El presente trabajo de tesis contiene el resultado de la investigación para la realización de un sistema de monitoreo y control de subestaciones eléctricas orientada a la Gestión de la demanda y basado en sistemas de control. Se presenta un estudio referente a las ventajas de emplear estos tipos de sistemas de control, además de los componentes requeridos para su implementación; el marco teórico ofrece la solución ideal del proceso apoyándose sobre la tecnología propuesta; el marco problemático muestra los factores que afectan el proceso de adquisición de datos en subestaciones eléctricas, el cual consiste básicamente en un proceso manual de recolección de datos de los medidores instalados en las mismas, lo cual resulta ineficiente por ser de carácter pasivo y no ayudar en el mejoramiento del proceso ni de toma de decisiones de forma inmediata. En la fundamentación se indica la importancia del estudio realizado sobre la problemática establecida, desde los niveles Teórico – académico, lo cual nos permitirá, finalmente, llegar a la / de datos, programando el intervalo de tiempo para la adquisición de datos y luego del procesamiento de los resultados obtenidos, por parte del controlador del sistema, se pueda determinar los tipos de fallas del mismo y tomar la acción de control respectiva, la cual podría ser enviar una señal que permita iniciar la secuencia de arranque de un grupo electrógeno que ingrese al sistema, lo cual constituya una reducción en los costos de facturación cuando resulte mas conveniente para el cliente.

En el presente trabajo se desarrolló un sistema de control diseñado para exoesqueletos de miembro superior, el cual acompaña el movimiento de un usuario sin emplear sensores dedicados a determinar la intención de su movimiento. El sistema de control compensa los efectos dinámicos y de fricción generados por el peso de los componentes del exoesqueleto y las extremidades del usuario, y el movimiento de este último al usar el exoesqueleto. Además, estima la intención de movimiento del usuario empleando los sensores de los actuadores del exoesqueleto. A partir de esta estimación, el exoesqueleto acompaña los movimientos del usuario, reduciendo el esfuerzo que éste realiza al mover sus extremidades superiores. El sistema de control desarrollado es adaptado para trabajar con componentes comunes y de menor precisión. Las pruebas experimentales, realizadas sobre un modelo conceptual fabricado, demuestran que el sistema de control compensa los efectos dinámicos y de fricción del sistema, estima la intención de movimiento del usuario y acompaña sus movimientos, reduciendo en un 73.2% el esfuerzo realizado por el usuario al mover el modelo conceptual. A partir de los resultados se determina la posibilidad de desarrollar un exoesqueleto más económico pues solo se emplea sensores de corriente y posición, y actuadores de baja precisión. / Tesis

El 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.

The field of autonomous driving has been evolving rapidly within the last few years and a lot of research has been dedicated towards the control of autonomous vehicles, especially car-like ones. Due to the recent successes of artificial intelligence techniques, even more complex problems can be solved, such as the control of autonomous multibody vehicles. Multibody vehicles can accomplish transportation tasks in a faster and cheaper way compared to multiple individual mobile vehicles or robots. But even for a human, driving a truck-trailer is a challenging task. This is because of the complex structure of the vehicle and the maneuvers that it has to perform, such as reverse parking to a loading dock. In addition, the detailed technical solution for an autonomous truck is challenging and even though many single-domain solutions are available, e.g. for pathplanning, no holistic framework exists. Also, from the control point of view, designing such a controller is a high complexity problem, which makes it a widely used benchmark. In this thesis, a concept for a plurality of tasks is presented. In contrast to most of the existing literature, a holistic approach is developed which combines many stand-alone systems to one entire framework. The framework consists of a plurality of modules, such as modeling, pathplanning, training for neural networks, controlling, jack-knife avoidance, direction switching, simulation, visualization and testing. There are model-based and model-free control approaches and the system comprises various pathplanning methods and target types. It also accounts for noisy sensors and the simulation of whole environments. To achieve superior performance, several modules had to be developed, redesigned and interlinked with each other. A pathplanning module with multiple available methods optimizes the desired position by also providing an efficient implementation for trajectory following. Classical approaches, such as optimal control (LQR) and model predictive control (MPC) can safely control a truck with a given model. Machine learning based approaches, such as deep reinforcement learning, are designed, implemented, trained and tested successfully. Furthermore, the switching of the driving direction is enabled by continuous analysis of a cost function to avoid collisions and improve driving behavior. This thesis introduces a working system of all integrated modules. The system proposed can complete complex scenarios, including situations with buildings and partial trajectories. In thousands of simulations, the system using the LQR controller or the reinforcement learning agent had a success rate of >95 % in steering a truck with one trailer, even with added noise. For the development of autonomous vehicles, the implementation of AI at scale is important. This is why a digital twin of the truck-trailer is used to simulate the full system at a much higher speed than one can collect data in real life. / Tesis

