de tiempo. En este caso    donde ocurre la saturaci&oacute;n se puede entender que el proceso queda como    si estuviera a lazo abierto <SUP>31</SUP>, ya que, cualquier acci&oacute;n de    control sobre el elemento de acci&oacute;n final no tendr&aacute; ning&uacute;n    efecto sobre el proceso dado que este est&aacute; saturado y esto sin dudas    es una gran desventaja con respecto a los resultados mostrados por el controlador    MPC el cual presenta cambios suaves sin grandes oscilaciones (<a href="#fig29">Fig.    29</a>) en la se&ntilde;al de control. </font>     <P><font size="2" face="Verdana">A pesar de todo lo analizado hay que destacar    que tanto el controlador MPC implementado desde MATLAB<SUP>&#174;</SUP>/Simulink<SUP>&#174;</SUP>    como el algoritmo de control PID con auto-ajuste logran ciertamente el control    de la velocidad y el seguimiento de la trayectoria establecida con oscilaciones    alrededor del punto de consigna. </font>     <P><font size="2" face="Verdana">Por otra parte el controlador MPC logra devolver    al sistema a su estado estacionario ante la influencia de perturbaciones externas    de magnitud desconocida como se puede apreciar en las <a href="#fig19">Fig.    19 </a>y <a href="#fig21">Fig. 21 </a>sin grandes esfuerzos en la se&ntilde;al de control,    esto se debe a la estrategia de ventana deslizante que implementa este controlador,    otra de sus grandes ventajas con respecto al algoritmo de control tradicional    PID. </font>     <P><font size="2" face="Verdana">Como se aprecia en la <a href="#fig29">Fig.    29 </a>existe una variaci&oacute;n absoluta de 0.1 Hz en la se&ntilde;al    de control lo que equivale a 6 r.p.m aproximadamente en valor de velocidad.    Evidentemente existe un error de +/- 7 r.p.m que queda fuera de discusi&oacute;n    y que se considera error de estado estacionario. Los par&aacute;metros de la    respuesta temporal para el controlador MPC y el PID con auto-ajuste se pueden    apreciar en la <a href="#tab2">Tabla 2</a>. </font>     <P align="center"><img src="/img/revistas/eac/v36n3/t0208315.jpg"><a name="tab2"/></a>     <P align="center"><img src="/img/revistas/eac/v36n3/f2808315.jpg"><a name="fig28"/></a>     ]]></body>
<body><![CDATA[<P align="center"><img src="/img/revistas/eac/v36n3/f2908315.jpg"><a name="fig29"/></a>     <P align="center"><img src="/img/revistas/eac/v36n3/f3008315.jpg"><a name="fig30"/></a>     <P align="center"><img src="/img/revistas/eac/v36n3/f3108315.jpg"><a name="fig31"/></a>      <P align="center">&nbsp;     <P><font size="3" face="Verdana"><B>CONCLUSIONES</B> </font>     <P>&nbsp;      <P><font size="2" face="Verdana">En primer lugar los resultados demuestran la    posibilidad del control de la velocidad del motor de inducci&oacute;n con rotor    tipo jaula de ardilla empleando MATLAB<SUP>&#174;</SUP>/Simulink<SUP>&#174;</SUP>    y una pasarela OPC para la comunicaci&oacute;n entre el proceso real y el ordenador    donde est&aacute;n soportadas todas las aplicaciones. Esto evidencia ciertamente    las potencialidades del empleo de OPC y las posibilidades que este brinda de    realizar simulaciones de diferentes t&eacute;cnicas de control sobre procesos    reales. Sin embargo no se debe perder de vista la posibilidad de que las simulaciones    pierdan la propiedad de tiempo real, esto constituye sin dudas una limitaci&oacute;n    para los tiempos de muestreo m&iacute;nimos permisibles por la caja de herramientas    OPC de MATLAB<SUP>&#174;</SUP>, los cuales en muchos casos est&aacute;n supeditados    a las prestaciones del ordenador donde se lleven a cabo los experimentos. </font>      <P><font size="2" face="Verdana">En segundo lugar se evidencian las superioridades    del controlador MPC sobre el controlador PID, las cuales est&aacute;n