Ingeniería de Control y Automatización
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Item Metadata only Diseño de un sistema de control avanzado adaptativo para los brazos (4GDL) y cabeza (2GDL) de un robot humanoide para realizar rutinas de movimiento en interacciones sociales con personas(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2024-09-23) Horna Vilcahuamán, Ingrid María; Pérez Zuñiga, Carlos GustavoLa presente tesis se enfoca en el diseño y simulación de un sistema de control avanzado adaptativo para las extremidades robóticas del robot social humanoide Qhali. Previamente, se obtiene una representación dinámica de estas estructuras de 2GDL y 4GDL. El control adaptativo es parte del lazo externo de un sistema de control de posición en cascada con un lazo interno de control PI para el torque. El mecanismo de adaptación del sistema corresponderá a un sintonizador obtenido por el entrenamiento de un agente DDPG basado en la teoría del algoritmo Reinforcement Learning. Se ha comparado el desempeño del actual controlador y de las ganancias sintonizadas respecto a los obtenidos en un trabajo previo con la versión anterior del diseño mecánico del robot humanoide.Item Metadata only 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 Metadata only 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 Metadata only Desarrollo de un controlador fuzzy adaptativo por modelo de referencia de un vehículo submarino autónomo de 6DOF(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2024-05-09) Fenco Bravo, Lugui Paolo; Pérez Zuñiga, Carlos GustavoDurante los últimos años nos hemos visto afectados por las consecuencias producidas por el cambio climático, el efecto invernadero y la contaminación ambiental, esto afectando no solo a la vida que se encuentra en la superficie de la tierra, sino que también afecta directamente a la salud de los océanos, generando variación en la temperatura, incremento en la acidificación, variación en la salinidad, lo que causa la perdida de los ecosistemas que en ellos habitan. Uno de los ejemplos más resaltantes y preocupantes debido a la variación de los parámetros normales del océano es la disminución de los arrecifes de coral vivo, los cuales albergan a innumerables ecosistemas costeros y que son uno de los más productivos del planeta, que ha tenido una reducción alrededor del 50% en los últimos 150 años, producido por el aumento de temperatura y la acidificación del océano. Estos cambios han hecho que se registren parámetros preocupantes, respecto a la vida marina que ellos albergan. El deseo de querer contribuir con un pequeño grano de arena por tratar de revertir el daño causado por los estragos del cambio climático y la contaminación durante tantos años es una de las motivaciones que ha llevado a generar este proyecto de investigación. Es por ello por lo que se propone desarrollar un controlador avanzado para que ejecute tareas de exploración, búsqueda, monitoreo, y operaciones de inteligencia al recorrer trayectorias específicas. Sin embargo, debido a la complejidad del vehículo submarino autónomo (AUV), considerando su dinámica no lineal y sus altas perturbaciones, es difícil diseñar un controlador no lineal con buen rendimiento. El controlador fuzzy adaptativo por modelo de referencia (MRAFC) es el controlador propuesto que deberá ser robusto para navegar en una trayectoria definida y robusto para posibles perturbaciones del medio en el cual estará expuesto como el oleaje y corrientes marinas. Una primera aproximación de este trabajo se presenta en el artículo IEEE “Model Reference Adaptive Fuzzy Controller of a 6DOF Autonomous Underwater Vehicle”, donde se presentan resultados parciales de este trabajo de investigación. Además, se viene trabajando un nuevo artículo presentando los nuevos resultados obtenidos. Los resultados exitosos de este trabajo de investigación han sido presentados a evaluación mediante un articulo científico en una revista científica IEEE bajo el nombre: “Non Lineal trajectory tracking of a 6DOF AUV using an MRACF controller”.Item Metadata only 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 Metadata only Diseño de un Sistema de Control Predictivo para la Navegación Autónoma de un Dron dentro de Galerías de Minas Subterráneas(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2024-02-20) Balcazar Guerrero, Mario; Cuéllar Córdova, Francisco FabianEn el contexto de las operaciones de minería subterránea se ha identificado que el principal problema es la posibilidad de que ocurran accidentes generados por la caída de objetos. Para afrontar este problema, se propone hacer uso de robots móviles que realicen la inspección e identificación de este tipo de riesgos. Es en esta línea que los drones equipados con sensores ópticos se vuelven una alternativa para conocer el estado real de dichos espacios y detectar a tiempo algún indicio de posible caída de objetos, esto gracias a la posibilidad que estos brindan de llegar a lugares de difícil acceso sin que el operador tenga que exponerse. En el marco de la tesis presentada, se planteará una estrategia de control que permita la navegación autónoma de un vehículo aéreo no tripulado del tipo ala rotatoria o dron dentro de un espacio confinado como el de las galerías de mina subterránea, donde no se tenga acceso a la señal GPS (Sistema de Posicionamiento Global) y se use únicamente la información recabada por un sensor LiDAR y una unidad de medida inercial (IMU). Para cumplir con este objetivo, se utilizará un controlador diseñado a partir del modelo matemático que mejor describa la dinámica del dron en dos dimensiones. Se realizará tanto el diseño teórico del controlador propuesto como la simulación del sistema de control de la trayectoria del vehículo aéreo. Finalmente, la tesis obtendrá como resultado, una comparativa entre el controlador propuesto y la estrategia de control clásica usada en los drones comerciales. Para ello, se tomará en cuenta las principales restricciones que se tiene en la operación de los vehículos aéreos no tripulados dentro de los espacios confinados, así como la robustez en su respuesta ante perturbaciones externas o como parte del error en la medida de los sensores utilizados.Item Metadata only 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 Metadata only 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 Metadata only 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 Metadata only 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.