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

Este trabajo de tesis presenta la estructura de control de un sistema detector y compensador de fallas eléctricas de tipo corte abrupto de energía en una SmartGrid. Para la detección de la falla se ha implementado un algoritmo basado en la inyección y detección de una perturbación en la tensión de la carga. Para la compensación de la falla, el control realiza un cambio en la señal de referencia y pasa al modo desconectado de la red. Asimismo, se ha mejorado el control de frecuencia para el proceso de resincronización con la red eléctrica, una vez que ésta ha sido reestablecida. Finalmente, el inversor es reconectado a la red eléctrica y se pasa al modo conectado a la red, donde la referencia pasa a ser nuevamente la señal con perturbación. Como parte de este trabajo se han desarrollado artículos científicos, de los cuales 2 han sido aceptados en congresos internaciones (PEPQA, Colombia 2017 y CCE, México 2017) y se encuentran publicados en el IEEE Explorer. / Tesis

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

Todas las etapas de una planta de procesamiento de minerales tienen un gran impacto en el uso energético como en la naturaleza. Teniendo claro cada etapa del proceso, permitirán tomar las medidas de control y el uso de las nuevas tecnologías a fin de optimizar el uso de recursos reduciendo los tiempos de producción, costos en el uso de explosivos, reactivos, traslado de mineral y finalmente reducir el impacto sobre el medio ambiente. El proceso de flotación es el método de concentración de minerales metálicos que permite extraer y separar los minerales valiosos de la ganga a través de la diferencia de propiedades superficiales, es en esta etapa del proceso donde realmente se da la recuperación del mineral valioso después de la extracción, chancado y trituración a cierto tamaño de partícula. Es a través de la utilización de las celdas de flotación donde se recupera el mineral valioso. Lograr controlar eficientemente el nivel de pulpa de las celdas de flotación permitirá optimizar el proceso de flotación y reducir el arrastre de partículas no valiosas mediante el rechazo a las perturbaciones de proceso debido a la mineralogía, cambios de flujo de alimentación, interacciones entre celda y celda entre otros, por lo tanto, se tiene por objetivo fundamental desarrollar un sistema de control predictivo generalizado multivariable que cumpla con esta tarea. Partiremos con la toma de datos en un banco de celdas rougher-scavenger de una planta de concentración de minerales con el propósito de obtener un modelo matemático (un modelo por cada celda) mediante la metodología de identificación de sistemas que permita describir el modelo de proceso de cada una de ellas. Con los modelos de proceso se diseñará el controlador predictivo generalizado multivariable basado en un modelo que permitirá controlar los niveles de un banco de celdas. Para controlar los niveles de forma eficiente se realizará la sintonía del controlador multivariable y se comparará con la estrategia de control actual que manejan las celdas que es el controlador PID. De las pruebas realizadas, bajo los mismos parámetros de diseño de los controladores PID, se evidenció que el controlador predictivo presenta una ligera ventaja, pero a medida que se presentaron cambios en las perturbaciones y el modelo de proceso (situación común en el ambiente industrial) la eficiencia sobre el controlador PID es muy marcada. Finalmente, como parte de una solución en el campo industrial se presenta la propuesta de implementación que consiste en la instalación de dos servidores, uno que permite la conectividad con el sistema de control distribuido y otro donde se desarrollará la lógica de control del controlador predictivo generalizado multivariable. / Tesis

Un molino SAG, equipo principal en el circuito de molienda de minerales tiene como objetivo reducir el tamaño de su mineral alimentado del área de chancado y adaptarlo para etapa de flotación buscando la mayor eficiencia y optimización de cada una de sus variables de control y mejorando las habilidades de sus operadores de sala de control. Esta tesis se centrará en el desarrollo de un modelo matemático comprendiendo las principales variables del molino y ajustando su respuesta según datos tomados de distintas plantas a nivel mundial. Posteriormente se configurará y enlazará un sistema de control básico con el modelamiento previamente creado y sintonizado, dicho sistema presentará el sistema de control primario encargado de evaluar las condiciones básicas de arranque y parada del molino y sus grupos de control involucrados, así como también los lazos de control básicos para su operación. Además, se diseñará e integrará el sistema de supervisión respectivo para el control de operador y supervisor de dicho proceso modelado. El sistema de control avanzado diseñado implementa estrategias de control de optimización en tiempo real para el proceso de molienda primaria. La lógica de control considerada se basa en decisiones secuenciales que ejecutarán controladores predictivos basados en modelos o lógica difusa orientando el proceso a buscar estabilidad y luego optimización de cada variable crítica, esto se conseguirá extrayendo las variables de proceso del sistema de control primario y calculando su respectiva acción según cada objetivo; este sistema considera la evaluación de las variables críticas del molino SAG cuando el sistema experto esté encendido y haciendo el seguimiento respectivo cuando esté apagado. Finalmente se realizará la evaluación y comparación de variables críticas del molino considerando dos escenarios, cuando el sistema experto se encuentre encendido teniendo este control sobre los actuadores del molino SAG y cuando el sistema experto se encuentre apagado y se pueda operar cada actuador de forma manual.

