Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica

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Parametric time-frequency analysis for discrimination of non-stationary signals
(2009) Avendaño Valencia, Luis David; Castellanos Domínguez, César Germán (Thesis advisor)
Abstract: In this masterï¿½s thesis discrimination of non-stationary signals using time varying parametric modeling and time frequency analysis is explored. This work consists of two parts, the first, to obtain a representation for non-stationary signals by parametric modeling and parametric time-frequency representations, and the second, feature selection and extraction based on timeï¿½frequency representations and time-varying data. In this study many advantages of non-stationary signal analysis using parametric methodology will be made evident. Among them it will be found that by means of these models it is possible to determine how signalï¿½s structure changes along time and analogously, to determine how the frequency content of a signal changes. The effectiveness of this methodology depends on three main factors, first, the choice of the model structure, which in the case of TVAR modeling would be the problem to find the order of AR model, second, estimation of the model parameters and third, selection the structure of temporal change that is imposed on the dynamics of time-variant parameters. In this aspect, a revision and evaluation of different state of the art methodologies for model structure selection, estimation of TVAR parameters and temporal structures is made. It was found that the performance of parametric methodology depends directly on these three factors; however, the main influencing factor is the structure of temporal change imposed on the estimator and how it couples with the dynamics of a time-varying signal. The second addressed problem is how to use these time varying features (matricial features) to train classifiers. Features estimated with parametric models yield a complete representation of signalï¿½s dynamics at the cost of large dimensionality and redundancy. Thus, a review of feature extraction methods devised for time-varying and matricial data is carried out. Also, relevance analysis is generalized for the case of matricial data.
Diseño y montaje de un control de nivel para una envasadora de lácteos
(2004) Giraldo Betancur, Indira Marcela; Toro García, Nicolás
En el siguiente documento se desarrolla el diseño e implementación de un control de nivel económico, para la completa automatización de envasadoras verticales, llenadoras y selladoras, encargadas de envasar productos lácteos (leche y yogur). Contando con la elección de los elementos del lazo de control, su respectivo diseño y su implementación en planta; teniendo en cuenta el manejo especial que se debe tener con los productos de consumo humano, lo que le da un carácter especial a la elección de los materiales para cada instrumento. Además se realiza una evaluación económica debida a la utilización de la envasadora automática en la planta procesadora de productos lácteos.
Detección múltiple en tiempo real para localización de una fuente acústica
(2006) Alzate Castaño, Ricardo; Castellanos Domínguez, César Germán (Thesis advisor)
Se presenta la implementación de un sistema para efectuar localización pasiva bidimensional y seguimiento en tiempo real sobre una fuente acústica simple empleando la técnica de estimación de TDOA por correlacion y ﬁltro de Kalman con modelo de medición en coordenadas cartesianas haciendo uso de un arreglo lineal de 3 micrófonos como dispositivo de captura de señales. Los resultados generados maniﬁestan una fuerte dependencia del algoritmo implementado respecto a la resolución discreta del ﬁltrado espacial obteniendo estimados consistentes de localización para puntos ubicados en el interior de la región de mayor sensibilidad. La precisión de la medida se incrementa para señales de incidencia con características apreciables de aleatoriedad posterior a la acción de suavizado de un ﬁltro de Kalman / Abstract: The implementation of a real-time single acoustic source localization and tracking system is presented based on TDOA correlation estimation and Kalman ﬁltering methods for processing the data received by a 3 microphone linear array. The results derived shows a strong dependence on the spatial resolution of the system oﬀering good estimates for the points located inside of the higher resolution region. Accurate increasing is derived for signals with high randomness after smoothing with a Kalman ﬁlter.
