Ingeniería en Instrumentación y Control

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Arquitectura de control reactiva para la plataforma robótica Turtlebot II basada en el software ROS (Robot Operating System)
(Politécnico Colombiano Jaime Isaza Cadavid, 2016) Uribe Patiño, Thomás; Serrate Hincapié, Alejandro; Muñoz Ceballos, Nelson David; Urdinola Restrepo, Álvaro
En el presente trabajo de grado se lleva a cabo el diseño de una arquitectura de control reactiva para la plataforma robótica TurtleBot II, haciendo uso del software ROS como herramienta de implementación del algoritmo de control. La primera parte del trabajo consiste en el estudio del sistema físico de la plataforma robótica y del sensor Kinect que interactuará con el entorno, así como también del estudio del software ROS y de las estructuras que lo conforman. Luego se hace la descripción de la cinemática empleada en la TurtleBot II, la cual es base para comprender las componentes de velocidad lineal y angular que están involucradas para la locomoción de la plataforma. Seguidamente se analizan los sensores propioceptivos y exteroceptivos que se emplean para suministrarle información de las condiciones internas y externas de la plataforma a los controladores empleados para la navegación. Luego se expone la arquitectura de control a implementar y se lleva a cabo el diseño de los tres controladores fuzzy que intervendrán en los comportamientos reactivos de orientación, desplazamiento lineal y evasión de obstáculos; así como de la conmutación de los mismos; A partir de la distancia obtenida del sensor láser del Kinect, la posición dada por la odometría y el sentido de giro del Gyrosensor de la base Kobuki. Finalmente se diseñaran unas pruebas donde se evalúan dos arquitecturas de control y se les hacen una comparación mediante métricas de desempeño.
Caracterización de controladores digitales MRAC, MVR2 y predictivo para una planta virtual no lineal, utilizando el lenguaje Python
(Politécnico Colombiano Jaime Isaza Cadavid, 2016) Córdoba Juzga , Juan Felipe; Correa Posada, Andrés Felipe; Benitéz , David; Urdinola Restrepo , Álvaro
La tecnología del siglo 21 ha crecido considerablemente con respecto a sus antecesores, uno de los aspectos fundamentales es la inclusión de herramientas informáticas para la creación de softwares de procesamiento de datos y control de procesos industriales, las necesidades de tener sistemas confiables de bajo costo, rápida implementación y fácil operación. Las herramientas para la creación de dichos softwares cada vez presentan compiladores de más alto desempeño y menor tiempo de implementación como el caso del lenguaje PHYTON y su compilador Pycharm, teniendo como principal filosofía ser OPEN Source (código abierto de dominio público) hace que la implementación sea código libre multi-plataforma es decir puede operar en Windows, Linux Y MAC OS.
Diseño de un sistema de control adaptativo tipo servo-integrador para regular la posición angular de una compuerta accionada por una corriente de aire
(Politécnico Colombiano Jaime Isaza Cadavid, 2016) Jiménez Guarín, Omar Alberto; Arango Osorio, Jorge Iván; García Jaimes, Luís Eduardo; Urdinola Restrepo, Álvaro
En este trabajo se presenta el diseño del control adaptativo de la posición de una compuerta que es accionada por dos ventiladores axiales, para dicho control requiere de una captación del ángulo real del proceso a través de una cámara web y una adaptación mediante un estimador en línea para los controladores previamente diseñados, estos deben presentar un buen desempeño en su funcionamiento garantizando velocidad de repuesta y un error en estado estable bajo. El inicio del trabajo es la descripción de la planta en su estado original para entender su funcionamiento y las modificaciones realizadas para el proyecto, donde la más importante es la adquisición de datos a través de visión artificial por medio de una cámara web y la adición de un ventilador para aumentar la fuerza aplicada en la compuerta. Con la planta en un óptimo estado se procede a la identificación de la misma por métodos experimentales y métodos analíticos con el fin de obtener un modelo, e iniciar todo el proceso para la adaptación de la planta para generar los parámetros requeridos por la ley de control con lo que garantizaremos los lazos de control adaptables Los controladores son unos de los últimos pasos, para el trabajo se utilizó un controlador tipo servo con integrador adaptativo el cual se desarrolla con la intención de mejorar el sistema cada vez que la adaptación estime de nuevo los parámetros, además también se implementa un controlador PI convencional y ambos se ejecutan en el software LabView® que integra todos los sistemas, como lo es la adquisición de datos y la ejecución de los controladores. Por último se comparan los controladores realizados y se utiliza las métricas del error para realizar una evaluación entre el controlador tipo servo con integrador y el controlador PI convencional con el fin de realizar unas conclusiones y entregar una planta de carácter pedagógico donde se pueden realizar prácticas de laboratorio que simulan controles muy complejos y una planta de singulares características.