En la actualidad, la desalinización de agua constituye una respuesta prometedora a la escasez de agua mundial. Por este motivo, es necesario presentar alternativas de solución y uso eficiente de nuevas tecnologías que permitan desalinizar agua de mar para hacer frente a la escasez que vendrá en los próximos años. En el proceso de desalinización de agua de mar se utilizan varias técnicas como son la destilación flash multietapa, destilación por múltiple efecto, destilación por compresión de vapor y la osmosis inversa, siendo esta última la que ha ganado mayor terreno en la industria de la desalinización ya que opera rechazando normalmente el 99% de las sales del agua de alimentación. Por otro lado, a pesar de que la osmosis inversa es la técnica que menos energía consume, en muchos casos no se ha trabajado con una estrategia de control adecuada, generando un funcionamiento deficiente de la planta. Esto tiene como consecuencia que el grado de pureza del agua desalinizada no cumpla con los estándares establecidos para consumo humano. El Perú, a pesar de sus cuantiosos recursos hídricos, presenta problemas de escasez de agua debido a la mala distribución de dichos recursos y a la geografía adversa. Según la Organización Internacional del Agua, en el 2025 el Perú será uno de los países más afectados en Latinoamérica ya que sufrirá de estrés hídrico permanente. Por tal motivo, se hace imprescindible una política que permita implementar plantas desalinizadoras a nivel de toda la costa y de otros lugares que lo requieran en el país. Para ello, es necesario desarrollar una técnica de control que permita manipular el proceso de desalinización de manera eficiente y que considere el comportamiento dinámico complejo de este sistema multivariable que no puede ser manipulado de forma correcta mediante técnicas tradicionales de control. Por otro lado, se necesita hallar un modelo adecuado que represente la dinámica del sistema, siendo muchas veces difícil de obtenerlo de manera precisa. En este sentido, las técnicas de control inteligente resultarían adecuadas ya que tienen la capacidad para actuar de forma apropiada sobre un entorno incierto de manera eficiente y flexible, ofrecen eficiencia computacional y dotan al control de “cierta inteligencia” para evitar comportamientos del sistema provocados por sus características no lineales. Dentro de las técnicas inteligentes se tienen las redes neuronales, lógica difusa y algoritmos genéticos. Es por ello que, mediante el uso de técnicas de control avanzado se buscará desarrollar, en este trabajo, un sistema de control inteligente para una unidad de osmosis inversa eligiendo un modelo matemático que describa adecuadamente la dinámica del proceso. Asimismo, se presenta una comparativa entre el desempeño del controlador propuesto y controladores clásicos para justificar el uso del control avanzado. Posteriormente, se realiza una propuesta de implementación basada en una aplicación en PLC ControlLogix5000 de Allen Bradley. / Tesis

La problemática de la escasez de agua en el Perú y en el mundo ha fundamentado el desarrollo de técnicas de desalinización que permiten el aprovechamiento del recurso acuífero más abundante en el planeta: el agua de mar. Los esfuerzos en el control de las plantas desalinizadoras de agua de mar por ósmosis inversa están enfocadas en maximizar el rendimiento de los bastidores de ósmosis inversa de tal manera que estos produzcan una determinada cantidad de agua por hora con una calidad aceptable para uso humano. Un funcionamiento inadecuado de los sistemas de control se traduce en pérdidas económicas y operaciones ineficientes de la planta. En este trabajo se propone el diseño de un controlador predictivo generalizado (GPC) que hace uso de un modelo matemático de una unidad de ósmosis inversa y que permite controlar con mayor efectividad el proceso de desalinización. Además se incluye el algoritmo para desarrollar este controlador en procesos monovariables y multivariables. El desempeño del controlador diseñado ha sido comparado con otros controladores de tipo convencional y también de tipo avanzado bajo diferentes escenarios de operación y de acuerdo a índices que permiten cuantificar el desempeño de los mismos. Por último, se presenta una propuesta de implementación de una unidad de ósmosis inversa así como una propuesta de programación del controlador GPC en un controlador lógico programable. / Tesis