Brain connectivity-patterns representation based on electroencephalography network analysis
(2018) Hurtado Rincón, Juana Valeria; Castellanos Domínguez, César Germán (Thesis advisor); Martínez Vargas, Juan David (Thesis advisor)
Brain connectivity has emerged as a neuronal analysis tool widely used to explore brain functions and supply relevant information in the study of the cognitive processes. However, current methodologies used to assess brain connectivity are not always exact and as a result, possible spurious connections may appear. Moreover, measuring the connection between all possible pairs of EEG-channels leads to high dimensional matrices with either redundant or irrelevant information. To avoid problems in connectivity analysis and issues of high computational cost, a selection stage of the most significant connections can be implemented. Nevertheless, there is not a standard method yet to extract connections and the definition of significant connections may vary accordingly with the object of study. Therefore, to develop an accurate methodology, information inherent to each specific problem should be included. In this work, three different tools are presented, that execute the extraction of significant connections considering the experimental scenario. The first tool, tested on a BCI dataset, finds the set of connections that best discriminate two MI classes. Consequently, a kernel-based methodology of feature selection is used to rank each connection by its contribution in the classes discrimination. Finally, the significant connections will be the smaller set that achieves the best classification accuracy. The second methodology is used in a study of the significant connectivity patterns in attention networks. To this end, the connectivity of two classes (target and non-target) in an oddball paradigm experiment is extracted. Here, the significant connections are selected as the ones that differ the most, statistically speaking, between target and non-target. Finally, in a study of the recovery of a subject with aphasia, differences in connectivity, related to improvements produced by therapy were found. In this study, connections that change through the sessions of treatment at the level of amplitude and structure were extracted. Also, a set of significant connections that changed increasingly between the sessions was selected. For all the proposed methodologies, the brain connectivity is computed over EEG signals and the extraction of the significant connections is based on information inherent to the data or the experiment. In general, the selection of connections allows the considerable reduction of connectivity characteristics, this facilitates the physiological interpretation of the experiments and can improve the performance and computational cost of the systems that use these features
Reconstruction of neural activity from M/EEG non-stationary data using time varying spatiotemporal constraints
(2016) Martínez Vargas, Juan David; Castellanos Domínguez, César Germán (Thesis advisor)
Magneto-Electroencephalogram(M/EEG)-based neuroimaging is a widely used technique that allows to non invasively explore brain activity. One of the most prominent advantages of using M/EEG measures to analyze brain activity is its outstanding temporal resolution. However, spatial measurement points (electrodes) are relatively low -a couple hundreds in the best case-, while the discretized brain activity generators -termed current dipoles or sources- are several thousands. This leads to a heavily ill-posed mathematical problem commonly known as the M/EEG inverse problem. To solve such problems, additional information must be a-priori assumed in order to obtain an unique and optimal solution. In the present work, several approaches to improve the accuracy and interpretability of the inverse problem solution are proposed, using physiologically motivated assumptions. Firstly, a method that infers neural states from the M/EEG recordings to dynamically constraint the M/EEG inverse problem is proposed, relaxing the brain activity stationarity assumption that is usually made in state-of-art algorithms. This is done by assuming a physiologically motivated time-varying a-priori covariance matrix. Secondly, a realistic time varying autoregressive model is proposed, aiming to explicitly constraining temporal evolution of brain activity. Finally, a novel source connectivity analysis method is proposed by taking advantage of the temporal dynamics provided by the M/EEG recordings. The proposed methods are compared with classic and state-of-art techniques in a simulated environment, and afterwards, are validated using real world data. In general, the contributed approaches are efficient and competitive compared to state-of-art brain mapping and source connectivity methods