En los últimos años se han estado desarrollando equipos médicos que automatizan los procesos que involucran el diagnóstico de tuberculosis (TBC), pues esta enfermedad continua siendo un problema de gran importancia. Según la organización mundial de la salud (OMS), la tuberculosis continúa siendo un problema de carácter global. En nuestro país se presentan alrededor de 27000 casos de TBC anualmente con una incidencia de 88.8 casos nuevos por cada 100 mil habitantes. Es así que el Perú aun ocupa el 1° lugar en América Latina en el número de casos de tuberculosis resistentes. El hacinamiento en los sectores desfavorecidos ha fomentado la transmisión de la tuberculosis. Este hacinamiento sumado a la falta de equipamiento de rápido diagnóstico accesible a las poblaciones más necesitadas ha dado lugar a que la enfermedad continúe siendo un problema. En el Perú el proceso de diagnóstico es completamente manual, la no existencia de un equipo de diagnóstico da lugar a gran variabilidad en los resultados, los cuales dependerán de la experiencia y concentración del personal de laboratorio. Es por ello que es necesario encontrar herramientas que permitan reducir la incidencia de la tuberculosis en nuestro país. Sin embargo, los sistemas de detección automatizados y de mayor confiabilidad poseen valores elevados en el mercado. La presente tesis propone el desarrollo de un sistema de baciloscopía automatizada de diagnóstico de TBC. La tesis involucra el re-diseño e implementación del sub-sistema de tinción de cuatro muestras y el diseño e implementación del sub-sistema de microscopia. / Tesis

