Tesis y Trabajos de Investigación PUCP
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Ítem Texto completo enlazado 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.Ítem Texto completo enlazado Diseño de un sistema de control óptimo multivariable aplicado a un sistema de péndulo doble(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2023-06-09) Raymundo Luyo, Carlos Miguel; Perez Zuñiga, Carlos GustavoLa presente tesis se enfoca en el diseño, análisis y validación de los controles óptimos para el Sistema de Péndulo Doble. Para ello, se desarrolla un modelo matemático del sistema desde un enfoque energético y se analiza su dinámica en diferentes puntos de operación. Los controladores óptimos utilizados en este estudio tuvieron como objetivo principal llevar los péndulos a su punto de equilibrio y mantenerlos allí. Entre los controladores lineales implementados, se incluyen el LQR, el Observador con controlador de estado, el MPC y en cuanto al controlador no lineal el NMPC. Este último se basa en el solver ACADO y utiliza una interfaz en MATLAB para resolver el problema óptimo de control en su forma no lineal, considerando la dinámica real del sistema, restricciones en las variables de estado y entrada de control, así como en las incertidumbres. Los resultados obtenidos fueron contrastados y se determina cuál de los controladores se adecua mejor al Sistema de Péndulo Doble. La tesis esta estructurada de la siguiente manera: Capítulo 1 provee una vista general de los trabajos e investigaciones sobre el Sistema de péndulo doble. Capítulo 2 presenta una visión general de la base teórica así como el modelamiento del Sistema de péndulo doble. Además incluye la linealización, implementación y validación del modelo. Capítulo 3 muestra las diferentes estrategias de control propuestas para la estabilización del Sistema de péndulo doble. Los controladores será posteriormente comparados en un mismo de operación de modo a fin de evaluar su performance.Por otro, se adiciona un apartado extra sobre el estudio de la robustez inherente del NMPC frente a perturbaciones. Capítulo 4 presenta los comentarios e impresiones sobre la realización de la presente tesis. Capítulo 5 termina la tesis con las conclusiones y observaciones.Ítem Texto completo enlazado Diseño de un observador robusto de blancos aéreos de alta maniobrabilidad basado en sistemas de estructura variable con modos deslizantes(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2022-02-10) Aranda Cetraro, Italo Antonio; Perez Zuñiga, Carlos GustavoEsta tesis estudia los observadores de estados basados en sistemas de estructura variable con modos deslizantes, como una solución alterna al algoritmo de modelo múltiple interactivo (IMM) basado en filtros Kalman y filtro de partículas, para la estimación robusta de posición, velocidad y aceleración de un blanco aéreo de alta maniobrabilidad, tales como misiles antibuque o aviones de combate, a pesar de la existencia de incertidumbres o perturbaciones del modelo y utilizando mediciones de posición o velocidad con ruido angular. En el capítulo I se efectúa el estudio del estado del arte, se expone la problemática y la solución actual a esta. Posteriormente, en el capítulo II se efectúa un estudio de los distintos modelos dinámicos y de medición de blancos aéreos de alta maniobrabilidad existentes en la literatura, proponiéndose al final del capítulo un modelo lineal incierto del blanco aéreo (misil antibuque) y presentándose una simulación de la trayectoria completa de este. En el capítulo III se expone la teoría de sistemas de estructura variable con modos deslizantes aplicada a observadores de estado, se efectúa el diseño de los observadores más resaltantes y se presentan simulaciones de las estimaciones de la trayectoria del blanco aéreo de alta maniobrabilidad, comparándose al final del capítulo los resultados en base a criterios de desempeño establecidos. Los resultados muestran que en la ausencia de ruido los observadores “clásicos” de Edwards-Spurgeon (ESSMO), Walcott-Zak (WZSMO) y el diferenciador robusto exacto adaptativo (ARED) obtienen los mejores desempeños. Asimismo, para hacer uso de los observadores anteriormente mencionados en un ambiente de ruido angular se propone un nuevo algoritmo de filtrado, denominado