Ingeniería de Control y Automatización
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Item Diseño de un sistema de control predictivo con restricciones del proceso de calentamiento de gas de una estación de regulación y medición de gas natural (ERM)(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2024-02-20) Luján Paredes, Marlon Jesahel; Pérez Zúñiga, Carlos GustavoEl proyecto Camisea descubierto en la década del 80 tuvo que esperar casi 20 años para el inicio de su operación comercial 2004, arribando por primera vez a Lima y Callao, y propagándose en la actualidad a las regiones norte y sur de nuestro país, así como al extranjero mediando buques de gas natural licuado. Con los años gracias a Camisea ha variado la matriz eléctrica nacional, siendo este yacimiento desde el 2011 fuente de más del 30% de energía eléctrica producida y consumida por el Perú, generando trabajo, y mejores condiciones de vida de millones de peruanos. Se estudia en este trabajo la problemática del calentamiento de gas que precisamente es entregado a una generadora eléctrica, el cual por sus niveles de presión recibida requiere una reducción de presión que infiere inherentemente a una reducción de temperatura por el efecto Joule-Thompson, razón por la cual es necesario controlar esta variable de temperatura a niveles óptimos de operación, en la estación de regulación y medición de gas natural (ERM). Se identificó el sistema de calentamiento de gas natural el cual tiene un tiempo de establecimiento muy alto a lazo abierto (361 minutos) que puede controlarse en lazo cerrado usando un controlador GPC sin restricciones (17 minutos). Se diseño una nueva estructura teórica del control predictivo basado en modelo de forma ampliada que permite explicar cómo los horizontes de predicción y control interactúan entre el modelo, optimizador, y la planta. Se propone un nuevo método de sintonización de todos los parámetros de un controlador GPC logrando optimizar la respuesta de la planta. Se desarrolla analíticamente el método de implementación del controlador GPC sin restricciones en un PLC, logrando definir las estrategias y consideraciones de programación que se deben seguir para su implementación en un futuro trabajo a corto plazo de la solución. Ante esto se concluye que la estrategia de control avanzado es implementable en un PLC comercial.Item Modelamiento y diseño de un sistema de control de las variables críticas de un molino semiautógeno mediante un sistema experto basado en control MPC y lógica difusa(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2021-12-17) Alfaro Rosas, Guillermo Alonso; Pérez Zúñiga, Carlos GustavoUn molino SAG, equipo principal en el circuito de molienda de minerales tiene como objetivo reducir el tamaño de su mineral alimentado del área de chancado y adaptarlo para etapa de flotación buscando la mayor eficiencia y optimización de cada una de sus variables de control y mejorando las habilidades de sus operadores de sala de control. Esta tesis se centrará en el desarrollo de un modelo matemático comprendiendo las principales variables del molino y ajustando su respuesta según datos tomados de distintas plantas a nivel mundial. Posteriormente se configurará y enlazará un sistema de control básico con el modelamiento previamente creado y sintonizado, dicho sistema presentará el sistema de control primario encargado de evaluar las condiciones básicas de arranque y parada del molino y sus grupos de control involucrados, así como también los lazos de control básicos para su operación. Además, se diseñará e integrará el sistema de supervisión respectivo para el control de operador y supervisor de dicho proceso modelado. El sistema de control avanzado diseñado implementa estrategias de control de optimización en tiempo real para el proceso de molienda primaria. La lógica de control considerada se basa en decisiones secuenciales que ejecutarán controladores predictivos basados en modelos o lógica difusa orientando el proceso a buscar estabilidad y luego optimización de cada variable crítica, esto se conseguirá extrayendo las variables de proceso del sistema de control primario y calculando su respectiva acción según cada objetivo; este sistema considera la evaluación de las variables críticas del molino SAG cuando el sistema experto esté encendido y haciendo el seguimiento respectivo cuando esté apagado. Finalmente se realizará la evaluación y comparación de variables críticas del molino considerando dos escenarios, cuando el sistema experto se encuentre encendido teniendo este control sobre los actuadores del molino SAG y cuando el sistema experto se encuentre apagado y se pueda operar cada actuador de forma manual.Item Nonlinear adaptive observer design for a reverse osmosis plant(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2021-11-11) Korder, Kristina; Pérez Zúñiga, Carlos GustavoThis thesis proposes a novel approach for a