Ingeniería Mecatrónica (Mag.)

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    A study of well-posedness in inverse optimal control
    (Pontificia Universidad Católica del Perú, 2024-06-04) Canelo Solórzano, César Aldo; Tafur Sotelo, Julio César
    En esta tesis de maestría, se aborda el problema de identificar los parámetros de ponderación en las funciones de coste definidas por un problema de control óptimo. Debido a la naturaleza del problema, abordado como un problema inverso, el enfoque de este trabajo es asegurar el buen planteamiento de los problemas de control óptimo inverso, un aspecto crucial que garantiza la viabilidad, unicidad y estabilidad de las funciones de coste estimadas. El estudio emplea la metodología del regulador cuadrático lineal (LQR) dentro de un sistema lineal. Un aspecto central de esta investigación es la determinación de los parámetros Q y R en el enfoque LQR, que desempeñan un papel fundamental en la definición de la eficiencia y la eficacia del sistema de control. La tesis examina cómo pueden elegirse óptimamente estos parámetros y el impacto que tienen en el rendimiento del sistema. Además, el estudio explora el uso de restricciones para mejorar la respuesta transitoria del sistema, un factor importante en el diseño de sistemas de control, garantizando que el sistema alcance rápida y eficazmente los requisitos de diseño deseados. En este trabajo se propone un enfoque de dos niveles para resolver el problema de control óptimo inverso. Se trata de utilizar programación semidefinida para recuperar los parámetros de la función de coste y evaluar la optimalidad de la solución. Además, se aborda el problema para encontrar las condiciones para minimizar la función de coste, estimando los parámetros Q y R a partir de las leyes de control observadas, y aplicando restricciones para la optimización. Se concluye con resultados que demuestran la mejora de la respuesta del sistema y un método alternativo que reduce la dependencia de la matriz de ganancia K.
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    Optimal design of a photovoltaic station using Markov and energy price modelling
    (Pontificia Universidad Católica del Perú, 2023-05-09) Salazar Márquez, Marcio Boris; Tafur Sotelo, Julio César
    As the fight against anthropogenic global warming increases, photovoltaic (PV) systems, which are a type of renewable energy, are increasingly being considered. In order to use PV systems, it is necessary to develop methods to optimize their configuration, that is, the optimal number of PV modules and inverters. The objectives are to examine the optimization of PVs subject to not only the operational constraints but also the failure and repair events of PV inverters up to 100 kW, while minimizing the effective levelized cost of energy. To achieve this, using Markov modelling, a new energy price model that considers the current prices of the PV inverters is developed as part of a new optimization framework. A case study considering six real PV inverters is developed to show the effectiveness of the framework. In addition, real data from a reference PV station in Germany is used to calculate the average hours per day that a panel generates its rated power to consider the geographical location, temperature and number of sunny days in the given region. Unlike previous work, local and global optimal solutions are found using PV inverters in the range of 15 kW to 100 kW. Therefore, the new findings of this study will be considered in the future, for example, when considering the failure and repair events of PV modules.
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    Diseño de un sistema de rastreo, orientación y posicionamiento automático de una antena reflectora satelital para sistemas TVRO
    (Pontificia Universidad Católica del Perú, 2023-01-26) Carrión Pillaca, Oscar Andrés; Tafur Sotelo, Julio César
    En esta tesis se realiza el diseño de un sistema de orientación de una antena reflectora satelital que tiene un movimiento giratorio de dos grados de libertad. Para realizar el diseño se aplican conocimientos que combinan la ingeniería electrónica, mecánica e informática. El diseño mecánico se basa en diversos tipos de antenas satelitales ya existentes de los cuales se modifica la montura o mecanismo de orientación de acimut y elevación. Para el movimiento de acimut se usa un motor acoplado a una base giratoria con rodamiento axial y para la elevación se usa un mecanismo conocido como gusano engranaje con un eje y 2 rodamientos radiales. El control de los movimientos de la antena se diseñó a partir de un circuito electrónico basado en el módulo Arduino como controlador PID. Además, el circuito está compuesto por un DAC que usa un arreglo R-2R y controladores de velocidad (ESC) para el control de los motores que realizan el movimiento, un giroscopio que sensa la posición angular de los ejes de orientación y una etapa de potencia para la alimentación de todos los componentes activos, sensores y actuadores. En la parte informática se diseñó un programa en VISUAL BASIC que actúa como interfaz de usuario y permite ingresar los ángulos deseados (setpoints) y conocer los ángulos alcanzados por los motores (valores finales). Además, el programa almacena datos de las posiciones orbitales de los satélites geoestacionarios y esta información es usada para orientar la antena rápidamente hacia el satélite deseado. Todas las partes descritas se combinan en un sólo sistema mecatrónico integrado que permitirá el control de la orientación de la antena parabólica satelital en acimut y elevación con el fin que el dipolo de la antena este alineado con el satélite geoestacionario indicado. En una eventual implementación del sistema, es deseable que corrija el alineamiento automáticamente en caso de desapuntamiento.