diferenciador robusto exacto y uniforme filtrado (UREDF), que combina las características de filtrado estándar del diferenciador de Levant con un filtro de mediana no lineal intra pulso. Cabe resaltar que el desempeño de este algoritmo fue demostrado paralelamente al desarrollo de esta tesis en el manuscrito “Highly Maneuverable Target Tracking Under Glint Noise via Uniform Robust Exact Filtering Differentiator with Intra Pulse Median Filter”, publicado en la revista IEEE “Transactions on Aerospace and Electronic Systems” y escrito por el Dr. Gustavo Pérez y el suscrito. En este manuscrito se concluye que el UREDF muestra un desempeño superior al de otros algoritmos de estimación y filtrado del estado del arte tales como el Extended Kalman Filter (EKF), Unscented Kalman Filter (UKF), Cubature Kalman Filter (CKF), Particle Filter (PF), y el Robust Student-t based Kalman Filter. En el capítulo IV dos soluciones al problema en estudio son brindadas, siendo la primera solución (SMO1) basada en la combinación de la capacidad de filtrado del diferenciador Robusto Exacto y Uniforme filtrado (UREDF) y la robustez para estimación de variables de estado del diferenciador robusto exacto adaptativo (ARED). Por otro lado, la segunda solución (SMO2) involucra la estimación de variables de estado de un radar de traqueo pulse-doppler mediante el filtrado de las mediciones de posición y velocidad por medio de Diferenciadores Robustos Exactos y Uniformes filtrados (UREDF) y la posterior estimación de variables de estado por medio del Observador de modos deslizantes de Walcott-Zak (WZSMO). Asimismo, un diferenciador robusto exacto adaptativo es utilizado para estimar el vector de entrada de control necesario para que funcione el WZSMO. En el capítulo V se efectuaron simulaciones en MATLAB® que comprueban que las soluciones de modos deslizantes propuestas tienen mejor capacidad de filtrado de ruido angular y robustez que el algoritmo de modelo múltiple interactivo (IMM) durante los cambios de rumbo y maniobra terminal. Finalmente, en el capítulo VI se propone la propuesta de implementación en un hardware PXI de National Instruments y en el capítulo VII se brindan conclusiones y trabajo future a realizar.Ítem Texto completo enlazado Sistema de seguridad adaptable para brazos robóticos(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2021-12-13) Luna Gutiérrez, Jorge Hernán; Arce Cigüeñas, Diego MartínLa presente tesis tiene como objetivo diseñar un sistema de seguridad para brazos robóticos adaptable a los principales contextos de operación industrial: traslado de materiales, soldadura y ensamble de piezas; con este sistema se espera brindar una solución libre para la implementación de sistemas de seguridad en líneas de producción de modo que los costos y los tiempos de ingeniería se reduzcan considerando el aumento en el uso de brazos robóticos en la industria peruana. Los objetivos de la tesis son: el diseño de los subsistemas de sensado y actuación del sistema de seguridad, el diseño de un algoritmo para la configuración estándar de los parámetros iniciales del sistema, la implementación de un prototipo que simule el funcionamiento del sistema, y la estimación de los costos totales del proyecto. Como principal conclusión del trabajo realizado se diseñó un sistema de seguridad adaptable a al menos tres casos comunes de aplicación industrial de los brazos robóticos con un nivel de desempeño PLb según la norma ISO 13849-1:2015. El sistema de seguridad está compuesto por un PLC y tres sensores especializados para aplicaciones de seguridad. El sistema incluye además elementos de alarma sonora y luminosa para comunicar el nivel de peligro cuando un objeto o persona se acerca lo suficiente al área alrededor del brazo, así como un display indicador de cercanía. En caso el objeto o persona acceda a un área de peligro (Zona Danger), un contactor desconectará la alimentación del brazo robótico. La presente tesis es la continuación de un trabajo de fin de carrera de la misma autoría (Sistema de seguridad adaptable para brazos robóticos. Trabajo de Fin de Carrera, 2019).