La detección y localización de fugas en ductos de transporte de crudo de petróleo es un tema de suma relevancia debido a que estos eventos conllevan a cuantiosas pérdidas a nivel económico, contaminación ambiental y conflictos sociales. Este estudio propone el diseño de un sistema de detección y localización de fugas basado en el Filtro de Kalman Extendido aplicado a un modelo no lineal en tiempo discreto con ruido de medición y proceso correlacionado. Se desarrolla la solución numérica del modelo matemático para el transporte de crudo de petróleo en el Tramo I del Oleoducto Norperuano (ONP), considerando; el perfil hidráulico, las características físicas del ducto y las propiedades del crudo transportado, empleando el método de características (MOC), método que facilita la implementación del modelo sobre un controlador industrial. La simulación del algoritmo de detección de fugas considera las mediciones de los sensores de presión y flujo en los extremos del oleoducto, y junto al filtro diseñado garantizan un error porcentual en la ubicación de fuga igual a 0.918 % (169.27 metros) y un error porcentual en la magnitud igual a 1.028 % (4.53 xx 10-3 mm3/ss). Asimismo, se realizaron pruebas para magnitudes de fuga repentina del 1%, 2%, 5% y 10% con respecto al flujo nominal transportado en diferentes ubicaciones dentro del recorrido. Se concluye el trabajo con una propuesta de implementación del sistema de detección de fugas sobre un controlador PLC CompactLogix, de Allen Bradley, y las consideraciones para la interconexión con el sistema SCADA existente en la operación del Oleoducto Norperuano (ONP).

In recent years, autonomous driving technologies have become a topic of growing interest due to the promise of safer and more convenient mode of transportation. An essential element in every autonomous driving system is the control algorithm. Classical control schemes, like PID, are not able to manage Multiple Inputs-Multiple Outputs, complex, non-linear systems. A more recent control strategy is Model predictive control (MPC), a modern control method that has shown promising results in systems with complex dynamics. In MPC, a sequence of optimal control inputs are predicted within a short time horizon based on the car dynamics, and soft or hard restriction of the system. In this work, three different nonlinear-MPC (NMPC) controllers were formulated based on a kinematic, and two dynamic models (double-track and single-track). The steering system’s dynamics were additionally identified using experimental data. Each MPC was solved applying direct methods, by transforming the optimal control problem to a Nonlinear programming (NLP) problem using the Multiple shooting scheme with a Runge-Kutta 4 integrator. The NLPs were solved using the state-of-the-art optimization solver IpOpt. Before the real-time implementation, all the NMPC controllers were simulated in different scenarios and multiple configurations. The results allowed to select the most suitable controllers to be implemented in a 1:5 scale robotic car. Finally, two NMPC controllers based on the kinematic, and the single-track dynamic model were implemented in the robotic car. The algorithms were tested in two different scenarios at the maximum possible speed. The obtained results from the tests were very promising, and provide compelling evidence that MPC could be implemented as the core of future autonomous driving algorithms, since it computes the optimal control inputs, taking in consideration the restrictions inherent to the system. / Tesis

This master thesis is devoted to the design, analysis, and experimental validation of an energy-based control strategy for the well-known benchmark cart-pole system in implicit Port-Hamiltonian (PH) representation. The control scheme performs two tasks: swingup and (local) stabilization. The swing-up controller is carried out on the basis of a generalized energy function and consists of bringing the pendulum trajectories from the lower (stable) position to a limit cycle (homoclinic orbit), which passes by the upright (unstable) position, as well as the cart trajectories to the desired point. The (local) stabilizing controller is designed under a novel algebraic Interconnection and Damping Assignment Passivity-Based Control (IDA-PBC) technique and ensures the upright (asymptotic) stabilization of the pendulum as well as the cart at a desired position. To illustrate the effectiveness of the proposed control scheme, this work presents simulations and real-time experiments considering physical damping, i.e., viscous friction. The results are additionally contrasted with another energy-based control strategy for the cart-pole system in explicit Euler-Lagrange (EL) representation. / Diese Masterarbeit widmet sich dem Entwurf, der Analyse und der experimentellen Validierung einer energiebasierten Regelstrategie für das bekannte Benchmarksystem des inversen Pendels auf einem Wagen in impliziter Port-Hamiltonscher (PH) Darstellung. Das Regelungssystem erfüllt zwei Aufgaben: das Aufschwingen und (lokale) Stabilisierung. Das Aufschwingen erfolgt auf Grundlage der generalisierten Energiefunktion und besteht darin, sowohl die Trajektorien des Pendels von der unteren (stabilen) Position in einen Grenzzyklus (homokliner Orbit) zu bringen, wobei die (instabile) aufrechte Lage passiert wird, als auch den Wagen in einer gewünschten Position einzustellen. Die (lokale) Regelung zur Stabilisierung ist nach einer neuartigen algebraischen Interconnection and Damping Assignment Passivity-Based Control (IDA-PBC) Methode konzipiert und gewährleistet die aufrechte (asymptotische) Stabilisierung des Pendels sowie die Positionierung des Wagens an einem gewünschten Referenzpunkt. Um die Funktionalität des entworfenen Regelungssystems zu veranschaulichen, werden in dieser Masterarbeit Simulationen und Echtzeit-Experimente unter Berücksichtigung der physikalischen Dämpfung, d.h. der viskosen Reibung, vorgestellt. Die Ergebnisse werden zusätzlich mit einem weiteren energiebasierten Regelungsansatz für das System des inversen Pendels auf einem Wagen in expliziter Euler-Lagrange (EL) Darstellung verglichen. / Tesis