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    Navegación y orientación de una pequeña embarcación
    (Pontificia Universidad Católica del Perú, 2019-12-03) Coaquira Paredes, Luis Santos; Tafur Sotelo, Julio César
    Actualmente el monitoreo y toma de datos en embalses, lagunas y presas se realizan con embarcaciones de capacidad de carga de 4 personas como mínimo, esto supone costos por movilización de embarcación, personal y equipos, porque estos están ubicados en el interior del Perú. A esto si le agregamos el riesgo que corre el personal al ingresar a estas lagunas y presas que por ser lugares alejados, no existe equipos de salvataje y no existe personal con experiencia marina. Es por ello que el desarrollo de pequeñas embarcaciones autónomas controladas es una necesidad que necesita ser cubierta de acuerdo a los tiempos modernos que necesitamos de estar actualizados con el avance de la ciencia. Es por ello que la presente tesis consistió en la construcción de un modelo experimental de un vehículo autónomo superficial (ASV) pensado para navegar en lagunas, presas y en cualquier tipo de aguas calmas y sirva de plataforma para llevar equipos y sensores de medición acuática. Este modelo experimental tendrá la capacidad de seguir una trayectoria definida previamente por el usuario y realizar la navegación de la ruta definida. La dirección de la embarcación se realizara por un timón, el posicionamiento se realizara por GPS y la propulsión se realizara por medio de un motor eléctrico y el control se realizara mediante un microcontrolador Atmel contenida en una tarjeta de desarrollo denominada ArduPilot.
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    Optimal control for a prototype of an active magnetic bearing system
    (Pontificia Universidad Católica del Perú, 2017-05-24) Aragón Ayala, Danielo Eduardo; Tafur Sotelo, Julio César; Calderón Chavarri, Jesús Alan
    First applications of the electromagnetic suspension principle have been in experimental physics, and suggestions to use this principle for suspending transportation vehicles for high-speed trains go back to 1937. There are various ways of designing magnetic suspensions for a contact free support, the magnetic bearing is just one of them [BCK+09]. Most bearings are used in applications involving rotation. Nowadays, the use of contact bearings solves problems in the consumer products, industrial machinery, or transportation equipment (cars, trucks, bicycles, etc). Bearings allow the transmition of power from a motor to moving parts of a rotating machine [M+92]. For a variety of rotating machines, it would be advantageous to replace the mechanical bearings for magnetic bearings, which rely on magnetic elds to perform the same functions of levitation, centering, and thrust control of the rotating parts as those performed by a mechanical bearing. An advantage of the magnetic bearings (controlled or not) against purely mechanical is that magnetic bearings are contactless [BHP12]. As a consequence these properties allow novel constructions, high speeds with the possibility of active vibration control, operation with no mechanical wear, less maintenance and therefore lower costs. On the other hand, the complexity of the active (controlled) and passive (not controlled) magnetic bearings requires more knowledge from mechanics, electronics and control [LJKA06]. The passive magnetic bearing (PMB) presents low power loss because of the absence of current, lack of active control ability and low damping sti ness [FM01, SH08]. On the other hand, active magnetic bearing (AMB) has better control ability and high sti ness, whereas it su ers from high power loss due to the biased current [JJYX09]. Scientists of the 1930s began investigating active systems using electromagnets for high-speed ultracentrifuges. However, not controlled magnetic bearings are physically unstable and controlled systems only provide proper sti ness and damping through sophisticated controllers and algorithms. This is precisely why, until the last decade, magnetic bearings did not become a practical alternative to rolling element bearings. Today, magnetic bearing technology has become viable because of advances in microprocessing controllers that allow for con dent and robust active control [CJM04]. Magnetic bearings operate contactlessly and are therefore free of lubricant and wear. They are largely immune to heat, cold and aggressive substances and are operational in vacuum. Because of their low energy losses they are suited for applications with high rotation speeds. The forces act through an air gap, which allows magnetic suspension through hermetic encapsulations [Bet00].
