En la presente tesis se realizó la integración de un sistema UAV con control autónomo en un equipo aéreo existente para agricultura de precisión, la cual forma parte del proyecto que viene realizando la Pontificia Universidad Católica del Perú y el Centro Internacional de la Papa “Agricultura de Precisión para la Producción de Cultivos de Seguridad Alimentaria y de Agro Exportación”. En primer lugar se presenta la aplicación del aeromodelismo en la agricultura de precisión, cuya función es la toma georeferenciada de imágenes para su posterior procesamiento. El proyecto antes indicado emplea control por radiofrecuencia que presenta algunos inconvenientes. Por lo que se hace necesaria la implementación de un sistema UAV con control autónomo. En el segundo capítulo, se presentan los conceptos generales así como la teoría aplicable a los vehículos aéreos no tripulados UAV con control autónomo como herramienta tecnológica orientada a la agricultura de precisión. En este contexto se realizó un estudio de los diferentes sistemas comerciales para la selección del más adecuado para el proyecto, concluyendo que el sistema ArduPilot Mega cumple con los objetivos trazados en ésta tesis. En el tercer capítulo, se abordan los temas de planteamiento y estudio de la implementación del sistema ArduPilot Mega, especificando y definiendo los requerimientos del sistema, sus características, así como la implementación del mismo incluyendo el montaje del hardware, la adecuación del software al sistema y la programación de los planes de vuelo. Finalmente, se desarrollan las pruebas y resultados del sistema integrado, obteniéndose que el sistema UAV con control autónomo: ArduPilot Mega cumple con las necesidades del proyecto, consecuentemente se constituye en una alternativa para el control de los aeromodelos aplicados en la agricultura de precisión, resolviendo los inconvenientes del control por radiofrecuencia.

El objetivo a perseguir de este proyecto era crear un sistema automatizado de monitoreo y control de la concentración de cloro en un tanque de 20000 litros. Para tal fin, se analizaron dos opciones nacionales y más de diez opciones internacionales de sensores de concentración de cloro, así como sensores de nivel y dosificadores de solución. Luego de haber elegido los elementos de interacción, se procedió a diseñar los circuitos controladores de estos dispositivos, así como los elementos de potencia del mismo sistema hidráulico. Todos estos controladores se enlazaron al bloque de control, gobernado por un microcontrolador, también elegido entre tres posibles candidatos. Este controlador fue programado para cumplir las especificaciones requeridas de exactitud (0.1 ppm, se logró 0.07 ppm) y rangos (medidas entre 0 y 5 ppm), y fueron estas especificaciones las que se comprobaron en la etapa final del documento.

Esta tesis tiene como objetivo principal diseñar un sistema de control automático para vehículos marinos de superficie mediante el uso de un controlador por rechazo activo de perturbaciones (ADRC) basado en filtros planos lineales para su posterior implementación en un barco dedicado a la medición de variables marítimas, siguiendo una trayectoria planificada de antemano. La tesis incluye el modelamiento del barco basado en leyes físicas y el cual coincide en resultados con el modelo robótico trabajado en la bibliografía, una revisión teórica del controlador basado en filtro plano lineal, el diseño del controlador propiamente y una propuesta de implementación del sistema de control en un barco dedicado a monitoreo de variables marítimas ambientales. El controlador diseñado consta de dos partes; un generador de trayectorias realizables y un controlador de vehículo marino subactuado, ambos basados en filtros planos lineales. La combinación de ambos permite un control práctico (con estabilización no asintótica) del barco con un error en estado estacionario pequeño diferente de cero. Se realizaron pruebas del controlador en un modelo matemático de barco validado, obteniéndose un desempeño similar al de un controlador basado en linealización por realimentación de estados. Como ventaja, el controlador propuesto puede seguir trayectorias arbitrarias, poligonales y que requiere solo dos parámetros conocidos del modelo matemático del barco para funcionar adecuadamente; debido a esto, se reduce la carga computacional y se aligera la labor de identificación que sería necesaria en el caso del controlador basado en linealización por realimentación de estados. / Tesis

El presente trabajo de tesis está orientado principalmente al área de Ingeniería de Control. El tema central consiste en diseñar e implementar un controlador de agua temperada enfocado al uso doméstico. Como parte introductoria, el documento contiene información acerca de productos o soluciones similares existentes en el mercado así como la problemática que los usuarios presentan con estos mismos. A lo largo del documento, se expone información técnica sobre el desarrollo de un controlador difuso, basado en microcontroladores, elaborado con componentes electrónicos y circuitos integrados del mercado peruano. Además se presenta información relacionada al modelamiento del controlador difuso, así como también muestra el diseño de circuitos para una etapa de sensado y potencia las cuales son las encargadas de monitorear y controlar, respectivamente, el proceso de calentamiento del agua. Por último, se presentan las simulaciones y pruebas del diseño propuesto para comprobar su correcto funcionamiento. El trabajo desarrollado en esta tesis pretende ofrecer una solución que se ajuste, de la mejor manera posible, con las necesidades de los usuarios para lograr resolver y mejorar los problemas existentes en los sistemas actuales.

