Maestría en Ingeniería - Automatización Industrial

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Desarrollo de una estrategia de control para el seguimiento de trayectorias de un vehículo aéreo no tripulado
(Universidad Nacional de Colombia, 2024) Sánchez Alarcón, Omendey de Jesús; Rivadeneira Paz, Pablo Santiago
Los vehículos aéreos no tripulados (UAV, de su sigla en inglés Unmanned Aerial Vehicle) ofrecen soluciones a tareas complejas en muchos ámbitos ingenieriles dada su maniobrabilidad y portabilidad. La gran mayoría de soluciones se logran aplicando estrategias de control sobre el UAV de tal forma que este pueda seguir una trayectoria demandada por la tarea en cuestión. La implementación de controladores para el seguimiento de trayectorias generalmente requiere un conocimiento preciso de la dinámica del UAV mediante un modelo matemático, el cual, a pesar de estar ampliamente trabajado en la literatura, no es común que se contemple las dinámicas de los actuadores, dejando la puerta abierta a posibles falencias o aspectos a mejorar a la hora de implementar una estrategia de control de forma práctica. De manera adicional a lo anterior, el desarrollo e implementación práctica de las estrategias de control en sus etapas tempranas implica un alto riesgo para la seguridad tanto del personal que realiza dicha implementación como del UAV en cuestión, ya que un error mínimo puede desencadenar tanto la destrucción del UAV como un daño a la integridad física de quien lo opera. Por todo lo anterior, en esta tesis se propone en primera instancia diseñar e implementar estrategias de control para el seguimiento de trayectorias, las cuales tengan en cuenta las dinámicas de los actuadores. Dichas dinámicas se modelarán mediante un proceso de identificación paramétrica bajo una estructura de segundo orden y primer orden en tiempo discreto. En segunda instancia, se desarrolla una plataforma o estructura equipada con mecanismos y la electrónica necesaria para monitorear, adquirir datos en tiempo real y permitir el movimiento angular libre del UAV, de tal forma que se puedan realizar pruebas sin riesgo de destruirlo o causar un daño físico a quien se encarga de las implementaciones. Finalmente, se presentan los resultados prácticos de las implementaciones reales y se contrastan con los arrojados por las simulaciones computacionales.
Identificación de eventos delictivos a partir de señales de audio utilizando modos de correlación wavelet
(Universidad Nacional de Colombia, 2024) Álvarez Osorio, Carlos Andres; Bolaños Martinez, Freddy; Fletscher Bocanegra, Luis Alejandro
Durante muchos años, la seguridad en los entornos urbanos ha sido una preocupación para los habitantes de todas las ciudades del mundo. A causa de la inseguridad que existe en mayor o menor medida, los gobiernos en diferentes regiones del mundo buscan continuamente mecanismos para prevenir actos criminales. Este estudio presenta un método que busca prevenir delitos utilizando señales de audio que pueden capturarse en un entorno urbano. Por ello, se utiliza una técnica emergente, denominada modos de correlación wavelet, con el fin de representar señales de audio de forma compacta, tras lo cual se implementa un método basado en aprendizaje automático para clasificar las señales de audio en dos categorías: aquellas asociadas con un evento o crimen violento o aquellos asociados con un evento común (no violento o no criminal). En el estudio realizado, fue posible concluir que los modos de correlación de wavelet permiten realizar la clasificación de este tipo de señales con una precisión mayor al 80 % y con tiempos de ejecución menores a 1 segundo, utilizando un máximo de 4 características para el entrenamiento de los modelos. Las pruebas se realizaron en un computador portátil con sistema operativo de 64 bits, procesador x64, Windows 11, procesador AMD Ryzen 5 5500U, 16 Gb de RAM. (Tomado de la fuente)
Detección, localización y sujeción de una línea de media tensión por medio de técnicas de visión artificial
(Universidad Nacional de Colombia, 2024) Lopez Castaño, Alay Camilo; Bolaños Martínez, Freddy; Zapata Madrigal, German Darío; https://scienti.minciencias.gov.co/cvlac/visualizador/generarCurriculoCv.do?cod_rh=0001997474; Lopez Castaño, Alay Camilo [0009-0007-4283-5531]; Grupo Teleinformatica y Teleautomatica
Esta tesis presenta una metodología para la detección, segmentación y sujeción de líneas eléctricas de media tensión compactas, orientada a mejorar la autonomía de los robots en tareas de mantenimiento e inspección. Utilizando un enfoque que combina umbrales de profundidad y color para la segmentación y localización de las líneas, el algoritmo propuesto ofrece una solución específica para la identificación de líneas eléctricas compactas en diversos entornos, este enfoque se combina con la detección de contornos para realizar segmentación de instancia, lo que permite discriminar cada una de las líneas eléctricas. Para la sujeción se aborda el problema de planificación de trayectoria, primero, estimando la posición y orientación de la línea eléctrica en el