[ES] En los últimos años, el crecimiento y la complejidad de los sistemas multi unidad han planteado desafíos significativos en términos de mantenimiento y operación eficiente. Estos sistemas, compuestos por un conjunto de unidades independientes, como líneas de producción, redes de distribución, flotas de vehículos o infraestructuras complejas, requieren un enfoque estratégico para garantizar su funcionamiento óptimo y minimizar los costos asociados con el mantenimiento. El mantenimiento de los sistemas multi unidad implica la planificación y ejecución de actividades de mantenimiento preventivo y correctivo en cada una de las unidades que los componen. Esta tarea se vuelve aún más desafiante debido a las interacciones entre unidades, el conjunto de componentes que les permiten realizar su función y la necesidad de coordinar las actividades de mantenimiento de manera efectiva, considerando las limitaciones de recursos, los tiempos de inactividad y la optimización de los costos. En este contexto, los modelos de simulación se han convertido en una herramienta valiosa para el análisis y la optimización de sistemas multi unidad. Estos modelos permiten simular el comportamiento del sistema en diferentes escenarios, teniendo en cuenta variables como el rendimiento, la confiabilidad, la disponibilidad y los tiempos de mantenimiento. Asimismo, brindan la capacidad de evaluar diferentes estrategias de mantenimiento y apoyar la toma de decisiones para mejorar la eficiencia y la rentabilidad del sistema. El objetivo de esta tesis es desarrollar un modelo de simulación para la toma de decisiones sobre las políticas de mantenimiento en sistemas multi unidad, para lograr este objetivo se creó un simulador basado en sistemas de eventos discretos descrito formalmente en redes de Petri interpretadas y coloreadas de un sistema de flotas de unidades de componentes intercambiables y su gestor de mantenimiento. El simulador pretende analizar la interacción entre las unidades y evaluar el impacto de diferentes políticas de mantenimiento incluida la canibalización en el rendimiento global del sistema. Además, se buscará identificar las ventajas de esta política, su impacto en los tiempos de inactividad, disponibilidad y costos asociados. Mediante el estudio y la aplicación de modelos de simulación en sistemas multi unidad, esta investigación contribuirá al desarrollo de un enfoque sistemático y eficiente para la gestión del mantenimiento en entornos complejos cuando se hace uso de la canibalización como política híbrida complementaria a las políticas que comúnmente son utilizadas en los sistemas de mantenimiento de flotas. Los resultados obtenidos podrán ser aplicados en diferentes sectores industriales, como la manufactura, el transporte, la energía y la logística, entre otros, con el fin de ser más resiliente al retardo, carencia o sobre costo de componentes críticos de repuesto de su flota y que permitan comprender operacionalmente los efectos de utilizar políticas de canibalización en busca de mejorar la eficacia operativa y optimizar los recursos disponibles. / [CA] En els últims anys, el creixement i la complexitat dels sistemes multiunitat han plantejat desafiaments significatius en termes de manteniment i operació eficient. Estos sistemes, compostos per un conjunt d'unitats independents, com a línies de producció, xarxes de distribució, flotes de vehicles o infraestructures complexes, requerixen un enfocament estratègic per a garantir el seu funcionament òptim i minimitzar els costos associats amb el manteniment. El manteniment dels sistemes multiunitat implica la planificació i execució d'activitats de manteniment preventiu i correctiu en cadascuna de les unitats que els componen. Esta tasca es torna encara més desafiadora a causa de les interaccions entre unitats, el conjunt de components que els permeten realitzar la seua funció i la necessitat de coordinar les activitats de manteniment de manera efectiva, considerant les limitacions de recursos, els temps d'inactivitat i l'optimització dels costos. En este context, els models de simulació s'han convertit en una ferramenta valuosa per a l'anàlisi i l'optimització de sistemes multiunitat. Estos models permeten simular el comportament del sistema en diferents escenaris, tenint en compte variables com el rendiment, la confiabilitat, la disponibilitat i els temps de manteniment. Així mateix, brinden la capacitat d'avaluar diferents estratègies de manteniment i donar suport a la presa de decisions per a millorar l'eficiència i la rendibilitat del sistema. L'objectiu d'esta tesi és desenvolupar un model de simulació per a la presa de decisions sobre les polítiques de manteniment en sistemes multiunitat, per a aconseguir este objectiu es va crear un simulador a esdeveniments discrets descrit formalment en xarxes de Petri interpretades i acolorix-dones d'un sistema de flotes d'unitats de components intercanviables i el seu gestor de manteniment. El qual pretén analitzar la interacció entre les unitats i avaluar l'impacte de diferents polítiques de manteniment inclosa el canibalisme en el rendiment global del sistema. A més, es buscarà identificar els avantatges d'esta política, el seu impacte en els temps d'inactivitat, disponibilitat i costos associats. Mitjançant l'estudi i l'aplicació de models de simulació en sistemes multiunitat, esta investigació contribuirà al desenvolupament d'un enfocament sistemàtic i eficient per a la gestió del manteniment en entorns complexos quan es fa ús del canibalisme com a política híbrida complementària a les polítiques que comunament són utilitzades en els sistemes de manteniment de flotes. Els resultats obtinguts podran ser aplicats en diferents sectors industrials, com la manufactura, el transport, l'energia i la logística, entre altres, amb la finalitat de ser més resilient al retard, manca o sobre cost de components crítics de recanvi de la seua flota i que permeten comprendre operacionalment els efectes d'utilitzar polítiques de canibalisme a la recerca de millorar l'eficàcia operativa i optimitzar els recursos disponibles. / [EN] In recent years, the growth and complexity of multi-unit systems have posed significant challenges in terms of maintenance and efficient operation. These systems, composed of independent units, such as production lines, distribution networks, vehicle fleets, or complex infrastructures, require a strategic approach to ensure optimal operation and minimize the costs associated with maintenance. The maintenance of multi-unit systems involves the planning and execution of preventive and corrective maintenance activities in each of the component units. This task becomes even more challenging due to the interactions between units, the components that allow them to perform their function, and the need to coordinate maintenance activities effectively, considering resource constraints, downtime, and cost optimization. In this context, simulation models have become a valuable tool for the analysis and optimization of multi-unit systems. These models allow for simulating the system's behavior in different scenarios, taking into account variables such as performance, reliability, availability, and maintenance times. Additionally, they provide the capability to evaluate different maintenance strategies and support decision-making to improve the system's efficiency and profitability. The objective of this thesis is to develop a simulation model for decision-making regarding maintenance policies in multi-unit systems. To achieve this objective, a discrete event simulator was created, formally described using interpreted and colored Petri nets for a fleet system of interchangeable component units and its maintenance manager. This model aims to analyze the interaction between the units and evaluate the impact of different maintenance policies, including cannibalization, on the overall system performance. Furthermore, it seeks to identify the advantages of this policy, its impact on downtime, availability, and associated costs. Through the study and application of simulation models in multi-unit systems, this research will contribute to the development of a systematic and efficient approach for maintenance management in complex environments when using cannibalization as a hybrid policy complementary to the policies commonly used in fleet maintenance systems. The results obtained can be applied in various industrial sectors, such as manufacturing, transportation, energy, and logistics, among others, in order to be more resilient to delays, shortages, or over costs of critical spare components in their fleet and to operationally understand the effects of using cannibalization policies in the pursuit of improving operational efficiency and optimizing available resources. / Diaz Benachi, E. (2024). Marco de trabajo para modelar sistemas de gestión de mantenimiento de sistemas multi unidad, para la selección de políticas de mantenimiento incluida la canibalización evaluando fiabilidad en componentes [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/209809