La presente tesis se enfoca en el diseño, análisis y validación de los controles óptimos para el Sistema de Péndulo Doble. Para ello, se desarrolla un modelo matemático del sistema desde un enfoque energético y se analiza su dinámica en diferentes puntos de operación. Los controladores óptimos utilizados en este estudio tuvieron como objetivo principal llevar los péndulos a su punto de equilibrio y mantenerlos allí. Entre los controladores lineales implementados, se incluyen el LQR, el Observador con controlador de estado, el MPC y en cuanto al controlador no lineal el NMPC. Este último se basa en el solver ACADO y utiliza una interfaz en MATLAB para resolver el problema óptimo de control en su forma no lineal, considerando la dinámica real del sistema, restricciones en las variables de estado y entrada de control, así como en las incertidumbres. Los resultados obtenidos fueron contrastados y se determina cuál de los controladores se adecua mejor al Sistema de Péndulo Doble. La tesis esta estructurada de la siguiente manera: Capítulo 1 provee una vista general de los trabajos e investigaciones sobre el Sistema de péndulo doble. Capítulo 2 presenta una visión general de la base teórica así como el modelamiento del Sistema de péndulo doble. Además incluye la linealización, implementación y validación del modelo. Capítulo 3 muestra las diferentes estrategias de control propuestas para la estabilización del Sistema de péndulo doble. Los controladores será posteriormente comparados en un mismo de operación de modo a fin de evaluar su performance.Por otro, se adiciona un apartado extra sobre el estudio de la robustez inherente del NMPC frente a perturbaciones. Capítulo 4 presenta los comentarios e impresiones sobre la realización de la presente tesis. Capítulo 5 termina la tesis con las conclusiones y observaciones.

Los motores de combustión interna (MCI) se caracterizan por ser agentes emisores de gases de efecto invernadero, los cuales tienen un impacto negativo sobre el medio ambiente, por lo que en la actualidad resulta necesario lograr mejorar la eficiencia mediante la reducción del consumo de combustible en este tipo de equipos. En tal sentido, el presente trabajo tiene como propósito desarrollar investigaciones que posibiliten mejorar la eficiencia y reducir la contaminación ambiental de los motores de combustión interna mediante el desarrollo de estrategias efectivas de control automático. Es por ello que en el presente trabajo se desarrolla el diseño de un controlador basado en un predictor de Smith discreto para el control efectivo de la velocidad de un motor de combustión interna (MCI), marca Nissan, modelo GA-15. En el trabajo se realiza un estudio sobre el estado del arte de los sistemas de control de los motores de combustión interna. Mediante la aplicación de las herramientas de identificación de sistemas se obtiene un modelo matemático discreto de este tipo de plantas. Se realiza el diseño de un sistema de control de la velocidad de giro del cigüeñal de un MCI marca Nissan modelo GA-15 instalado en la sala de máquinas térmicas del Laboratorio de Energía – Sección de Ingeniería Mecánica – Departamento de Ingeniería de la Pontificia Universidad Católica del Perú. Finalmente, se desarrolla un análisis de robustez del sistema de control diseñado y se realiza una propuesta de implementación de dicho sistema. / Tesis