Diseño e implementación de planta didáctica de nivel con tanques concéntricos interconectados para la implementación de técnicas de control convencional y avanzado
(Politécnico Colombiano Jaime Isaza Cadavid, 2016) Londoño Narcizo, Brayan Alexander; Urán Ospina , Iván Darío; Sarmiento Maldonado , Henrry Omar; Urdinola Restrepo , Álvaro
Para este trabajo se diseñó e implemento una planta de nivel portátil de tanques concéntricos interconectados de bajo costo y que emula un sistema convencional de tanques en serie, pero el diseño innovador y poco convencional que este presenta cambia de manera drástica la dinámica del sistema, el cual será tema de estudio para el desarrollo de cada uno de los capítulos que componen este documento. En cuanto al prototipo, está conformado por dos tanques de diferentes dimensiones de tal manera que un tanque pueda albergar en su interior el otro, además de que están interconectados entre ellos, también se realiza la recirculación del agua por medio de bombas sumergibles de pequeñas dimensiones las cuales son consideradas como el elemento final de control de la planta. Como todo proceso existe la necesidad de medir el valor de la variable a controlar, para este caso se cuenta con dos sensores de presión diferencial que permiten la medición de la variable (nivel) en cada uno de los tanques. En segunda instancia se realiza la identificación del proceso con el fin de determinar el comportamiento del sistema, hay que mencionar que para establecer las funciones de transferencia que representen de manera idónea la dinámica del sistema se realizaron tres procedimientos diferentes los cuales fueron: el método fenomenológico en el cual se tienen en cuenta las diferentes variables físicas que interfieren en la planta, un método no paramétrico RLS (Recursive Least Squares) el cual estima constantemente el modelo del sistema y un método no paramétrico en el cual se efectúa una confrontación entre las funciones obtenidos por curva de reacción y toolbox ident de Matlab® para modelos de primer y segundo orden con el objetivo de elegir la función de transferencia más apropiada.
Diseño e implementación de un controlador predictivo GPC para modelo físico de horno de panadería
(Politécnico Colombiano Jaime Isaza Cadavid, 2016) Rodríguez Vera, Carlos Arturo; Londoño Sánchez, Juan Carlos; Bustamante, Julián; Urdinola Restrepo, Álvaro
Los hornos automáticos han venido facilitando mucho el trabajo en las panaderías Industriales, comerciales y residenciales, estos ayudan a minimizar bastante los tiempos de cocción, en comparación a los hornos manuales. Una de la desventaja que frecuentemente presentan los hornos comúnmente conocidos en las panaderías, es que tienen controladores del tipo ON-OFF los cuales ostentan poca precisión en variable contralada, generando temperaturas con mucho error respecto al set-point programado. Aunque existen hornos con mucha tecnología en los paneles electrónicos y controladores de temperatura para la manipulación del set-point, control y visualización de la variable, los controladores utilizados en los hornos de panadería sen san la temperatura, realizan sus cálculos internos y su ley de control programada es abrir y cerrar un contacto auxiliar que energiza una resistencia o un quemador. En esos controladores de temperatura la configuración normalmente realizada es prender y apagar el elemento final de control unos grados por encima y unos grados por debajo de la variable medida. En este trabajo de grado se implementó un controlador avanzado predictivo GPC con el fin de minimizar los tiempos de cocción, el ahorro energético y la velocidad de respuesta, incluso cuando se presenten perturbaciones”, porque el algoritmo del GPC tiene la capacidad de predecir la salida hacia el elemento final de control y este comportamiento ayuda a que el esfuerzo de control sea mayor o menor de acuerdo a dicha perturbación. Para la implementación de esta solución se fabricó y se identificó el modelo físico horno de panadería que permitió simular el comportamiento real de los hornos industrialmente usados. Al horno de panadería se le instaló una turbina que mueve al aire caliente al interior del horno, se colocó una resistencia como elemento final de control que permitió aumentar o disminuir la temperatura según la ley de control generada por el algoritmo del control predictivo. Se desarrolló una interfaz gráfica de usuario en LabView® para poder colocar un set-point variable y a su vez visualizar el comportamiento de la variable temperatura en el modelo físico de horno de panadería. En la etapa de diseño e implementación se pudo evidenciar que el controlador avanzado GPC requería un tratamiento matemático riguroso y también una implementación más detallada para su buen comportamiento. Todo este preámbulo es justificable debido a que es un controlador que permite varias configuraciones según las necesidades planteadas. Aparte de la implementación del control GPC de temperatura queda abierta la posibilidad de realizar otro tipo de controladores al modelo físico de horno de panadería como controlador de humedad para el crecimiento de los productos, controlador de velocidad para turbina y controlador de fallas en el sistema con propósitos de monitoreo y así poder analizar la aplicabilidad de los diferentes controles avanzados en la industria alimenticia.