[ES] En los últimos años la popularidad de los quadrotors se ha visto notablemente incrementada debido a la gran variedad de aplicaciones civiles que se encuentran en auge actualmente. Entre los principales nichos de mercado, cabe destacar el elevado potencial en cartografía, agricultura, prevención de incendios, y en general, todas aquellas actividades donde el uso de estos dispositivos pueda suponer una mejora del rendimiento, seguridad del proceso y reducción de costes. En este aspecto, se espera que el uso de los quadrotors se vea incrementado considerablemente en los próximos años. Dicho incremento de popularidad ha hecho que parte de la comunidad científica ponga el foco de atención en ellos para resolver los problemas que presentan actualmente. No obstante, aunque se ha avanzado mucho en los últimos años, existen en la actualidad líneas de investigación y desarrollo encaminadas a la mejora de aspectos importantes tales como la autonomía, la robustez y fiabilidad que permita tanto aumentar la eficiencia energética como incrementar la seguridad ante cualquier posible escenario. El objetivo de la presente tesis es contribuir al desarrollo de estrategias de control robustas para hacer frente a incertidumbres en el modelo, no linealidades, perturbaciones externas y retardos que puedan afectar al sistema a controlar. Este trabajo se fundamenta en la obtención de una estrategia de control basada en estimaciones de perturbaciones, con un ajuste sencillo y desacoplado del seguimiento de la referencia y rechazo de perturbaciones. A partir las estrategias de control desarrolladas, se presentan además diferentes extensiones que permiten mejorar la robustez del vehículo. La construcción de un observador de la pérdida de eficiencia de los motores, que permita detectar cuando se produce un fallo crítico y aterrizar el vehículo de forma segura. Conjuntamente, se desarrolla un algoritmo óptimo que permite estabilizar los diferentes lazos de control en el caso que saturen las acciones de control de los motores que no corresponden explícitamente a las salidas de los lazos de control internos. Debido al extendido uso del controlador PID, se obtiene un equivalente entre la estrategia propuesta y los parámetros de un PID de dos grados de libertad, generalizándose para plantas de primer y segundo orden con retardos. Además, para el caso de retardos variables aleatorios en los canales de sensor-controlador y controlador-actuador además de la presencia de perturbaciones, se desarrolla un predictor junto con un observador de perturbaciones para poder controlar dichos sistemas. Todas las estrategias propuestas se han validado de forma satisfactoria en las plataformas experimentales disponibles. Entre otros aspectos, cabe destacar la eficiencia computacional de las leyes de control propuestas, tanto en fase de diseño y ajuste como en la fase de ejecución. / [CA] En els darrers anys la popularitat dels quadrotors s'ha vist notablement incrementada a causa de la gran varietat d'aplicacions civils que es troben actualment en auge. Entre els principals nínxols de mercat, cal destacar l'elevat potencial en cartografia, agricultura, prevenció d'incendis i, en general, totes aquelles activitats on l'ús d'aquests dispositius supose una millora del rendiment, la seguretat del procés i la reducció de costos. En aquest aspecte, s'espera que l'ús d'aquestes aeronaus s'incremente considerablement en els pròxims anys. Aquest increment de popularitat ha fet que part de la comunitat científica pose el focus d'atenció per resoldre els problemes que presenten actualment. No obstant això, encara que ha evolucionat molt en els darrers anys, actualment existeixen línies de recerca i desenvolupament encaminades a la millora d'aspectes importants com l'autonomia, la robustesa i fiabilitat que permitisca tant augmentar l'eficiència energètica com incrementar la seguretat davant qualsevol possible escenari. L'objectiu d'aquesta tesi és contribuir al desenvolupament d'estratègies de control robustes per fer front a incerteses en el model, no linealitats, pertorbacions externes i retards que puguen afectar el sistema a controlar. Aquest treball es fonamenta en obtindre una estratègia de control basada en estimacions de pertorbacions, amb un ajust senzill i desacoblat del seguiment de la referència i rebuig de pertorbacions. A partir d'aquesta estratègia desenvolupada, es presenten diferents extensions que permeten millorar la robustesa del vehicle. La construcció d'un observador de la pèrdua d'eficiència dels motors, que permeta detectar quan es produeix una fallada crítica i aterrar el vehicle de manera segura. Conjuntament, es desenvolupa un algorisme òptim que permeta estabilitzar els diferents bucles de control en cas que saturen les accions de control dels motors que no corresponen explícitament a les eixides dels bucles de control interns. A causa del ampli ús del controlador PID, s'obté un equivalent entre l'estratègia proposada i els paràmetres d'un PID de dos graus de llibertat, generalitzant-se per a plantes de primer i segon ordre amb retards. A més, per al cas de retards variables aleatoris als canals de sensor-controlador i controlador-actuador a més de la presència de pertorbacions, es desenvolupa un predictor juntament amb un observador de pertorbacions per poder controlar aquests sistemes. Totes les estratègies proposades s'han validat de forma satisfactòria amb les plataformes experimentals disponibles. Entre altres aspectes, cal destacar l'eficiència computacional de les lleis de control proposades, tant en fase de disseny i ajustament com en fase d'execució. / [EN] In recent years the popularity of quadrotors has increased significantly due to the wide variety of civil applications that are currently booming. Among the main market niches, it is worth the high potential in cartography, agriculture, fire prevention and in general, all those activities where the use of these devices can improve performance, process safety and cost reduction. In this regard, the use of these aircraft is expected to increase considerably in the coming years. This increase in popularity has led part of the scientific community to focus on them to solve the problems they have. However, although much progress has been made in recent years, there are currently lines of research and development aimed at improving important aspects such as autonomy, robustness and reliability to increase energy efficiency and safety against any possible scenario. The objective of this thesis is to contribute to the development of robust control strategies to deal with model uncertainties, nonlinearities, external disturbances and delays which may affect the controlled system. This work is based on obtaining a control strategy based on disturbance observers, with a simple and decoupled tuning of reference tracking and disturbance rejection. From this developed strategy, different extensions are developed to improve the robustness of the vehicle: the construction of an observer of the loss of efficiency of the motors, which allows to detect when a critical failure occurs and land the vehicle safely; and the development of an optimal algorithm to stabilize the inner control loops in the case that saturate the control actions of the motors, which do not correspond explicitly to the outputs of the inner control loops. Due to the widespread use of the PID controller, an equivalent tuning is obtained between the proposed strategy and the parameters of a PID of two degrees of freedom, generalizing for first and second order plants with delays. Moreover, for the case of random variable delays in the sensor-controller and controller-actuator channels and the presence of disturbances, a predictor together with a disturbance observer is developed in order to control such systems. All the proposed strategies have been successfully validated on the experimental platforms. Among other aspects, it is worth mentioning the computational efficiency of the proposed control laws, both in the design and adjustment phase and in the execution phase. / Quiero dar gracias a la Universitat Politècnica de València por las ayudas FPI-UPV PAID-01-17 y las ayudas para la movilidad 2019 FPI-UPV sin las cuales no hubiese podido terminar esta tesis. / Balaguer Garín, V. (2024). Diseño de estrategias de control robusto aplicadas a vehículos aéreos no tripulados tipo quadrotor [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/204746

El control de robots manipuladores tiene por objeto mejorar la calidad, productividad y funcionalidad de dichos sistemas industriales. Para ello, se hace necesario que el diseño de los métodos de control tengan en cuenta el carácter no lineal de la dinámica de estos sistemas. Por este motivo la presente tesis se centra en el control no lineal de sistemas robotizados, por lo tanto se aborda el modelado dinámico de robots y el desarrollo de controladores dinámicos así como su implementación en entornos de tiempo real. Por una parte, se desarrolla el modelo dinámico de un robot manipulador a partir de las ecuaciones de la dinámica de acuerdo al formalismo de Gibbs-Appell. Para ello, se asume el robot constituido por barras rígidas y pares ideales. Este algoritmo está formulado de una forma recursiva logrando por ello un coste computacional lineal, que permite desarrollar aplicaciones de tiempo real. Además se tiene en cuenta que los algoritmos de resolución del modelo dinámico necesitan conocer de forma fiable los parámetros físicos del robot, por lo que se tienen que desarrollar procedimientos para poder utilizar un conjunto de parámetros base identificados tanto en el Problema Dinámico como a la hora de construir la ecuación del movimiento del robot. Por otra parte, a partir del modelo del robot se aborda el control dinámico de éste. Los controladores de movimiento desarrollados son controladores basados en el modelo del robot, es decir, aquellos que tienen en cuenta la descripción no lineal del sistema robotizado. De todos los posibles controladores de esta clase que existen, nos centramos en dos tipos, los controladores por dinámica inversa y los controladores basados en pasividad. Los primeros alcanzan el objetivo de seguimiento de trayectoria mediante la linealización por realimentación de la dinámica no lineal del robot. El segundo grupo modifica la energía mecánica del sistema con el fin de alcanzar el objetivo de control. / Rosillo Guerrero, N. (2009). Estudio e implementación de controladores dinámicos de robots industriales en tiempo real [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/6121