nonlinear adaptive observer design applied to a reverse osmosis desalination plant. The considered mathematical model of the de- salination system includes nonlinearities of the states and the parameters that cannot be handled with previously published estimation methods which are based on the mod- ulating function technique. Therefore, the proposed real-time capable approach uses a decoupled parameter estimator and state observer. These estimates can be utilized for developing a controller or a fault detection system of the desalination plant with the aim of improving the quality and effort of fresh water production. The parameter estimator is composed of a convolution filter with modulating func- tions and the common Extended Kalman-Bucy Filter in order to estimate nonlinear parameters of a state-linear input/output relation. To receive a regression form of the nonlinear system for the state observer and to avoid the necessity of time-derivatives of the measured input and output signals, a linearization by means of the Taylor se- ries and the modulating function technique are applied. The estimates can be non- asymptotically obtained by using a sliding window of finite length. This procedure allows a continuous and recursive update of the state estimates and extends the possi- ble applications of the modulating function technique to nonlinear systems. Comparative simulations are executed with the considered nonlinear system of a reverse osmosis desalination plant. Distinct scenarios with respect to the parameter change and the impact of noise are examined. The parameter and state coupled Ex- tended Kalman-Bucy Filter shows an asymptotic convergence of its estimates, whereas the decoupled proposed adaptive observer confirms its non-asymptotic behavior by fast estimation results.Item Model-based fault diagnosis via structural analysis of a reverse osmosis plant(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2021-05-11) Göpfert, Johannes Georg; Pérez Zúñiga, Carlos Gustavo; Reger, JohannWater desalination is one approach to force water scarcity. One of the processes used for desalination is reverse osmosis. Like other systems, a reverse osmosis plant is susceptible to faults. A fault can lead to a loss of efficiency, or if the fault is severe to a total breakdown. Appropriate measures can minimize the impact of faults, but this requires in time fault detection. The following thesis shows a proposal for an online fault diagnosis system of a reverse osmosis plant. For the model-based approach, a mathematical model of a reverse osmosis plant has been developed. The model contains a new approach for modeling the interaction between the high-pressure pump, the brine valve, and the membrane module. Furthermore, six faults considered for fault diagnosis have been modeled. Two of the faults are plant faults: The leakage of the feed stream and membrane fouling. The other four faults are sensor or actuator malfunctions. The fault diagnosis system is developed via structural analysis, a graph-based approach to determine a mathematical model’s overdetermined systems of equations. With the structural analysis, 73 fault-driven minimal structurally overdetermined (FMSO) sets have been determined. The results show that all six faults are detectable. However, two faults are not isolable. Five of the FMSO sets have been chosen to deduce the residuals used for online fault detection and isolation. The simulations demonstrate that the calculated residuals are appropriate to detect and isolate the faults. If one assumes that only the considered faults occur, it is possible to determine some faults’ magnitude.Item Diseño e implementación de un sistema de diagnóstico de fallas para la inspección y detección de fallas en componentes de procesos industriales utilizando un robot móvil y algoritmos de inteligencia artificial(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2021-01-12) Inafuku Yoshida, Alberto Hiroshi; Pérez Zúñiga, Carlos GustavoEl presente trabajo de tesis tiene como principal objetivo desarrollar el algoritmo de control de un robot móvil, el cual se desplazará por una planta industrial en busca de fallas en equipos críticos como son los motores y las bombas. Los motores y las bombas son componentes básicos y fundamentales para los procesos industriales, por lo tanto, es importante mantenerlos en óptimas condiciones con el fin de evitar paradas imprevistas, sobrecostos, y pérdidas de calidad y eficiencia del proceso. En muchos casos, los trabajos de mantenimiento implican medir la vibración de los equipos en lugares confinados o de difícil acceso y debido a que, en la actualidad, se debe velar por la seguridad y bienestar del personal, se propone utilizar un robot móvil para esta tarea. Por lo tanto, se propone diseñar e implementar un sistema de diagnóstico de fallas utilizando mediciones de vibración en conjunto con técnicas de