Brain activity reconstruction from non-stationary M/EEG data using spatiotemporal constraints
(2016) Grisales Franco, Fily Mateos; Castellanos Domínguez, César Germán (Thesis advisor)
Magneto/Electroencephalography (M/EEG)-based neuroimaging is a widely used noninvasive technique for functional analysis of neuronal activity. One of the most prominent advantages of using M/EEG measures is the very low implementation cost and its height temporal resolution. However, the number of locations measuring magnetic/electrical is relatively small (a couple of hundreds at best) while the discretized brain activity generators (sources) are several thousand. This fact corresponds an ill-posed mathematical problem commonly known as the M/EEG inverse problem. To solve such problems, additional information must be apriori assumed to obtain a unique and optimal solution. In the present work, a methodology to improve the accuracy and interpretability of the inverse problem solution is proposed, using physiologically motivated assumptions. Firstly, a method constraining the solution to a sparse representation in the space-time domain is introduce given a set of methodologies to syntonize the present parameters. Secondly, we propose a new source connectivity approach explicitly including spatiotemporal information of the neural activity extracted from M/EEG recordings. The proposed methods are compared with the state-of-art techniques in a simulated environment, and afterward, are validated using real-world data. In general, the contributed approaches are efficient and competitive compared to state-of-art brain mapping methods
Confiabilidad de sistemas de distribución
(1998) Ramírez Castaño, Samuel; Parra López, Estrella
Dado que la confiabilidad es uno de los parámetros que miden la calidad de servicio de energía eléctrica que apenas comienza a ser exigido a las empresas de energía, el presente trabajo reúne todos los conceptos teóricos y metodologías mas comunes conocidas hasta ahora para que el estudiante de ingeniería eléctrica aprenda todo lo relacionado con el tema. Se presenta en forma de texto guia el temario así: Comienza con las bases de la teoría de probabilidades y procesos estocásticos, luego se habla de confiabilidad de componentes para pasar luego a tratar la confiabilidad de componentes siguiendo el método de redes, el método de espacio-estado y otros métodos dentro de los cuales se destaca el método de simulación de Montecarlo. Queda de esta manera preparado el camino para tratar el tema principal, que es la confiabilidad de sistemas de distribución, para lo cual se tratan algunos aspectos preliminares pasando luego a la discusión sobre la evolución de la confiabilidad de sistemas de distribución radiales.y por ultimo para las redes enmalladas y en paralelo. En ambos casos se presenta una amplia gama de ejemplos de ilustración que ayudan a la comprensión de las diferentes metodologias de calculo
EEG-based Neuroimaging using Data-Driven Spatio-Temporal Constraints for Non Stationary Brain Activity Reconstruction
(2014) Castaño Candamil, Juan Sebastián; Castellanos Domínguez, César Germán (Thesis advisor)
El mapeo cerebral basado en señales de electroencefalografía (EEG), es una técnica muy usada para explorar la actividad cerebral de forma no invasiva. Una de las ventajas que provee la utilización de señales EEG para analizar la actividad cerebral es su bajo costo y su sobresaliente resolución temporal. Sin embargo la cantidad de puntos de medición (electrodos) es extremadamente baja comparada con la cantidad de puntos discretizados dentro del cerebro sobre los cuales se debe realizar la estimación de la actividad. Esto conlleva a un problema mal condicionado comúnmente conocido como el problema inverso de EEG. Para resolver este tipo de problemas, información apriori debe ser supuesta para así obtener una solución única y óptima. En el presente trabajo investigativo, se proponen distintas aproximaciones a la solución del problema con el objetivo de mejorar la precisión e interpretabilidad de las estimaciones de actividad cerebral. En primer lugar se propone un método que incluye un modelo auto-regresivo, no lineal, realista y variante en el tiempo para restringir las dinámicas temporales de la solución a dicho modelo. En segundo lugar, se propone un algoritmo que permite relajar la suposición de estacionariedad que comúnmente se hace en este tipo de problemas, esto se logra a través de la creación de una matriz de covarianza variante en el tiempo que permite adaptarse a los cambios espacio temporales de la dinámica cerebral. Por último se propone un algoritmo en el cual se representa la actividad cerebral a través de un conjunto de funciones espacio-temporales las cuales son construidas teniendo en cuenta el contexto ﬁsiológico del problema. Los métodos propuestos son comparados tanto con técnicas clásicas como con métodos del estado del arte usando señales simuladas, y ﬁnalmente son validados usando datos EEG reales. En general, los métodos propuestos son eﬁcientes y competitivos en comparación a los métodos usados como referencia