Tesis por compendio / [ES] La Unión Europea plantea una serie de retos en el GREEN DEAL para conseguir un escenario donde sus miembros sean climáticamente neutros en 2050. Para ello se plantean unas acciones entre las que destaca la descarbonización del sector de la energía. Por otra parte, se ha puesto como objetivo conseguir una capacidad de energía eólica de 1200 GW en 2050, desde los 190 GW que se tenía en 2019. El cierre de centrales eléctricas basadas en grandes generadores síncronos junto con el aumento en la construcción de centrales eléctricas con fuentes basadas en electrónica de potencia como parques eólicos o plantas fotovoltaicas, hace necesario la incorporación de controladores grid forming en energías renovables basadas en electrónica de potencia. La integración de estrategias de control grid forming en turbinas eólicas debe considerar las funciones de reparto de potencia activa y reactiva (control droop en generadores síncronos), así como un sistema de protección ante faltas que permita una recuperación rápida cuando se despeja la falta. Por otra parte, en la transición de los actuales parques eólicos grid following que funcionan como fuentes de corriente a parques eólicos grid forming que funcionan como fuentes de tensión se debe considerar que ambas tecnologías van a coexistir conjuntamente por mucho tiempo. Por tanto, se hace necesario el estudio de estabilidad de parques eólicos con ambas tecnologías, así como el estudio de cuanta generación grid forming es necesaria para mantener el parque eólico estable en cualquier situación. Además, el uso de parques eólicos grid foming permite diferentes aplicaciones como la energización de redes eléctricas después de un apagón desde estos parques eólicos, o el uso de diodos rectificadores en enlaces HVDC para la conexión de parques eólicos marinos. Para facilitar el estudio y diseño de aerogeneradores grid forming, en la presente tesis se propone una técnica de agregación de aerogeneradores tipo-4. Esta técnica permite reducir la complejidad del parque eólico para su estudio y análisis. Esta tesis incluye las siguientes contribuciones: Para el funcionamiento de aerogeneradores grid forming en paralelo con aerogeneradores grid following se propone un método de diseño analizando la estabilidad del sistema completo. Además, se propone una estrategia de control ante faltas para asegurar una recuperación rápida y segura. Se propone el uso de técnicas de control H∞ para la sintonización de controladores grid forming. El uso de estas técnicas para el diseño de controladores puede mejorar la robustez de los controladores, así como el rendimiento de estos. Considerando la aplicación de la energización de redes HVAC desde parques eólicos, se ha propuesto como llevar a cabo dicha maniobra a partir de parque con aerogeneradores grid forming y grid following. Los resultados obtenidos validan el funcionamiento de la operación. Además, muestran que la cantidad de generación grid forming está relacionada con la dimensión de cargas que tienen que aguantar dichas turbinas más que con la estabilidad del sistema con un porcentaje bajo de generación grid forming. Finalmente, se han propuesto estrategias de protección para la integración de parque eólicos en redes malladas HVDC utilizando rectificadores de diodos. Los parques eólicos grid forming pueden ayudar a gestionar faltas disminuyendo los requisitos en las protecciones necesarias en el enlace HVDC. Esto permite una reducción del coste de la instalación, además de aumentar la robustez del sistema. / [CA] La Unió Europea planteja uns reptes al GREEN DEAL per a aconseguir un escenario on els seus membres siguen climàticament neutrals al 2050. Per a aconseguir aquest objectiu es plantegen unes accions entre les quals destaca la de descarbonitzar el sector energètic. D'altra banda, s'ha posat com a objectiu aconseguir una capacitat d'energia eòlica de 1200 GW al 2050, des dels 190 GW que es tenia al 2019. El tancament de centrals elèctriques basades en grans generadors síncrons juntament amb l'augment en la construcció de centrals elèctriques basades en electrónica de potència com a parcs eòlics o plantes fotovoltaiques, fa necessari la incorporació de controladors grid forming en energies renovables que es basan en electrònica de potència. La integració d'estratègies de control grid forming per a turbines eòliques ha de considerar les funcions de repartiment de potència activa i reactiva, així com un sistema de protecció davant faltes que permeta una recuperació ràpida quan s'aïlla la falta. D'altra banda, en la transició dels actuals parcs eòlics grid following que funcionen com a fonts de corrent a parcs eòlics grid forming que funcionen com a fonts de tensió, s'ha de considerar que totes dues tecnologies coexistiran conjuntament per molt de temps. Per tant, es fa necessari l'estudi d'estabilitat d'un parc eòlic amb totes dues tecnologies, així com l'estudi del percentatge de generació grid forming necessari per a mantindre el parc eòlic estable en qualsevol situació. A més, l'ús de parcs eòlics grid foming permet diferents aplicacions com l'energització de xarxes elèctriques després d'una apagada des d'aquests parcs eòlics, o l'ús de díodes rectificadors en enllaços HVDC per a la connexió de parcs eòlics marins. Per a facilitar l'estudi i disseny d'aerogeneradors grid forming, en la present tesi es proposa una tècnica d'agregació d'aerogeneradors tipus-4. Aquesta técnica permet reduir la complexitat del parc eòlic per al seu estudi i anàlisi. La present tesi inclou les següents contribucions: Per al funcionament d'aerogeneradors grid forming en paral¿lel amb aerogeneradors grid following es proposa un mètode de disseny analitzant l'estabilitat del sistema complet. A més, es proposa una estratègia de control davant faltes per a assegurar una recuperació ràpida i segura. Es proposa l'ús de tècniques de control H∞ per a la sintonització de controladors grid forming. L'ús d'aquestes tècniques per al disseny de controladors pot millorar la robustesa dels controladors, a mé del rendiment d'aquestos. Considerant l'aplicació de l'energització de xarxes HVAC des de parcs eòlics, s'ha proposat com dur a terme aquesta maniobra a partir d'un parc eòlic amb aerogeneradors grid forming i grid following. Els resultats obtinguts validen el funcionament de l'operació. A més, mostren que la quantitat de generació grid forming està més relacionada amb la dimensió de les càrregues que ha d'aguantar el parc eòlic, que amb l'estabilitat del sistema que permet un menr percentatge de generació grid forming. Finalment, s'han proposat estratègies de protecció per a la integració de parcs eòlics marins en xarxes multi-punt HVDC utilitzant rectificadors de díodes. Els parcs eòlics grid forming poden ajudar a gestionar faltes disminuint els requisits de les proteccions necessàries en l'enllaç HVDC. Això permet una reducció del cost de la instal¿lació, a més d'augmentar la robustesa del sistema. / [EN] The European Union GREEN DEAL aims to make its 27 members climate-neutral by 2050. The decarbonization of the energy sector stands out as one of the proposed actions. To achieve that goal, the target for wind power generation is set at 1,200 GW in 2050, from the 190 GW that was had in 2019. The closure of power plants based on large synchronous generators and the increase of power electronics based generation such as Wind Power Plants (WPPs) or photovoltaic plants, leads to the use of grid forming controllers for power electronics based renewable energy. Grid forming control strategies for wind turbines generators (WTGs) must consider active and reactive power sharing control (droop control in synchronous generators) as well as a protection system that allows a quick recovery after fault clearance. Moreover, a transition from the conventional grid following WPPs to new grid forming WPPs is required. The transition must consider the parallel operation of both technologies for a long time. Thus, it is necessary to study the stability of Wind Power Plants with both technologies, as well as the study of how much grid forming generation is required to keep a mixed grid forming and grid following WPP stable in any situation. In addition, the use of grid forming WPPs allows different applications such as the energization of HVAC and HVDC grids after a blackout from these WPPs, or the use of diode rectifiers in HVDC links for the off-shore WPPs connection. An aggregation technique for type-4 WTGs has been proposed in this thesis in order to facilitate the study and design of grid forming WPPs. The aggregation technique allows to reduce the WPP complexity for its study and analysis. The main contributions of this theses are: A design methodology has been proposed for the parallel operation of grid forming and grid following WTGs. Including the stability analysis of the complete system. Additionally, a fault control strategy is proposed to ensure a fast and safe recovery. The use of H∞ control techniques is also proposed for grid forming controller tuning. Using H∞ control techniques for controller design may improve the robustness of the controllers as well as the performance of the controllers. A procedure to carry out black start operation of HVAC grid from mixed grid forming and grid following WPPs has been proposed. The obtained results validate that the procedure works as expected. Moreover, the results show that the amount of grid-forming generation usually is determined by the load size steps as stability limits are usually less stringent. Finally, protection strategies have been proposed for the integration of off-shore WWPs in multi-terminal HVDC grids using diode rectifiers. Grid forming WPPs are able to help managing faults. Their use allow lower requirements of the HVDC protection equipment, leading to overall cost reduction and an increment of the system robustness. / Martínez Turégano, J. (2022). Grid Forming Wind Power Plants: Black start operation for HVAC grids and Diode Rectifier-based Wind Power Plant integration [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/181529 / Compendio