Esta 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. / This thesis studies state observers based on sliding mode variable structure systems, as an alternative solution to the interactive multiple model algorithm (IMM) based on Kalman and Particle Filters, for the robust estimation of position, velocity, and acceleration of a high maneuverability air target, such as anti-ship missiles or combat aircraft, despite model uncertainties or disturbances and using fire control radar’s position or velocity measurements corrupted by glint noise. In chapter I a study of the state of the art is done, exposing the problem and the current solution to it. Subsequently, in chapter II a study is made of the different dynamic and measurement models of high maneuverability air targets existing in the literature, proposing at the end of the chapter an uncertain linear model of the air target (anti-ship missile) and presenting a simulation of the complete trajectory of it. In chapter III the theory of sliding mode variable structure systems applied to state observers is exposed, the design of the most representative observers is carried out, and simulations of the air target’s estimated trajectory are conducted, comparing at the end of the chapter the results of all state observers based on established performance criteria. Results show that in the absence of noise the Edwards-Spurgeon observer (ESSMO) and Walcott-Zak observer (WZSMO) and Adaptive Robust Exact Differentiator obtain the best performances. In addition, in order to use the observers and differentiators mentioned above a new filtering algorithm is proposed, named Uniform Robust Exact filtering differentiator (UREDF), which combines Levant’s standard filtering with a non-linear median intra pulse filter. It is important to state that the performance of this algorithm was demonstrated along with the writing of this thesis in the manuscript “Highly Maneuverable Target Tracking Under Glint Noise via Uniform Robust Exact Filtering Differentiator with Intra Pulse Median Filter”, which has been published in the IEEE journal “Transactions on Aerospace and Electronic Systems” by Dr. Gustavo Pérez and myself. In this manuscript, it is concluded that the UREDF shows a superior performance than other state-of-the-art estimation and filtering algorithms such as the Extended Kalman Filter (EKF), Unscented Kalman Filter (UKF), Cubature Kalman Filter (CKF), Particle Filter (PF), and the Robust Student-t based Kalman Filter. In chapter IV two solutions to the studied problem are proposed, being the first solution (SMO1) based on the combination of the Uniform robust exact filtered differentiator’s (UREDF) filtering capability and the Adaptive Robust Exact Differentiator’s robustness, exactness, and convergence speed capabilities for state variable estimation. On the other hand, the second solution (SMO2) involves state variable estimation of a pulse-doppler tracking radar by filtering both position and doppler velocity measurements with Uniform Robust Exact Filtered Differentiators (UREDF) and estimating state variables with the Walcott-Zak Sliding Mode Observer (WZSMO). Also, an adaptive robust exact differentiator (ARED) is used to provide the estimated input control vector necessary for the WZSMO to work. In chapter V, MATLAB® simulations were conducted, proving that the sliding mode solutions proposed in chapter IV have better glint noise filtering and robustness capabilities that the Interactive Multiple Model (IMM) algorithm during the misil’s course changes and terminal maneuver. Finally, in chapter VI is proposed the implementation solution in a National Instruments’ PXI and in chapter VII conclusions and future work remarks are given.

En los últimos años, la ingeniería marina ha desarrollado una serie de vehículos submarinos con el fin de observar y caracterizar los ecosistemas marinos ante la creciente demanda por sus recursos como fuente de energía y alimento. Estos vehículos, denominados vehículos submarinos autónomos (AUVs), son capaces de recorrer el ambiente submarino y recolectar información medida por un arreglo de sensores que llevan a bordo. En particular, los planeadores submarinos pueden realizar exploraciones por periodos de tiempos extensos, por lo cual son un gran beneficio para la ingeniería marina. Debido a la naturaleza de dichos vehículos, y la dificultad de transmitir datos de forma inalámbrica en un ambiente submarino, se han desarrollado algoritmos de navegación autónoma empleando varias técnicas de control, mejorando el desempeño de dichos vehículos ante entornos desconocidos y el seguimiento de trayectorias deseadas. Sin embargo, en muchos casos, la investigación se ha enfocado en el desarrollo de algoritmos clásicos empleando modelos simplificados que no consideran, o minimizan los efectos hidrodinámicos sobre la dinámica del vehículo en movimiento. Es por ello, que se desea desarrollar un algoritmo de control que permita que un planeador submarino permanezca en una trayectoria predefinida considerando los efectos de las fuerzas hidrodinámicas sobre el movimiento. El presente trabajo considera la aplicación de algoritmos avanzados que garanticen la estabilidad del vehículo durante todo su recorrido, en particular en los cambios de planeado descendiente a ascendiente donde los puntos críticos deseados varían según el ángulo de planeado y dirección, así como los limitantes físicos de posición y velocidad para los actuadores internos del vehículo. Durante el desarrollo de la investigación se obtuvo un modelo del planeador submarino que relacione el estado de los actuadores internos del vehículo con su posición, orientación y velocidad durante el planeado. A partir de ello se desarrolla un total de tres controladores, primero un controlador MIMO (múltiple entrada, múltiple salida) empleando la ley de control proporcional-integrativo debido a la naturaleza intrínseca multivariable del planeador submarino. Segundo, se desarrolló un sistema óptimo basado en un regulador cuadrático lineal, el cual permite optimizar el consumo energético con el fin de extender el tiempo de recorrido. Finalmente se obtuvo un controlador no lineal basado en la técnica backstepping adaptativo, el cual considera la naturaleza desconocida de los parámetros hidrodinámicos para estimar su efecto sobre el vehículo y obtener la señal de control que lo estabiliza. El desempeño de los tres algoritmos es comparado mediante simulaciones, determinando que el algoritmo no lineal basado en backstepping adaptativo presenta un mejor comportamiento. Finalmente, se procede a implementar un planeador submarino basado en tecnologías de prototipado rápido, para evaluar el funcionamiento del algoritmo desarrollado en un sistema real. Los resultados de las pruebas realizadas demuestran que efectivamente, el sistema de control es capaz de estabilizar el vehículo sin tener conocimiento previo sobre los parámetros hidrodinámicos y la magnitud de su efecto sobre la dinámica del vehículo. / Tesis