Inteligencia Artificial para un robot móvil. Para lograr el objetivo propuesto, primero se estudian los componentes industriales de interés, resaltando las fallas más comunes y la normativa correspondiente para la clasificación de su condición. Seguidamente, se presentan las estrategias de mantenimiento existentes para su evaluación, resaltando las ventajas y desventajas de cada una, y se introducen los robots móviles como alternativa, teniendo como ejemplos casos reales en donde estos son importantes para realizar trabajos de búsqueda y rescate, en condiciones inaccesibles y peligrosas para las personas. Luego se presentan los algoritmos utilizados en el análisis vibracional, resaltando la Transformada de Hilbert Huang, la cual descompone las señales en Funciones de Modo Intrínseco, señales ortogonales entre sí, que describirán la vibración en función del tiempo y la frecuencia. Las Funciones de Modo Intrínseco serán las entradas a nuestra Red Neuronal Convolucional, una metodología de Aprendizaje Profundo e Inteligencia Artificial para entrenar un modelo que nos ayudará a diagnosticar el tipo de falla. Posteriormente, se proponen los algoritmos a implementar con Python, Keras y TensorFlow y se ponen a prueba con la base de datos de mediciones de vibración MAFAULDA. Finalmente se presentan los parámetros del diseño del robot móvil mencionando el hardware a utilizar y la metodología de medición, y se realiza una comparación de tiempos de procesamiento con una PC para pruebas y la NVIDIA Jetson Nano.Item Energy-Based Control for the Cart-Pole System in Implicit Port-Hamiltonian Representation(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2020-03-19) Huamán Loayza, Alex Smith; Reger, Johann; Cieza Aguirre, Oscar B.; Pérez Zúñiga, Carlos GustavoThis master thesis is devoted to the design, analysis, and experimental validation of an energy-based control strategy for the well-known benchmark cart-pole system in implicit Port-Hamiltonian (PH) representation. The control scheme performs two tasks: swingup and (local) stabilization. The swing-up controller is carried out on the basis of a generalized energy function and consists of bringing the pendulum trajectories from the lower (stable) position to a limit cycle (homoclinic orbit), which passes by the upright (unstable) position, as well as the cart trajectories to the desired point. The (local) stabilizing controller is designed under a novel algebraic Interconnection and Damping Assignment Passivity-Based Control (IDA-PBC) technique and ensures the upright (asymptotic) stabilization of the pendulum as well as the cart at a desired position. To illustrate the effectiveness of the proposed control scheme, this work presents simulations and real-time experiments considering physical damping, i.e., viscous friction. The results are additionally contrasted with another energy-based control strategy for the cart-pole system in explicit Euler-Lagrange (EL) representation.Item Robust estimation of vertical wheel forces via modulation-based sensor fusion(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2019-11-05) Segura Rojas, Juan de Dios; Reger, Johann; Pérez Zúñiga, Carlos GustavoSince its introduction by Shinbrot, numerous variations of parameter identification based on the Modulating Function Technique (MFT) have been developed. Recently researches have achieved to estimate also states through this method. In this thesis, the MFT is utilized for the estimation, of both parameters and states, that lead to observe the behaviour of the vertical suspension forces on a vehicle over time. In order to deal with the frequency disturbances present by perturbations as measurement noise and vibrations, the Fourier Modulating Function (FMF) as a kernel is proposed. Furthermore, this method is implemented with the concept of sensor fusion. The estimation that results after the implementation of an adaptive observer during the present work is going to show the robustness of the studied technique.Item Diseño de un sistema de control difuso de posición e implementación de un generador de órdenes para un cañon 76/62 mm de una corbeta misilera clase pr-72p en aplicaciones de tiro contra costa(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2019-10-11) Sánchez Malpartida, Jose Luis; Pérez Zúñiga, Carlos GustavoEn la actualidad las Corbetas Misileras clase PR-72P, tienen como artillería principal los montajes 76/62mm, los cuales cuentan con el sistema de control de tiro Vega II, que posee un Calculador balístico híbrido “BCH”, con interfaces analógicas, el cual a través de tarjetas impresas y sistemas sincrónicos resuelven el problema de tiro. Este sistema y sus componentes ya no se fabrican en la actualidad, siendo su reparación muy onerosa y poco confiable, debido a que tienen una antigüedad de más de 35 años. El tiro contra costa se realiza con el montaje antes mencionado, con la finalidad de brindar