Tesis por compendio / [ES] El mecanizado con brazos robots ha sido estudiado aproximadamente desde los años 90, durante este tiempo se han llevado a cabo importantes avances y descubrimientos en cuanto a su campo de aplicación. En general, los robots manipuladores tienen muchos beneficios y ventajas al ser usados en operaciones de mecanizado, tales como, flexibilidad, gran área de trabajo y facilidad de programación, entre otras, frente a las Máquinas Herramientas de Control numérico (MHCN) que necesitan de una gran inversión para trabajar piezas muy grandes o incrementar sus grados de libertad. Como desventajas, frente a las MHCN, los brazos robóticos poseen menor rigidez, lo que combinado con las altas fuerzas producidas en los procesos de mecanizado hace que aparezcan errores de precisión, desviaciones en las trayectorias, vibraciones y, por consiguiente, una mala calidad en las piezas fabricadas. Entre los brazos robots, los brazos colaborativos están en auge debido a su programación intuitiva y a sus medidas de seguridad, que les permiten trabajar en el mismo espacio que los operadores sin que estos corran riesgos. Como desventaja añadida de los robots colaborativos se encuentra la mayor flexibilidad que estos tienen en sus articulaciones, debido a que incluyen reductores del tipo Harmonic drive. El uso de un control de fuerza en procesos de mecanizado con brazos robots permite controlar y corregir en tiempo real las desviaciones generadas por la flexibilidad en las articulaciones del robot. Utilizar este método de control es beneficioso en cualquier brazo robot; sin embargo, el control interno que incluyen los robots colaborativos presenta ventajas que permiten que el control de fuerza pueda ser aplicado de una manera más eficiente. En el presente trabajo se desarrolla una propuesta real para la inclusión del control de esfuerzos en el brazo robot, así como también, se evalúa y cuantifica la capacidad de los robots industriales y colaborativos en tareas de mecanizado. La propuesta plantea cómo mejorar la utilización de un control de fuerza por bucle interior/exterior aplicado en un brazo colaborativo cuando se desconocen los pares reales de los motores del robot, así como otros parámetros internos que los fabricantes no dan a conocer. Este bucle de control interior/exterior ha sido utilizado en aplicaciones de pulido y lijado sobre diferentes materiales. Los resultados indican que el robot colaborativo es factible para realizar tales operaciones de mecanizado. Sus mejores resultados se obtienen cuando se utiliza un bucle de control interno por velocidad y un bucle de control externo de fuerza con algoritmos, Proporcional-Integral-Derivativo o Proporcional más Pre-Alimentación de la Fuerza. / [CA] El mecanitzat amb braços robots ha estat estudiat aproximadament des dels anys 90, durant aquest temps s'han dut a terme importants avanços i descobriments en el que fa al seu camp d'aplicació. En general, els robots manipuladors tenen molts beneficis i avantatges al ser usats en operacions de mecanitzat, com ara, flexibilitat, gran àrea de treball i facilitat de programació, entre d'altres, davant de Màquines Eines de Control Numèric (MECN) que necessiten d'una gran inversió per treballar peces molt grans o incrementar els seus graus de llibertat. Com a desavantatges, enfront de les MECN, els braços robòtics posseeixen menor rigidesa, el que combinat amb les altes forces produïdes en els processos de mecanitzat fa que apareguin errors de precisió, desviacions en les trajectòries, vibracions i, per tant, una mala qualitat en les peces fabricades. Entre els braços robots, els braços col·laboratius estan en auge a causa de la seva programació intuïtiva i a les seves mesures de seguretat, que els permeten treballar en el mateix espai que els operadors sense que aquests corrin riscos. Com desavantatge afegida als robots col·laboratius es troba la major flexibilitat que aquests tenen en les seves articulacions, a causa de que inclouen reductors del tipus Harmonic drive. L'ús d'un control de força en processos de mecanitzat amb braços robots permet controlar, i corregir, en temps real les desviacions generades per la flexibilitat en les articulacions del robot. Utilitzar aquest mètode de control és beneficiós en qualsevol braç robot, però, el control intern que inclouen els robots col·laboratius presenta avantatges que permeten que el control de força es puga aplicar d'una manera més eficient. En el present treball es desenvolupa una proposta real per a la inclusió del control d'esforços en el braç robot, així com s'avalua i quantifica la capacitat dels robots industrials i col·laboratius en tasques de mecanitzat. La proposta planteja com millorar la utilització d'un control de força per bucle interior/exterior aplicat en un braç col·laboratiu, quan es desconeixen els parells reals dels motors del robot, així com altres paràmetres interns que els fabricants no donen a conèixer. Aquest bucle de control interior/exterior ha estat utilitzat en aplicacions de polit sobre diferents materials. Els resultats indiquen que el robot col·laboratiu és factible de realitzar aquestes operacions de mecanitzat. Els seus millors resultats s'obtenen quan s'utilitza un bucle de control intern per velocitat i un bucle de control extern de força amb els algoritmes Proporcional-Integral-Derivatiu o Proporcional més Pre-alimentació de la Força. / [EN] Machining with robot arms has been studied approximately since the 90s; during this time, important advances and discoveries have been made in its field of application. In general, manipulative robots have many benefits and advantages when they are used in machining operations, such as flexibility, large work area, and ease of programming, among others, compared to Numerical Control Machine Tools (NCMT) that need a great investment to work very large pieces or increase their degrees of freedom. As for disadvantages, compared to NCMT, robotic arms have lower rigidity, which, combined with the high forces produced in machining processes, causes precision errors, path deviations, vibrations, and, consequently, poor quality in the manufactured parts. Among robot arms, collaborative arms are on the rise due to their intuitive programming and safety measures, which allow them to work in the same space without risk for the operators. An added disadvantage of collaborative robots is their flexibility in their joints because they include Harmonic drive type reducers. The use of force control in machining processes with robot arms makes possible to control and correct, in real-time, the deviations generated by the flexibility in the robot's joints. The use of this control method is beneficial for any robot arm. However, the internal control included in collaborative robots has advantages that allow the force control to be applied more efficiently. In this work, a real proposal is developed to include effort control in the robot arm. The capacity of industrial and collaborative robots in machining tasks is evaluated and quantified. The proposal recommends how to improve the use of an inner/outer force control loop applied in a collaborative arm, when the real torques of the robot's motors are unknown and other internal parameters that manufacturers do not disclose. This inner/outer control loop has been used in polishing and sanding applications on different materials. The results indicate that the collaborative robot is feasible to perform such machining operations. Best results are obtained using an internal velocity control loop and external force control loop with Proportional-Integral-Derivative or Proportional plus Feed Forward. / The authors are grateful for the financial support of the Spanish Ministry of Economy and European Union, grant DPI2016-81002-R (AEI/FEDER, UE). This work was funded by the CONICYT PFCHA/DOCTORADO BECAS CHILE/2017 – 72180157. / Pérez Ubeda, RA. (2022). Propuesta de inclusión de esfuerzos en el control de un brazo robot para asegurar el cumplimiento de la rugosidad superficial durante operaciones de lijado en diferentes materiales [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/182000 / Compendio