El capítulo 1, presenta una introducción y estado del arte del planeamiento y seguimiento de trayectorias en espacios con nados. En el capítulo 2, se presenta el desarrollo completo del modelo matemático general de una embarcación marina, considerando los 6 grados de libertad para posteriormente particularizar este modelo a un modelo de 3 grados de libertad que es el que se va analizar en esta tesis. El propósito del capítulo 3, consiste en realizar el diseño mediante simulación de un sistema de planeamiento, guía y seguimiento de trayectoria para una embarcaci ón marina subactuada con dos hélices, a partir del modelo matemático de barco de 3 grados de libertad, obtenido en el capítulo 2. En este capítulo se divide en 3 partes, el planeamiento de trayectoria, estrategia de control y síntesis de planeamiento y seguimiento de trayectoria para embarcaciones marinas en espacios con nados. En la primera parte, se da a conocer la estrategia utilizada para realizar el planeamiento de trayectoria partiendo de un espacio determinado caracterizado por su geometría y obstáculos. Para esta tarea se hace uso del diagrama de Voronoi, el algoritmo de Dijkstra, y un algoritmo de tal manera que ltramos algunos puntos para evitar los cambios de dirección innecesarios, también consideramos una tolerancia de tal manera que la embarcación pueda circular por lugares estrechos con cierta holgura. En la segunda parte, se presenta la teoría de control backstepping , que es aplicada para sistemas dinámicos no lineales, se comenta sus ventajas respecto a la técnica de feedback linearization . Se muestra el desarrollo de la técnica aplicada al control de embarcaciones marinas, considerando la dinámica del barco. Se desarrolla el sistema de guía del barco para lograr el seguimiento de trayectoria, con las consideraciones especiales que implican controlar un sistema subactuado. En el capítulo 4, se desarrolla la simulación para dos entornos diferentes, el primero corresponde a un canal en forma senoidal por el cual el barco se desplazará, se realizará el planeamiento y control de la ruta, el segundo entorno corresponde a una aplicación más real, pues se toma como mapa referencia el mar Báltico, al cual se le aplican las técnicas desarrolladas en esta tesis. / Tesis

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

La industria extractiva de minerales, en el Perú, es un actor muy importante de desarrollo económico y tecnológico. Destacando el cobre como principal mineral. Es importante, como país minero, desarrollar investigaciones y tecnologías que ayuden a mejorar el proceso de extracción y concentración de minerales. En la industria minera actual, donde se ha conseguido un gran avance en la automatización, aún existen grandes retos y oportunidades de mejorar los procesos en búsqueda de una mejor eficiencia. Una de las etapas más importantes y críticas es la concentración de minerales mediante el uso de celdas de flotación. El control efectivo de este proceso permite obtener niveles adecuados e importantes de grado y recuperación en el concentrado de mineral. En el caso de las celdas de flotación tipo columna, el comportamiento es multivariable y muy dinámico por ser dependiente de los cambios de las características del mineral que se procesa y de las perturbaciones de la planta. Es ampliamente conocido que el control predictivo basado en modelos constituye una poderosa herramienta de control de plantas multivariable que presentan un comportamiento dinámico complejo como en el caso de la celda de flotación tipo columna. Es por esto, que el objetivo en la tesis es diseñar un controlador predictivo generalizado (GPC) multivariable para el control efectivo de una celda de flotación tipo columna utilizada en el proceso de recuperación de cobre. El modelo matemático obtenido tiene un grado de aceptación FIT superior a 80%. Se realizaron evaluaciones comparativas del sistema de control de la celda de flotación tipo columna, con los controladores GPC multivariable y PI diseñados considerando diferentes escenarios de operación e índices de desempeño. Se determinó que, el mejor desempeño del sistema de control se obtiene cuando se aplica el controlador GPC multivariable diseñado. / Tesis