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    Physical parameters identification for a prototype of active magnetic bearing system
    (Pontificia Universidad Católica del Perú, 2017-05-12) Perea Fabián, Carlos Antonio; Tafur Sotelo, Julio César; Calderón Chavarri, Jesús Alan
    In this thesis the algorithms and strategies for active magnetic bearing should be analysed, implemented and simulated in Matlab as well as experimentally tested in the real-time computation system for a prototype of active magnetic bearing. Develop a general method and algorithm identi cation for active magnetic bearings prototype and get real system parameters that allow generate the equation of state of the system to control its further development. The specific objectives in this Thesis are: Develop a data acquisition system for the AMBs. Analyse the mathematical model of the system from the real system. Conduct experiments of a physical model for data collection. Develop an identification algorithm for the parameters of the real AMBs. Validate system developed by testing the prototype.
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    Optimal control algorithm design for a prototype of active noise control system
    (Pontificia Universidad Católica del Perú, 2017-04-28) Manzano Ramos, Edgar André; Tafur Sotelo, Julio César; Calderón Chavarri, Jesús Alan
    High-level noise can represent a serious risk for the health, industrial operations often represent continuous exposure to noise, thus an important trouble to handle. An alternative of solution can be the use of passive mechanisms of noise reductions, nonetheless its application cannot diminish low-frequency noise. Active Noise Control (ANC) is the solution used for low-frequency noise, ANC systems work according to the superposition principle generating a secondary anti-noise signal to reduce both. Nevertheless, the generation of an anti-noise signal with same oppose characteristics of the original noise signal presupposes the utilization of special techniques such as adaptive algorithms. These algorithms involve computational costs. The present research present the optimization of a specific ANC algorithm in the step-size criteria. Delayed Filtered-x LMS (FxLMS) algorithm using an optimal step-size is evaluated in a prototype of ANC system.
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    Diseño de la automatización para una planta piloto de extracción por fluido supercrítico utilizando CO2 como solvente
    (Pontificia Universidad Católica del Perú, 2017-04-13) Cuellar Aquino, Ruben; Tafur Sotelo, Julio César
    En los últimos años en el territorio peruano, la importación de productos agropecuarios con valor agregado ha ido incrementando y de la misma forma la exportación de materia prima vegetal y esto genera que los productos importados resulten más caros que los productos exportados. Esto se debe a que en el Perú no se ha difundido tecnologías que permitan dar un valor agregado a los productos agrícolas. Una de las tecnologías que ha demostrado tener un buen rendimiento en la obtención de productos con valor agregado, es la llamada Extracción por fluido Supercrítico (SFE). La presente tesis es un aporte para el desarrollo de tecnología en extracción por fluido supercrítico, para esto se ha echo el diseño de la automatización de una planta piloto de extracción por fluido supercrítico utilizando CO2 como solvente. El CO2 es el elemento que debe llegar al estado supercrítico del cual se aprovechan las propiedades de disolvente y alta penetrabilidad, se ha trazado el circuito termodinámico en forma circular para conseguir reutilizar el CO2, el punto de operación del fluido en estado supercrítico se ha definido en 145 bares y 40 C. Con el ciclo termodinámico de nido se diseñó la parte eléctrica e de instrumentación considerando el diseño mecánico de los trabajos realizados en la Universidad Guelph de Canadá y la Pontificia Universidad Católica del Perú. La planta piloto está diseñada para operar de forma automática por medio del controlador industrial PLC-1200 de Siemens. el proceso inicia en el tanque que almacena CO2 líquido el cuál sirve de fuente para la bomba de presurización, luego a su salida existe un intercambiador de calor que incrementa la temperatura del CO2 para alcanzar el estado supercrítico, con esto se realiza extracción del extracto de la materia prima, luego atraviesa el tanque de separación donde se obtiene el extracto libre del solvente y finalmente se recupera el CO2 gaseoso mediante un condensador que lo lleva al estado líquido. Finalmente se ha diseñado una interfaz hombre maquina para que el personal especializado pueda definir los diferentes puntos de operación de forma segura, el diseño contempla la seguridad funcional del programa y del entorno.
