The class of infinite dimensional systems often occurs when dealing with distributed parameter models consisting of partial differential equations. Although forming a comprehensive description, they mainly become manageable by finite dimensional approximations which likely neglect important effects, but underlies a certain structure. In contrast to common techniques for controlling infinite dimensional systems, this work focuses on using robust control methods. Thus, the uncertainty structure that occurs due to the discretization shall be taken into account particularly. Additionally, optimal performance measures can be included into the design process. The mixed H2/H∞ control approach handles the inclusion of disturbances and inaccuracies while guaranteeing specified energy or magnitude bounds. In order to include various of these system requirements, multi-objective robust control techniques based on the linear matrix inequality framework are utilized. This offers great flexibility concerning the formulation of the control task and results in convex optimization problems which can be solved numerically efficient by semi-definite programming. A flexible robot arm structure serves as the major application example during this work. The model discretization leads to an LTI system of specified order with an uncertainty model which is obtained by considering the concrete approximation impact and frequency domain tests. A structural analysis of the system model relates the neglected dynamics to a robust characterization. For the objective selection, stability shall be ensured under all expected circumstances while the aspects of optimal H2 performance, passive behavior and optimal measurement output selection are included. The undesirable spillover effect is thoroughly investigated and thus avoided. / Tesis

Actualmente, la necesidad de proteger los recursos hídricos debido a la explotación indiscriminada y altos índices de contaminación ha obligado a la comunidad científica a buscar soluciones que posibiliten mitigar estas prácticas. El agua potable constituye un recurso vital que se encuentra en crisis. Para su protección se han creado organizaciones que fiscalizan su uso en las industrias, agricultura y minería. Se busca alternativas de solución de este problema para evitar pérdidas de vidas humanas y económicas, y/o conflictos sociales. En esta tesis se investiga la problemática relacionada con el control efectivo del proceso de neutralización del pH en los efluentes residuales de una planta concentradora de minerales polimetálicos, lo cual posibilita reutilizar el agua, evitando la contaminación de los lagos y/o lagunas cercanas con las aguas resultantes del proceso minero. Se desarrolla el diseño de un controlador predictivo generalizado (GPC) basado en un modelo con arquitectura adaptativa de inferencia neuro-difusa (ANFIS - Adaptive Neuro Fuzzy Inference System), es decir un controlador GPC-ANFIS. Considerando la alta no linealidad que presenta el comportamiento dinámico de la planta objeto de estudio, la arquitectura ANFIS posibilita obtener una cierta cantidad de modelos lineales en todo el rango de operación de dicha planta, es decir se divide el comportamiento dinámico de la planta en determinados modelos lineales, y cada uno de estos modelos forma parte de la estructura del controlador GPC-ANFIS. El controlador que se diseña presenta restricciones en el incremento de la señal de control, para lo cual se utiliza un algoritmo de programación cuadrática sujeta a restricciones, lo que posibilita el funcionamiento de la planta dentro de los límites de variación del pH requeridos (entre 7 – 8). Finalmente, se realiza un análisis de robustez del controlador diseñado, así como una propuesta de su implementación práctica. / Tesis

