El cultivo bajo invernadero permite crear un microclima dentro de un espacio cerrado y proteger los cultivos de fenómenos climáticos derivados del ambiente externo. Tradicionalmente, estos invernaderos son operados manualmente por el agricultor en base a su experiencia. Sin embargo, existen sistemas automatizados que facilitan el monitoreo y control de las condiciones climáticas de acuerdo a las necesidades del cultivo. En este trabajo se propone el diseño de un sistema automatizado para el monitoreo y control de humedad de un invernadero que se construirá en el distrito de Abelardo Pardo Lezameta, ubicado en el departamento de Áncash. Para tal fin se planteó una estrategia de control que permita establecer un valor adecuado de humedad dentro del invernadero mediante un algoritmo de control on/off que ejecute una de las dos etapas de humidificación y deshumidificación, de acuerdo a la medición del sensor de humedad. Se usó el sensor de humedad DHT22 que provee al sistema diseñado de un rango de operación de 0-100% y una resolución de +/-2%. Además, se seleccionaron actuadores que permitan nebulizar y ventilar el invernadero para variar la humedad, se usó una electroválvula que permita el pase del agua hacia los nebulizadores, así mismo se usaron tres motores para la apertura y cierre de las ventanas del invernadero. Por otro lado, se desarrolló una interfaz de usuario, la cual sirva para monitorear los cambios de la variable controlada en una computadora, así como también operar los actuadores remotamente. Se realizaron pruebas y simulaciones del sistema diseñado, las cuales demostraron que el sensor de humedad elegido puede usarse para este tipo de aplicaciones, obteniendo mediciones de humedad de una manera rápida y sencilla. Por otro lado, se logró establecer la comunicación serial entre el sistema de control y la computadora a través de la interfaz de usuario implementada. La interfaz de usuario desarrollada ayuda a facilitar el control y monitoreo del parámetro climático dentro del invernadero. Todo esto permitirá dar autonomía al invernadero. / Tesis

Uno de los retos más críticos que enfrenta la industria del motor Diésel es cómo mejorar la economía del combustible respetando los límites establecidos en las emisiones. En estas tecnologías, son esenciales las mediciones precisas de consumo de combustible para el propósito de control y por lo tanto juegan un papel importante en el desarrollo de técnicas para la reducción de emisiones y mejora del consumo de combustible. Sin embargo, no todos los métodos ni técnicas de medición del combustible ofrecen una adecuada precisión o utilidad de empleo. El presente trabajo de tesis realizó un estudio experimental sobre cuatro técnicas distintas de medición de combustible a fin de determinar las desviaciones entre cada uno de ellas y su complejidad de implementación. Estas maneras de medición constan de un método gravimétrico, un balance de carbono considerando la composición del combustible y el resultado de las emisiones, un método de flujo másico medido con un coriolis y el valor calculado por el lazo de control del ECM del motor. Se realizaron ensayos en dos motores, Caterpillar y Cummins, acumulando 183 puntos de prueba “par-velocidad”, los cuales brindaron amplia información que permitió un trabajo estadístico y manejo de las incertidumbres muy preciso. Se registraron datos de manera simultánea de la balanza, cronómetro, coriolis y analizador de gases empleados en la experimentación. También se contó con los ECM de los motores, los cuales brindaron información sobre el consumo de combustible con un muestreo de un segundo. Después de evaluar los diversos resultados obtenidos se determinó que el método gravimétrico tiene una incertidumbre ajustable por el usuario a partir de los tiempos de espera entre toma de datos; los ECM de los motores del laboratorio de energía de la PUCP no arrojan información confiable respecto al consumo de combustible; la principal debilidad del método de balance de carbono es la cantidad y complejidad de los cálculos necesarios involucrados en la determinación del consumo de combustible y que el método másico empleando un medidor de coriolis fue para nuestro caso el que arrojó los resultados más confiables. / Tesis