Agrupamiento espectral de datos dinamicos
(2013) Peluffo Ordoñez, Diego Hernán; Castellanos Domínguez, César Germán
El análisis de datos dinámicos o variantes en el tiempo es un tema de gran interés actual para la comunidad científica, especialmente, en los campos de reconocimiento de patrones y aprendizaje de máquina. Existe un amplio espectro de aplicaciones en donde el análisis de datos dinámicos toma lugar, tales como el análisis de video, la identificación de movimiento, la segmentación de movimientos de personas y el seguimiento de naves aéreas, entre otras. Una de las alternativas para desarrollar métodos dinámicos es el análisis matricial espectral. Las técnicas espectrales, principalmente aquellas basadas en kernels, han demostrado su alta aplicabilidad en diversos aspectos del reconocimiento de patrones y aprendizaje de máquina, incluso cuando los datos son variantes en el tiempo, tales como la estimación del número de grupos, agrupamiento y clasificación. La mayoría de los métodos espectrales han sido diseñados para el análisis de datos estáticos, descartando la información temporal, es decir, omitiendo el comportamiento y la evolución de los datos a lo largo del tiempo. En el estado del arte se encuentran algunos trabajos que consideran el efecto de la variación en el tiempo,sin embargo, el diseño de un método que permita seguir la dinámica de los datos y agrupar los mismos en ambientes de tiempo real, con alta ﬁdelidad y precisión, es aún un problema abierto. En este trabajo de tesis se presenta un método de agrupamiento espectral basado en kernels diseñado a partir de un enfoque primal-dual con el ﬁn de realizar el proceso de agrupamiento considerando la información dinámica, es decir, los cambios de secuencia de los datos a lo largo del tiempo. Para este propósito, se plantea un esquema de agrupamiento que consiste en la extensión de una formulación primal-dual al análisis de datos dinámicos a través de un kernel dinámico. El esquema se basa en un aprendizaje de múltiples kernels (MKL) y se denomina dynamic kernel spectral clustering (DKSC). El método DKSC usa como modelo de MKL una combinación lineal de matrices kernel. Las matrices kernel se calculan a partir de una secuencia de datos representada por un conjunto de matrices de datos. Subsecuentemente, se obtiene una matriz acumulada de kernel de tal forma que los coeﬁcientes o factores de ponderación del modelo son considerados como valores de evaluación de cada muestra del conjunto de datos o frame. Dicha evaluación se hace a partir de un novedoso método de tracking que se basa en la descomposición espectral de una matriz kernel generalizada. Finalmente, para la obtención de las asignaciones de grupo resultantes, los datos son agrupados usando la matriz acumulada como matriz kernel.
Redes complejas: análisis modelamiento y simulación de procesos químicos automatizados y no-automatizados
(2012) Restrepo Betancourt, Juan Bernardo; Olivar Tost, Gerard; Cardona Alzate, Carlos Ariel
La simulación dinámica y modelado se han convertido en una necesidad para ingenieros de procesos y control, el software de simulación dinámica por lo tanto, constantemente se está utilizando para la evaluación de tecnologías de control y optimización. Este trabajo implementa un marco de bifurcación y análisis utilizando el método de proyección recursivo para realizar el análisis de bifurcación y valores propios sobre los modelos dinámicos implementados en Aspen Dynamics y Aspen Custom Modeler, permitiendo a los usuarios de software de simulación comercial realizar el modelo dinámico de análisis de bifurcación de forma rápida y fiable, sin recurrir al software de ingeniería química especializada. Como complemento al análisis de bifurcación se desarrolla una metodología para descomponer los modelos de proceso, presentándolos como redes complejas. Las redes complejas se analizaron estadísticamente mediante las herramientas y algoritmos comunes para la investigación de redes complejas. Los resultados de los análisis fueron alentadores abriendo las puertas del análisis de redes para la ingeniería de procesos y control.
Detección secuencial de vibraciones discriminables por rangos espectrales en placas delgadas.
