Tesis y Trabajos de Investigación PUCP

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    Implementation of a high performance embedded MPC on FPGA using high-level synthesis
    (Pontificia Universidad Católica del Perú, 2017-06-19) Araujo Barrientos, Antonio; Geletu, Abebe; Villota Cerna, Elizabeth
    Model predictive control (MPC) has been, since its introduction in the late 70’s, a well accepted control technique, especially for industrial processes, which are typically slow and allow for on-line calculation of the control inputs. Its greatest advantage is its ability to consider constraints, on both inputs and states, directly and naturally. More recently, the improvements in processor speed have allowed its use in a wider range of problems, many involving faster dynamics. Nevertheless, implementation of MPC algorithms on embedded systems with resources, size, power consumption and cost constraints remains a challenge. In this thesis, High-Level Synthesis (HLS) is used to implement implicit MPC algo- rithms for linear (LMPC) and nonlinear (NMPC) plant models, considering constraints on both control inputs and states of the system. The algorithms are implemented in the Zynq@ -7000 All Programmable System-on-a-Chip (AP SoC) ZC706 Evaluation Kit, targeting Xilinx’s Zynq@-7000 AP SoC which contains a general purpose Field Programmable Gate Array (FPGA). In order to solve the optimization problem at each sampling instant, an Interior-Point Method (IPM) is used. The main computation cost of this method is the solution of a system of linear equations. A minimum residual (MINRES) algorithm is used for the solution of this system of equations taking into consideration its special structure in order to make it computationally efficient. A library was created for the linear algebra operations required for the IPM and MINRES algorithms. The implementation is tested on trajectory tracking case studies. Results for the linear case show good performance and implementation metrics, as well as computation times within the considered sampling periods. For the nonlinear case, although a high computation time was needed, the algorithm performed well on the case study presented. Because of resources constraints, implementation of the nonlinear algorithm on higher order systems was precluded.
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    Diseño de un sistema mecatrónico para el secado de cubiertos
    (Pontificia Universidad Católica del Perú, 2014-09-09) Araujo Barrientos, Antonio; Kato Ishizawa, Gustavo
    Ante el auge de los negocios culinarios que se viene dando en el país se presentan nuevas oportunidades de negocio también en el sector industrial. En la búsqueda de obtener las mayores utilidades posibles, automatizar las labores repetitivas llevadas a cabo en restaurantes, comedores, empresas de catering, etc. se presenta como una alternativa viable, ya que permite un gran ahorro en tiempo y dinero y un incremento en la productividad. En este escenario se identificó el proceso de secado de cubiertos posterior al lavado de los mismos como una actividad que demanda tiempo y personal y por ello se plantea su automatización mediante un sistema mecatrónico. El sistema utiliza vibraciones y soplado de aire a baja presión para transportar y secar los cubiertos. Para llevar a cabo estos procesos hace uso de actuadores y sensores. Los actuadores son de dos tipos: moto-vibradores eléctricos para generar las vibraciones y motores universales que accionarán las aspas de ventiladores centrífugos para desplazar el aire hasta la zona de secado. Se cuenta también con un sensor fotoeléctrico de presencia para detectar el paso de los cubiertos al final del proceso y dos sensores de final de carrera. El control se realiza mediante el microcontrolador ATmega8. La máquina está diseñada de acero inoxidable para garantizar la salubridad. Este documento desarrolla en cinco capítulos una descripción del sistema mecatrónico diseñado. Primero se presentará la problemática que motivó al diseño del sistema; luego se detallarán los requerimientos del mismo y se presentará el concepto de solución. El tercer capítulo abarca una descripción detallada del sistema haciendo uso de diagramas y planos. Como cuarto capítulo se presenta un presupuesto inicial para poder realizar un análisis de viabilidad de la implementación del sistema. Finalmente se presentarán las conclusiones obtenidas luego del diseño del sistema mecatrónico. Adicionalmente, se incluyen como anexos planos detallados del sistema, memorias de cálculo y documentación sobre los componentes electrónicos, sensores y actuadores escogidos.