Autonomous systems are one interesting topic recently investigated; for land and aerial vehicles; however, the main limitation of aerial vehicles is the weight to carry on-board, since the power consumed depends on this and hardware like sensors and processor is limited. The present thesis develops an application of digital image processing to detect obstacles using only a monocamera, there are some approaches but the present report wants to focus on the distance estimation approach that, in future works, can be combined with other methods since this approach is more general. The distance estimation approach uses feature detection algorithms in two consecutive images, matching them and thus estimate the obstacle position. The estimation is computed through a mathematical model of the camera and projections between those two images. There are many parameters to improve final results and the best parameters are found and tested with consecutive images, which were captured every 0.5m along a straight path of 5m. Fraunhofer position modules are tested with the entire algorithm. Finally, in order to establish the new path without obstacles, an optimal binary integer programming problem is proposed, adapting the approach using results obtained from the distance estimation and obstacle detection. Resulting data is suitable for combining them with information obtained from conventional sensors, such as ultrasonic sensors. The obtained mean error is between 1% and 12% in short distances (less than 2.5 m) and greater with longer distances. The complexity of this study lies in the use of a single camera for the capture of frontal images and obtaining 3D information of the environment, the computation of the obstacle detection algorithm is tested off-line and the path-planning algorithm is proposed with detected keypoints in the background. / Autonome Systeme sind ein interessantes Thema vor kurzem untersucht; für Land- und Luftfahrzeuge; Allerdings ist die Hauptbegrenzung von Luftfahrzeugen das Gewicht, um an Bord zu tragen, da die verbrauchte Energie davon abhängt und Hardware wie Sensoren und Prozessor begrenzt ist. Die vorliegende Arbeit entwickelt eine Anwendung der digitalen Bildverarbeitung zur Erkennung von Hindernissen, die nur eine Monokamera verwenden, es gibt einige Ansätze, aber der vorliegende Bericht will sich auf den Abstandsschätzungsansatz konzentrieren, der in Zukunft mit anderen Methoden kombiniert werden kann, da dieser Ansatz ist allgemeiner. Der Abstandsschätzungsansatz verwendet Merkmalserkennungsalgorithmen in zwei aufeinanderfolgenden Bildern, passt sie an und schätzt somit die Hindernisposition ab. Die Schätzung wird durch ein mathematisches Modell der Kamera und Projektionen zwischen diesen beiden Bildern berechnet. Es gibt viele Parameter, um die endgültigen Ergebnisse zu verbessern, und die besten Parameter werden mit aufeinanderfolgenden Bildern gefunden und getestet, die alle 0,5 m auf einem geraden Weg von 5 m erfasst wurden. Fraunhofer-Positionsmodule werden mit dem gesamten Algorithmus getestet. Schließlich wird, um den neuen Weg ohne Hindernisse zu etablieren, ein optimales Binär-Integer-Programmierproblem vorgeschlagen, das den Ansatz unter Verwendung von Ergebnissen, die aus der Abstandsschätzung und der Hinderniserkennung erhalten wurden, anpasst. Die daraus resultierenden Daten eignen sich zur Kombination mit Informationen aus konventionellen Sensoren wie Ultraschallsensoren. Der erhaltene mittlere Fehler liegt zwischen 1 % und 12 % in kurzen Abständen (weniger als 2,5 m) und größer mit längeren Abständen. Die Komplexität dieser Studie liegt in der Verwendung einer einzigen Kamera für die Erfassung von Frontalbildern und dem Erhalten von 3D-Informationen der Umgebung, wird die Berechnung des Hinderniserfassungsalgorithmus off-line getestet und derWegplanungsalgorithmus wird mit erkannten Keypoints vorgeschlagen im Hintergrund. / Tesis

La presente tesis se compone de cuatro capítulos: en el primer capítulo se plantea los objetivos de la esta investigación y se realiza una recopilación de información referente a investigaciones relacionadas con el control y la automatización de reactores químicos CSTR. En el segundo capítulo realiza una introducción teórica sobre el reactor tanque agitado continuo, así mismo se desarrolla el modelo matemático de un reactor químico de este tipo, el cual servirá para la simulación del sistema a controlar. En el tercer capítulo se lleva a cabo el desarrollo de los criterios de diseño y parámetros de sintonización de los diversos controladores implementados para aplicarlos al reactor. En el cuarto capítulo se presentan las simulaciones del sistema sometido a la acción de control de los diversos controladores, para luego elaborar un análisis de la performance de cada uno, y finalmente establecer la superioridad del neurocontrolador dinámico frente a otros controladores. / Tesis