(Universidad Nacional de Colombia - Sede Manizales, 2001-10) Castellanos Domínguez, César Germán; Artìculo
Se presenta un método de detección de vibraciones que posean cualidades espectrales claramente diferenciables, a priori conocidas a la salida de una placa resonante delgada. Se desarrolla la síntesis del detector secuencial en tiempo continuo, basados en el criterio de Neyman-Pearson. El algoritmo está orientado a tareas en las cuales se exige tomar la decisión sobre la presencia de un posible modo de vibración a la entrada del detector, que sea diferenciable sobre rangos de frecuencia espectralmente separables. El detector secuencial simplificado para un solo rango de frecuencia diferenciable y una sola clase de OD a distinguir fue realizado y probado experimentalmente, demostrando un desempeño aceptable y reducidos costos de implementación.
Comparación de las cualidades de autocorrelación aperiódica de las señales MSK y BPSK con espectro ensanchado de secuencia directa
(Universidad Nacional de Colombia - Sede Manizales, 1998-12) Castellanos Domínguez, César Germán; Articulo
En los sistemas modernos de comunicaciones se emplean las señales con espectro ensanchado con el fin de brindar alta fidelidad, seguridad y mejor compatibilidad electromagnética con otros sistemas de radio. Además, sobre éstas señales se puede realizar la división de canales por código, que trabajan simultáneamente en un mismo ancho de banda. La fidelidad de los sistemas de comunicaciones con espectro ensanchado se determina, primero por el diagrama estructural de los dispositivos de proceso de las señales incluyendo el tipo de modulación y, luego, por las características de los lóbulos laterales de la función de correlación de las señales de espectro ensanchado. Estas últimas determinan básicamente la cantidad máxima de abonados simultáneos que pueden trabajar para un nivel de calidad dado [1]. El tipo de modulación empleado es importante en la medida en que determina aspectos como la complejidad de realización del sistema y el ancho de banda de la señal con espectro ensanchado.
Definición de un modelo de seguridad en redes de cómputo, mediante el uso de técnicas de inteligencia artificial
(2012) Henao Ríos, José León; Duque Méndez, Néstor Darío (Thesis advisor)
Las intrusiones a las redes de datos, son un problema constante que enfrentan los administradores de estas. Es por esto que se hace necesario identificar, estudiar y proponer técnicas que permitan detectar el momento en el cual se está intentando vulnerar la red con el fin de tomar medidas que permitan mitigar estas amenazas. En este trabajo se realizó un estudio e identificación de la taxonomía de las amenazas que puedan llevar a un ataque en una red de datos. A partir de esta se identificaron las características más relevantes de las tramas involucradas en estos procesos con el objeto de seleccionarlas, procesarlas y clasificarlas por medio de técnicas de inteligencia artificial, específicamente la normalización (Z-Score), reducción de dimensionalidad (PCA) y clasificación basada en redes neuronales (ANN1) con el fin de proponer un sistema de detección de intrusiones (IDS). Aquí se toman en cuenta conjuntos completos de datos donde se encuentran tramas que pertenecen tanto a amenazas como a tráfico normal (para este trabajo se denomina ruido), teniendo como única referencia que dentro de este conjunto se presenta o no una amenaza por lo tanto se categoriza todo el conjunto y no tramas individuales, al contrario de un gran porcentaje de trabajos revisados como los que usan el set de datos KDD 99, en los cuales en el conjunto de datos las tramas están diferenciadas y marcadas como amenaza o tráfico normal / Abstract: The intrusion data networks are a constant problem faced by managers of these. Therefore is necessary to identify, study and propose techniques to detect the moment in which the network is trying to undermine in order to take measures to mitigate these threats In this paper was conducted a study and identification of the taxonomy of threats that could lead to an attack on a data network. From this we identified the most relevant characteristics of the networks with which they are carried out in order to select, process and classify using artificial intelligence techniques, specifically the normalization (ZScore), dimensionality reduction (PCA) and classification based on neural networks (ANN) to propose an intrusion detection system (IDS). Here are taken into account complete data sets of frames that belong to both threats like normal traffic (for this work is called noise), with the only reference in this set presents a threat or not is therefore categorizes the whole and not individual frames, as opposed to alarge percentage of papers reviewed as those using the KDD data set 99, which in the data set frames are differentiated and marked as a threat or normal traffic.
