Ingeniería de Control y Automatización
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Item Diseño de un sistema de control avanzado para ósmosis inversa en una planta de agua ácida(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2024-11-28) Huaman Valverde, Fausto Marcelo; Sotomayor Moriano, Juan JavierEn el contexto de la minería actual, el procesamiento del oro y la consecuente generación de aguas contaminadas cargadas con sustancias ácidas y contaminantes, representa un desafío ambiental significativo. Estas aguas deben ser tratadas antes de ser liberadas a los ríos de las comunidades cumpliendo con las normas establecidas de calidad del agua. En la actualidad, en las plantas de tratamiento de estas aguas se utiliza tecnologías como la ósmosis inversa (OI), sin embargo, el sistema de control utilizado en estas plantas presenta limitaciones en términos de eficiencia y precisión, lo que demanda la exploración de alternativas más avanzadas. La propuesta para optimizar el funcionamiento de esta planta empleando un sistema de control avanzado, implica realizar tareas tales como, obtener el modelo matemático del comportamiento dinámico de la planta de OI, el diseño del sistema de control avanzado, y comparar esta propuesta con sistemas con controladores convencionales. Esta investigación inicia con la descripción y modelado de la planta de OI. Seguido, se diseña un sistema de control predictivo generalizado multivariable (GPC), utilizando técnicas de control avanzado, este diseño se evalúa y compara con un sistema de control convencional como el PID. Los resultados demuestran que el sistema de control predictivo basado en GPC propuesto mejora significativamente la eficiencia y precisión del tratamiento del agua ácida en comparación con los controladores convencionales. Por último, se describe una propuesta de implementación del sistema de control en una planta de tratamiento de agua ácida. Así, esta propuesta representa una alternativa válida para el desarrollo de sistemas de control en plantas de tratamiento de aguas ácidas en entornos industriales.Item Automated Response Strategy and its Testbed Implementation for Contamination Management in Water Distribution Systems(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2024-11-20) Flores Juárez, Patricio José; Sotomayor Moriano, Javier; Reger, JohannAccess to clean drinking water is crucial worldwide. Throughout history, various methods of distribution have been developed to ensure that people have access to good quality water. Nowadays, there are various risks associated with water contamination, including those caused intentionally and unintentionally. Responding to such incidents typically involves manual decisionmaking processes, emphasizing the need for automated strategies. This thesis introduces a novel approach employing Mixed Integer Nonlinear Programming (MINLP) to optimize isolation strategies and flushing methods within water distribution systems (WDSs). By integrating mass conservation and energy conversion equations, coupled with Hazen-Williams equation for pressure drop calculations, the proposed model aims to minimize contamination risks arising from various sources, including natural disasters and cyber-attacks. The methodology undergoes validation and implementation through simulated benchmark scenarios to ensure its effectiveness and precision. Subsequently, real-world contamination scenarios are addressed within a practical testing environment (Testbed). Automation within the Testbed is achieved through the integration of software on a PC with Programmable Logic Controllers (PLCs). Moreover, the study presents a comprehensive analysis of valve manipulation to mitigate contamination risks, alongside a comparison against scenarios without intervention. By automating response decisions and operational processes, the methodology showcases promising results in effectively managing contamination incidents within WDSs, thus offering a significant contribution to water system resilience and security.Item Desarrollo de un controlador avanzado DMC para el control de presión en un oleoducto a escala de laboratorio(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2024-06-21) Herrera Brañes, Jose Luis; Rivas Perez, RaulEn el presente trabajo se desarrolla un controlador de matriz dinámica (DMC) para el control de presión, en una planta piloto a escala de laboratorio para el transporte de fluidos que emula el comportamiento dinámico de un oleoducto, el cual posibilita aumentar la efectividad del sistema de control, así como reducir las roturas de los ductos, las fugas y los daños al medio ambiente. Se realiza una revisión del estado del arte de los sistemas de control de presión en oleoductos. Se efectúa la descripción de la planta piloto para el transporte de fluidos de la PUCP y la identificación del comportamiento dinámico de la presión en esta planta. Se diseña el controlador DMC en base al modelo matemático derivado, además se generan acciones de control y se realizan simulaciones para evaluar el desempeño del sistema. Se realiza un estudio comparativo para analizar la robustez y eficiencia del controlador DMC desarrollado vs PID. Los resultados de las simulaciones realizadas muestran que el controlador DMC diseñado exhibe un buen desempeño en el control de la presión en la planta objeto de estudio y, por