Diseño e implementación de un sistema de control y monitoreo de un invernadero para cultivos hidropónicos
(Politécnico Colombiano Jaime Isaza Cadavid, 2016) Ceballos Cano, Julián; Gaviria Cardona , Sebastián; Muñoz Ceballos , Nelsón David; Urdinola Restrepo, Álvaro
Se elabora un trabajo de grado que tiene como finalidad el Diseño e implementación de un sistema para controlar y monitorear localmente y a distancia las variables temperatura y humedad relativa, de un invernadero para cultivos hidropónicos. Este proyecto surge de la necesidad de controlar el ambiente del invernadero localizado en el Politécnico Colombiano Jaime Isaza Cadavid, Sede Poblado, que es parte del convenio de cooperación entre el Politécnico y la empresa IBA GLOBAL SA. Para desarrollar el proyecto en el invernadero, se identifica el comportamiento de la temperatura y humedad relativa en su ambiente. Conviene subrayar que los principales actuadores, con los cuales se automatiza el invernadero son: un ventilador que homogeniza el aire en el interior del invernadero, un ventilador que ingresa aire más fresco y un extractor que evacua el aire más caliente. Los tipos de controladores que se utilizan para automatizar el invernadero se programan en un Arduino Yún, estos son: controlador predictivo generalizado para la temperatura y un controlador proporcional más integral adaptativo para la humedad relativa. En donde el elemento final de control para el controlador predictivo es el extractor que evacua el aire caliente, en cuanto al controlador adaptativo es el ventilador que ingresa aire fresco. Durante el tiempo que se desarrolla el trabajo se logra validar el impacto que tienen los controladores en el crecimiento de las plantas, esto debido a que se comparan las plantas que estaban en el ambiente no automatizado con las plantas que están en el ambiente automatizado, de lo cual se observa que el impacto de los controladores influye en la calidad de las plantas y disminuye o evita la presencia de plagas en el ambiente.
Diseño e implementación para un sistema de viga y bola utilizando un controlador con observador de estados de orden reducido
(Politécnico Colombiano Jaime Isaza Cadavid, 2016) Cadavid Álzate , Jorge Daniel; López Giraldo , Juan Camilo; García Jaimes , Luís Eduardo; Urdinola Restrepo , Álvaro
En este trabajo se presenta el diseño de una planta inestable de tipo bola y viga, utilizando como controlador un observador de estados de orden reducido, para implementar el controlador es necesario garantizar una rápida velocidad de logre estabilizar la bola en el punto de referencia deseado. El trabajo inicia con el desarrollo e implementación del prototipo realizando la descripción de cada uno de los elementos que la comprende, desde la parte mecánica como la parte electrónica, finalizando con su funcionamiento detallado. Una vez elaborado el prototipo en óptimas condiciones el paso a seguir es obtener un modelo aproximado del sistema que permita diseñar los controladores, al ser una planta inestable no se puede identificar por métodos paramétricos o no paramétricos, debido a esto se procede a encontrar un modelo por medio de leyes físicas fundamentada esta teoría en las ecuaciones de Euler LaGrange, de esta manera asegurar que el modelo resultante es válido e iniciar el proceso de adaptar la planta, generando parámetros los cuales deben garantizar una buena ejecución del control en el sistema por medio de la ley de control. Luego se procede a diseñar las controladores, para el trabajo se utilizó un observador de estados de orden reducido con la intensión de proponer un controlador avanzado no visto durante el programa académico, estimando de forma permanente el error del sistema y su estabilización, luego de obtener la estabilización del sistema, se procede a implementar un controlador clásico conocido como PID, ambos desarrollados en el software LabView®, donde se desarrolla la parte de control contemplando una interfaz gráfica para obtener la respuesta en tiempo real y permitir la manipulación del sistema. Por último se procede a comparar los controladores por medio de las métricas del error con el fin de obtener un resultado sobre la respuesta y el esfuerzo de control de cada controlador sobre la planta prototipo.