Efectos de elementos no modelados y la digitalización de las señales y el control, en el comportamiento del convertidor reductor controlado con ZAD-FPIC
(2012) Hoyos Velasco, Fredy Edimer; Angulo García, Fabiola (Thesis advisor); Taborda Giraldo, John Alexander (Thesis advisor)
El objetivo principal de este trabajo es obtener concordancia entre los resultados numéricos obtenidos vía modelización matemática, y los resultados experimentales, en un convertidor reductor (convertidor buck) controlado con la técnica ZAD-FPIC. En este documento se presentan los resultados numéricos y experimentales de la aplicación de la técnica ZAD-FPIC para controlar un convertidor de potencia tipo buck cuando se tiene un periodo de atraso en la señal de control. Primero se controla el sistema buck con carga resistiva y posteriormente se controla un sistema acoplado buck-motor. Inicialmente se usó un modelo simplidado del convertidor buck, ya que en muchos casos este modelo ha dado buenos resultados. Sin embargo, en este caso no fue así y se vió la necesidad de mejorar el modelo. Se adicionaron resistencias internas, resistencias de medida, la caída de voltaje en el diodo, y en la parte final se incluyeron efectos de cuantización, tanto en las variables sensadas como en la señal PWM. Para el sistema buck y buck-motor, se muestran resultados comparativos tanto numéricos como experimentales y se analiza el comportamiento del controlador ZAD-FPIC, así: i) se realizan variaciones instantáneas de señal de referencia, ii) se deja fijo el parámetro de control del ZAD y se varía el parámetro de control del FPIC, iii) se deja fijo el parámetro de control del FPIC y se varía el parámetro de control del ZAD, iv) se muestran los resultados de controlar únicamente con ZAD, v) se hacen pruebas con dos periodos de atraso, vi) se diseña un estimador de carga para hacer variaciones de la misma, y finalmente vii) se hacen perturbaciones en la entrada de alimentación / Abstract: The goal of this thesis is to obtain coherence between numerical results, obtained via the numerical simulation of the mathematical model, and the experimental results in a buck converter controlled via the combined ZAD-FPIC controller. Simulation and experimental results are presented in this document when one delay period is considered in the output of the ZAD-FPIC controller. Initially, the buck system with resistive load is controlled, and afterwards the coupled system: buck-motor. At the beginning, a simplied mathematical model of the buck converter was used, due to in several cases this model has lead to acceptable results. However, the model had to be improved so as to obtain coherent results with the experimental prototype. The proposed mathematical model includes: internal resistances, measures resistances, and the Diode forward voltage, furthermore, quantization effects, in the measured variables and the PWM control signal, were included in the mathematical model. Comparative results between numerics and experiments are shown for the system buck and buck-motor, and the ZAD-FPIC controller is analyzed when: i) the reference signal includes instantaneous variations, ii) the parameter of the ZAD controller is kept constant while the parameter of FPIC controller is varied, iii) the parameter of the FPIC controller is kept constant while the parameter of the ZAD controller is varied, iv) the ZAD controller is only applied, v) a two periods delay is also considered; vi) a load estimator is designed, and finally vii) when disturbances in the supply voltage signal are applied. A better coherence between theoretical simulation results and experiments was attained by improving the mathematical model of the system, including the quantization effects and the time delay
Diseño de técnicas de control para corrección del factor de potencia en lámparas ﬂuorescentes compactas y lámparas de LEDs
(2012-05) Revelo Fuelagán, Edgardo Javier; Angulo García, Fabiola (Thesis advisor)