El presente trabajo tuvo como finalidad proponer un sistema de climatización de aire, con el fin de mejorar las condiciones de trabajo en el Laboratorio CAD-CAE y los espacios contiguos (INACOM y oficina). Para esto se analizaron las condiciones previas a la instalación del sistema, recopilándose información trascendente, como las condiciones climáticas. Posteriormente, se establecieron las condiciones ideales, para luego especificar las condiciones que deseadas en el lugar. En el segundo capítulo se refiere a la evaluación de cargas térmicas. Se obtuvo que el 42% de la carga térmica se debe a la fenestración, el 36% por cargas internas, el 8% de la carga es transferida del exterior por las superficies, el 9% se debe a la carga de ventilación y por último el 5% es por infiltración de aire al ambiente acondicionado. Luego en la segunda parte del capítulo, se determinó que es necesario un equipo que extraiga 22.37kW de carga de enfriamiento del laboratorio, 5.22kW del INACOM y 6.29kW de la oficina. Además este debe renovar el aire con una frecuencia de 1.34m3/s en el laboratorio, 0.4 m3/s y 0.6 m3/s en el INACOM y la oficina respectivamente. En el tercer capítulo se seleccionaron los equipos de acuerdo a lo establecido en el capítulo anterior, empleándose manuales, así como catálogos e información complementaria que permita la adecuada selección del equipamiento. Finalmente detallo una evaluación económica referente al costo del sistema seleccionado (US$14,296.70 inc. IGV) y se estableció una comparación con el equipo actual que funciona en dicho establecimiento el cual está sobredimensionado según la capacidad de sus equipos.

In recent years, the number of applications of model predictive control (MPC) is rapidly increasing due to the better control performance that it provides in comparison to traditional control methods. However, the main limitation of MPC is the computational e ort required for the online solution of an optimization problem. This shortcoming restricts the use of MPC for real-time control of dynamic systems with high sampling rates. This thesis aims to overcome this limitation by implementing high-performance MPC solvers for real-time control of fast systems. Hence, one of the objectives of this work is to take the advantage of the particular mathematical structures that MPC schemes exhibit and use parallel computing to improve the computational e ciency. Firstly, this thesis focuses on implementing e cient parallel solvers for linear MPC (LMPC) problems, which are described by block-structured quadratic programming (QP) problems. Speci cally, three parallel solvers are implemented: a primal-dual interior-point method with Schur-complement decomposition, a quasi-Newton method for solving the dual problem, and the operator splitting method based on the alternating direction method of multipliers (ADMM). The implementation of all these solvers is based on C++. The software package Eigen is used to implement the linear algebra operations. The Open Message Passing Interface (Open MPI) library is used for the communication between processors. Four case-studies are presented to demonstrate the potential of the implementation. Hence, the implemented solvers have shown high performance for tackling large-scale LMPC problems by providing the solutions in computation times below milliseconds. Secondly, the thesis addresses the solution of nonlinear MPC (NMPC) problems, which are described by general optimal control problems (OCPs). More precisely, implementations are done for the combined multiple-shooting and collocation (CMSC) method using a parallelization scheme. The CMSC method transforms the OCP into a nonlinear optimization problem (NLP) and de nes a set of underlying sub-problems for computing the sensitivities and discretized state values within the NLP solver. These underlying sub-problems are decoupled on the variables and thus, are solved in parallel. For the implementation, the software package IPOPT is used to solve the resulting NLP problems. The parallel solution of the sub-problems is performed based on MPI and Eigen. The computational performance of the parallel CMSC solver is tested using case studies for both OCPs and NMPC showing very promising results. Finally, applications to autonomous navigation for the SUMMIT robot are presented. Specially, reference tracking and obstacle avoidance problems are addressed using an NMPC approach. Both simulation and experimental results are presented and compared to a previous work on the SUMMIT, showing a much better computational e ciency and control performance. / Tesis