Tesis para optar al grado de Doctor en Ingeniería Eléctrica / The integration of large numbers of Distributed Energy Resources (DERs) into the distribution system could take place either by reinforcement of the existing network assets, or the incorporation of active management of flexible resources into different sections of the distribution network. For active management of a distribution network, the design of control strategies is necessary for an efficient and reliable large-scale integration of DERs. Besides the benefit of supporting the use of renewable energy sources, DERs play an important role in improving the resilience and sustainability of the electricity distribution system and also in the generation of new market opportunities. In this thesis, the active management of DERs is proposed using a hierarchical energy management system (EMS) applied to "Energy Communities". Energy communities are a concept which allows different end users to cooperate in their energy interactions with the aim of maximising their self-consumption, minimising energy costs, reducing peak power levels or a combination of these and other beneficial goals as well. The hierarchical EMS proposed allows incorporating mechanisms to ensure both the realisation of short-term power balancing objectives and long-term energy management, benefiting the microgrid owner and the distribution network operator. The hierarchical EMS is designed in two levels: main grid level and microgrid level. At the microgrid level, a real-time local rule-based controller is proposed and at the higher level, a Robust model predictive control (MPC) is used to manage the uncertainty associated with renewable distributed generation and electricity demand. The uncertainty is incorporated into the Robust MPC controller based on fuzzy prediction interval models in order to help the system to be prepared for errors in the predictions that might yield sub-optimal decisions. Several case studies are used to test the performance of the hierarchical EMS for the operation and coordination of microgrids. Robust EMS based on fuzzy prediction interval models is compared to the deterministic EMS and with a basic EMS without energy storage system (ESS). The results show that the deterministic and Robust EMSs provide improvements over the case without ESS, as they offer mechanisms for efficient energy management. The incorporation of an ESS into the energy community benefits both the end user, by reducing energy cost, and the distribution network operator, by limiting the peak power levels and enabling increased penetration of distributed generation (DG). Additionally, the hierarchical EMS is able to keep the community power flow close to the reference power defined by the higher level controller with minimum energy cost, among other benefits. Finally, end users operating as Energy Communities can optimise the use of DG and the size of the ESS required.

Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Matemáticas Aplicadas. Ingeniero Civil Matemático / El convertidor teniente es un horno usado en el proceso de purificación del cobre, cuyo funcionamiento se basa en la inyección de aire enriquecido con oxígeno (a través de toberas) en un baño de material fundido, produciendo reacciones indispensables para su depuración y generando energía, la que es aprovechada para mantener los niveles de temperatura adecuados al interior del convertidor. Debido a la inyección de aire se produce un fenómeno de acoplamiento entre el chorro de burbujas y la oscilación presente en la superficie del baño, produciendo un fenómeno de resonancia el cual genera ondas de gran amplitud en la superficie, las que producen desgaste sobre las paredes internas del convertidor. Este desgaste acorta los tiempos de producción, ya que es necesario recubrir con nuevos ladrillos el interior del convertidor.\\ En esta tesis se proponen dos estrategias de control para prevenir y minimizar el oleaje en la superficie. En primer lugar se desarrolla un control retroalimentado con comportamiento robusto. Esta robustez permite el control usando modelos inciertos del sistema original, sin perder rendimiento ni estabilidad.\\ En segundo lugar se propone un control pasivo por medio de un segundo chorro de aire (una segunda tobera) el cual disminuye los modos de oscilación de gran amplitud, disminuyendo la energía de las oscilaciones sobre la superficie. Para ello se modela la interacción que hay entre la excitación de las ondas superficiales y la presencia de inyección de chorros de aire en el baño. Modelando un segundo chorro de burbujas es posible replicar datos experimentales en los que se logra estabilizar el oleaje por medio de una segunda tobera. / Este trabajo ha sido financiado por Codelco a través de la beca PiensaCobre

This thesis presents the modeling and control of a quadcopter vehicle and the application of adaptive backstepping for attitude stabilization. This nonlinear technique has been chosen because they can explicitly address the specific nonlinear dynamics of the plant. The objectives are to derive, validate, simulate and implement this Backstepping controller with a suitable quadcopter model. First a modeling process was conducted using the Newton-Euler formalism together with Euler angles to parameterize the rotations. The subsequently proposed approach consists on the nominal backstepping attitude controller which regulates the pitch , roll and yaw rotations and the adaptive scheme which estimates the external disturbances. Simulations showed satisfying performance in attitude stabilization under uncertainties of up to 50% in inertia matrix and constant external disturbances. Finally the controller is implemented in the real platform based on Odroid single board computer and it showed an overall performance with room to further improvements. Then this work proves that the proposed controller can be successfully implemented. / Tesis