El sector gastronómico del Perú se ha incrementado significativamente en los últimos años. Por lo tanto, la demanda de tener un mejor servicio dentro de los restaurantes ha tenido que ser mejorada. Dentro de un buen servicio al cliente, los restaurantes deben tener un sistema adecuado de limpieza de utensilios. El sistema tradicional de limpieza de cubiertos es deficiente porque genera grandes pérdidas de tiempo y recursos humanos (uno o dos trabajadores). Además, no se logra un lavado óptimo de los cubiertos y existe una falta de disponibilidad de ellos en horas de alta demanda. Este proyecto tiene como objetivo plantear un sistema de limpieza de cubiertos adecuado para evitar pérdidas de tiempo. Para mejorar esta deficiencia, se plantea un sistema mecatrónico el cual tiene la capacidad de lavar 200 cubiertos en 13 minutos automáticamente. Al ser un sistema automático, no es necesario que una persona esté controlando el proceso, por lo cual se potencializa el uso del recurso humano dentro del restaurante. En horas de alta demanda de utensilios, con este sistema mecatrónico, se logrará satisfacer la cantidad de cubiertos solicitados. Además, estos estarán adecuadamente limpios cumpliendo con los requerimientos de un buen servicio. Para lograr un óptimo proceso de lavado de los cubiertos, este sistema mecatrónico cuenta con cuatro subsistemas. El primer subsistema consiste en una resistencia eléctrica, un termostato y un actuador lineal para el remojo de los cubiertos. La resistencia eléctrica y el termostato se usan para calentar el agua a 80 grados centígrados, ya que el agua caliente ayuda a desinfectar y acelerar el lavado de los cubiertos. El actuador lineal permitirá el traslado de los cubiertos al siguiente subsistema. El segundo subsistema consiste en ocho boquillas de pulverización y dos motores de vibración para el lavado y enjuague de los cubiertos. Las boquillas de pulverización son utilizadas para lograr una mejor difusión del agua. Los motores de vibración se utilizan para crear un movimiento vibratorio el cual logra que los cubiertos se muevan permitiendo el ingreso de agua entre ellos. El tercer subsistema está relacionado con la interacción entre el usuario y la máquina mediante botones de control, luces y sonidos de alerta. Por último, el cuarto subsistema está relacionado con el control general de la máquina. Este subsistema cuenta con un microcontrador encargado de dirigir los otros subsistemas. El trabajo se presenta en cinco capítulos. El primer capítulo plantea la problemática que afronta el sistema mecatrónico. El segundo capítulo plantea los requerimientos del sistema y así mismo explica detalladamente los subsistemas que lo conforman. El tercer capítulo explica el concepto electrónico, mecánico y de control del sistema mecatrónico a través de los sensores, actuadores, planos y diagramas de flujo. El cuarto capítulo presenta el análisis de costo del sistema mecatrónico. Por último, el quinto capítulo muestra las conclusiones que se han obtenido al finalizar este proyecto. / Tesis

El siguiente trabajo de tesis presenta el diseño de una estación de monitoreo de aguas residuales no domésticas en Lima Metropolitana, la cual está compuesta por un arreglo de sensores. La estación es capaz de monitorizar continuamente en pequeños intervalos de tiempo programables (entre 1 a 60 minutos) la concentración de sustancias que se encuentran disueltas en el agua por medio de la medición de los siguientes parámetros: materia orgánica, pH, oxígeno disuelto y conductividad. Todos los valores obtenidos por el arreglo de sensores se pueden visualizar desde un Smartphone, Tablet o computadora. La estación de monitoreo permite alertar si el nivel de algún parámetro característico medido por el arreglo de sensores supera el nivel establecido en la planta de tratamiento de aguas residuales (PTAR). Está debe aplicar procesos para la descontaminación del agua, los cuales están relacionados con el nivel de contaminación de los diversos parámetros que se encuentra en la misma, de esta manera se tiene un control continúo sobre las aguas residuales no domésticas. Además el sistema es de fácil uso, puesto que es portátil, permite su instalación inmediata en diversos puntos, y gracias a su sistema autónomo, puede trabajar durante 1 día seguido sin la necesidad de utilizar electricidad doméstica. Adicionalmente, el sistema cuenta con una protección ante hurtos, generando un sonido fuerte que aturde al atacante y posteriormente envía un mensaje de alerta hacia el dispositivo que se encuentre conectado al sistema. / Tesis