Implementación de un control PI y servointegrador adaptativo en la Microcentral de Energía América
(Politécnico Colombiano Jaime Isaza Cadavid, 2016) Betancur Restrepo, Diego Armando; Vásquez Salaza, Rubén Darío
El objeto de estudio de este trabajo de grado se basa en una microcentral de energía hidroeléctrica ubicada en una de las instalaciones de las Empresas Públicas de Medellín E.P.S., la cual está construida con una turbina tipo Francis. Lo que hace esta empresa es aprovechar la energía potencial por la altura que se genera en las plantas de potabilización y algunas instalaciones de almacenamiento de agua, esta energía potencial se transformarla en energía eléctrica a través de una turbina y un generador. Como el proceso en esta instalación es de almacenamiento y distribución del agua potable para la comunidad, se requiere regular este caudal de entrada al tanque que pasa por la máquina, este caudal se regula por medio del distribuidor del equipo. El sistema para poder regular este caudal y poder controlar el nivel del tanque, tiene un algoritmo de control PID, la dificultad del proceso se da en el momento de estabilizar la variable, ya que las condiciones del proceso no siempre son las mismas y por perturbaciones, esto genera que los parámetros del controlador ya no sea los acordes, esto genera oscilación en la variable y en el EFC. Se implementa un algoritmo control PI y un servo con integrador ambos adaptativo ya que cuentan con un identificador en línea RLS, que está en todo momento estimando los parámetros de la planta y entregando estos parámetros al algoritmo de control. Antes de implementar los algoritmos en el controlador del proceso, primero se conoce el sistema para determinar su correcto funcionamiento. Se realiza la identificación del sistema para determinar la dinámica de la planta, el comportamiento del sistema se aproxima a una planta de primer orden con retardo ya que gráficamente la respuesta fue muy similar a dicho modelo. Con el modelamiento de la planta por métodos no paramétricos se pudo identificar su ganancia, su constante de tiempo y su tiempo muerto, primero se realiza el algoritmo para la identificación en línea RLS y se implementa con un PI sintonizado con las tablas Cohen Coon, el estimador queda en línea entregándole al controlador los parámetros de la planta y así simultáneamente con las ecuaciones de la ganancia proporcional y el tiempo integral se controla el sistema de forma adaptativa. De igual forma se realiza para el controlador avanzado tipo servo con integrador, el procesamiento de las matrices para este sistema se realiza en el PLC y constantemente se están calculando con los parámetros de la planta entregados por el identificador en línea RLS. Aprovechando que este sistema cuenta con una interfaz humano máquina HMI, se realiza una interfaz de usuario para que el personal encargado del soporte y mantenimiento de la parte de control pueda parametrizar dichos algoritmos. Se compara los tres sistemas de control por medio de las métricas del integral del error, para este proceso hubo un mejor comportamiento del PI adaptativo, al parecer por bajo consumo de procesamiento y por ser más rápido, aunque el servo con integrador también tiene un buen desempeño en la respuesta de la planta.