espacio, luego, moviendo el robot a través de tres puntos 3D que dependen de las condiciones iniciales del robot, y la orientación y posición de la línea. El algoritmo propuesto para la detección y segmentación de la línea resulta ser comparable en términos de precisión y desempeño con la de YOLOv8 nano. Además, se evalúa la eficacia del algoritmo para la estimación de la posición de la línea en un entorno práctico mediante el análisis de la precisión de la metodología para estimar la posición 3D del efector final de un robot, obteniendo un error promedio de 3 cm, basado en la medición de cien puntos distintos. Los resultados indican una precisión aceptable en el contexto de este trabajo. Esta investigación no solo destaca la viabilidad del algoritmo propuesto para la automatización en el sector eléctrico, además, establece un marco para futuras mejoras y aplicaciones en el campo de la robótica y el mantenimiento de líneas eléctricas. (Tomado de la fuente)
Aplicación de técnicas de aprendizaje de máquina al análisis de archivos de video para la detección de delitos
(Universidad Nacional de Colombia, 2024) Londoño Lopera, Juan Camilo; Bolaños Martinez, Freddy; Luis Alejandro Fletscher Bocanegra
Esta tesis se centra en el desarrollo de una aplicación para seguridad ciudadana mediante técnicas de aprendizaje de máquina, con el objetivo principal de detectar delitos a través del análisis de archivos de video. La investigación comienza con una revisión sistemática de las técnicas más relevantes, estableciendo criterios de selección que priorizan estructuras capaces de integrar eficientemente la dimensión temporal. Se favorecen modelos de aprendizaje de máquina, que ofrecen versatilidad para la incorporación de nuevos parámetros, especialmente aquellos basados en esquemas espacio-temporales, fundamentales para el análisis de video y la consideración del contexto temporal de los eventos. Dado que la recolección de datos extensos y etiquetados resulta inviable en el marco temporal del proyecto, se opta por utilizar simulaciones basadas en conjuntos de datos públicos en lı́nea diseñados especı́ficamente para la detección de delitos. Se selecciona cuidadosamente al menos un tipo de delito para la investigación, considerando su relevancia y disponibilidad de repeticiones para el desarrollo efectivo del modelo de predicción. La validación del modelo se lleva a cabo mediante una evaluación exhaustiva, utilizando diversos conjuntos de datos previamente seleccionados y parámetros clave de desempeño, como la curva ROC - AUC. Este enfoque integral busca garantizar la eficacia y aplicabilidad del modelo en entornos prácticos y del mundo real. (Texto tomado de la fuente)
Sistema de soporte al diseño activo y pasivo de construcciones sostenibles
(Universidad Nacional de Colombia, 2022-10-28) Lage Cano, Esteban Camilo; Espinosa Oviedo, Jairo José; Portilla Caicedo, Christian; Lage, Esteban [0000-0002-9842-3313]; Espinosa Oviedo, Jairo [0000-0002-0969-741X]; Portilla Caicedo, Christian [0000-0003-0302-0763]; Grupo de Automática de la Universidad Nacional Gaunal
En este trabajo se presenta una herramienta desarrollada con el objetivo de brindar soporte al diseño activo y pasivo de una construcción. Esta herramienta utiliza la metodología de modelado de resistencia y capacitancia térmica para estimar las dinámicas térmicas y energéticas de una construcción. El soporte consiste en proporcionar sugerencias al profesional diseñador principalmente sobre el diseño pasivo de la construcción. Estas sugerencias se producen mediante la solución de un problema de optimización multiobjetivo basado en simulación en el que se optimiza el costo de inversión inicial de los materiales de construcción, el confort y el consumo energético. El método de optimización es desarrollado mediante la integración del algoritmo de evolución diferencial programado en Python con OpenModelica como el software de simulación de la construcción. Esta herramienta utiliza las librerías Aixlib y Buildings desarrolladas en el marco del proyecto IEA EBC Annex 60 en el lenguaje Modelica. Esta herramienta metodológica es aplicada al caso de estudio establecido en la Sección 5.2.1 de la norma ANSI/ASHRAE 140-2001, el Caso de Prueba 600. En el método de optimización, se toman como variables de decisión la orientación, la inclusión o exclusión de toldos, las propiedades térmicas de la envolvente térmica y el tamaño y propiedades térmicas de las ventanas. Como función objetivo para optimizar el confort, se cuenta con el índice PPD desarrollado por Fanger [19], para cuantificar el consumo energético se cuenta con las cargas anuales de refrigeración y calentamiento, y para optimizar la inversión inicial en el costo de los materiales, se presentan tablas con los valores estimados de los mismos. Tras utilizar la herramienta en el caso de estudio, se obtuvo un ahorro en la carga de refrigeración del 72 % y del 83 % en la carga de calentamiento, con respecto a la configuración inicial, interviniendo únicamente en el diseño pasivo de la construcción. (Texto tomado de la fuente)