arraigadas    a la propia concepci&oacute;n y formalizaci&oacute;n matem&aacute;tica de la    t&eacute;cnica de control en cuesti&oacute;n. Es evidente que el controlador    predictivo MPC resuelve en tiempo real un problema de optimizaci&oacute;n de    un funcional y en este caso con restricciones, el cual, le permite a este controlador    mejores desempe&ntilde;os. Tambi&eacute;n se debe mencionar que la cantidad    de par&aacute;metros que intervienen en el ajuste del controlador MPC son mayores    que los que intervienen en el controlador PID por lo cual le siguen brindando    al controlador PID su car&aacute;cter atractivo e intuitivo y si a esto a&ntilde;adimos    la capacidad de auto-ajuste que adem&aacute;s tienen estos &uacute;ltimos en    muchos de los aut&oacute;matas programables que se encuentran en el mercado,    lo vuelven, como ha quedado demostrado hasta la fecha, el algoritmo de control    m&aacute;s difundido en las industrias a nivel mundial. </font>     <P><font size="2" face="Verdana">Por &uacute;ltimo, el empleo sin embargo de uno    u otro algoritmo est&aacute; supeditado al proceso en particular de que se trate,    ya que, como se puede apreciar en la <a href="#tab2">Tabla 2</a> el controlador MPC no presenta sobre-oscilaciones    pero demora m&aacute;s en alcanzar el estado estacionario, sin embargo, el controlador    PID responde m&aacute;s r&aacute;pido pero a costa de una sobre-oscilaci&oacute;n    considerable. </font>     <P>&nbsp;      ]]></body>
<body><![CDATA[<P><font size="3" face="Verdana"><B>REFERENCIAS</B> </font>     <P>&nbsp;      <!-- ref --><P><font size="2" face="Verdana">1. Kusagur, A., Fakirappa Kodad, S. y Ram, S.    Modelling &amp; Simulation of an ANFIS controller for an AC drive. World Journal    of Modelling and Simulation, 2012, 8(1), 36-49.     </font>     <!-- ref --><P><font size="2" face="Verdana">2. Abdul Mannan, M., Islam, A., Nasir Uddin,    M., Kamrul Hassan, M.<I>, et al.</I> Fuzzy-Logic Based Speed Control of Induction    Motor Considering Core Loss into Account. <I>Intelligent Control and Automation    </I>2012, vol. 3, pp. 229-235. Disponible en Internet:&lt;<a href="http://dx.doi.org/10.4236/ica.2012.33026"    target="_blank">http://dx.doi.org/10.4236/ica.2012.33026</a>&gt;     . </font>     <!-- ref --><P><font size="2" face="Verdana">3. Prasanna Mark, A., Vairamani, R. y Raj Irudayaraj,    G. C. Mathematical Modeling and Analysis of Different Vector Controlled CSI    Fed 3-Phase Induction Motor Drive. <I>Journal of Applied Mathematics </I>2014,    pp. 1-13. Disponible en Internet:&lt;<a href="http://dx.doi.org/10.1155/2014/623982"    target="_blank">http://dx.doi.org/10.1155/2014/623982</a>&gt;     . </font>     <!-- ref --><P><font size="2" face="Verdana">4. Abdelkarim, E., Ahmed, M., Orabi, M. y Mutschler,    P. Fuzzy Logic Speed Controller of 3-Phase Induction Motors for Efficiency Improvement.    <I>Journal of Power Electronics </I>2012, vol. 12, no. 2, pp. 305-316. Disponible    en Internet:&lt;<a href="http://dx.doi.org/10.6113/JPE.2012.12.2.305" target="_blank">http://dx.doi.org/10.6113/JPE.2012.12.2.305</a>&gt;        . </font>      ]]></body>
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<body><![CDATA[<P><font size="2" face="Verdana"><em>Ram&oacute;n Imad Verd&eacute;s Kairuz</em>,    Departamento de Autom&aacute;tica y Computaci&oacute;n, Facultad de Ingenier&iacute;a    El&eacute;ctrica, Instituto Superior Polit&eacute;cnico Jos&eacute; Antonio    Echeverr&iacute;a, CUJAE, La Habana, Cuba. E-mails: <a href="mailto:imad@electrica.cujae.edu.cu">imad@electrica.cujae.edu.cu</a>,    <a href="mailto:anita@electrica.cujae.edu.cu">anita@electrica.cujae.edu.cu</a>.</font>      ]]></body><back>
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