consiguiente, constituye una solución eficiente y confiable para el control preciso de presión en oleoductos industriales reales, lo que posibilitará aumentar la eficiencia y la seguridad en el transporte de combustibles.Item Diseño de un sistema de control robusto para un bastidor de osmosis inversa de una planta desalinizadora de agua de mar(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2024-05-28) Bonilla Cosamalón, Gilberto Aníbal; Moran Cardenas, Antonio ManuelLa creciente escasez global de agua, agravada por el aumento demográfico, la intensificación agrícola e industrial, y el cambio climático, ha impulsado la investigación de soluciones para aprovechar recursos hídricos previamente considerados inutilizables, como el agua de mar, a través de técnicas de desalinización. Entre estas técnicas, la Osmosis Inversa destaca por su eficiencia operativa, generando la necesidad de desarrollar un sistema de control efectivo para asegurar la producción de agua potable en cantidades y calidad adecuadas. Este trabajo se concentra en establecer fundamentos para el diseño e implementación de un sistema de control para unidades de desalinización por ósmosis. Se aboga por el uso de técnicas avanzadas y robustas, proponiendo una solución basada en controladores robustos H desde la perspectiva de la Ingeniería de Control y Automatización. Estos controladores buscan controlar las variables críticas en sistemas de Osmosis Inversa, ya sea en plantas mono o multivariables. Además, se considera relevante comparar el diseño e implementación de los controladores H infinito (H) con otros convencionales y avanzados en diversos escenarios operativos, evaluando su rendimiento y robustez en condiciones diversas. Este enfoque integral aspira a contribuir al avance y optimización de sistemas de desalinización, especialmente en el contexto de la Osmosis Inversa, para hacer frente a la creciente demanda mundial de agua potable.Item Diseño de un sistema de control difuso de la temperatura y la humedad relativa de una cámara de envejecimiento(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2024-02-12) Lapa Arellano, Allen Dennis; Pérez Zuñiga, Carlos GustavoLas cámaras de envejecimiento se emplean para estudiar la degradación de materiales, especialmente en el contexto del patrimonio histórico peruano, con el objetivo de desarrollar técnicas de conservación. La exposición a condiciones ambientales, como temperatura y humedad, provoca desgaste en los materiales, y esta tesis se centra en diseñar un sistema de control difuso para regular estas condiciones en una cámara de envejecimiento. Para lograrlo, se establecen los principios teóricos que explican el comportamiento del aire en la cámara y se desarrolla un modelo matemático no lineal que representa la cámara de envejecimiento, incluyendo elementos como calentadores, enfriadores, humidificadores y deshumidificadores. Se llevan a cabo simulaciones utilizando el software Simulink de MATLAB y se comparan con datos experimentales. El diseño del sistema de control es un desafío debido a las no linealidades y la interacción entre las variables. Esto requiere técnicas avanzadas de control. Antes de implementar un controlador difuso basado en el modelo no lineal, se realiza un estudio exhaustivo de la teoría del control difuso. Diseñar un sistema de control para acelerar la exposición de materiales es desafiante debido a no linealidades y la interacción entre variables, lo que requiere técnicas de control avanzado. Se lleva a cabo un estudio exhaustivo de la teoría del control difuso antes de diseñar el controlador. Este controlador difuso se compara con un controlador convencional, mostrando menos oscilaciones y una reducción del error acumulado.Item Desarrollo de un sistema de control para un convertidor DC-AC trifásico utilizando una estrategia tipo Grid Forming con limitación de corriente(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2023-11-29) Jara Falla, Arturo Francisco; Tafur Sotelo, Julio CesarActualmente, en respuesta a la necesidad de vehículos eléctricos que utilicen una fuente de energía diferente a la gasolina o petróleo, debido al agotamiento, se han creado vehículos capaces de funcionar con energía eléctrica almacenada en una batería interna. El dispositivo interno encargado del proceso del control de carga de la batería eléctrica es un convertidor electrónico DC-AC, pues la batería necesita una corriente continua para recargarse. A razón de esta interacción entre el vehículo eléctrico y la red eléctrica, se han planteado diferentes estrategias de control que permitan el intercambio de potencia entre la batería y la red eléctrica, para asegurar el funcionamiento correcto de la red durante el proceso de recarga o en caso de fallas en la red eléctrica. A este tipo de estrategias se le denominan comúnmente “Vehicle-to-Grid” (V2G). Este trabajo de tesis plantea una estrategia de control V2G denominada “Grid Forming”, la cual permite controlar el intercambio de potencia entre la red eléctrica y la batería emulando el comportamiento dinámico de una maquina síncrona. No obstante, dado que la estrategia de control se implementa en un convertidor electrónico de potencia, este es dimensionado para que trabaje a potencia nominal y no para corrientes de cortos circuitos, dado que esto incrementaría considerablemente el costo del convertidor o