Sistema de toma de decisiones para la ubicación, dimensionamiento y despacho óptimo de las estaciones de carga para el abastecimiento energético de un sistema de transporte eléctrico multimodal
(Universidad Nacional de Colombia, 2023-05-17) González Alzate, Juan Pablo; Espinosa Oviedo, Jairo José; González Alzate, Juan Pablo [0001823119]; Espinosa Oviedo, Jairo José [0000-0002-0969-741X]; González Alzate, Juan Pablo [0000-0003-0449-4194]; Grupo de Automática de la Universidad Nacional Gaunal
En esta tesis se propone un sistema de toma de decisiones para la ubicación, el dimensionamiento y el despacho óptimo de las estaciones de carga para el abastecimiento energético de un sistema de transporte eléctrico multimodal, que impacte positivamente la movilidad, el transporte y el medio ambiente. El sistema se compone por motocicletas híbridas, embarcaciones eléctricas y estaciones de carga con generación de energía fotovoltaica, respaldo energético de baterías y conexión a la red eléctrica. La ubicación y el dimensionamiento de estaciones de carga se basa en la programación lineal entera mixta (MILP por sus siglas en inglés) que integra costos de inversión, mantenimiento y energía no suministrada, perfiles de demanda, precios de energía, radiación y variables binarias que describen la carga y la descarga del respaldo energético. Además, para el desarrollo del despacho de energía en la estación de carga, se empleó un modelo discreto de predicción y se soluciona por medio del método de programación cuadrática (QP por sus siglas en inglés) para la maximización del beneficio del operador de la estación de carga. Dicha implementación requirió un software de simulación de movilidad urbana para validar el sistema de transporte eléctrico multimodal. Este software cuenta con la herramienta TraCI que permite la conexión con Python y dispone de una alta variedad de redes de tráfico de todo el mundo. Con esta herramienta se simularon 5 escenarios donde se obtuvieron ventajas a favor de los usuarios de la estación y ganancias considerables para los operadores de la estación de carga, además, los errores respecto al suministro y la demanda son menores al 1%. Además, El método óptimo propuesto para la ubicación y el dimensionamiento óptimo de estaciones, establece una cantidad de 4 estaciones de carga, cada una con 22 paneles solares y 10 puntos de carga. Así mismo, para un escenario que incluye conexión a la red eléctrica, se encontraron dimensiones para 1 día de operación de 10000 W de capacidad de la red. (Texto tomado de la fuente)
Desarrollo de una estrategia de control predictivo no lineal y estimación de entradas desconocidas con aplicaciones a procesos biomédicos
(Universidad Nacional de Colombia - Sede Medellín, 2022) Alzate Torres, Carlos Mauricio; Rivadeneira Paz, Pablo Santiago; Villa Tamayo, María Fernanda; Villa Tamayo, María Fernanda [0000-0002-0839-4070]; Grupo de Investigación en Tecnologías Aplicadas Gita
Los sistemas no lineales representan, en muchos casos, un ideal en el campo del control pues tienen la capacidad de representar con alta delidad las dinámicas presentes en sistemas propios de diversos campos; sin embargo, se presenta una di ficultad a la hora de acceder a los benefi cios y detalles brindados teniendo en cuenta la complejidad asociada a estos modelos. Ahora, para acceder a estos bene cios, una práctica común ha sido la linealización de estos sistemas. Este proceso simpli ca el diseño, pero a la vez causa pérdida de propiedades o características de los sistemas no lineales, además de implicar la limitaci on del rango de operación dependiendo de la exactitud de la aproximación. Para solucionar estos inconvenientes, la presente tesis propone esquemas de control en MPC no lineales de tal manera que se acceda a los bene cios asociados a la realización de aproximaciones en cada paso de tiempo. Estos esquemas consisten, primero, en una estructura de control MPC impulsivo con variables arti ciales y, segundo, en un MPC con garantía de eliminación de offset con el objetivo de contrarrestar variaciones paramétricas que puedan presentar los sistemas. También se propone una serie de condiciones necesarias para que se verifiquen las propiedades de convergencia y atractividad de las formulaciones planteadas. Además, se evalúa el desempeño de estos esquemas frente a planteamientos lineales al implementarlos en problemas biomédicos descritos por dinámicas no lineales impulsivas, específicamente el tratamiento de cáncer de pecho con terapias virales de adenovirus y la regulación de niveles de glucosa en sangre en pacientes de diabetes mellitus tipo 1 con terapias de insulina aplicando una variación del modelo mínimo de Bergman. Posteriormente, se propone una generalización de las condiciones necesarias para el diseño de estimadores de entrada desconocida en sistemas lineales, se evalúa su influencia y el cómo estos pueden brindar bene ficios al acoplarse a esquemas de control para brindar informacón y atenuar el efecto de perturbaciones desconocidas en el caso específi co de la estimación de carbohidratos consumidos por un paciente en el tratamiento de diabetes mellitus tipo 1, considerando dinámicas lineales. (Texto tomado de la fuente)