[EN] Nowadays, there are many electronic products that incorporate elements and features coming from the research in the field of mobile robotics. For instance, the well-known vacuum cleaning robot Roomba by iRobot, which belongs to the field of service robotics, one of the most active within the sector. There are also numerous autonomous robotic systems in industrial warehouses and plants. It is the case of Autonomous Guided Vehicles (AGVs), which are able to drive completely autonomously in very structured environments. Apart from industry and consumer electronics, within the automotive field there are some devices that give intelligence to the vehicle, derived in most cases from advances in mobile robotics. In fact, more and more often vehicles incorporate Advanced Driver Assistance Systems (ADAS), such as navigation control with automatic speed regulation, lane change and overtaking assistant, automatic parking or collision warning, among other features. However, despite all the advances there are some problems that remain unresolved and can be improved. Collisions and rollovers stand out among the most common accidents of vehicles with manual or autonomous driving. In fact, it is almost impossible to guarantee driving without accidents in unstructured environments where vehicles share the space with other moving agents, such as other vehicles and pedestrians. That is why searching for techniques to improve safety in intelligent vehicles, either autonomous or manual-assisted driving, is still a trending topic within the robotics community. This thesis focuses on the design of tools and techniques for planning and control of intelligent vehicles in order to improve safety and comfort. The dissertation is divided into two parts, the first one on autonomous driving and the second one on manual-assisted driving. The main link between them is the use of clothoids as mathematical formulation for both trajectory generation and collision detection. Among the problems solved the following stand out: obstacle avoidance, rollover avoidance and advanced driver assistance to avoid collisions with pedestrians. / [ES] En la actualidad se comercializan infinidad de productos de electrónica de consumo que incorporan elementos y características procedentes de avances en el sector de la robótica móvil. Por ejemplo, el conocido robot aspirador Roomba de la empresa iRobot, el cual pertenece al campo de la robótica de servicio, uno de los más activos en el sector. También hay numerosos sistemas robóticos autónomos en almacenes y plantas industriales. Es el caso de los vehículos autoguiados (AGVs), capaces de conducir de forma totalmente autónoma en entornos muy estructurados. Además de en la industria y en electrónica de consumo, dentro del campo de la automoción también existen dispositivos que dotan de cierta inteligencia al vehículo, derivados la mayoría de las veces de avances en robótica móvil. De hecho, cada vez con mayor frecuencia los vehículos incorporan sistemas avanzados de asistencia al conductor (ADAS por sus siglas en inglés), tales como control de navegación con regulación automática de velocidad, asistente de cambio de carril y adelantamiento, aparcamiento automático o aviso de colisión, entre otras prestaciones. No obstante, pese a todos los avances siguen existiendo problemas sin resolver y que pueden mejorarse. La colisión y el vuelco destacan entre los accidentes más comunes en vehículos con conducción tanto manual como autónoma. De hecho, la dificultad de conducir en entornos desestructurados compartiendo el espacio con otros agentes móviles, tales como coches o personas, hace casi imposible garantizar la conducción sin accidentes. Es por ello que la búsqueda de técnicas para mejorar la seguridad en vehículos inteligentes, ya sean de conducción autónoma o manual asistida, es un tema que siempre está en auge en la comunidad robótica. La presente tesis se centra en el diseño de herramientas y técnicas de planificación y control de vehículos inteligentes, para la mejora de la seguridad y el confort. La disertación se ha dividido en dos partes, la primera sobre conducción autónoma y la segunda sobre conducción manual asistida. El principal nexo de unión es el uso de clotoides como elemento de generación de trayectorias y detección de colisiones. Entre los problemas que se resuelven destacan la evitación de obstáculos, la evitación de vuelcos y la asistencia avanzada al conductor para evitar colisiones con peatones. / [CA] En l'actualitat es comercialitzen infinitat de productes d'electrònica de consum que incorporen elements i característiques procedents d'avanços en el sector de la robòtica mòbil. Per exemple, el conegut robot aspirador Roomba de l'empresa iRobot, el qual pertany al camp de la robòtica de servici, un dels més actius en el sector. També hi ha nombrosos sistemes robòtics autònoms en magatzems i plantes industrials. És el cas dels vehicles autoguiats (AGVs), els quals són capaços de conduir de forma totalment autònoma en entorns molt estructurats. A més de en la indústria i en l'electrònica de consum, dins el camp de l'automoció també existeixen dispositius que doten al vehicle de certa intel·ligència, la majoria de les vegades derivats d'avanços en robòtica mòbil. De fet, cada vegada amb més freqüència els vehicles incorporen sistemes avançats d'assistència al conductor (ADAS per les sigles en anglés), com ara control de navegació amb regulació automàtica de velocitat, assistent de canvi de carril i avançament, aparcament automàtic o avís de col·lisió, entre altres prestacions. No obstant això, malgrat tots els avanços segueixen existint problemes sense resoldre i que poden millorar-se. La col·lisió i la bolcada destaquen entre els accidents més comuns en vehicles amb conducció tant manual com autònoma. De fet, la dificultat de conduir en entorns desestructurats compartint l'espai amb altres agents mòbils, tals com cotxes o persones, fa quasi impossible garantitzar la conducció sense accidents. És per això que la recerca de tècniques per millorar la seguretat en vehicles intel·ligents, ja siguen de conducció autònoma o manual assistida, és un tema que sempre està en auge a la comunitat robòtica. La present tesi es centra en el disseny d'eines i tècniques de planificació i control de vehicles intel·ligents, per a la millora de la seguretat i el confort. La dissertació s'ha dividit en dues parts, la primera sobre conducció autònoma i la segona sobre conducció manual assistida. El principal nexe d'unió és l'ús de clotoides com a element de generació de trajectòries i detecció de col·lisions. Entre els problemes que es resolen destaquen l'evitació d'obstacles, l'evitació de bolcades i l'assistència avançada al conductor per evitar col·lisions amb vianants. / Girbés Juan, V. (2016). Clothoid-based Planning and Control in Intelligent Vehicles (Autonomous and Manual-Assisted Driving) [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/65072

[EN] In this thesis, invariant-set theory is used to study the stability and feasibility of constrained scenario-based predictive controllers for Markov-jump linear systems. In the underlying optimisation problem of the predictive controllers technique, considers all possible future realisations of certain variables (uncertainty, disturbances, operating mode) or just a subset of those. Two different scenarios denoted as not risky and risky are studied. In the former, the trajectories of the system with initial states belonging to certain invariant sets, converge (in mean square sense) to the origin or an invariant neighbourhood of it with 100% probability. In such cases, the conditions that scenario trees must meet in order to guarantee stability and feasibility of the optimisation problem are analysed. Afterwards, the scenario-based predictive controller for Markov-jump linear systems under hard constraints and no disturbances is formulated. A study is presented for risky scenarios to determine sequence-dependent controllable sets, for which there exists a control law such that the system can be driven to the origin only for a particular realisation of uncertainty, disturbances, etc. A control law (optimal for disturbances-free systems and suboptimal for disturbed systems) able to steer the system to the origin with a probability less than 100% (denoted as reliability bound), is proposed for states belonging to those regions. Note that closed-loop unstable systems have zero reliability bound. Hence, an algorithm to determine the mean-time to failure is developed. In this context, failure means a violation in the constraints of the process' states and/or inputs in a future time. / [ES] La presente tesis emplea la teoría de conjuntos invariantes para el estudio de estabilidad y factibilidad de controladores predictivos basados en escenarios para sistemas lineales con saltos markovianos sujetos a restricciones. En el problema de optimización subyacente a la técnica de controladores predictivos, se consideran bien sea todas las posibles realizaciones futuras de una variable (incertidumbres, perturbaciones, modo de funcionamiento) o solo un subconjunto de estas. Se estudian dos escenarios diferentes, denotados como: a) escenarios no arriesgados y b) escenarios arriesgados, entendiéndose como no arriesgados, aquellos en donde las trayectorias del sistema con estados iniciales pertenecientes a ciertos conjuntos invariantes, convergen --en media-- al origen o a una vecindad invariante de este con un 100% de probabilidad. Para estos casos, se presenta un análisis de las condiciones que deben cumplir los árboles de escenarios para garantizar estabilidad --en media-- y factibilidad del problema de optimización. Luego se formula el control predictivo basado en escenarios para sistema lineales con saltos markovianos sujeto a restricciones y en ausencia de perturbaciones. En presencia de escenarios arriesgados, se propone el cálculo de conjuntos controlables dependientes de secuencias para los cuales existen una ley de control tal que el sistema puede ser conducido al origen, solo para una realización en particular de la incertidumbre, perturbaciones, etc. Para estados pertenecientes a estos conjuntos, se propone una ley de control (óptima para el caso de sistemas libres de perturbaciones y, subóptima para sistemas perturbados) capaz de dirigir el sistema al origen con una probabilidad menor al 100%, dicha probabilidad es denotada como cota de confiabilidad. Sistemas inestables en lazo cerrado tienen cota de confiabilidad igual a cero, por consiguiente se diseña un algoritmo que