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    Diseño de un sistema de visión artificial para la clasificación de chirimoyas basado en medidas
    (Pontificia Universidad Católica del Perú, 2017-02-15) Valdivia Arias, César Javier; Tafur Sotelo, Julio César
    El desarrollo de este trabajo, presenta el diseño de un sistema de visión artificial, capaz de medir Annona Cherimola Mill (Chirimoya) del ecotipo Aurora, las cuales provienen de la comunidad de Callahuanca, para posteriormente clasificar aquellas que cumplan con una dimensión de 10 x 12 cm empleando para la etapa de procesamiento: Ajuste de contraste y para la etapa de segmentación, Cierre, Apertura y Código Cadena; los métodos seleccionados cumplen con los tiempos de computo de diseño. Fue posible clasificar exitosamente 91 de 91 Chirimoyas de Categorías Extra y Primera estudiadas con un 100% de efectividad, una precisión de medida de 0,35mm y un error permisible de 2,18mm. Las pruebas se efectuaron en un prototipo diseñado para tal motivo y no en el equipo final; el error obtenido durante las pruebas es menor al establecido en los requerimientos en cuanto a la selección del fruto. En la memoria descriptiva, se presentan los cálculos referentes a la selección del dispositivo de captura, lentes y requerimientos de la iluminación empleando la metodología de diseño VDI-2221. El control del banco de pruebas, empleado para validar los algoritmos realizados, se realizó con un PLC y para realizar el procesamiento de imágenes, se optó por un computador de escritorio con procesador Intel R Core i5 CPU 2.53GHz junto con una cámara con comunicación USB 3.0. El diseño mecánico-eléctrico no es motivo de estudio en la presente investigación.
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    Estudio de un sistema de visión para control de pesos y tamaño de racimos de uva de mesa
    (Pontificia Universidad Católica del Perú, 2016-06-20) Basilio Vela, Oscar André; Tafur Sotelo, Julio César
    El presente estudio tiene como objetivo determinar la viabilidad del uso de redes neuronales y sistema de visión para la determinación de peso y tamaño de racimo de uva así como la lógica de control de la maquina a controlar. Desde el año 2000, el Perú empezó a exportar una gran cantidad de uvas de mesa al mercado norteamericano, siendo la uva la tercera fruta con mayor popularidad en este mercado. La uva de mesa presenta una gran potencialidad en el mercado Norteamericano, debido a que presenta un crecimiento acelerado en el volumen de exportaciones los últimos 5 años, posicionándolo como el tercer país que brinda uva de mesa a este mercado. En el año 2015 la exportación de Uvas se incrementó en 8% en el 2015 alcanzando los U$ 692 millones pasando a ser el primer producto de exportación Peruano por encima del Café y los Espárragos. A USA se exportó por U$ 202 millones superior a los U$ 121 millones vendidos en el 2014. Holanda U$ 89 millones (13% del total). Sigue China y Hong Kong con U$ 86 y U$ 77 millones respectivamente. El crecimiento del sector agrícola específicamente de las uvas de mesa en el Perú está generando una mayor producción de racimos, este crecimiento conlleva a un mayor nivel en los procesos que involucran la cosecha y el control por peso de los racimos de uva de mesa. Estos procesos actualmente se desarrollan de una manera manual. Uno de los factores importantes para poder clasificar las uvas de mesa es el peso del racimo, el cual permita clasificarlas en tres categorías distintas de uva según su calibre basada en la norma técnica peruana NTP 011.012-2005 [1]. Por estos motivos, se requiere un sistema mediante el cual se extraiga de manera automatizada el peso del racimo de uva. En este estudio se propuso diseñar algoritmos de control y visión que permitan controlar un sistema automatizado para lograr disminuir el error debido al trabajo manual, y aumentar el volumen de procesamiento de los racimos de uva. Se procedió a abordar la solución a esta problemática utilizando técnicas del campo de visión por computadora. Un sistema de visión, comprende la selección del sistema de iluminación, así como la selección de la cámara de video las cuales deben garantizar una buena captura de la imagen del racimo de uva. La etapa de preprocesamiento permitirá realzar problemas de ruido que se presenten al momento de la captura de la imagen para poder continuar con una segmentación de la imagen y de esta forma realizar la toma de decisiones en la cual se utilizara una red neuronal artificial para poder determinar los pesos de los racimos de uva a partir de las imágenes. Adicionalmente se realizó el programa del controlador de procesos para un sistema mecánico-eléctrico, seleccionador de productos agrícolas, en esta etapa se seleccionó el controlador y se realizó la lógica de control de todo el sistema mecánico-eléctrico. Para la síntesis de los controladores de visión y del sistema mecánico-eléctrico, se utilizó un protocolo de comunicación que permitió realizar la configuración maestroesclavo entre el sistema de visión y el de control respectivamente. La validez de la lógica de control en el controlador de procesos fue corroborado mediante pruebas en un sistema mecánico-eléctrico para la selección de productos agrícolas que se encuentra en el laboratorio de Oleohidráulica y Neumática de la Sección de Ingeniería Mecánica de la Pontificia Universidad Católica del Perú (PUCP).