Optimización del despacho de potencia reactiva en autogeneradores solares basado en la resolución CREG 015 de 2018
(Universidad Nacional de Colombia, 2022) Camacho Espitia, Melqui; Osorio Londoño, Gustavo Adolfo
La entrada en vigencia de la resolución CREG 015 de 2018 ha llevado a implementar acciones de control sobre el consumo y exportación de energía reactiva a los usuarios finales que han integrado autogeneradores solares como fuente de generación de potencia activa para sus instalaciones. Este trabajo busca brindar una solución a estos usuarios finales para que puedan hacer uso de las características de los inversores solares que permiten la generación de potencia reactiva. Se desarrollan dos algoritmos de control basados en el modelamiento matemático realizado en este mismo trabajo, los cuales son posteriormente simulados para evaluar su comportamiento con datos tomados de una planta de 1,8MWp, en la cual posteriormente son implementados los algoritmos durante periodos de tiempo de 30 días. Con la obtención de los resultados, se logró determinar una reducción del 99,4% en el exceso de consumo de energía reactiva inductiva y del 94,9% en la magnitud de la energía reactiva capacitiva. (Texto tomado de la fuente)
Desempeño de la interoperabilidad, escalabilidad y seguridad en las comunicaciones de una microrred de energía eléctrica
(Universidad Nacional de Colombia, 2022-03-28) Vargas Diaz, Jair Hernán; Zapata Madrigal, German; Pérez-González, Ernesto; Grupo Teleinformatica y Teleautomatica
En Colombia, se observa una baja implementación de microrredes eléctricas con sistemas de comunicaciones que aborde tecnologías emergentes como las IoT y la nube, estrechamente atado al desconocimiento de estas y a sus comportamientos dentro de las infraestructuras de comunicaciones para el sector eléctrico. En este trabajo de investigación, se evalúa el desempeño de las comunicaciones de una microrred (MG por sus siglas en inglés) de energía eléctrica. Para esto, se analizan las tres características principales en esta comunicación que son la interoperabilidad, escalabilidad y seguridad; a partir del establecimiento de un caso de uso y sus requisitos asociados para la realización de las pruebas diseñadas. Se crearon indicadores para cada una de estas características que permitieran medir su desempeño, encontrando los elementos en donde se requiere una mayor atención para mejorar los resultados obtenidos. A partir de los productos calculados, se llega a un valor global de desempeño del 75%, que permite concluir que la MG propuesta tiene un nivel medio, fortalecido por el buen actuar de la interoperabilidad y escalabilidad, aunque con notables mejoras a nivel de seguridad informática. Asimismo, se propone utilizar la metodología planteada, con el plan de pruebas y los indicadores planteados, para que sean aplicables en las futuras microrredes eléctricas o investigaciones asociadas a este tema de investigación. (Texto tomado de la fuente)
Método para la estimación de estado en procesos de molienda de minerales con molino semiautógeno
(Universidad Nacional de Colombia, 2022) Cortés Calle, Carlos César; Botero Castro, Héctor Antonio
La implementación de controladores avanzados en procesos de molienda de minerales que permitan la optimización, por ejemplo la minimización en el consumo de agua, requiere la medición completa del estado. Sin embargo, esto es en muchos casos imposible debido a la no disponibilidad de sensores para ello. Por lo tanto, en este trabajo se diseñó un estimador de estado tipo filtro de Kalman, para el proceso de molienda de minerales conocido como molino semiautógeno (SAG). Para lograr lo anterior, se obtuvo un modelo semifísico de base fenomenológica del proceso de molienda, se probó la observabilidad no lineal del mismo, se discretizó el modelo, se diseñó el estimador de estado tipo filtro de Kalman extendido, se simuló su comportamiento ante perturbaciones y se verificó el correcto funcionamiento del estimador. Finalmente, se explicaron las condiciones necesarias para la implementación real del estimador y se presentaron esquemas para mejorar el desempeño en una planta industrial. (Texto tomado de la fuente)
Propuesta metodológica para el procesamiento de señales y videos aplicada a la detección y caracterización de la multiplicidad de descargas eléctricas atmosféricas
(Universidad Nacional de Colombia, 2022-04-06) Orozco Gómez, Diego Hernando; Bolaños Martínez, Freddy; Herrera Murcia, Javier Gustavo; Grupo de Automática de la Universidad Nacional Gaunal