El presente trabajo tiene como objetivo desarrollar una propuesta para optimizar los procedimientos de mantenimiento, reparaciones, ajustes y recambios de luminarias de naves industriales. Los procedimientos tradicionales para realizar estas actividades se caracterizan por su dificultoso acceso a las luminarias, considerables costos de personal y equipamiento necesario; a la vez que en ocasiones suponen suspensiones temporales de los procesos de producción de las empresas. Por ello se propone el diseño de un sistema mecatrónico para el izaje de luminarias de naves industriales, de tal manera que el mantenimiento pueda realizarse de una manera segura, rápida, oportuna y eficiente a nivel del piso, otorgando seguridad y condiciones de trabajo ventajosas a operarios encargados del mantenimiento y limpieza de las luminarias, y eliminando los accidentes ocasionados por caídas de altura. A través del sistema mecatrónico se podrá acceder de manera rápida y oportuna a la batería de luminarias industriales para solucionar problemas de paradas y fallas imprevistas. Asimismo, se aprovechará la facilidad de acceso para proporcionar mantenimiento y limpieza permanente con la finalidad de conservar la calidad de la iluminación y colaborar con el aumento de la productividad, reduciendo así costos de mantenimiento y reposición, costos de operarios y gastos ocasionados por accidentes. Un elemento clave para la buena iluminación de naves industriales es la altura de operación de las luminarias. Para asegurar los correctos niveles de iluminación se debe tener en cuenta la normativa para este tipo de instalaciones para evitar una baja iluminación o un exceso de esta. Teniendo los sistemas de iluminación fijos se imposibilita el manejo de diferentes alturas con el objetivo de variar la iluminación más adecuada según la relación potencia — altura. De este modo, a través del sistema mecatrónico, se facilitará el posicionamiento de las luminarias a la altura de óptima iluminación requerida por la nave o el usuario en un momento dado según la naturaleza de los trabajos que se realicen. En el Capítulo l se presenta la problemática con la que cuentan las empresas al no tener un acceso rápido que facilite el mantenimiento y posicionamiento de las luminarias. En el Capítulo 2 se presentan las condiciones y requerimientos que el sistema mecatrónico propuesto debe ser capaz de satisfacer y una introducción acerca del modo en que el sistema logrará cumplir tales requerimientos. En el Capítulo 3, se detalla los elementos mecánicos, componentes electrónicos y red inalámbrica a implementar en la nave industrial propios del sistema mecatrónico; así como la explicación de su funcionamiento a través de ilustraciones, planos y esquemas. En el Capítulo 4 se calcula el costo de operación del sistema y el costo de fabricación. En el Capítulo 5 se presentan las conclusiones del trabajo de diseño, así como las recomendaciones pertinentes. Por último, se ha detallado en los anexos los cálculos de diseño del sistema de carga y los elementos mecánicos que conforman el sistema, la configuración de los elementos de la red inalámbrica, los requerimientos para la selección de los componentes electrónicos, las cotizaciones, las especificaciones técnicas y hojas de datos de las piezas, y los planos de despiece y ensamble. / Tesis