Este trabajo plantea el desarrollo de un sistema autónomo de control de tránsito aplicable en intersecciones de avenidas. El sistema cuenta con un nivel de autonomía para determinar los tiempos de operación óptimos en cada intersección mediante la recopilación de información del tránsito en tiempo real. Además, otra de las características de este sistema es la capacidad de transmitir la información de forma inalámbrica hacia los sistemas aledaños y hacia una interfaz de monitoreo, a través de la cual es posible visualizar los estados de funcionamiento de cada sistema. La transmisión de datos es realizada a través de una base de datos compartida, a la cual acceden cada uno de los sistemas y también es posible acceder mediante un software desarrollado para cumplir la función de una interfaz de monitoreo. El documento inicia una recopilación de información referente a la temática del sistema propuesto, presentando el estado del arte y el marco teórico. Luego, se realiza un estudio del tránsito vehicular, para lo cual se diseña y aplica una metodología que permite identificar los principales parámetros involucrados en el tránsito vehicular de la ciudad de Lima Metropolitana. Con toda esta información se procede a realizar el diseño del controlador, del algoritmo de control y de una interfaz de monitoreo considerando todas las características propuestas. Finalmente se presenta la integración del sistema propuesto considerando todos los componentes previamente diseñados. Este trabajo sienta las bases para el desarrollo de trabajos futuros relacionados a la mejora del tránsito vehicular, dado que al contar con un sistema capaz de comunicar su información a sistemas aledaños es posible desarrollar nuevos algoritmos de control dando un enfoque cooperativo. De esta manera, este trabajo puede ser complementado por especialistas en temas de ingeniería de tránsito e ingeniería de sistemas con la finalidad de empoderar su funcionamiento. / Tesis