Actualmente diversas investigaciones se han enfocado en analizar a partir de videos de alta velocidad, características de las descargas eléctricas atmosféricas con el fin de adquirir mejor comprensión del fenómeno, que conlleva entre otros aspectos el desarrollo de sistemas de protección robustos. La mayoría de las investigaciones han requerido de un observador que ante el suceso del evento provea un disparo manual a la cámara permitiendo almacenar la información visual del fenómeno. Por tanto, este trabajo se orientó en proponer una metodología para la detección de las descargas utilizando dos implementaciones basadas en procesamiento de señales y visión computacional, con el propósito que el sistema autónomamente sea el que suministre el disparo, apartando al observador de la realización de esta tarea. El sistema de detección basado en técnicas de procesamiento de imágenes requirió la adecuación de métodos de segmentación, representación, descripción y clasificación. El algoritmo de reconocimiento con visión computacional se implementó mediante la red neuronal convolucional EfficientNetB4. Fuera de línea, las técnicas basadas en procesamiento de imágenes suministraron una precisión del 81.81%, mientras que haciendo uso de visión computacional la precisión fue de 71.63%. Con el objeto de evaluar el desempeño en tiempo real, las técnicas de procesamiento se adaptaron en un ordenador de placa reducida correspondiente a la Raspberry Pi 3 modelo B+ obteniéndose una precisión de 86.95%. Adicionalmente, se evaluó la característica de multiplicidad la cual corresponde al número de descargas subsecuentes presentes en el canal de la descarga logrando una precisión de 66.66%. (Texto tomado de la fuente)
Evaluación, selección y análisis de arquitecturas de comunicación para subestaciones digitales y su aplicación en empresas del sector Eléctrico
(Universidad Nacional de Colombia, 2020-12-15) Arias Giraldo, Tatiana; Zapata Madrigal, German; Perez Gonzalez Ernesto; Grupo de Investigación en Teleinformática y Telemática
Con el desarrollo tecnológico presente en los equipos de control y protección usados en subestaciones de alta y extra-alta tensión, que permiten la automatización de procesos, recolección, transferencia y gestión de la información a través de redes de datos, la norma IEC61850 ha establecido una tendencia para la digitalización tanto del nivel de estación (Niveles 1 y 2), como del nivel de proceso (nivel 0). Lo anterior, da como resultado subestaciones digitales, en las cuales, los buses de datos cobran mayor importancia y criticidad [2]. Una subestación digital es un componente clave que permite una red más inteligente. Las comunicaciones digitales a través de cables de fibra óptica, reemplazarán las conexiones de cobre tradicionales que utilizan señales analógicas, lo que aumentará la seguridad, la flexibilidad y la disponibilidad, al tiempo que reducirá el costo, el riesgo y el impacto ambiental. Las subestaciones digitales también incorporan dispositivos electrónicos inteligentes (IED) con tecnología integrada de información y comunicación. [1]; todo lo anterior confluye en un sistema seguro, confiable, redundante, resistente, crítico en el tiempo, eficiente, interoperable y muchas otras características más, que serán descritas a lo largo de este trabajo. (Texto tomado de la fuente)
Reducción de la incertidumbre en el monitoreo de los niveles de glucosa para personas con diabetes mellitus tipo 1 en presencia de mediciones asíncronas y pérdida de datos
(Universidad Nacional de Colombia, 2021-12-16) Hernández Gonzalez, Cristian Mateo; Isaza Hurtado, Jhon Alexander; Bolaños Martínez, Freddy; Grupo de Investigación en Tecnologías Aplicadas Gita
La diabetes Mellitus tipo 1 es una enfermedad en la cual el sistema homeostático de la glucosa se ve interrumpido debido a una respuesta autoinmune del cuerpo donde se destruyen las células beta del páncreas. Los tratamientos disponibles para ésta enfermedad son la terapia funcional de insulina y el tratamiento por medio de páncreas artificial. Estos dos tratamientos tienen como fundamento el monitoreo continuo de los niveles de glucosa. Dicho monitoreo se realiza por medio de monitores continuos de glucosa y/o glucómetros. El monitor continuo de glucosa toma mediciones periódicas mientras que el glucómetro toma mediciones esporádicas sincrónicas y asíncronas. Sin embargo, éste monitoreo no es preciso debido a fallas de los sensores, desconexión o mala manipulación del usuario, generando incertidumbre. Para abordar éste problema, en éste trabajo se diseñaron 3 técnicas para disminuir la incertidumbre en el monitoreo de los niveles de glucosa. Primero se plantearon cuatro instancias de medición (menor, mayor, intermedia y nula), con el fin de generar una representación matemática, gráfica y verbal de los problemas que se presentan en la medición. Como segundo paso se implementó un estimador tipo filtro de Kalman con aumento de estado el cual fusiona mediciones periódicas y esporádicas sincrónicas. De igual forma, se implementó un estimador basado en métodos de optimización (estimador de horizonte móvil) para fusiones datos periódicos y esporádicos. Además, basados en el aprendizaje de maquina se diseñó una Red Neuronal, la cual es capaz de entregar una señal aproximada de los datos reales, cuando se pierde la señal. Estos dos métodos, el estimador de horizonte móvil y la Red Neuronal se integraron con el fin de abordar las cuatro instancias de medición. Dicha integración permitió disminuir la incertidumbre en el monitoreo de los niveles de glucosa mejorando el índice de convergencia respecto a los método presentes en la literatura, permitiendo tener una aproximación más confiable de los niveles de glucosa para ejercer acciones de control, diagnosticar e implementar una terapia. (texto tomado de la fuente)