podría acarrear daños irreparables en su estructura. Es debido a la problemática anteriormente planteada, que esta tesis busca evaluar e implementar una nueva estrategia de control V2G de tipo “Grid Forming”, que permita al vehículo dar soporte a la red y recibir energía de la misma a través del control del voltaje y frecuencia y, proponer un método más sencillo de limitación de corriente en caso de fallas en la red eléctrica. Además, se analiza el impacto de los armónicos a bajas frecuencias en la transferencia de energía entre la red y el vehículo.Item Desarrollo de un controlador de posición avanzado para endoscopio blando en cirugía laparoscópica(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2023-11-17) Acosta Gonzales, Renzo Rogger; Tafur Sotelo, Julio CésarEl presente estudio se desarrolla en el marco de brindar asistencia al cirujano en la laparoscopia, la cual es una cirugía utilizada para tratar problemas de salud en la zona abdominal. El procedimiento utiliza una cámara conectada a un tubo delgado flexible llamado endoscopio, el cual permite observar al interior de la zona abdominal del paciente; las imágenes obtenidas por el instrumento son utilizadas por el cirujano durante el tratamiento del paciente. Para garantizar un procedimiento correcto, se debe mover correctamente el endoscopio en el interior del abdomen, siendo esta tarea específicamente la que se busca facilitar su control y con ello dar apertura a una serie de posibilidades como el movimiento asistido, la operación remota y la automatización completa de la tarea. Con el fin de proponer una solución, actualmente, con el avance en el campo de la robótica blanda se han diseñado y fabricados manipuladores o actuadores blandos que puedan ser usados como endoscopios, los cuales tienen la capacidad de deformarse y ser forzados a moverse para alcanzar diferentes posiciones deseadas dentro de sus límites de operación. El cuerpo del manipulador o actuador blando en estudio presenta cuatro cámaras internas, las cuales pueden ser deformadas regulando la cantidad de presión de aire al interior de cada cámara. Para controlar y alcanzar la posición deseada del efector final del endoscopio, donde una cámara será conectada, en el presente trabajo se realiza el modelamiento de la dinámica del cuerpo del endoscopio y el diseño del controlador de posición. La tarea de modelamiento consiste en definir las características de la estructura de una red neuronal recurrente con realimentación a la salida y luego realizar su entrenamiento usando el algoritmo DBP (Dynamic Back-Propagation) para obtener los pesos de conexión entre las neuronas de la red. El diseño del controlador consiste de dos etapas. En la primera etapa se definen las características de la estructura de una red neuronal prealimentada (feed-forward). Para el entrenamiento de la red se utiliza el algoritmo DBP bajo un enfoque dinámico donde se considera el sistema en lazo cerrado, el cual comprende tanto al controlador como al modelo del sistema. El controlador de posición obtenido es válido solamente dentro de un rango de movimiento; por ello, se definen un conjunto de controladores para cada rango de operación. En la segunda etapa, se utiliza el método difuso Takagi Sugeno para la integración de los controladores locales y la obtención de un controlador global valido en todo el rango de operación. El controlador obtenido se implementa y prueba mediante simulación con el objetivo de validar su desempeño para diferentes posiciones deseadas del endoscopio.Item Dynamic and algebraic observer design for leak detection, size estimation and localization in water pipe systems(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2023-11-06) Russmann, Julius Paul; Perez Zuñiga, Carlos GustavoEn esta tesis se aplican por primera vez métodos basados en modelos sin discretización espacial para detectar y localizar fugas en una planta piloto de transporte de fluidos. Basado en un modelo matemático que describe la dinámica de fluidos dentro de la tubería de agua mediante dos ecuaciones diferenciales parciales que son hiperbólicas, lineales, unidimensionales y acopladas, se deriva y diseña tanto un observador dinámico como algebraico. El diseño del observador dinámico combina un enfoque de Luenberger con una transformación de backstepping para demostrar la estabilidad asintótica del error del observador. Como consecuencia, el observador resulta en un sistema dinámico de dos sistemas diferenciales parciales hiperbólicos acoplados. Por el contrario, el diseño del observador algebraico aplica el método de las funciones de modulación para convertir el modelo matemático en problemas auxiliares que también son dados por ecuaciones diferenciales parciales. Los problemas auxiliares se pueden resolver fuera de línea, tal que para estimar el tamaño y la posición de la fuga en línea se tienen que resolver solamente ecuaciones algebraicas input-output. Se enfatiza que ambos esquemas de observación se derivan directamente del modelo matemático sin discretización espacial. Por lo tanto, esta tesis aborda la brecha de investigación con respecto a métodos de detección y localización de fugas que sean basados en un modelo matemático y que no requieren una discretización espacial del sistema. En simulaciones comparativas, se evalúa el desempeño de ambos observadores para una tubería de agua