Actualmente, el uso de robots en diferentes campos y ambientes se ha convertido en tema de investigación para profesionales relacionados al ámbito científico, ingenieros de distintas ramas y especialistas en temas sociales y culturales, dando paso a nuevos conceptos como la robótica de asistencia y/o social lo que nos revela nuevos tópicos y puntos de acción de la mecatrónica hoy en día. Esta nueva concepción de robótica permite que se utilice tecnología como apoyo a diferentes áreas entre las que se encuentran la medicina y el cuidado de la salud donde se necesita un grado mayor de innovación tecnológica especialmente en la automatización de procesos que forman parte de una cadena mayor de producción. Esta problemática sirve como punto de partida y motivación para el presente trabajo de tesis que plantea el desarrollo de un sistema compuesto por el robot industrial Baxter junto con algoritmos de visión por computadora para el reconocimiento de instrumental quirúrgico usados en ambientes hospitalarios específicamente en centrales de esterilización. Los principales objetivos de este sistema son: automatizar tareas recurrentes de manera eficiente en el menor tiempo posible, obtener y llevar control de los diversos materiales clasificados (cantidad, tipo, etc.) y aprovechar la capacidad de este robot para trabajar en conjunto con operarios o reemplazarlos según sea conveniente con el fin de evitar riesgos potenciales. El sistema planteado consiste en la implementación de algoritmos robustos de reconocimiento por imágenes en Python, el diseño de un actuador o gripper adaptado especialmente para el robot Baxter que permita un correcto manejo y traslado del material con el cual se tendrá contacto y el envío de los datos recolectados en el todo proceso a un servidor web local. Los resultados obtenidos incluyen el desarrollo de un sistema robusto compuesto por algoritmos de procesamiento de imágenes junto con un gripper mecánico de bajo costo impreso en 3D, así como pruebas de concepto de los puntos más relevantes que validen la lógica y efectividad del trabajo propuesto mediante simulaciones.

This thesis presents the modeling and control of a quadcopter vehicle and the application of adaptive backstepping for attitude stabilization. This nonlinear technique has been chosen because they can explicitly address the specific nonlinear dynamics of the plant. The objectives are to derive, validate, simulate and implement this Backstepping controller with a suitable quadcopter model. First a modeling process was conducted using the Newton-Euler formalism together with Euler angles to parameterize the rotations. The subsequently proposed approach consists on the nominal backstepping attitude controller which regulates the pitch , roll and yaw rotations and the adaptive scheme which estimates the external disturbances. Simulations showed satisfying performance in attitude stabilization under uncertainties of up to 50% in inertia matrix and constant external disturbances. Finally the controller is implemented in the real platform based on Odroid single board computer and it showed an overall performance with room to further improvements. Then this work proves that the proposed controller can be successfully implemented. / Tesis

Actualmente, la necesidad de proteger los recursos hídricos debido a la explotación indiscriminada y altos índices de contaminación ha obligado a la comunidad científica a buscar soluciones que posibiliten mitigar estas prácticas. El agua potable constituye un recurso vital que se encuentra en crisis. Para su protección se han creado organizaciones que fiscalizan su uso en las industrias, agricultura y minería. Se busca alternativas de solución de este problema para evitar pérdidas de vidas humanas y económicas, y/o conflictos sociales. En esta tesis se investiga la problemática relacionada con el control efectivo del proceso de neutralización del pH en los efluentes residuales de una planta concentradora de minerales polimetálicos, lo cual posibilita reutilizar el agua, evitando la contaminación de los lagos y/o lagunas cercanas con las aguas resultantes del proceso minero. Se desarrolla el diseño de un controlador predictivo generalizado (GPC) basado en un modelo con arquitectura adaptativa de inferencia neuro-difusa (ANFIS - Adaptive Neuro Fuzzy Inference System), es decir un controlador GPC-ANFIS. Considerando la alta no linealidad que presenta el comportamiento dinámico de la planta objeto de estudio, la arquitectura ANFIS posibilita obtener una cierta cantidad de modelos lineales en todo el rango de operación de dicha planta, es decir se divide el comportamiento dinámico de la planta en determinados modelos lineales, y cada uno de estos modelos forma parte de la estructura del controlador GPC-ANFIS. El controlador que se diseña presenta restricciones en el incremento de la señal de control, para lo cual se utiliza un algoritmo de programación cuadrática sujeta a restricciones, lo que posibilita el funcionamiento de la planta dentro de los límites de variación del pH requeridos (entre 7 – 8). Finalmente, se realiza un análisis de robustez del controlador diseñado, así como una propuesta de su implementación práctica. / Tesis