Desarrollo de estrategias para el uso eficiente de los recursos energéticos en un control predictivo basado en modelo implementado en un sistema embebido para el tratamiento de la diabetes mellitus tipo I
(Universidad Nacional de Colombia, 2022-03) Goez Mora, Jhon Edison; Vallejo Velásquez, Mónica Ayde; Rivadeneira Paz, Pablo Santiago
Los avances tecnológicos actuales han acercado a la realidad el proyecto de un páncreas artificial (PA) seguro, portátil y eficiente para personas con diabetes tipo 1. Entre las estrategias de control desarrolladas para la diabetes tipo 1, el control predictivo basado en modelo (MPC por sus siglas en inglés) se ha enfatizado en la literatura como un control prometedor para la regulación de la glucosa. Sin embargo, estas estrategias de control se diseñan comúnmente en un entorno simulado, independientemente de las limitaciones de un dispositivo portátil. En este trabajo, se evalúa el rendimiento de seis sistemas embebidos, tres paquetes de optimización de código abierto y cuatro formulaciones de MPC con un esquema de hardware en el ciclo (HIL por sus siglas en inglés), para encontrar la mejor combinación tomando como criterios de selección la temperatura del procesador, el tiempo de ejecución, el coeficiente de variación, el porcentaje de tiempo en normoglucemia, la energía consumida, la cantidad de eventos de hiperglucemia y la diferencia respecto a la evolución obtenida en MATLAB. Al escoger la mejor combinación se aplica la estrategia de eventos de activación con el fin de reducir el número de veces que se ejecuta el cálculo de la dosificación de insulina óptima permitiendo que durante los periodos de tiempo en los que no es necesario llevar a cabo acciones de control el dispositivo ahorre energía. Durante el desarrollo de las pruebas los controladores son expuestos a variaciones fisiológicas simuladas en los pacientes virtuales, a ingesta de carbohidratos y a ejecutarse con y sin anuncio de comida. Los primeros resultados muestran que la Raspberry pi 3 B, el paquete quadprog y la estrategia de eliminación de offset son la mejor combinación resaltando el bajo consumo energético del dispositivo. Con esta base se integra la estrategia de activación de eventos y se realizan las pruebas poblacionales encontrando una reducción significativa en el número de controles calculados, aunque se presenta una pérdida de desempeño en el controlador al elevarse los niveles promedios de glucemia. Por último, se realiza una emulación del PA con un paciente virtual en donde se implementa un sensor inteligente, un micromotor paso a paso como actuador y una batería con la que se determina el consumo real del dispositivo y su tiempo de autonomía con y sin el nuevo controlador basado en MPC. (Texto tomado de la fuente)
Modelo de operación automática de trenes basado en datos para sistemas ferroviarios sin sistemas de comunicación continua
(Universidad Nacional de Colombia, 2021) Portilla Portillo, Estéfano Jesús; Zapata Madrigal, German; Investigación en Teleinformática y Teleautomática (Grupo T&T)
El presente trabajo presenta la formulación y evaluación de un modelo de operación automática de trenes basado en datos para sistemas ferroviarios con sistema de control basado en comunicaciones (CBTC por sus siglas en inglés) y sin sistemas de comunicación de alta frecuencia. El modelo propuesto se enmarca en la operación automática de trenes con perfiles de velocidad calculados fuera de línea e integra una corrección de salida de control basada en reglas heurísticas. Los perfiles de velocidad usados por el modelo propuesto se denominan perfiles de velocidad condicionados, estos se obtienen a partir de un modelo de procesamiento de información, el cual usa los datos históricos de viaje de conducción manual y el conocimiento de los conductores experimentados. El modelo de procesamiento de información integra aprendizaje profundo y aprendizaje reforzado para obtener perfiles de velocidad sujetos a las condiciones reales del sistema ferroviario, evitando la necesidad del modelado de las dinámicas complejas de la conducción de trenes. Para la obtención de la corrección heurística, se propone usar el conocimiento de los conductores experimentados, el cual es consolidado en una serie de reglas heurísticas que se integran al algoritmo del modelo de operación automática de trenes. El modelo de operación automática de trenes propuesto en este trabajo es desarrollado e implementado para un sistema ferroviario que no cuenta con un sistema de comunicación de alta frecuencia y que opera con conducción manual. El desempeño del modelo se evalúa usando indicadores de confort, seguridad, consumo energético y puntualidad. (Texto tomado de la fuente)
Propuesta de estrategia didáctica para la enseñanza de la teoría y la práctica del control de sistemas dinámicos integrando los estilos de aprendizaje.
