Overhead cranes are widely used in industry for transportation of heavy loads and are common industrial structures used in building construction, factories, and harbors, traditionally operated by experienced crane operators. The underlyng system consists of three main components: trolley, bridge, and gantry. Basically, the system is a trolley with pendulum. In normal operation, the natural sway of crane payloads is detrimental to the safe and efficient action. Other external disturbances parameters, wind for example, also affect the controller performance. Basically, a crane system is an underactuated system. This makes the design of its controllers complicated. Usually, this is done via the crane acceleration required for motion. The most important issues in crane motion are high positioning accuracy, short transportation time, small sway angle, and high safety. The main goal of this thesis is to achieve a robust controller design procedure, based on H∞ control theory, for a nonlinear model of a 3-D gantry crane system. The approach shall be compared with classic controllers in terms of attenuating the perturbation on the payload transportation. The model describes the position of the load, as well as the time derivatives of the position. In vew of this, flatness-based feedforward control has to be devised, accompanied by the design of an optimal linear and nonlinear feedback controller. The nomnal states can be used as optimization parameters and restrictions on stability, overshoot, position regulation, and oscillation angle, being independent of the load mass and depending on the rope length. The procedure is as follows. First, a dynamic nonlinear model of the system is obtained using the Lagrange equations of motion which describe the simultaneous travelling, crossing, lifting motions and the resultant load swing of the crane. Then, the system is exactly linearised by a dynamic extension. Next the closed-loop system, based on the linear quadratic regulator scheme, is probed and compared with the H∞ robust control system for compensating modeling errors and/or internal and external perturbation. Finally, simulation results are presented showing the efficiency of the proposed controller design scheme. Results are provided to illustrate the improved performance of the nonlinear controllers over classic pole placement and linear quadratic regulator approaches, testing its fast input tracking capability, precise payload positioning and minimal sway motion. / Kräne werden in der Industrie für den Transport schwerer Lasten eingesetzt. Man findet sie im Hochbau, Fabriken und Häfen. Traditionell werden sie von erfahrenen Kranführer betrieben. Das der Arbeit zugrunde liegende Kransystem besteht aus drei Hauptkomponenten: Transporteinheit, Brücke und Gerüst. Im Regelbetrieb ist das Schwingen von Krannutzlasten einer sicheren und effizienten Nutzung abträglich. Auch andere externe Störparameter wie beispielsweise der Wind haben einen Einfluss auf die Kontrollierbarkeit eines Krans. Grundsätzlich ist ein Kransystem ein unteraktuiertes System. Deshalb verkompliziert sich im Allgemeinen der Entwurf einer Regelung, meist auf Basis der Kranbeschleunigung. Regelziele bei der Kranbewegung sind u.a. eine hohe Positioniergenauigkeit, kurze Transportzeit, kleine Pendelwinkel und hohe Sicherheit. Das Hauptziel dieser Diplomarbeit ist der Entwurf einer robusten Reglung, gründend auf der H∞-Regelungsttheorie, für ein nichtlineares Modell eines 3-D-Portalkran- Systems. Das Verfahren soll mit dem klassischen Controllerdesign verglichen und resultierende Regelungsprobleme infolge von Störungen im Nutzlasttransport untersucht werden. Das Modell beschreibt die Position der Last sowie deren zeitliche Ableitungen. Davon kann das Problem für den Entwurf einer flachheitsbasierten Vorsteuerung abgeleitet werden, die dann mit einer optimalen, linearen bzw. nichtlinearen Regelung verbunden wird. Die nominalen Zustände können als Optimierungsparameter und Beschränkungen für die Stabilität, Überschwingen, Positionsregelung und Schwingungswinkel verwendet werden, unabhängig von der Lastmaße und in Abhängigkeit von der Seillänge. Dabei wird wie folgt vorgegangen: Zunächst wird ein nichtlineares Systemmodell mit Hilfe der Lagrange-Gleichungen erstellt. Dann wird das System mit Hilfe einer dynamischen Erweiterung exakt linearisiert. Als nächstes wird der geschlossene Regelkreis auf Basis der linear-quadratischen Regelung untersucht und mit einer robusten H∞ Regelung zur Kompensation von Modellierungsfehlern oder systeminterner und -externe Störung verglichen. Schließlich werden Simulationsergebnisse vorgestellt, welche die Wirksamkeit des Entwurfes belegen. Ein Ergebnis st dabei die verbesserte Leistung des nichtlinearen Reglers gegenüber dem klassischen Regler. Dies wird anhand einer Fähigkeit zu Verfolgung einesr schnellen Bahn, der Präzision der Positionierung und der minimalen Einflussbewegung der Nutzlast dargestellt. / Tesis