Partiendo de la problemática que implica el incremento significativo de la demanda de agua potable en los últimos años, así como su inminente escasez debido a las reservas limitadas de agua dulce, se plantea el aprovechamiento de las reservas de agua salada a través del proceso de desalinización mediante ósmosis inversa. El presente trabajo tiene como propósito establecer las bases para el desarrollo de un sistema de control y su implementación en una unidad de ósmosis inversa de una planta desalinizadora de agua de mar. Se requiere de un control efectivo de dichas plantas para producir agua potable en la cantidad y calidad requerida, por lo cual es necesario utilizar técnicas adecuadas de control. Dentro de este contexto se plantea una solución desde el punto de vista de la Ingeniería de Control y Automatización, desarrollando controladores PID avanzado basados en el método MIGO para el control robusto de las variables críticas de una unidad de ósmosis inversa. Para alcanzar éste propósito se realizó una revisión del estado de arte de los controladores PID y de los sistemas de control de plantas de ósmosis inversa. Después de analizar dichos sistemas de control y debido a que los controladores convencionales no ofrecen un control efectivo, se propone el desarrollo de un controlador PID avanzado mediante el método MIGO para su aplicación en una unidad de ósmosis inversa. Para ello se estudiaron modelos matemáticos que caractericen el comportamiento dinámico de las variables críticas de una unidad de ósmosis inversa y luego se procedió al diseño de los controladores PID avanzado. Se diseñaron los controladores PID avanzado basados en el método MIGO luego de haber realizado el desacoplamiento de una unidad de ósmosis. Se simuló el sistema de control con el PID-MIGO en Matlab/Simulink, bajo diferentes condiciones de operación nominal, en presencia de perturbaciones y de señales ruidosas, obteniendo buenos resultados de control y robustez, superando a los controladores PID convencionales. Finalmente se realizó una propuesta de implementación práctica del sistema de control desarrollado, basada en la aplicación de un PLC, una PC y un cliente/servidor OPC. / Tesis

En problemes d'assignació de recursos, normalment s'han de tenir en compte les incerteses que poden provocar canvis en les dades inicials. Aquests canvis dificulten l'aplicabilitat de les planificacions que s'hagin fet inicialment.Aquesta tesi se centra en l'elaboració de tècniques que consideren la incertesa alhora de cercar solucions robustes, és a dir solucions que puguin continuar essent vàlides encara que hi hagi canvis en l'entorn. Particularment, introduïm el concepte de robustesa basat en reparabilitat, on una solució robusta és una que pot ser reparada fàcilment en cas que hi hagi incidències. La nostra aproximació es basa en lògica proposicional, codificant el problema en una fórmula de satisfactibilitat Booleana, i aplicant tècniques de reformulació per a la generació de solucions robustes. També presentem un mecanisme per a incorporar flexibilitat a les solucions robustes, de manera que es pugui establir fàcilment el grau desitjat entre robustesa i optimalitat de les solucions. / Resource allocation problems usually include uncertainties that can produce changes in the data of the problem. These changes may cause difficulties in the applicability of the solutions.This thesis is focused in the elaboration of techniques that take into account such uncertainties while searching for robust solutions, i.e. solutions that can remain valid even if there are changes in the environment. Particularly, we introduce the concept of robustness based on reparability, where a robust solution is one that can be easily repaired when unexpected events occur. Our approach is based in propositional logic, encoding the problem to a Boolean formula, and applying reformulation techniques in order to generate robust solutions. Additionally, we present a mechanism to incorporate flexibility to the robust solutions, so that one can easily set the desired degree between optimality and robustness.