determina el tiempo medio para fallar. En este contexto, un fallo se entiende como la violación de las restricciones en los estados y/o entradas del proceso en algún instante de tiempo futuro. / [CA] La present tesi empra la teoria de conjunts invariants per a l'estudi d'estabili-tat i factibilidad de controladors predictius basats en escenaris per a sistemes lineals amb salts markovians subjectes a restriccions. En el problema d'optimit-zació subjacent a la tècnica de controladors predictius, es consideren bé siga totes les possibles realitzacions futures d'una variable (incerteses, pertorbacions, modes de funcionament) o només un subconjunt d'aquestes. S'estudien dos escenaris diferents, denotats com a escenaris no arriscats i arriscats, entenent-se com no arriscats, aquells on les trajectòries del sistema amb estats inicials pertanyents a certs conjunts invariants, convergeixen --en mitjana-- a l'origen o a un veïnatge invariant d'est amb un 100% de probabilitat. Per a aquests casos, es presenta una anàlisi de les condicions que han de complir els arbres d'escenaris per a garantir estabilitat --en mitjana-- i factibilidad del problema d'optimització. Després es formula el control predictiu basat en escenaris per a sistema lineals amb salts markovians subjecte a restriccions i en absència de pertorbacions. En presència d'escenaris arriscats, es proposa el càlcul de conjunts controlables dependents de seqüències per als quals existeix una llei de control tal que el sistema pot ser conduït a l'origen, solament per a una realització en particular de l'incertesa, pertorbacions, etc. Per a estats pertanyents a aquests conjunts, es proposa una llei de control (òptima per al cas de sistemes lliures de pertorbacions i, subóptima per a sistemes pertorbats) capaç de dirigir el sistema cap a l'origen amb una probabilitat menor del 100%, aquesta probabilitat és denotada com a cota de confiabilitat. Sistemes inestables en llaç tancat tenen cota de confiabilitat igual a zero, per tant es dissenya un algoritme que determina el temps mitjà per a fallar. En aquest context, una fallada s'entén com la violació de les restriccions en els estats i/o entrades del procés en algun instant de temps futur. / Hernández Mejías, MA. (2016). CONTROL PREDICTIVO BASADO EN ESCENARIOS PARA SISTEMAS LINEALES CON SALTOS MARKOVIANOS [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/68512

Esta tesis considera un enfoque basado en Lyapunov para el análisis y control de sistemas no lineales cuyas ecuaciones dinámicas son reescritas como un modelo Takagi-Sugeno o uno polinomial convexo. Estas estructuras permiten resolver problemas de control mediante técnicas de optimización convexa, más concretamente desigualdades matriciales lineales y suma de cuadrados, que son eficientes herramientas desde un punto de vista computacional. Después de proporcionar una visión general básica del estado actual en el campo de los modelos Takagi-Sugeno, esta tesis aborda cuestiones sobre las funciones de Lyapunov por trozos, dependiente de parámetros e integral de línea, con las siguientes contribuciones: Un algoritmo mejorado para estimaciones del dominio de atracción de sistemas no lineales para sistemas de tiempo continuo. Los resultados se basan en funciones de Lyapunov por trozos, desigualdades matriciales lineales y argumentaciones geométricas; enfoques basados en conjuntos de nivel en la literatura previa se han mejorado significativamente. Una función Lyapunov generalizada dependiente de parámetros para la síntesis de controladores para sistemas Takagi-Sugeno. El enfoque propone una ley de control multi-índice que retroalimenta la derivada del tiempo de las funciones de membresía del modelo Takagi-Sugeno para anular los términos que causan localidad a priori en el análisis de Lyapunov. Una nueva función integral de Lyapunov para el análisis de estabilidad de sistemas no lineales. Estos resultados generalizan aquellos basados en funciones de Lyapunov integral de línea al marco polinomial; resulta que los requisitos de independencia del camino pueden ser anulados por una definición adecuada de una función Lyapunov con términos integrales. / This thesis considers a Lyapunov-based approach for analysis and control of nonlinear systems whose dynamical equations are rewritten as a Takagi-Sugeno model or a convex polynomial one. These structures allow solving control problems via convex optimisation techniques, more specifically linear matrix inequalities and sum-of-squares, which are efficient tools from the computational point of view. After providing a basic overview of the state of the art in the field of Takagi-Sugeno models, this thesis address issues on piecewise, parameter-dependent and line-integral Lyapunov functions, with the following contributions: An improved algorithm to estimate the domain of attraction of nonlinear systems for continuous-time systems. The results are based on piecewise Lyapunov functions, linear matrix inequalities, and geometrical argumentations; level-set approaches in prior literature are significantly improved. A generalised parameter-dependent Lyapunov function for synthesis of controllers for Takagi-Sugeno systems. The approach proposed a multi-index control law that feeds back the time derivative of the membership function of the Takagi-Sugeno model to cancel out the terms that cause a priori locality in the Lyapunov analysis. A new integral Lyapunov function for stability analysis of nonlinear systems. These results generalise those based on line-integral Lyapunov functions to the polynomial framework; it turns out path-independency requirements can be overridden by an adequate definition of a Lyapunov function with integral terms. / Aquesta tesi considera un enfocament basat en Lyapunov per a l'anàlisi i control de sistemes no lineals les equacions dinàmiques dels quals són reescrites com un model Takagi-Sugeno o un de polinomial convex. Aquestes estructures permeten resoldre problemes de control mitjançant tècniques d'optimització convexa, més concretament desigualtats matricials lineals i suma de quadrats, que són eines eficients des d'un punt de vista computacional. Després de proporcionar una visió general bàsica de l'estat actual en el camp dels models Takagi-Sugeno, aquesta tesi aborda qüestions sobre les funcions de Lyapunov per trossos, dependent de paràmetres i integral de línia, amb les següents contribucions: Un algoritme millorat per a estimar el domini d'atracció de sistemes no lineals per a sistemes de temps continu. Els resultats es basen en funcions de Lyapunov per trossos, desigualtats matricials lineals i argumentacions geomètriques; enfocaments basats en conjunts de nivell en la literatura prèvia s'han millorat significativament. Una funció Lyapunov generalitzada dependent de paràmetres per a la síntesi de controladors per a sistemes Takagi-Sugeno. L'enfocament proposa una llei de control multi-índex que retroalimenta la derivada del temps de les funcions de membres del model Takagi-Sugeno per anul·lar els termes que causen localitat a priori en l'anàlisi de Lyapunov. Una nova funció integral de Lyapunov per a l'anàlisi d'estabilitat de sistemes no lineals. Aquests resultats generalitzen aquells basats en funcions de Lyapunov integral de línia al marc polinomial; resulta que els requisits d'independència del camí poden ser anul·lats per una definició adequada d'una funció Lyapunov amb termes integrals. / González Germán, IT. (2018). Contributions to analysis and control of Takagi-Sugeno systems via piecewise, parameter-dependent, and integral Lyapunov functions [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/101282

[ES] Actualmente existen numerosas y variadas contribuciones basadas en el ADRC. Por un lado, algunos trabajos abordan la metodología ADRC. Sin embargo, son pocos los que ofrecen una explicación exhaustiva de su diseño y aplicación, dirigida a aquellos investigadores que están empezando a explorar esta estrategia de control. Por otro lado, la sintonización del ADRC y el control compuesto basado en ADRC son áreas de investigación abiertas. Una de las discusiones que se mantiene activa en la literatura está relacionada con la forma de seleccionar los parámetros principales del ADRC de modo que se alcance la estabilidad de lazo cerrado con un rechazo de perturbaciones y robustez apropiadas, especialmente cuando el ADRC se emplea para controlar procesos aproximados mediante representaciones más sencillas como el modelo de primer orden más retardo (FOPDT). Asimismo, la estimación activa de la incertidumbre y las perturbaciones ha hecho atractiva la idea de integrar la topología ADRC con técnicas de control avanzado, por ejemplo, con el control predictivo basado en modelo (MPC). El mayor desafío que surge al realizar esta combinación radica en cómo formular el lazo de control para que el mecanismo de rechazo de perturbaciones del ADRC transforme el comportamiento del sistema controlado en el de una planta deseada simplificada, relajando así el requisito de un modelo detallado y considerando directamente las restricciones en las variables del lazo. Esta tesis presenta tres contribuciones al conocimiento del ADRC para abordar los desafíos expuestos anteriormente. La primera de ellas es una guía para el diseño y aplicación de controladores lineales mediante el control convencional por rechazo activo de perturbaciones. Esta guía ofrece, a modo de tutorial, una revisión de la fundamentación teórica del ADRC y condensa en un algoritmo los pasos para el diseño de estos controladores con el propósito de facilitar su implementación de acuerdo con la formulación del problema en el marco de la estimación y rechazo de perturbaciones y la selección