En el sector minero se privilegian los proyectos orientados a disminuir los accidentes laborales y a optimizar los procesos de extracción y tratamiento de mineral, iniciativas propuestas en esta línea son ampliamente aceptadas y beneficiadas con la asignación de recursos para su implementación. El siguiente trabajo presenta la automatización del proceso de carga y descarga de forma automática de los metales (inchancables), acumulados en el electroimán de una planta de chancado del sector minero, disminuyendo de esta forma la exposición del personal a posibles accidentes laborales y optimizando el proceso de separación de inchancables. Durante la extracción de mineral, se utilizan aceros para la perforación y sostenimiento del macizo rocoso, que finalmente después de la voladura se mezcla con el mineral que es transportado hacia chancado. Este material inchancable debe ser retirado de forma eficiente para evitar daños a los equipos de chancado y cortes longitudinales y/o transversales en las fajas transportadoras. Para alcanzar el objetivo principal del presente trabajo, se definieron los requisitos del usuario, requerimientos del proyecto; además, del estado del arte actual para conocer las tecnologías y equipos existentes para el proyecto, se siguió la metodología de diseño mecatrónico donde, a través de una matriz, se realizó la selección de la solución conceptual; asimismo, se realizaron los cálculos de la estructura y simulación, así como la selecciónde los componentes eléctricos y electrónicos del sistema; finalmente se elaboraron los planos mecánicos, eléctricos y de control. La inversión del proyecto está plenamente justificada, desde el punto de vista de seguridad del personal, al disminuir la exposición de los operadores, así como también de lo económico al evitar paradas no programadas prolongadas del circuito de chancado y transporte de mineral al usar medios alternos para alimentar de mineral a la planta de beneficio.

El presente trabajo consiste en el diseño de un controlador digital para un estimulador de prótesis epiretinal que está conformada por una cámara, un procesador de video, la caja de componentes electrónicos con el controlador incluido y el arreglo de electrodos. Esta prótesis se implanta quirúrgicamente en el paciente que sufre de enfermedades degenerativas de la retina como Retinitis Pigmentosa y Degeneración Macular relacionada con la edad. Las entradas del controlador serán enviadas por un controlador global y las salidas del controlador a un estimulador que usando un arreglo de micro-electrodos estimularía directamente a las neuronas retinales saludables pasando sobre las células fotorreceptoras dañadas por la enfermedad. La forma de onda, periodo, duración, retraso de cada fase y amplitud son importantes para el correcto estimulo de las células neuronales de la retina, por estas razones se diseñó un controlador flexible basado en el diseño ITBCS13 [1] que es capaz de cambiar parámetros y formas de onda de estimulación [2, 3] de forma independiente por canal. Asimismo la corriente de estimulación debe ser bifásica debido a que reduce las cargas residuales que da˜nan el tejido de la retina, por ende la estimulación tendrá una fase catódica y anódica [4]. El controlador digital genera en cuatro canales las formas de onda Senodial, Gaussiana, Rectangular y Triangular a través de las 8 señales de entrada que recibe del controlador global: req, fase, forma onda, tiempo entre fases, tiempo descarga, amplitud, factor duración y reset. Las salidas del controlador al estimulador de cuatro canales serán las fases anódicas, catódicas y la amplitud de la onda: anódico reg , catódico reg y amplitud reg. El diseño del controlador es basado en bloques digitales, codificados por medio del lenguaje de descripción de hardware VHDL. Para realizar la verificación y validación del funcionamiento de dicha descripción se usó la simulación por medio de Testbench en VHDL, empleándose el software ModelSimAltera de la compañía Mentor Graphics [5]. Para la implementación se empleó un FPGA de la familia Cyclone II (tecnología TSMC’s 90-nm) [6]. La frecuencia de operación del controlador es de 164.69 MHz.