Los sistemas con retardo temporal aparecen con frecuencia en el ámbito de la ingeniería, por ejemplo en transmisiones hidráulicas o mecánicas, procesos metalúrgicos o sistemas de control en red. Los retardos temporales han despertado el interés de los investigadores en el ámbito del control desde finales de los años 50. Se ha desarrollado una amplia gama de herramientas para el análisis de su estabilidad y prestaciones, especialmente durante las dos últimas décadas. Esta tesis se centra en la estabilización de sistemas afectados por retardos temporales en la actuación y/o la medida. Concretamente, las contribuciones que aquí se incluyen tienen por objetivo mejorar las prestaciones de los controladores existentes en presencia de perturbaciones. Los retardos temporales degradan, inevitablemente, el desempeño de un bucle de control. No es de extrañar que el rechazo de perturbaciones haya sido motivo de estudio desde que emergieron los primeros controladores predictivos para sistemas con retardo. Las estrategias presentadas en esta tesis se basan en la combinación de controladores predictivos y observadores de perturbaciones. Estos últimos han sido aplicados con éxito para mejorar el rechazo de perturbaciones de controladores convencionales. Sin embargo, la aplicación de esta metodología a sistemas con retardo es poco frecuente en la literatura, la cual se investiga exhaustivamente en esta tesis. Otro inconveniente de los controladores predictivos está relacionado con su implementación, que puede llevar a la inestabilidad si no se realiza cuidadosamente. Este fenómeno está relacionado con el hecho de que las leyes de control predictivas se expresan mediante una ecuación integral. En esta tesis se presenta una estructura de control alternativa que evita este problema, la cual utiliza un observador de dimensión infinita, gobernado por una ecuación en derivadas parciales de tipo hiperbólico. / Time-delay systems are ubiquitous in many engineering applications, such as mechanical or fluid transmissions, metallurgical processes or networked control systems. Time-delay systems have attracted the interest of control researchers since the late 50's. A wide variety of tools for stability and performance analysis has been developed, specially over the past two decades. This thesis is focused on the problem of stabilizing systems that are affected by delays on the actuator and/or sensing paths. More specifically, the contributions herein reported aim at improving the performance of existing controllers in the presence of external disturbances. Time delays unavoidably degrade the control loop performance. Disturbance rejection has been a matter of concern since the first predictive controllers for time-delay systems emerged. The key idea of the strategies presented in this thesis is the combination of predictive controllers and disturbance observers. The latter have been successfully applied to improve the disturbance rejection capabilities of conventional controllers. However, the application of this methodology to time-delay systems is rarely found in the literature. This combination is extensively investigated in this thesis. Another handicap of predictive controllers has to do with their implementation, which can induce instability if not done carefully. This issue is related to the fact that predictive control laws take the form of integral equations. An alternative control structure that avoids this problem is also reported in this thesis, which employs an infinite-dimensional observer, governed by a hyperbolic partial differential equation. / Sanz Díaz, R. (2018). Robust control strategies for unstable systems with input/output delays [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/111830

The class of infinite dimensional systems often occurs when dealing with distributed parameter models consisting of partial differential equations. Although forming a comprehensive description, they mainly become manageable by finite dimensional approximations which likely neglect important effects, but underlies a certain structure. In contrast to common techniques for controlling infinite dimensional systems, this work focuses on using robust control methods. Thus, the uncertainty structure that occurs due to the discretization shall be taken into account particularly. Additionally, optimal performance measures can be included into the design process. The mixed H2/H∞ control approach handles the inclusion of disturbances and inaccuracies while guaranteeing specified energy or magnitude bounds. In order to include various of these system requirements, multi-objective robust control techniques based on the linear matrix inequality framework are utilized. This offers great flexibility concerning the formulation of the control task and results in convex optimization problems which can be solved numerically efficient by semi-definite programming. A flexible robot arm structure serves as the major application example during this work. The model discretization leads to an LTI system of specified order with an uncertainty model which is obtained by considering the concrete approximation impact and frequency domain tests. A structural analysis of the system model relates the neglected dynamics to a robust characterization. For the objective selection, stability shall be ensured under all expected circumstances while the aspects of optimal H2 performance, passive behavior and optimal measurement output selection are included. The undesirable spillover effect is thoroughly investigated and thus avoided. / Tesis