Estando el Perú ubicado en una zona con alta probabilidad de ocurrencia de movimientos telúricos, resulta necesario el uso de maquinaria que permita remover escombros y equipos para casos donde debido a un movimiento sísmico se tenga como resultado el derrumbe de viviendas o instalaciones industriales. Debido a que el ingreso a estas zonas constituye un peligro e implicaría el riesgo del personal a quedar sepultado bajo un derrumbe, resultaría conveniente tener maquinaria operada con mando a distancia que minimice los posibles daños personales. Asimismo un control autónomo del sistema de carga y descarga de material permitiría una rápida limpieza del área, facilitando al operador la ejecución de su trabajo reduciendo los efectos de la baja visibilidad. Para realizar este proyecto se requerirá del uso de cilindros hidráulicos con sensores de posición que determinen la altura y ángulo de ataque del cucharón del equipo para permitir reproducir el proceso de carga y descarga de forma autónoma usando para ello un controlador difuso. La realización del presente estudio permitirá implementar el mando a distancia para la operación de equipos que utilizan sistemas hidráulicos para realizar funciones tales como desplazamiento, giro, frenado así como la carga y descarga de material. Esta implementación contribuirá elevar la seguridad en la operación de equipos en zonas de alto riesgo. / Tesis

In recent years, there is a growing interest in the development of systems capable of performing tasks with a high level of autonomy without human supervision. This kind of systems are known as autonomous systems and have been studied in many industrial applications such as automotive, aerospace and industries. Autonomous vehicle have gained a lot of interest in recent years and have been considered as a viable solution to minimize the number of road accidents. Due to the complexity of dynamic calculation and the physical restrictions in autonomous vehicle, for example, deterministic model predictive control is an attractive control technique to solve the problem of path planning and obstacle avoidance. However, an autonomous vehicle should be capable of driving adaptively facing deterministic and stochastic events on the road. Therefore, control design for the safe, reliable and autonomous driving should consider vehicle model uncertainty as well uncertain external influences. The stochastic model predictive control scheme provides the most convenient scheme for the control of autonomous vehicles on moving horizons, where chance constraints are to be used to guarantee the reliable fulfillment of trajectory constraints and safety against static and random obstacles. To solve this kind of problems is known as chance constrained model predictive control. Thus, requires the solution of a chance constrained optimization on moving horizon. According to the literature, the major challenge for solving chance constrained optimization is to calculate the value of probability. As a result, approximation methods have been proposed for solving this task. In the present thesis, the chance constrained optimization for the autonomous vehicle is solved through approximation method, where the probability constraint is approximated by using a smooth parametric function. This methodology presents two approaches that allow the solution of chance constrained optimization problems in inner approximation and outer approximation. The aim of this approximation methods is to reformulate the chance constrained optimizations problems as a sequence of nonlinear programs. Finally, three case studies of autonomous vehicle for tracking and obstacle avoidance are presented in this work, in which three levels probability of reliability are considered for the optimal solution. / Tesis

In recent years, the number of applications of model predictive control (MPC) is rapidly increasing due to the better control performance that it provides in comparison to traditional control methods. However, the main limitation of MPC is the computational e ort required for the online solution of an optimization problem. This shortcoming restricts the use of MPC for real-time control of dynamic systems with high sampling rates. This thesis aims to overcome this limitation by implementing high-performance MPC solvers for real-time control of fast systems. Hence, one of the objectives of this work is to take the advantage of the particular mathematical structures that MPC schemes exhibit and use parallel computing to improve the computational e ciency. Firstly, this thesis focuses on implementing e cient parallel solvers for linear MPC (LMPC) problems, which are described by block-structured quadratic programming (QP) problems. Speci cally, three parallel solvers are implemented: a primal-dual interior-point method with Schur-complement decomposition, a quasi-Newton method for solving the dual problem, and the operator splitting method based on the alternating direction method of multipliers (ADMM). The implementation of all these solvers is based on C++. The software package Eigen is used to implement the linear algebra operations. The Open Message Passing Interface (Open MPI) library is used for the communication between processors. Four case-studies are presented to demonstrate the potential of the implementation. Hence, the implemented solvers have shown high performance for tackling large-scale LMPC problems by providing the solutions in computation times below milliseconds. Secondly, the thesis addresses the solution of nonlinear MPC (NMPC) problems, which are described by general optimal control problems (OCPs). More precisely, implementations are done for the combined multiple-shooting and collocation (CMSC) method using a parallelization scheme. The CMSC method transforms the OCP into a nonlinear optimization problem (NLP) and de nes a set of underlying sub-problems for computing the sensitivities and discretized state values within the NLP solver. These underlying sub-problems are decoupled on the variables and thus, are solved in parallel. For the implementation, the software package IPOPT is used to solve the resulting NLP problems. The parallel solution of the sub-problems is performed based on MPI and Eigen. The computational performance of the parallel CMSC solver is tested using case studies for both OCPs and NMPC showing very promising results. Finally, applications to autonomous navigation for the SUMMIT robot are presented. Specially, reference tracking and obstacle avoidance problems are addressed using an NMPC approach. Both simulation and experimental results are presented and compared to a previous work on the SUMMIT, showing a much better computational e ciency and control performance. / Tesis