Actualmente, un problema que afecta a toda la población de la ciudad de Lima Metropolitana es la congestión vehicular, en donde una de las causas principales es el sistema de semaforización. A la fecha, el 67% de semáforos de la ciudad no están interconectados y son del tipo presincronizado, es decir, cambian el color de luz de acuerdo a un tiempo preestablecido; mientras que en el 33% de semáforos restantes, que se encuentran interconectados formando una red, el control se encuentra a cargo de cierto personal que actúa, únicamente, en momentos críticos. Si bien se puede decir que Lima cuenta con un sistema de semaforización, este no llega a ser el adecuado debido a que no puede adaptar su comportamiento en tiempo real para reducir la congestión vehicular. Aún más, algunas acciones tomadas, tales como el apoyo policial y la implementación de las denominadas “olas verdes”, pueden no presentar buenos resultados e incluso generar mayores problemas de tráfico debido a que no son acciones óptimas, puesto que son tomadas bajo criterio de agentes policiales u operarios, quienes cuentan con conocimiento limitado del entorno en tiempo real. De esta manera, se propone una solución para las intersecciones semafóricas que actualmente no se encuentran interconectadas a fin de optimizar los tiempos de los ciclos semafóricos según el estado de tráfico en tiempo real, con el objetivo de minimizar el volumen vehicular, bajo un modelo edge computing. Así, el presente trabajo desarrolla el diseño de un controlador descentralizado, como base de la solución propuesta, buscando aprovechar algunos recursos y componentes propios de las intersecciones, tales como los semáforos y las conexiones bajo tierra entre estos y el controlador. Cabe mencionar, que la solución también podría ser adaptada para usarse en las intersecciones interconectadas. El diseño del controlador incluye el diseño del algoritmo de control, el cual estará basado en una política de asignación proporcional generalizada que no requiere de información de otras intersecciones para el cálculo de tiempos de una intersección. El impacto del algoritmo de control se evaluará comparando sus resultados con los del sistema de semaforización actual en un ambiente de simulación, en donde se implementará el sistema de tráfico vehicular correspondiente a un caso de estudio. El diseño físico del controlador, el cual contempla el diseño electrónico y mecánico, e incluye los cálculos para la selección de componentes, así como las conexiones entre estos y protocolos de comunicación, también forma parte del trabajo.

La presente tesis expone el diseño de un sistema ciberfísico de monitoreo de contaminación acústica urbana, el mismo que, combinando radiofrecuencia y conexión a internet a través de wifi, podría ser implementado en las zonas de mayor concurrencia de personas en la ciudad de Lima y tendría como principal objetivo el informar y advertir a los ciudadanos y entidades gubernamentales cuando los niveles de ruido presentes pueden afectar la salud. Además, la información recolectada permitiría a los municipios responsables del control de este problema poder tener una visión más acertada de los causantes de los mismos. Este trabajo se dividirá en una parte física que consistirá en el diseño de un dispositivo de sensado de contaminación acústica que pueda operar de forma continua en distintas zonas de la capital siendo capaz de trabajar en la intemperie enviando información relevante de forma inalámbrica a un receptor; y una parte ciber que seguirá una arquitectura IoT con Cloud Computing que se encargará del procesamiento de los datos y su transmisión a través de internet. Este sistema será fácilmente escalable y podría ser aplicado en proyectos del Estado enfocados en la reducción de la contaminación ambiental y la concientización de la población sobre el mismo.

Los sistemas teleoperados siguen siendo un campo de investigación de vigente importancia en el mundo. Cuentan con diversas áreas de aplicación y por ello continuamente se desarrollan nuevos algoritmos de control con los que mejorar las prestaciones de telepresencia y estabilidad del sistema en conjunto. Sin embargo, existe la necesidad de probar la eficacia de esos algoritmos en entornos reales aparte de los simulados. La Pontificia Universidad Católica del Perú es una de las instituciones académicas que realiza investigaciones de ese tipo. Específicamente, en sus laboratorios se está desarrollando un algoritmo de teleoperación bilateral basado en la convergencia de estados para manipuladores en entorno submarino. Por lo tanto, en el presente trabajo de investigación se detallarán los lineamientos para el diseño de una plataforma teleoperada donde realizar las pruebas en entorno terrestre del referido nuevo algoritmo o de algún otro basado en la convergencia de estados.