ejemplar en diversas condiciones de operación, por ejemplo, el tamaño de la fuga, la posición de la fuga, el caudal de entrada y el ruido de medición. Se compara la precisión de los esquemas de observación, y se verifica la capacidad en tiempo real de ambos algoritmos. Finalmente, la dinámica y el observador algebraico se utilizan para estimar el tamaño y la posición de la fuga para una planta piloto de transporte de fluidos instalada en el laboratorio de Ingeniería de Control Avanzado en la PUCP. Se revela que, al contrario de la suposición de un modelo lineal para la perdida por fricción, las pérdidas por fricción dependen cuadráticamente del caudal tal que un modelo no lineal describa con mayor exactitud la dinámica del fluido de la planta piloto. Sin embargo, se ha demostrado que para las fugas que surgen cerca de la salida de la tubería, ambos observadores estiman la posición de la fuga con desviaciones inferiores al 5% y logran la precisión deseada. Además, se ha demostrado que una extensión del observador dinámico hacia el modelo no lineal permite localizar la fuga con desviaciones inferiores al 5%, independientemente de la posición de la fuga.Item Application of derivative-free adaptive control to a nanopositioning machine(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2023-05-11) Velasquez Elguera, Mario Sebastian; Perez Zuñiga, Carlos GustavoNanopositioning and nanomeasuring machines are playing an increasingly important role in the evolution of modern technologies in various fields. The Institute of Process Measure ment and Sensor Technology at Ilmenau University of Technology has been researching for more tan one decade high precisión machines. In this direction, the general objective of this master tesis is the development of aderivative-free model reference adaptive control (DFMRAC) algorithm for the vertical axisofa nanopositioning and nanomeasuring machine. Firstly, a nonlinear unknown friction term is included in the adaptation process of a standard model reference adaptive control (MRAC) and the DFMRAC. Then, the MRAC and DFMRAC algorithms are developed theoretically, in which the DFMRAC stability análisis requiresa Lyapunov-Krasovskii functional to prove that the error signal and the weightpa- rameters are uniformly ultimately bounded (UUB). Thanks to this characteristic, the DFMRAC algorithm does not have the problema of the weight drifting parameters, as MRAC does. Overall, the new adaptive controllers have significantly better results and fine-tuning in the machine. Regarding the sine reference experimental tests with afixed amplitude of 1mm and a frequency from 0.25 Hz to 2 Hz, a reduction of the máximum error and root mean square error (RMSE) of about 95% is achieved in comparison to a simple PI state-feed back controller and the previously applied MRAC with an adaptation weight matrix of lower order. Referring to the step reference tests, with a step height of 10mm and different transition times (which are related to the máximum reached velocity from 1mm/s to 5mm/s) the máximum error and the RMSE are reduced approximately by 60% and 75%, respectively. Furthermore, the corresponding extensions to the unknown input matrix case are developed for the adaptive proposals, however it does not significantly improve the experimental results. The new controllers out performed the previous ones with DFMRAC being the best one because it does not have the drifting weight parameters problem and it is easier to implement (no need to implement any projection method). Finally, eventhough, the new adaptive algorithms have extended the size of the weight matrix and added nonlinearities to the computer calculations, the execution time is only increased by around 1 μs.Item Diseño de un transportador personal eléctrico auto-equilibrante(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2023-04-28) Marchan Trinidad, Jherson David; Moran Cardenas, Antonio ManuelSe elaboró el diseño de un transportador personal eléctrico auto-equilibrante sobre 2 ruedas para el cual se realizó un nuevo modelo matemático basado en las leyes de Newton, se realizó el diseño el sistema de estabilización y desplazamiento mediante un diseño de control óptimo LQR , se realizó un diseño de la propuesta de implementación donde se seleccionaron los motores eléctricos, el chasis, baterías, el sensor inercial MPU9250 y el controlador principal STM32 (ARM Córtex de 32 bits) como componentes principales, así mismo se generó un seudocódigo para la programación del controlador principal. Respecto al diseño de control, según las simulaciones de la respuesta en el tiempo en el software Matlab2021a, se verificaron que los tiempos de asentamiento para el control de trayectoria y estabilidad se encuentran alrededor de los 3 segundos, los sobreimpulsos para la posición lineal son menores al 0.5% de la referencia, así mismo se comprobó según las simulaciones que el transportador realiza el seguimiento de diversas trayectorias manteniéndose en equilibrio. En una futura etapa de implementación, este diseño de transportador será una alternativa para el transporte de personas con dificultad para guiar su trayectoria de traslado (como turistas, visitantes a algún establecimiento, supervisores que no conozcan el área, alumnos que no conozcan ubicaciones de sus aulas, personas con dificultad para trasladarse, entre otros).