[ES] Aquesta tesi presenta els resultats de la feina de recerca dut a terme sobre el modelatge i el disseny de controladors per a micro-aeronaus no tripulades mitjançant tècniques d'optimització multi-objectiu. Dos principals camps d'estudi estan presents al llarg d'ella. D'una banda, l'estudi de com modelar i controlar plataformes aèries de petita envergadura. I, de l'altra, l'estudi sobre l'ús de tècniques heurístiques d'optimització multi-objectiu per aplicar en el procés de parametrització de models i controladors en micro-aeronaus no tripulades. S'obtenen com a resultat principal una sèrie d'eines que permeten prescindir d'experiments en túnels de vent o de sensòrica d'alt cost, passant directament a la utilització de dades de vol experimental a la identificació paramètrica de models dinàmics. A més, es demostra com la utilització d'eines d'optimització multi-objectiu en diferents fases de desenvolupament de controladors ajuda a augmentar el coneixement sobre la plataforma a controlar i augmenta la fiabilitat i robustesa dels controladors desenvolupats, disminuint el risc de passar de les fases prèvies de el disseny a la validació en vol real. / [CA] Esta tesis presenta los resultados del trabajo de investigación llevado a cabo sobre el modelado y el diseño de controladores para micro-aeronaves no tripuladas mediante técnicas de optimización multi-objetivo. Dos principales campos de estudio están presentes a lo largo de ella. Por un lado, el estudio de cómo modelar y controlar plataformas aéreas de pequeña envergadura. Y, por otro, el estudio sobre el empleo de técnicas heurísticas de optimización multi-objetivo para aplicar en el proceso de parametrización de modelos y controladores en micro-aeronaves no tripuladas. Se obtienen como resultado principal una serie de herramientas que permiten prescindir de experimentos en túneles de viento o de sensórica de alto coste, pasando directamente a la utilización de datos de vuelo experimental en la identificación paramétrica de modelos dinámicos. Además, se demuestra como la utilización de herramientas de optimización multi-objetivo en diferentes fases del desarrollo de controladores ayuda a aumentar el conocimiento sobre la plataforma a controlar y aumenta la fiabilidad y robustez de los controladores desarrollados, disminuyendo el riesgo de pasar de las fases previas del diseño a la validación en vuelo real. / [EN] This thesis presents the results of the research work carried out on the modelling and design of controllers for micro-unmanned aerial vehicles by means of multi-objective optimization techniques. Two main fields of study are present throughout it. On one hand, the study of how to model and control small aerial platforms. And, on the other, the study on the use of heuristic multi-objective optimization techniques to apply in the process of models and controllers parameterization in micro-unmanned aerial vehicles. The main result is a series of tools that make it possible manage without wind tunnel experiments or high-cost air-data sensors, going directly to the use of experimental flight data in the parametric identification of dynamic models. In addition, a demonstration is given on how the use of multi-objective optimization tools in different phases of controller development helps to increase knowledge about the platform to be controlled and increases the reliability and robustness of the controllers developed, reducing the risk of hoping from the initial design phases to validation in real flight. / Velasco Carrau, J. (2020). Unmanned Aerial Vehicles Modelling and Control Design. A Multi-Objective Optimization Approach [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/156034 / TESIS