La 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.

El objetivo de la presente tesis consiste en diseñar y desarrollar un sistema de iluminación automatizado y que pueda ser controlado desde un dispositivo móvil que permita administrar mejor la energía eléctrica dedicada a la iluminación del hogar. Para llegar a este objetivo, se optó por usar el protocolo de comunicación Zigbee para poder comunicar inalámbricamente las distintas partes del sistema. Para la interfaz de usuario, se usó diseño web utilizando lenguajes PHP y librerías de Jquerry Mobile; para el manejo de base de datos se usó MySQL y para el programa que se ejecuta en el servidor se utilizó el lenguaje de programación JAVA. Se llegó a la conclusión de que se pudo cumplir satisfactoriamente el desarrollo del sistema automatizado controlable desde la aplicación web, con un tiempo de respuesta aceptable, con algoritmos que toman en consideración niveles de iluminación y presencia y con una interfaz de usuario moderna y eficaz. También se pudo observar que este el sistema tiene varios aspectos por mejorar para poder llegar a tener un sistema de nivel comercial.

En la presente tesis se realizó el diseño e implementación de un módulo educativo para el control del sistema bola-varilla, el cual podrá ser utilizado como material de enseñanza por las especialidades que cuenten en su plan de estudios con cursos de control. Así mismo, será útil para la enseñanza de la parte experimental en cursos de pre-grado a través de este sistema no lineal e inestable. El sistema bola-varilla consta de: dos sensores infrarrojos de proximidad; el primero, mide la distancia del desplazamiento de la bola sobre la varilla; el segundo, mide el ángulo y la posición de giro de la varilla. El actuador es un motor DC. La implementación del algoritmo de control se realiza mediante la tarjeta de procesamiento de señal DSPACE1102, la cual permite una ejecución del algoritmo mediante el uso de SIMULINK Real-Time Workshop. El algoritmo del sistema cuenta con un doble lazo: interno y externo; el primero se encarga de controlar el torque que brindará el motor para poder mover la varilla; el segundo, controla el sentido de giro del motor. La parte mecánica del sistema fue diseñada en el software de diseño CAD en 3D – SolidWork e implementada con aluminio y acrílico. El diseño del controlador y la evaluación de parámetros se desarrollaron en el programa de simulación SIMULINK desde MATLAB. Por otro lado, se utilizó la plataforma del programa SIMULINK Real-Time Workshop para las pruebas en tiempo real del sistema bola-varilla, donde se logró sintonizar los parámetros de los controladores de acuerdo a las características reales del sistema; ello permitió cumplir el principal objetivo de la tesis: el control del sistema bola-varilla en tiempo real. Finalmente, luego de realizar el diseño, simulación e implementación de los controladores (compensadores) se logró una respuesta adecuada con un OS% < 5% y un TS < 3 segundos, ambas requisitos son los planteados para el control del sistema bola-varilla.

Hay una gran variedad de equipos mecánicos y electrónicos que se pueden encontrar dentro de los laboratorios de ciencia de la vida, los cuales son necesarios para el desarrollo de pruebas, experimentos, etc. Entre estos se pueden encontrar uno en particular, el agitador magnético, muy útil para la agitación de soluciones, mezclas y uniones de los mismos mediante el uso un motor eléctrico y un imán adicionado a este, de modo que el movimiento rotatorio producido es trasladado a una barra ferromagnética, creando un vórtice dentro de la solución adecuado para su agitación. Para su diseño es necesario seleccionar los componentes que lo comprenden. En primer lugar se selecciona el motor adecuado para la velocidad requerida, luego el elemento calefactor de acuerdo a la temperatura con la que se va a trabajar, teniendo en cuenta el sensor adecuado para cada uno; en tercer lugar se selecciona la interfaz que va a tener el usuario para manipular el equipo, además del elemento para visualizar las características que desarrolla; por último la fuente de alimentación para el equipo en su totalidad. Según los resultados obtenidos en las simulaciones hechas, se concluye que se puede desarrollar el diseño del equipo mencionado con los conocimientos adecuados y los componentes que se pueden encontrar dentro del mercado actual.