(Universidad Nacional de Colombia, 2021-08) Rojas Palacio, Cinthia Viviana; Arango Zuluaga, Eliana Isabel; Botero Castro, Héctor Antonio
Esta tesis surge de la necesidad de establecer una conexión entre metodologías educativas y los estilos de aprendizaje de los estudiantes para que logren comprender conceptos con alto nivel de abstracción como los conceptos de control. Para ello, se diseñaron estrategias didácticas orientadas a laboratorio, para cuatro conceptos de control de sistemas dinámicos, integrando metodologías educativas activas y el estilo de aprendizaje de Felder y Silverman. Los conceptos seleccionados fueron: Efecto de las acciones de control Proporcional Integral Derivativa (PID), linealización y punto de operación, efectos de la realimentación y respuesta en el tiempo. Para cada concepto se diseñó una guía de laboratorio, una rúbrica por competencias y una encuesta de percepción, las cuales fueron implementadas en el curso Control: Entrada-Salida de la Universidad Nacional de Colombia Sede Medellín, en tres periodos académicos. En cuanto a los resultados de la aplicación del instrumento de diagnóstico de estilos de aprendizaje, se obtuvo que, de los 62 estudiantes que participaron en el estudio el 74% posee un estilo sensitivo, el 58% un estilo activo, el 84% un estilo visual y el 58% un estilo secuencial, por tanto, los estilos sensitivo y visual fueron los predominantes entre los estudiantes. A partir de estos resultados y, a través de pruebas de Chi-Cuadrada y de una porción, se validó que para este caso de estudio la premisa de Felder y Silverman acerca de los estilos de aprendizaje de los ingenieros sólo es verdadera para el estilo visual y sensitivo; y con respecto a los niveles de preferencia de cada estilo de aprendizaje, solo el estilo visual obtuvo una tendencia a preferencia moderada con el 53% de los estudiantes, los demás estilos obtuvieron una tendencia a una preferencia leve. Por otra parte, al aplicar la estrategia didáctica diseñada que tiene en cuenta los estilos de aprendizaje de los estudiantes, se obtuvieron los siguientes resultados: El 88% de los estudiantes aprobó la sesión de efectos de las acciones de control PID, el 89% aprobó la sesión de linealización y punto de operación, y el 100% aprobaron las sesiones de efectos de la realimentación y respuesta en el tiempo; y según las encuestas de percepción el 83% de los estudiantes tuvo claridad del concepto efectos de las acciones de control, el 94% tuvo claridad del concepto de punto de operación, el 97% obtuvo claridad del concepto de linealización, y al 76% les quedó claro el concepto de efectos de la realimentación gracias a la guía de laboratorio. Por tanto, las estrategias didácticas diseñadas fueron pertinentes para la enseñanza de los cuatro conceptos seleccionados. (Texto tomado de la fuente)
Personalización automática de estrategias de control glucémico para pacientes con Diabetes Mellitus tipo 1.
(Universidad Nacional de Colombia, 2021-02-10) Sereno Mesa, Juan Esteban; Rivadeneira Paz, Pablo Santiago
El páncreas artificial se ha consolidado como nuevo tratamiento para las personas con diabetes mellitus tipo 1. Esta enfermedad crónica y autoinmune deteriora la regulación glucémica en los pacientes que la padecen y se presenta como un problema de salud pública mundial en crecimiento. En la actualidad diversas pruebas clínicas a nivel mundial han demostrado la validez de los algoritmos de control glucémico. No obstante, nuevos retos se presentan para la concreción de un sistema totalmente automatizado, entre ellos la sintonización automática, la personalización y la eliminación del anuncio de comidas. En el presente trabajo se desarrollan los siguientes temas: Primero, se proponen dos algoritmos de control glucémico con rechazo de perturbaciones de comidas no anunciadas: el primero es una estrategia en paralelo entre un controlador por realimentación y un PID positivo (K+PID); el segundo es un controlador predictivo por zonas con entrada impulsiva (iZMPC). Los algoritmos son validados en un total de 50 pacientes virtuales. Los resultados muestran que ambos controladores logran evitar los casos de hipoglucemia y mantener los niveles de glucosa en la zona de normoglucemia (98, 13% y 95, 01% del tiempo para el iZMPC y el K+PID, respectivamente) ante perturbaciones de comidas no anunciadas. Luego, se propone una metodología para la sintonización automática de controladores glucémicos. Dicha propuesta se basa en un procedimiento de optimización de los parámetros de sintonía haciendo uso del método Nelder-Mead, para maximizar el tiempo de permanencia en normoglucemia. La validación se realiza con 33 pacientes virtuales extraídos del simulador virtual UVa/Padova y con el controlador iZMPC. Los resultados obtenidos muestran un incremento promedio de 17, 21% más de tiempo en normoglucemia, con respecto a la sintonización inicial. Finalmente, se propone un algoritmo de detección y estimación de comidas para la reconstrucción de señales de carbohidratos. El algoritmo propone un esquema de realimentación y un estimador en funciones de transferencia para la detección y estimación de comidas, en base a la señal entregada por el estimador se realiza la reconstrucción de la señal de anuncio de comidas. La validación se realiza por medio de datos recolectados en 30 pacientes virtuales y 5 reales. Los resultados muestran que en promedio el algoritmo presenta una sensibilidad de 98 %, un error de estimación del 14% en la amplitud de la comida y un desfase temporal de 4 min con respecto al inicio real de la comida. (Tomado de la fuente)
Análisis del compromiso económico y de captura de co2 en una planta de gasificador operado en continuo acoplado a un fotobiorreactor para generación de energía y biomasa desde un punto de vista estático y dinámico.