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

En esta tesis se aplican por primera vez métodos basados en modelos sin discretización espacial para detectar y localizar fugas en una planta piloto de transporte de fluidos. Basado en un modelo matemático que describe la dinámica de fluidos dentro de la tubería de agua mediante dos ecuaciones diferenciales parciales que son hiperbólicas, lineales, unidimensionales y acopladas, se deriva y diseña tanto un observador dinámico como algebraico. El diseño del observador dinámico combina un enfoque de Luenberger con una transformación de backstepping para demostrar la estabilidad asintótica del error del observador. Como consecuencia, el observador resulta en un sistema dinámico de dos sistemas diferenciales parciales hiperbólicos acoplados. Por el contrario, el diseño del observador algebraico aplica el método de las funciones de modulación para convertir el modelo matemático en problemas auxiliares que también son dados por ecuaciones diferenciales parciales. Los problemas auxiliares se pueden resolver fuera de línea, tal que para estimar el tamaño y la posición de la fuga en línea se tienen que resolver solamente ecuaciones algebraicas input-output. Se enfatiza que ambos esquemas de observación se derivan directamente del modelo matemático sin discretización espacial. Por lo tanto, esta tesis aborda la brecha de investigación con respecto a métodos de detección y localización de fugas que sean basados en un modelo matemático y que no requieren una discretización espacial del sistema. En simulaciones comparativas, se evalúa el desempeño de ambos observadores para una tubería de agua ejemplar en diversas condiciones de operación, por ejemplo, el tamaño de la fuga, la posición de la fuga, el caudal de entrada y el ruido de medición. Se compara la precisión de los esquemas de observación, y se verifica la capacidad en tiempo real de ambos algoritmos. Finalmente, la dinámica y el observador algebraico se utilizan para estimar el tamaño y la posición de la fuga para una planta piloto de transporte de fluidos instalada en el laboratorio de Ingeniería de Control Avanzado en la PUCP. Se revela que, al contrario de la suposición de un modelo lineal para la perdida por fricción, las pérdidas por fricción dependen cuadráticamente del caudal tal que un modelo no lineal describa con mayor exactitud la dinámica del fluido de la planta piloto. Sin embargo, se ha demostrado que para las fugas que surgen cerca de la salida de la tubería, ambos observadores estiman la posición de la fuga con desviaciones inferiores al 5% y logran la precisión deseada. Además, se ha demostrado que una extensión del observador dinámico hacia el modelo no lineal permite localizar la fuga con desviaciones inferiores al 5%, independientemente de la posición de la fuga. / The present work utilizes for the first time model-based late lumping leak detection methods to detect and localize leakage in a real water pipe. Based on a mathematical model that describes the fluid dynamics inside the water pipe by two coupled linear one dimensional hyperbolic partial differential equations, a dynamic and an algebraic leakage observer are designed. The dynamic observer design combines a Luenberger ansatz with a backstepping transformation to prove the asymptotic stability of the observer error and results in a dynamic system of two coupled hyperbolic partial differential systems. Contrary to that, the algebraic observer design applies the modulating function method to convert the mathematical model into offline solvable auxiliary problems and algebraic input-output equations that are resolved online to estimate the leak size and the leak position. It is emphasized that both observer schemes are derived directly from the mathematical model without spatial discretization. Thereby, this thesis addresses the research gap regarding model-based late lumping leak detection and localization techniques. In comparative simulations, the performance of both observer schemes is evaluated for an exemplary water pipe under various operating conditions, e.g., w.r.t. the leak size, the leak position, the inlet flow rate and the measurement noise. The accuracy of the observer schemes is compared, and the real-time capability of both algorithms is verified. Finally, the dynamic and the algebraic observer are utilized to estimate the leak size and the leak position for a pilot fluid transport plant installed in the laboratory of Advanced Control Engineering at the PUCP. It is revealed that, in opposite to the model assumption of linear friction losses, the friction losses depend quadratically on the flow rate such that a nonlinear model describes the flow dynamics of the pilot plant more exactly. However, it is shown that for leaks occurring near to the outlet of the pipe, both observers estimate the leak position with deviations of under 5 % and reach thereby the desired accuracy. Furthermore, it is demonstrated that an extension of the dynamic observer towards the nonlinear model permits localizing the leak with deviations of under 5 % regardless of its position. / Die vorliegende Arbeit verwendet erstmals räumlich undiskretisierte modellbasierte Methoden zur Erkennung und Lokalisierung von Leckagen in einer realen Wasserleitung. Basierend auf einem mathematischen Modell, das die Strömungsdynamik im Rohr durch zwei gekoppelte lineare eindimensionale hyperbolische partielle Differentialgleichungen beschreibt, werden ein dynamischer und ein algebraischer Leckagebeobachter entworfen. Der dynamische Beobachterentwirf kombiniert einen Luenberger-Ansatz mit einer Backstepping-Transformation, um die asymptotische Stabilität des Beobachterfehlers nachzuweisen und resultiert in einem dynamischen System aus zwei gekoppelten hyperbolischen partiellen Differentialgleichungen. Im Gegensatz dazu verwendet der algebraische Beobachterentwurf die Modulationsfunktionsmethode, um das mathematische Modell in offline lösbare Hilfsprobleme sowie algebraische Eingangs-Ausgangs-Gleichungen zu überführen, die online gelöst werden, um die Leckgröße und die Leckageposition zu schätzen. Es wird hervorgehoben, dass beiden Beobachter direkt aus dem mathematischen Modell ohne räumliche Diskretisierung abgeleitet sind. Die vorliegende Arbeit adressiert damit eine existierende Forschungslücke hinsichtlich modellbasierter Leckagelokalisierung. In vergleichenden Simulationen wird die Performance beider Beobachter für eine exemplarische Wasserleitung unter unterschiedlichen Betriebsbedingungen untersucht, z. B. hinsichtlich der Leckgröße, der Leckposition, des Volumenstroms am Einlass und dem Messrauschen. Die Genauigkeit der Beobachter wird verglichen und die Echtzeitfähigkeit beider Algorithmen überprüft. Anschließend werden der dynamische und der algebraische Beobachter verwendet, um die Leckgröße und die Leckageposition für eine Pilotanlage, die im Labor für Regelungstechnik an der PUCP installiert ist, zu schätzen. Es zeigt sich, dass die Reibungsverluste entgegen der Modellannahme quadratisch von der Strömungsgeschwindigkeit abhängen, sodass ein nichtlineares Modell die Strömungsdynamik der Pilotanlage genauer beschreibt. Es zeigt sich jedoch, dass bei Leckagen in der Nähe des Rohrauslasses beide Beobachter die Leckageposition mit Abweichungen von unter 5 % schätzen und damit die gewünschte Genauigkeit erreichen. Abschließend wird gezeigt, dass eine Erweiterung des dynamischen Beobachters hin zum nichtlinearen Modell die Lokalisierung des Lecks mit Abweichungen von weniger als 5 % unabhängig von seiner Position ermöglicht.

Se presenta el diseño e implementación de un vehículo submarino operado remotamente con un sistema de estabilización automático. El vehículo submarino o ROV, por sus siglas en inglés (Remotly Operated Vehicle), tiene tres grados de libertad que le permiten realizar el movimiento arriba-abajo, adelante-atrás y el giro izquierda-derecha. El sistema de estabilización permite que el ROV se mantenga enfocado a un objetivo predeterminado y pueda seguirlo gracias a técnicas de visión por computadora que determinan la distancia y orientación del objetivo y, a un controlador de lógica difusa que gobierna un sistema de propulsión a chorro direccionado por un sistema de transmisión. / Tesis