Implementación de un manipulador vertical electroneumático de carga con controlador PID mas filtro de media móvil para pesos variables
(Politécnico Colombiano Jaime Isaza Cadavid, 2016) Gallego Builes, Sara María; Ruíz Álzate, Juan Camilo; Maya Londoño , David; Urdinola Restrepo , Álvaro
En el presente trabajo se presenta el diseño y la implementación de un sistema manipulador electro neumático vertical para cargas variables con un controlador PID más filtro de media móvil, el sistema antes mencionado consta de un actuador neumático, una celda de carga tipo S encargada de enviar la señal correspondiente al peso que va a ser levantado, un PLC S7-1200 que enviará la señal de control a una válvula transductora y esta a su vez enviará la señal análoga al actuador neumático para sostener dicho peso. Para hallar el modelo de la planta se utilizó inicialmente la ecuación de la fuerza (segunda ley de Newton), incluyendo la ley universal de los gases y las constantes de la válvula y el cilindro utilizados para la implementación del prototipo, seguido a esto se propuso hallar los parámetros del controlador PID mediante el método de sintonización de Ziegler – Nichols, en este punto se trato primero de llevar el modelo de tercer orden a uno de primer orden con retardo mediante el toolbox identi de matlab y de esta manera obtener los valores correspondientes al tiempo integral, tiempo derivativo y ganancia, este paso no se pudo llevar a cabo debido a que las aproximaciones no se podían dar, ya que el sistema en lazo abierto no es estable por la acción del polo en el origen, por esta razón se hizo uso del segundo método de sintonización de Ziegler – Nichols que corresponde a hacer que el sistema tenga unas oscilaciones sostenidas y de esta forma, valiéndose de la ganancia que genera las oscilaciones en el sistema y el periodo entre picos se lograran hallar los parámetros del controlador, obteniendo como resultado el controlador PID para el sistema, además de esto se buscó un controlador adicional que satisficiera el correcto funcionamiento de la planta, para esto se diseñó un controlador – observador de orden completo, el cual a pesar de no tener relación directa con un PID deja una idea clara de cómo controlar el proceso para brindar recomendaciones para posteriores implementaciones, paso seguido se realizó el filtro de media móvil deseado para que el sistema tenga un retardo en su accionamiento y se eviten accidentes por la velocidad del desplazamiento del actuador.8Se diseñó el prototipo virtual y de este se pasó al prototipo físico, programando inicialmente el PLC a utilizar con los parámetros hallados para el controlador PID más su filtro de media móvil, mediante el software TIA V13, se realizaron las pruebas para que este cumpliera con la función para la cual fue diseñado, lo cual no fue posible debido a que la ganancia era muy pequeña para lograr cambios en el sistema por lo que se realizaron ajustes en los parámetros del controlador y de esta forma el prototipo funcionó correctamente
Implementación de un sistema automático para dispensar frutas
(Politécnico Colombiano Jaime Isaza Cadavid, 2016) Romero Gaspar , Jaime Humberto; Henao Henao , Carlos Alberto; García Jaimes , Luís Eduardo; Urdinola Restrepo , Álvaro
En este trabajo se presenta la descripción para la implementación de un sistema automático para dispensar frutas, haciendo uso de la plataforma Arduino MEGA. Se inicia con la realización de una investigación en el mercado local a través de encuestas, para identificar cuáles son las frutas de mayor consumo y la forma de distribución de éstas, para luego ser utilizadas en el prototipo, se identifica frutas de contextura esférica con cierta tolerancia como los aguacates y mangos. Posteriormente se presenta el diseño de un sistema electromecánico que genera el desplazamiento de las frutas de forma adecuada, sin maltratarlas, con la ayuda de un servomotor para generar el movimiento, diseñado inicialmente con materiales maleables como el cartón que permitan la modificación de la estructura hasta llegar al objetivo final de movimiento preciso; Además un sistema de refrigeración que permite conservación por más tiempo, mediante la adaptación de una nevera minibar con un sistema de celdas de peltier; También se desarrolla un programa de automatización bajo lenguaje C utilizando un microcontrolador con una interface usuario-máquina, para visualizar y validar el dinero ingresado, el cual es de forma exacta, debido a que el sistema de pago no realiza la devolución del dinero por su tamaño y tecnología, también cuenta con unos procesos de entrega garantizada en los cuales se determine que no está apto para la venta del producto, así como un sistema electrónico de potencia adaptado al sistema electromecánico de entrega de la fruta. Finalmente se realiza el proceso de validación de entrega del producto con la ayuda de un display con tecnología I2C que indique que el procedimiento ha terminado.