empírica de sus ganancias. La segunda contribución de esta disertación es un conjunto de reglas de sintonía para el cálculo de los tres parámetros distintivos del ADRC con los que se diseñan las ganancias del observador de estados y de la ley de control. Estas reglas permiten sintonizar el ADRC para el control de un proceso aproximado mediante un modelo FOPDT y ofrecen al diseñador diferentes conjuntos de parámetros de acuerdo con un nivel de robustez deseado. Esta contribución se basa en el desarrollo de procedimientos de diseño de optimización multiobjetivo enfocados al control de un grupo de plantas FOPDT nominales. Los resultados de dichos procedimientos se ajustaron a las fórmulas de sintonía proporcionadas. La tercera contribución es una nueva arquitectura de control que combina el mecanismo de rechazo de perturbaciones del ADRC y la estrategia de horizonte deslizante del MPC. En este lazo, una ley de control predictivo gobierna una planta de primer orden más integrador que se induce sobre proceso real sujeto a restricciones. Lo anterior es posible compensando el desajuste entre las plantas real y deseada e incorporando el término de compensación del ADRC en la formulación de las restricciones del controlador predictivo. El bucle pretende proporcionar una solución para controlar sistemas con restricciones para los que no se ha identificado un modelo nominal. Esta disertación está dirigida tanto a los investigadores interesados en explorar el control por rechazo activo de perturbaciones como a aquellos que consideran a esta tecnología como una de sus líneas de investigación principales. Las contribuciones sirven a quienes se inician en el estudio del ADRC, a los diseñadores de controladores que buscan implementar el ADRC lineal considerando el rechazo de perturbaciones de procesos FOPDT y a los investigadores abiertos a la discusión de los beneficios potenciales de de combinar el ADRC con el MPC. / [CAT] Actualment existeixen nombroses i variades contribucions basades en l'ADRC. D'una banda, alguns treballs aborden la metodologia ADRC. No obstant això, són pocs els que ofereixen una explicació exhaustiva del seu disseny i aplicació, dirigida a aquells investigadors que estan començant a explorar aquesta estratègia de control. D'altra banda, la sintonització de l'ADRC i el control compost basat en ADRC són àrees d'investigació obertes. Una de les discussions que es manté activa en la literatura està relacionada amb la manera de seleccionar els paràmetres principals de l'ADRC de manera que s'aconseguisca l'estabilitat de llaç tancat amb un rebuig de pertorbacions i robustesa apropiades, especialment quan l'ADRC s'empra per a controlar processos aproximats mitjançant representacions més senzilles com el model de primer ordre més retard (FOPDT). Així mateix, l'estimació activa de la incertesa i les pertorbacions ha fet atractiva la idea d'integrar la topologia ADRC amb tècniques de control avançat, per exemple, amb el control predictiu basat en model (MPC). El major desafiament que sorgeix en realitzar aquesta combinació radica en com formular el llaç de control perquè el mecanisme de rebuig de pertorbacions de l'ADRC transforme el comportament del sistema controlat en el d'una planta desitjada simplificada, relaxant així el requisit d'un model detallat i considerant directament les restriccions en les variables del llaç. Aquesta tesi presenta tres contribucions al coneixement de l'ADRC per a abordar els desafiaments exposats anteriorment. La primera d'elles és una guia per al disseny i aplicació de controladors lineals mitjançant el control convencional per rebuig actiu de pertorbacions. Aquesta guia ofereix, a manera de tutorial, una revisió de la fonamentació teòrica de l'ADRC i condensa en un algorisme els passos per al disseny d'aquests controladors amb el propòsit de facilitar la seua implementació d'acord amb la formulació del problema en el marc de l'estimació i rebuig de pertorbacions i la selecció empírica dels seus guanys. La segona contribució d'aquesta dissertació és un conjunt de regles de sintonia per al càlcul dels tres paràmetres distintius de l'ADRC amb els quals es dissenyen els guanys de l'observador d'estats i de la llei de control. Aquestes regles permeten sintonitzar l'ADRC per al control d'un procés aproximat mitjançant un model FOPDT i ofereixen al dissenyador diferents conjunts de paràmetres d'acord amb un nivell de robustesa desitjat. Aquesta contribució es basa en el desenvolupament de procediments de disseny d'optimització multiobjectiu enfocats al control d'un grup de plantes FOPDT nominals. Els resultats d'aquests procediments es van ajustar a les fórmules de sintonia proporcionades. La tercera contribució és una nova arquitectura de control que combina el mecanisme de rebuig de pertorbacions de l'ADRC i l'estratègia d'horitzó lliscant del MPC. En aquest llaç, una llei de control predictiu governa una planta de primer ordre més integrador que s'indueix sobre procés real subjecte a restriccions. L'anterior és possible compensant el desajustament entre les plantes real i desitjada i incorporant el terme de compensació de l'ADRC en la formulació de les restriccions del controlador predictiu. El bucle pretén proporcionar una solució per a controlar sistemes amb restriccions per als quals no s'ha identificat un model nominal. Aquesta dissertació està dirigida tant als investigadors interessats a explorar el control per rebuig actiu de pertorbacions com a aquells que consideren a aquesta tecnologia com una de les seues línies d'investigació principals. Les contribucions serveixen als qui s'inicien en l'estudi de l'ADRC, als dissenyadors de controladors que cerquen implementar l'ADRC lineal considerant el rebuig de pertorbacions de processos FOPDT i als investigadors oberts a la discussió dels beneficis potencials de de combinar l'ADRC amb el MPC. / [EN] Numerous and varied contributions based on the ADRC are currently available. On the one hand, some works address the ADRC methodology. Still, only some offer a comprehensive explanation of its design and application aimed at those researchers who are starting to explore this control strategy. On the other hand, the ADRC tuning and the ADRC-based composite control are open research areas. One of the discussions that remain active in the literature is related to how to select the LADRC main parameters so that closed-loop stability is achieved with appropriate disturbance rejection and robustness, mainly when the ADRC is used to control processes approximated by more straightforward representations such as the first-order plus delay (FOPDT) model. Likewise, the active estimation of uncertainty and disturbances has made integrating the ADRC topology with advanced control techniques, like Model-Based Predictive Control (MPC), attractive. The major challenge in realising this combination lies in how to formulate the control loop so that the ADRC disturbance rejection mechanism transforms the behaviour of the controlled system into that of a simplified desired plant, thus relaxing the requirement for a detailed model while directly considering the constraints on the loop variables. This thesis presents three contributions to ADRC knowledge to address the challenges mentioned above. The first is a guide for designing and applying linear controllers using conventional active disturbance rejection control. This guide offers a review of the theoretical foundation of the ADRC. It condenses in an algorithm the steps for designing these control loops to facilitate their implementation according to the problem formulation in the disturbance estimation and rejection framework and the empirical selection of their gains. The second contribution of this dissertation is a set of tuning rules for computing the three distinctive parameters of the ADRC with which the state observer and control law gains are designed. These rules allow tuning the ADRC to control an approximate process using a first-order plus delay model and offer different sets of parameters according to a desired level of robustness. This contribution is based on developing multi-objective optimisation design procedures focused on controlling a group of nominal FOPDT plants. The results of these procedures were fitted to the tuning formulae provided. The third contribution is a new control architecture that combines the disturbance rejection mechanism of the ADRC and the receding horizon strategy of the MPC. In this loop, a predictive control law governs a first-order plus integrator plant enforced on the real process subject to constraints. The above is possible by compensating for the mismatch between the real and desired plants and incorporating the ADRC compensation term in the constraints formulation of the predictive controller. The loop is intended to provide a solution to control constrained systems for which no nominal model has been identified. This dissertation addresses researchers interested in exploring active disturbance rejection control and those considering this technology as one of their main lines of research. The contributions of this dissertation serve those new to the study of ADRC, controller designers seeking to implement linear ADRC by considering the disturbance rejection response of processes approximated using first-order plus delay models, and researchers open to discussing the potential benefits of combining ADRC with advanced techniques such as MPC. / Martínez Carvajal, BV. (2023). Design of controllers based on active disturbance rejection control (ADRC) and its integration with model predictive control (MPC) [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/196581