Esta tesis tiene como objetivo principal diseñar un sistema de control automático para vehículos marinos de superficie mediante el uso de un controlador por rechazo activo de perturbaciones (ADRC) basado en filtros planos lineales para su posterior implementación en un barco dedicado a la medición de variables marítimas, siguiendo una trayectoria planificada de antemano. La tesis incluye el modelamiento del barco basado en leyes físicas y el cual coincide en resultados con el modelo robótico trabajado en la bibliografía, una revisión teórica del controlador basado en filtro plano lineal, el diseño del controlador propiamente y una propuesta de implementación del sistema de control en un barco dedicado a monitoreo de variables marítimas ambientales. El controlador diseñado consta de dos partes; un generador de trayectorias realizables y un controlador de vehículo marino subactuado, ambos basados en filtros planos lineales. La combinación de ambos permite un control práctico (con estabilización no asintótica) del barco con un error en estado estacionario pequeño diferente de cero. Se realizaron pruebas del controlador en un modelo matemático de barco validado, obteniéndose un desempeño similar al de un controlador basado en linealización por realimentación de estados. Como ventaja, el controlador propuesto puede seguir trayectorias arbitrarias, poligonales y que requiere solo dos parámetros conocidos del modelo matemático del barco para funcionar adecuadamente; debido a esto, se reduce la carga computacional y se aligera la labor de identificación que sería necesaria en el caso del controlador basado en linealización por realimentación de estados. / Tesis

This 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. / Diese Masterarbeit widmet sich dem Entwurf, der Analyse und der experimentellen Validierung einer energiebasierten Regelstrategie für das bekannte Benchmarksystem des inversen Pendels auf einem Wagen in impliziter Port-Hamiltonscher (PH) Darstellung. Das Regelungssystem erfüllt zwei Aufgaben: das Aufschwingen und (lokale) Stabilisierung. Das Aufschwingen erfolgt auf Grundlage der generalisierten Energiefunktion und besteht darin, sowohl die Trajektorien des Pendels von der unteren (stabilen) Position in einen Grenzzyklus (homokliner Orbit) zu bringen, wobei die (instabile) aufrechte Lage passiert wird, als auch den Wagen in einer gewünschten Position einzustellen. Die (lokale) Regelung zur Stabilisierung ist nach einer neuartigen algebraischen Interconnection and Damping Assignment Passivity-Based Control (IDA-PBC) Methode konzipiert und gewährleistet die aufrechte (asymptotische) Stabilisierung des Pendels sowie die Positionierung des Wagens an einem gewünschten Referenzpunkt. Um die Funktionalität des entworfenen Regelungssystems zu veranschaulichen, werden in dieser Masterarbeit Simulationen und Echtzeit-Experimente unter Berücksichtigung der physikalischen Dämpfung, d.h. der viskosen Reibung, vorgestellt. Die Ergebnisse werden zusätzlich mit einem weiteren energiebasierten Regelungsansatz für das System des inversen Pendels auf einem Wagen in expliziter Euler-Lagrange (EL) Darstellung verglichen. / Tesis