Implementación de un sistema de control predictivo generalizado en Raspberry PI para una planta de temperatura y una aplicación Web en la nube para control, monitoreo y registro en tiempo real.
(Politécnico Colombiano Jaime Isaza Cadavid, 2016) Zapata Caro , Suleidy Stefanía; Moreno Ramírez, Luis David; Urdinola Restrepo , Álvaro
En el trabajo de grado se presenta el desarrollo de un sistema de monitoreo y registro real de las respuestas de dos controladores implementados sobre una planta de temperatura. Los controladores diseñados corresponden a estrategias avanzadas como lo son el controlador PI adaptativo y el controlador predictivo GPC ambos implementados en un ordenador de placa reducida, Raspberry PI. En el trabajo se muestra la caracterización de los componentes que estructuran la planta de temperatura y los elementos utilizados para la implementación de los controladores y la conectividad con la plataforma de monitoreo. Para obtener información inicial de la dinámica de la planta de temperatura se hace la identificación del sistema. Los resultados de la identificación permiten la generación de un modelo para la inicialización del vector de parámetros utilizados en la estimación en línea de la dinámica del sistema e implementando el algoritmo RLS con factor de olvido adaptativo. Luego de presentar el método de estimación en línea se presenta el diseño de los algoritmos de control PI adaptativo y control GPC escritos nativamente sobre Python y servido de forma dedicada en una Raspberry PI. Los resultados de los controladores se muestran en la aplicación Web. Esta última comprende el diseño visual, de servicio y de comunicación en tiempo real, así como un enlace entre los algoritmos de control y la aplicación. El trabajo finaliza con la comparación del desempeño de los controladores mediante métricas del error y respuesta temporal. La plataforma Web se presenta como una alternativa de programación sobre software libre resaltando la posibilidad de implementación de sistemas de monitoreo a bajo costo.
Sistema remoto de alarma y monitoreo ambiental del Contaminante Black Carbón en la estación ambiental del Politécnico Colombiano Jaime Isaza Cadavid
(Politécnico Colombiano Jaime Isaza Cadavid, 2016) Vásquez Rodríguez, Jonathan Andrés; Muñoz Ceballos , Nelsón David; Urdinola Restrepo , Álvaro
En el trabajo de grado se presenta el desarrollo de un sistema complementario para el monitoreo de Black carbón en el Politécnico Colombiano Jaime Isaza Cadavid con la implementación de sensores de variables meteorológicas y el uso de una interfaz software para el monitoreo a través de internet. Implementando un sistema de reporte de datos y alarmas para los procesos de monitoreo del contaminante. En el trabajo se muestra la integración de una serie de sensores de variables meteorológicas que complementarán las mediciones de Black carbón con el equipo de medición automática “Etalómetro” en el Politécnico Colombiano Jaime Isaza Cadavid, con el fin de esclarecer determinados índices de contaminación que pudieran ser generados por el estado del clima en determinado instante. Para realizar de una mejor manera el monitoreo se realiza una interfaz software de visualización de las indicaciones del contaminante y de las variables meteorológicas que complementan el sistema de monitoreo de Black carbón. Esta interfaz cuenta con varios tipos de indicaciones, las cuales ayudan a la interpretación de la medición, tales como gráficas, tablas e indicaciones en tiempo real del estado de las variables correspondientes de la estación ambiental. Luego se establece una comunicación por internet entre una tarjeta de adquisición de datos responsable de obtener los valores de los sensores y la interfaz de monitoreo la cual se desarrolla en el software Labview. La tarjeta de adquisición se conecta a internet por medio de WIFI y sube constantemente los datos de los sensores a la plataforma Ubidots la cual los almacena y dispone para que la interfaz los descargue automáticamente y los procese adecuadamente. Después de desarrolla un sistema que genera un reporte de datos para almacenar el registro completo de los procesos de medición y estar disponibles para un posterior estudio o análisis que sea necesario para algún proyecto futuro que los necesite. Junto con esto; mostrar alarmas para cuando el contaminante supere los índices normales o previstos que puedan causar daños significativos para la calidad del aire y para la salud de las personas que puedan formar parte del ambiente de monitoreo.

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