La demanda de chirimoya al mercado internacional necesita de una gestión más efectiva de los recursos durante la postcosecha. Consecuentemente, la presente tesis propone el diseño de un sistema mecánico eléctrico para selección de 5tn/día de chirimoyas categoría primera ecotipo Aurora producida por la asociación de agricultores Santa Rosa de Huarochiri. Además, el proyecto comprende la elaboración de diseños de los sistemas desde el ingreso al sistema alimentador hasta la selección final del producto en el sistema seleccionador, la selección de los motores y emplea el código sanitario impuesto por el Food and Drugstore Administration (FDA) requerido por el mercado estadounidense. El diseño genera un impacto favorable en agricultores peruanos y ecuatorianos con una producción a mediana escala de chirimoyas porque cumple con seleccionar el producto adecuado y genera a largo plazo retorno en la inversión. Finalmente la presente tesis está compuesta por cuatro capítulos más la introducción, conclusiones, recomendaciones, referencias y anexos. El primer capítulo comprende el producto y sus variedades, el estado actual de la tecnología y la técnica a emplear; con lo cual se logró determinar la categoría adecuada de chirimoya a emplear en el diseño. El segundo capítulo comprende los conceptos de solución tomando como datos de entrada lo elaborado en el primer capítulo, después de la selección se llevará a cabo el desarrollo de los conceptos preliminares de los cuales se selecciona el mejor de acuerdo a una evaluación técnica y económica; con lo cual se obtuvo el diseño óptimo, que luego es analizado en el siguiente capítulo. En el tercer capítulo se presentan los resultados finales del desarrollo de la solución óptima; en la cual se determina las dimensiones de los elementos críticos como ejes; también se seleccionan los perfiles, los motores, el material que cumple con lo requerido por la FDA y los elementos de transmisión tales como sprockets y cadenas. El cuarto capítulo muestra la lista de planos junto con un análisis de costo; se logró determinar que la producción realizada por la máquina en un día triplica a la producción actual de 1.6Tn que es realizada por 10 personas en un día. Finalmente, las conclusiones muestra el cumplimiento de los objetivos. / Tesis

Estando el Perú ubicado en una zona con alta probabilidad de ocurrencia de movimientos telúricos, resulta necesario el uso de maquinaria que permita remover escombros y equipos para casos donde debido a un movimiento sísmico se tenga como resultado el derrumbe de viviendas o instalaciones industriales. Debido a que el ingreso a estas zonas constituye un peligro e implicaría el riesgo del personal a quedar sepultado bajo un derrumbe, resultaría conveniente tener maquinaria operada con mando a distancia que minimice los posibles daños personales. Asimismo un control autónomo del sistema de carga y descarga de material permitiría una rápida limpieza del área, facilitando al operador la ejecución de su trabajo reduciendo los efectos de la baja visibilidad. Para realizar este proyecto se requerirá del uso de cilindros hidráulicos con sensores de posición que determinen la altura y ángulo de ataque del cucharón del equipo para permitir reproducir el proceso de carga y descarga de forma autónoma usando para ello un controlador difuso. La realización del presente estudio permitirá implementar el mando a distancia para la operación de equipos que utilizan sistemas hidráulicos para realizar funciones tales como desplazamiento, giro, frenado así como la carga y descarga de material. Esta implementación contribuirá elevar la seguridad en la operación de equipos en zonas de alto riesgo. / Tesis

En esta Tesis se diseña una Maquina Plegadora de Paneles Corrugados, con la finalidad de mejorar e incrementar la producción de Transformadores de Distribución, tema de interés para nuestra industria. El diseño se lleva a cabo empleando “El método generalizado de procedimiento en el proceso de diseño”, éste método optimiza cada una de sus fases con criterios de evaluación que conducen a la optimización del diseño. Se evalúa el estado de la tecnología, recurriendo a un sistema de patentes, rescatando la información necesaria para comprender el problema. A continuación se elabora una lista de exigencias que plantea los objetivos para el diseño, luego, a través de una abstracción se logra disgregar y ordenar la Estructura de Funciones que define el comportamiento de la maquina en cuestión; las mismas que deberán ser suplidas por portadores de función que son presentados en una Matriz Morfológica. Ordenada y asimilada la información, se elaborara y presenta, las posibles de combinaciones, a manera de esquemas cualitativos, mostrando una idea aproximada de la disposición de los portadores de función. De acuerdo a la lista de exigencias se evalúa las combinaciones y se procede a la elaboración del proyecto, enfocándolo en la función principal de “Plegado”. Se estima las cargas requeridas para el proceso de plegado, con la finalidad de dimensionar apropiadamente los componentes hidráulicos y estructurales. Posteriormente se establece la secuencia de trabajo, la selección y dimensionado de los componentes del circuito hidráulico responsable de dicha secuencia. / Tesis