Tesis por compendio / [ES] Esta tesis está dedicada al desarrollo de conceptos de control predictivo basados en modelos para la compensación de armónicos en sistemas de potencia con fuentes de energía renovables. En concreto, estos conceptos proporcionan una corriente de compensación de referencia para un filtro activo de potencia conectado en el punto de acoplamiento común, mejorando así la calidad de potencia del sistema. No obstante, los resultados podrían aplicarse en general a problemas de control en los que el objetivo sea seguir la forma de una determinada señal. La tesis propone dos métodos principales de control basados en la teoría de control predictivo de modelos (MPC). El primer controlador, es decir, el control predictivo de modelos con conformación de señal de estado lineal (LS3MPC), se basa en la teoría MPC cuadrática estándar. Sin embargo, contrariamente a la práctica habitual de control de referencia fija, el LS3MPC incorpora la dinámica deseada del sistema directamente en su función de coste, utilizando los denominados residuos de clase de forma lineal. Este enfoque permite que la función de costes del LS3MPC sea más adaptable y ofrezca más compensaciones dinámicas, especialmente cuando está sometida a restricciones. Al utilizar los residuos de clase de forma, el problema MPC garantiza que la planta controlada siga la dinámica dada por la clase de forma. En este caso, la dinámica deseada está determinada por la clase de forma armónica lineal propuesta, es decir, la dinámica de una señal armónica fundamental de frecuencia fija. Desde el punto de vista de la implementación, se propone una formulación MPC explícita para el LS3MPC con el fin de mejorar su aplicabilidad en tiempo real. El LS3MPC explícito propuesto utiliza un enfoque de malla equidistante en formato tensorial para aproximar la solución MPC explícita con afinidad por partes. Usando la descomposición tensorial, el LS3MPC explícito puede romper la maldición de la dimensionalidad, reduciendo significativamente la carga de memoria y trivializando el problema en tiempo real de localización de puntos. El segundo controlador, es decir, el control predictivo de modelo de ciclo límite (LCMPC), se centra en resolver las deficiencias del LS3MPC. En concreto, el LCMPC aborda la falta de control directo de la amplitud recurriendo a la teoría MPC no lineal. El LCMPC introduce una clase de forma armónica no lineal basada en una forma normal de bifurcación supercrítica de Neimark-Sacker. Al igual que el LS3MPC, el LCMPC también incorpora el residual de su clase de forma armónica no lineal directamente en su función de coste, proporcionando las mismas ventajas mencionadas anteriormente. En cuanto a la estabilidad del sistema, se desarrollan condiciones suficientes, para un estado inicial predeterminado, que garanticen que el sistema de bucle cerrado permanece dentro de la región de atracción de la forma normal ante una perturbación suficientemente pequeña. Ambos controladores se someten a pruebas con estudios de simulación en múltiples escenarios, proporcionando resultados de compensación consistentemente satisfactorios. / [CA] Aquesta tesi està dedicada al desenvolupament de conceptes de control predictiu basats en models per a la compensació d'harmònics en sistemes de potència amb fonts d'energia renovables. En concret, aquests conceptes proporcionen un corrent de compensació de referència per a un filtre actiu de potència connectat en el punt d'acoblament comú, millorant així la qualitat de potència del sistema. No obstant això, els resultats podrien aplicar-se en general a problemes de control en els quals l'objectiu siga seguir la forma d'un determinat senyal. La tesi proposa dos mètodes principals de control basats en la teoria de control predictiu de models (MPC). El primer controlador, és a dir, el control predictiu de models amb conformació de senyal d'estat lineal (LS3MPC), es basa en la teoria MPC quadràtica estàndard. No obstant això, contràriament a la pràctica habitual de control de referència fixa, el LS3MPC incorpora la dinàmica desitjada del sistema directament en la seua funció de cost, utilitzant els denominats residus de classe de manera lineal. Aquest enfocament permet que la funció de costos del LS3MPC siga més adaptable i oferisca més compensacions dinàmiques, especialment quan està sotmesa a restriccions. En utilitzar els residus de classe de forma, el problema MPC garanteix que la planta controlada seguisca la dinàmica donada per la classe de forma. En aquest cas, la dinàmica desitjada està determinada per la classe de manera harmònica lineal proposta, és a dir, la dinàmica d'un senyal harmònic fonamental de freqüència fixa. Des del punt de vista de la implementació, es proposa una formulació MPC explícita per al LS3MPC amb la finalitat de millorar la seua aplicabilitat en temps real. El LS3MPC explícit proposat utilitza un enfocament de malla equidistant en format tensorial per a aproximar la solució MPC explícita amb afinitat per parts. Usant la descomposició tensorial, el LS3MPC explícit pot trencar la maledicció de la dimensionalitat, reduint significativament la càrrega de memòria i trivialitzant el problema en temps real de localització de punts. El segon controlador, és a dir, el control predictiu de model de cicle límit (LCMPC), se centra en resoldre les deficiències del LS3MPC. En concret, el LCMPC aborda la falta de control directe de l'amplitud recorrent a la teoria MPC no lineal. El LCMPC introdueix una classe de manera harmònica no lineal basada en una forma normal de bifurcació supercrítica de Neimark-Sacker. Igual que el LS3MPC, el LCMPC també incorpora el residual de la seua classe de manera harmònica no lineal directament en la seua funció de cost, proporcionant els mateixos avantatges esmentats anteriorment. Quant a l'estabilitat del sistema, es desenvolupen condicions suficients, per a un estat inicial predeterminat, que garantisquen que el sistema de bucle tancat roman dins de la regió d'atracció de la forma normal davant una pertorbació prou xicoteta. Tots dos controladors se sotmeten a proves amb estudis de simulació en múltiples escenaris, proporcionant resultats de compensació consistentment satisfactoris. / [EN] This thesis is dedicated to developing model-based predictive control concepts for harmonic compensation in power systems with renewable energy sources. Specifically, these concepts provide a reference compensation current for an active power filter connected at the point of common coupling, thereby enhancing the system's power quality. Nevertheless, results could be generically applied to control problems where the task is to follow a certain shape of a signal. The thesis proposes two main control approaches based on model predicitve control (MPC) theory. The first controller, i.e., the linear state signal shaping model predictive control (LS3MPC), relies on standard quadratic MPC theory. However, contrary to standard fixed reference control practice, the LS3MPC embeds the desired system dynamics directly into its cost function, using the so-called linear shape class residuals. This approach allows the LS3MPC' cost function to be more adaptive, providing more dynamic trade-offs, especially when constrained. By using shape class residuals, the MPC problem ensures that the controlled plant follows the desired dynamics given by the shape class. In this case, the target dynamics are given by the proposed linear harmonic shape class, i.e, the dynamics of a fundamental harmonic signal of fixed frequency. From an application perspective, an explicit MPC formulation for the LS3MPC is proposed to enhance its real-time applicability. The proposed explicit LS3MPC uses an equidistant mesh grid approach in tensor format to approximate the piecewise affine explicit MPC solution. Using tensor decomposition, the explicitLS3MPC can break the curse of dimensionality, significantly reducing memory burden and trivializing the online point localization problem. The second controller, i.e., the limit cycle model predictive control (LCMPC), focuses on addressing the shortcomings of the LS3MPC. Namely, the LCMPC addresses the lack of direct amplitude control by reaching into nonlinear MPC theory. The LCMPC introduces a nonlinear harmonic shape class based on a supercritical Neimark-Sacker bifurcation normal form. Similarly to theLS3MPC, the LCMPC also embeds its nonlinear harmonic shape class residual directly in its cost function, providing the same benefits mentioned before. Regarding system stability, sufficient conditions are developed for a given initial state to ensure that the closed-loop system remains inside the normal form region of attraction for a sufficiently small disturbance. Both controllers are tested with simulation studies in multiple scenarios, providing consistently satisfactory compensation results. / The contributions on this doctoral thesis were partly developed at the Fraunhofer Institute for Silicon Technology ISIT within the project North German Energy Transition 4.0 (ger- man: Norddeutsche EnergieWende, NEW 4.0), which is funded by the German Federal Ministry for Economic Affairs and Energy (german: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie, BMWi. This work was also partly funded with the project Northern German Living Lab (german: Norddeutsches Reallabor, NRL) by the Federal Ministry for Economic Affairs and Climate Action, by Generalitat Valenciana regional government through project CIAICO/2021/064, and by the Free and Hanseatic City of Hamburg (Hamburg City Parliament publication 20/11568). / Cateriano Yáñez, C. (2024). State Shaping Model Predictive Control for Harmonic Compensation [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/209406 / Compendio