(Universidad Nacional De Colombia, 2021-07-13) Arango Restrepo, Juan Pablo; Espinosa Oviedo, Jairo José; Gómez Pérez, Cesar Augusto; Grupo de Automática de la Universidad Nacional GAUNAL
En el presente trabajo de grado se muestra el análisis en estado estacionario y transitorio de una planta de gasificación con acople de fotobiorreactor, esto con el objetivo de verificar si los ingresos generados por la comercialización de microalgas pueden favorecer tanto la reducción de emisiones de dióxido de carbono y el beneficio económico en un proceso que involucra conversión de la biomasa. Respecto a la parte dinámica se propone una nueva estrategia de control multi-objetivo basada en teoría de juegos, con el fin de operar el sistema entre regiones de operación económicas y de reducción de emisiones con una sintonía simple. En el primer capítulo se muestra una recopilación de los resultados obtenidos por diversos autores en la relación contraproducente que existe entre la reducción de emisiones de dióxido de carbono y el beneficio económico de un proceso, además de una breve introducción de los conceptos básicos. En el segundo capítulo se muestran los modelos matemáticos del fotobiorreactor, el gasificador y la configuración de la planta completa con el objetivo de evaluar las dinámicas de ambos procesos, en los capítulos 3 y 4 se encuentra la relación que existe entre economía de proceso y reducción de emisiones de dióxido de carbono para la planta seleccionada desde el diseño y el control de procesos, además de proponer métodos para el tratamiento de dicha relación. Finalizando el capítulo 4 se muestra la construcción de una región de Pareto dinámica teniendo en cuenta criterios de operación económicos y de reducción de emisiones de dióxido de carbono, para luego proponer un controlador multi-objetivo que sea capaz de operar en dicha región, y haga que ambos criterios de operación negocien. (Tomado de la fuente)
Metodología para la implementación de estimadores de estado tipo filtro de Kalman en procesadores industriales
(Universidad Nacional de Colombia, 2021-02-15) Núñez López, Juan David; Botero Castro, Héctor Antonio; Vallejo Velásquez, Mónica Ayde; Grupo de Investigación en Procesos Dinámicos-KALMAN
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Compensación del efecto de variaciones fisiológicas en la glucemia de pacientes diabéticos tipo 1 utilizando control predictivo con entradas impulsivas
(Universidad Nacional de Colombia - Sede Medellín, 2021) Villa Tamayo, María Fernanda; Rivadeneira Paz, Pablo Santiago; GRUPO DE INVESTIGACIÓN EN TECNOLOGÍAS APLICADAS - GITA
Los pacientes con diabetes mellitus tipo 1 requieren de un tratamiento estricto para regular la concentración de glucosa en la sangre dentro del rango de normoglucemia. Uno de los tratamientos actuales es el conocido como ``Páncreas Artificial”, conformado por un sensor continuo de glucosa, una bomba de infusión continua de insulina y un algoritmo de control, para emular el comportamiento natural del páncreas. Sin embargo, pese al desarrollo de diferentes estrategias de control, las variaciones fisiológicas en un paciente continúan afectando la regulación adecuada de la glucemia. Estas variaciones conllevan a un cambio de los requerimientos de insulina en el transcurso del día, por lo que se hace necesario compensar el efecto de las variaciones fisiológicas en la glucemia para evitar una sobredosis o insuficiencia de insulina que resulta en hipoglucemia o hiperglucemia respectivamente. En esta tesis de maestría, se estudia el problema de regulación de la glucemia bajo un esquema de control predictivo basado en modelo (MPC, por sus siglas en inglés) para compensar el efecto de las variaciones fisiológicas en la glucemia del paciente. Con este fin se parte de una explicación detallada de la homeostasis de la glucosa, la diabetes mellitus y un modelo que describe adecuadamente las dinámicas de la glucosa incluyendo la absorción de insulina y carbohidratos en los pacientes con esta enfermedad. Tras esto, se desarrolla un MPC con garantía de eliminación de offset, cuyo objetivo es contrarrestar variaciones constantes de la planta usando la estimación del error planta-modelo. A continuación, se desarrollan dos estrategias para mejorar el esquema de control. El primer acercamiento es un MPC con matrices de penalización adaptable con base en el valor de la glucemia, su tasa de cambio y la estimación del error planta-modelo. El segundo acercamiento consiste en la inclusión de la estimación de la insulina a bordo para evitar el acumulamiento de insulina en el cuerpo que puede causar eventos de hipoglucemia. Ambos acercamientos se evalúan en escenarios en donde se generan diferentes cambios paramétricos en la planta para simular las variaciones fisiológicas, además de la inclusión de comidas anunciadas y no anunciadas, y ruido en el sensor. Adicionalmente, para las estrategias de control, se considera un esquema con entradas impulsivas debido a la corta duración de las inyecciones de insulina en relación al tiempo de muestreo del sistema.

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