fuego naval de apoyo, para batir blancos en tierra, lo cual en la actualidad demanda de mucha precisión, con la finalidad de evitar daños colaterales, motivo por el cual demanda de mucha fidelidad de sus sistema de control. El sistema original contempla dos métodos de tiro contra costa: el método cronométrico y el método de punto de referencia, ambos son usados estimando la posición real del buque, originando que mientras más tiempo pase se incremente el error. Actualmente existe el sistema de posicionamiento satelital (GPS), el cual es aprovechado para tener en tiempo real la posición del buque, con lo cual se reduce considerablemente el error. Asimismo, existen técnicas de control avanzado, las cuales permiten compensar errores y perturbaciones, causadas por desgaste de componentes o ruidos, aumentando la confiabilidad y precisión del sistema. Es por eso que, se obtiene el modelo matemático del cañón y se diseña un sistema de control difuso para un cañón 76/62mm en aplicaciones de tiro contra costa, el cual se compara con el sistema actual, evidenciando mejoras en las respuestas y en la robustez. Finalmente, se implementa un generador de órdenes al cañón, el cual está basado en un software y su implementación en una computadora industrial modular PXI de National Instruments, que permita realizar funciones de captura de sensores y procesamiento de datos en tiempo real para la solución del problema de control de tiro contra blancos terrestres, presentación gráfica de los principales datos importantes para el operador y pruebas dinámicas al montaje mediante un SCADA.Item Diseño de un sistema de control predictivo multivariable aplicado a un proceso hidráulico de cuatro tanques acoplados(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2019-02-27) Sánchez Zurita, Victor Andrés; Pérez Zúñiga, Carlos GustavoTeniendo en cuenta que a nivel global los fluidos son indispensables para los procesos industriales y por lo tanto el control de nivel en depósitos industriales es una de las necesidades más importantes del mercado, el presente trabajo muestra una aplicación de un sistema de control multivariable en un sistema hidráulico de cuatro tanques acoplados que emula el acoplamiento de nivel de los tanques, lo que representa una problemática típica de la industria. Se realiza un estudio del estado del arte con respecto al proceso que se utiliza incluyendo su dinámica y las soluciones previas con diferentes técnicas de control convencional, control moderno y control avanzado, y se escoge las técnicas de control que se implementan. Luego se desarrolla el modelamiento matemático de un sistema hidráulico de cuatro tanques acoplados para comprender las principales variables físicas involucradas en el proceso y se obtiene un modelo que se utiliza como objetivo de los sistemas de control que se diseñan. A partir del modelo matemático obtenido, se implementan dos sistemas de control predictivos multivariable y con los resultados que se obtienen se cuantifica la eficiencia de funcionamiento de ambos sistemas mediante parámetros estándar de desempeño con el objetivo de escoger el algoritmo de control que mejor desempeño muestra. A partir del algoritmo de control que se selecciona, se desarolla la propuesta de solución para la planta objeto de estudio con un controlador industrial comercial, y se realizan las pruebas experimentales necesarias para validar el funcionamiento del sistema de control seleccionado concluyendo que es posible mejorar el funcionamiento de la planta objeto de estudio mediante el uso de la técnica de control avanzada propuesta.Item Irregularly sampled data in the design of a soft sensor system: some preliminary results(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2019-01-21) Griesing-Scheiwe, Fritjof; Pérez Zúñiga, Carlos GustavoIn modern industrial applications, sensors are an expensive part of installed systems. Nevertheless, many system variables cannot be measured sufficiently frequently or accurately. Thus, soft sensors have been developed to estimate those variables without the expense of additional hardware. The use of a soft sensor with a bias update term has shown to perform well for disturbed systems with time delays and multirate sampling times. In industrial application, the time delay and sampling times often vary. Yet, the case of variation of the time delay and sampling time in the bias update term has not been considered in previous publications. This thesis tests a soft sensor with bias update term in simulation and gives a modification yielding better performance. It is shown that the tested method gives unstable results. Hence, a more general method with a bias update term that considers all possible sampling times in each step is proposed, giving stable results in simulation. Furthermore, the stability of the general method is proven mathematically by building a state space representation and applying