Ítem Texto completo enlazado Modelado de un motor diésel marino y desarrollo de su sistema de control con ganancias programadas(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2021-12-03) Burga Ghersi, Fidel; Sotomayor Moriano, Juan JavierEl sistema de control de los motores diésel marinos juega un rol importante en el desempeño de estos en el campo de la propulsión marina. En la actualidad en muchos casos, la velocidad angular de estos motores es controlada por técnicas convencionales, las cuales resultan ineficientes al no tomar en cuenta el comportamiento no-lineal de esta clase de motores. En el presente trabajo se propuso el modelado de un motor diésel sometido a un ambiente marino utilizando redes neuronales y el desarrollo del sistema de control de sus RPM empleando un PID de ganancias programadas, teniendo como propósito la mejora de su desempeño respecto a un PID convencional. Para alcanzar este objetivo se estudió el comportamiento dinámico de un motor diésel, lo cual permitió identificar las variables de entrada y salida más relevantes. Luego, empleando la información medida de un motor diésel real se realizó el modelado basado en redes neuronales no lineales autorregresivas con entrada exógena (NARX), logrando un buen desempeño en validación con data que no fue usada durante el entrenamiento. El diseño del controlador avanzado con ganancias programadas se realizó, encontrando los puntos de equilibrio para los puntos de operación del motor diésel, linealizando el motor en estos puntos y considerando ciertas restricciones impuestas en un esquema de optimización. Lo anterior permitió encontrar las mejores ganancias programadas del algoritmo PID para los puntos de operación encontrados. Asimismo, para mostrar las mejoras en el desempeño, el controlador PID con ganancias programadas diseñado se comparó con un PID convencional. Los resultados evidenciaron que el uso del controlador PID con ganancias programadas supera en todas las pruebas al PID estándar, con mejor desempeño en el seguimiento de la referencia, ahorro de combustible y estabilidad ante perturbaciones. Finalmente se propuso la implementación práctica del sistema de control desarrollado, seleccionando la instrumentación necesaria y utilizando una unidad de control de motor de código abierto basado en un microcontrolador comercial.Ítem Texto completo enlazado A theoretical model of a laboratory-scale ethanol distillation column(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2021-05-11) Aguinaga Morón, María Fernanda; Sotomayor Moriano, Juan Javier; Shardt Wolchuk, Yuri AndriEn la producción química moderna, los procesos de destilación son frecuentemente utilizados como método de separación de líquidos. Modelar una columna de destilación nos permite predecir el comportamiento del sistema. El modelado de sistemas es una importante, y sin embargo a veces descuidada, disciplina de la ingeniería de control. Esta tesis de maestría se centra en el modelado de la columna de destilación a escala de laboratorio situada en el Instituto de automatización de la Universidad Técnica de Ilmenau. Esta columna, utilizada principalmente para la enseñanza y la investigación, separa el etanol y el agua en diez etapas. El modelo teórico del sistema se realiza utilizando el modelo de primeros principios (FPM), principalmente las ecuaciones MESH para representar las ecuaciones altamente no lineales, que incluyen el equilibrio de masa, las relaciones de fase de equilibrio, las ecuaciones de sumatoria y el equilibrio de energía para cada etapa. Para ilustrar cómo se comporta el modelo de la columna de destilación, este trabajo presenta simulaciones de las concentraciones por etapa y de la temperatura a lo largo de la columna. Así mismo, los resultados se comparan con el modelo de McCabe-Thiele y con temperaturas experimentales lo cual muestra buenos resultados. En el caso de la comparación con McCabe-Thiele, ambas fracciones molares líquidas x1McT = 0:035 mol=mol y x1Sim = 0:048 mol=mol son más pequeñas que la requerida xB = 0:1, el error es dado porque las concentraciones en las etapas iniciales son más influenciadas por las suposiciones de la alimentación y las condiciones iniciales de la columna. Sin embargo, para el tope de la columna las fracciones molares finales son x10McT = 0:885 mol=mol y x10Sim = 0:890 mol=mol, valores mucho más cercanos al requerido xD = 0:9. Para las fracciones molares de vapor, y1McT = 0:334 mol=mol y y1Sim = 0:384 mol=mol se diferencian en 14% dado que no tienen un punto de inicio compartido. Sin embargo, más importante, para el tope de la columna las fracciones molares finales son y10McT = 0:901 mol=mol y y10Sim = 0:9060 mol=mol, y el promedio del error en la totalidad de la columna es de _error = 0:0028 para los datos disponibles. En el caso de la comparación contra la temperatura experimental, los errores más grandes se encontraron en las etapas del medio, como era esperado, debido a que la temperatura de la alimentación (etapa 5) afecta esa etapa y las cercanas a esta. Sin embargo, esto no afectará los resultados generales de la simulación dado que las temperaturas finales para el fondo de la columna son Tf1Mod = 85:6°C y Tf1Exp = 85:8°C. Y para el tope de la columna, Tf10Mod = 78:5°C y Tf10Exp = 78:7°C, ambos más altos que el punto de ebullición del ethanol y más bajos que el punto de ebullición del agua. Para mejorar las simulaciones, habría que hacer más experimentos en la planta utilizando un cromatógrafo de gases y sensores de temperatura y presión.Ítem Texto completo enlazado Sintonización de un controlador PID utilizando algoritmos genéticos aplicada a una planta concentradora de cobre(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2021-05-04) Martínez Ordoñez, Renato Javier; Morán Cárdenas, Antonio ManuelEl objetivo principal de esta tesis es establecer un método para el modelamiento del proceso en un lazo cerrado de control PID (Controlador Proporcional integrativo y derivativo) y con este poder encontrar los parámetros óptimos usando sintonización basada en algoritmos genéticos. En primer lugar, se explica cuál es la problemática que actualmente se tiene en la industria para realizar la sintonización de los lazos de control PID y se detalla el estado del arte de la sintonización de los controladores PID. En segundo lugar, se evalúa cual es el método de identificación en lazo cerrado que mejor representa la respuesta real del proceso de inyección de agua cruda al cajón de alimentación de las bombas de ciclones. En tercer lugar, se realiza la sintonía basada en algoritmos genéticos con el modelo obtenido con la identificación y se evalúa cual es la función de aptitud más adecuada para poder encontrar los parámetros del controlador PID. Finalmente, se presenta los resultados de la sintonización del controlador PID obtenidos para el proceso de inyección de agua cruda al cajón de alimentación de las bombas de ciclones y el proceso de control de nivel de espuma de una celda de flotación Rougher.Ítem Texto completo enlazado 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.Ítem Texto completo enlazado Sistema de seguridad adaptable para brazos robóticos(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2020-02-04) Luna Gutiérrez, Jorge Hernán; Arce Cigüeñas, Diego MartínEl presente trabajo de investigación tiene como objetivo diseñar conceptualmente un sistema de seguridad para brazos robóticos adaptable a diferentes contextos de operación industrial: traslado de materiales, soldadura y ensamble de piezas; la finalidad del trabajo es dar solución a la creciente necesidad de sistemas de seguridad industrial frente al incremento de tecnologías de brazos robóticos en el mercado local. Los objetivos específicos de este trabajo de investigación son: el estudio del estado del arte de las tecnologías y normativas relacionadas con la seguridad industrial, la definición y esquematización de las funciones del sistema, el diseño de tres soluciones preliminares y la definición de la solución conceptual óptima a través de un análisis técnico-económico. Como principal conclusión del trabajo realizado se diseñó preliminarmente un sistema de seguridad adaptable a al menos tres casos de aplicación industrial planteados con un nivel de desempeño PLb según la norma ISO 13849-1:2015. El sistema cuenta con dispositivos de sensado con tecnología láser: dos escáneres láser y una barrera multihaz. La actuación del corte de energía al brazo se realiza a través de un contactor y la emisión de la alarma, a través de una torreta de luces. Finalmente, el control de todos los elementos del sistema se realiza a través de PLC de seguridad.Ítem Texto completo enlazado 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.