Este documento presenta el diseño de tres novedosas técnicas de control, destinadas a mejorar el PF (Factor de Potencia del inglés Power Factor) en lámparas de ﬂuorescencia compactas(LFCs) y lámparas de LEDs. Una de las técnicas de control está diseñado para una lámpara ﬂuorescente compacta, y los otras dos están diseñadas para lámparas de LEDs. Para cada diseño se presentan resultados teóricos, de simulación y experimentales. La primera de ellas está orientada al diseño de una técnica de control para corrección del factor de potencia, basada en banda de histéresis adaptativa aplicada al convertidor boost. La banda de histéresis se adapta dependiendo del valor de la corriente que demanda la carga conectada a la salida de convertidor. Con la implementación del control se logra que la corriente de entrada permanezca en fase y tenga la forma del voltaje de alimentación sumistrado por la red eléctrica. Con el ﬁn de llevar el control diseñado a una aplicación experimental, se analizó la composición y el funcionamiento del balastro electrónico de una lámpara ﬂuorescente compacta comercial de 15 W, en especial el problema de distorsión de corriente de entrada demandada de la red eléctrica. Una vez se tuvo caracterizada la lámpara, se diseñó el control para el convertidor boost, de tal forma que se acople la red eléctrica con el balastro de la lámpara y se corrija el factor de potencia del sistema de iluminación, obteniendo como resultado un aumento en el factor de potencia de 0.64 a 0.98 con un consumo total de 18 W. Se hicieron pruebas para determinar la duración de una lámpara comercial con respecto a una lámpara con el control diseñado, las cuales fueron sometidas a una serie de encendidos y apagados. Se obtuvo que el tiempo de vida de la lámpara con el control era 70 % mayor que la de una lámpara comercial. La segunda y tercera técnicas de control están diseñadas para lámparas de LEDs. Las lámparas de LEDs en su interior tienen un driver para su funcionamiento, el cual genera distorsión en la señal de corriente de entrada, básicamente del mismo tipo que las LFCs comerciales. Para remediar esto, dos nuevos drivers fueron diseñados, uno para lámparas de LEDs tipo bombillo y otro para lámparas de LEDs tipo de barra. El primer diseño del driver consiste en un convertidor boost controlado por banda de histéresis implementado con tecnología analógica, que cumple las siguientes funciones: i) controlar la corriente de entrada para mejorar la calidad de energía eléctrica, y ii) alimentar la cadena de LEDs a la salida del convertidor boost con una corriente constante. Una ventaja del sistema diseñado es que el controlador tiene su propia alimentación y es autónoma, debido a que se deriva de la salida del convertidor boost. La lámpara de LEDs comercial utilizada en la investigación registra un factor de potencia de 0.62 y un consumo de potencia de 2 W. Con el diseño implementado se logra aumentar el factor de potencia en 0.98, con un consumo de potencia similar al de la lámpara de LEDs comercial. El segundo diseño se realizó para las lámparas de LEDs tipo barra, las cuales internamente tienen dos sistemas de alimentación, es decir la cadena de LEDs se segmenta en dos partes cada una alimentada con su respectivo driver. Con el nuevo diseño se energiza toda la cadena de LEDs utilizando el convertidor boost controlado con banda de histéresis, el cual ofrece las siguientes ventajas: i) la razón entre la luz emitida y la potencia consumida (lms/W)incrementa, debido a que la lámpara comercial consume una potencia de 12 W, mientras que la lámpara con el nuevo diseño sólo consume una potencia de 6.6 W, ii) el factor de potencia aumenta de 0.57 a 0.98, logrando tener un driver que brinda una mejora en la calidad de energía eléctrica al momento de conectar estas cargas en el suministro energético / Abstract: This document presents the design of three new control techniques, aimed at improving the power factor of compact ﬂuorescent lamps (CFLs) and LED lamps. One control technique is intended for a CFL, and the other two are intended for LED lamps. Theoretical, simulation and experimental results are presented. The ﬁrst control technique focuses on correcting the power factor of the CFL, based on the application of an adaptive hysteresis band control method to the boost converter. The hysteresis band is adapted according to the value of the current draw by the load connected to the converter output. As a result of the control implementation, the current and the supply voltage remain in phase, and the resulting shape of the current is the same as that of the supply voltage. To implement the designed controller, the ﬁrst task is to examine the structure and operation of the electronic ballast of a 15 W commercial CFL, especially the distortion of the input current drawn by the lamp connected to the electrical grid. Then, the controller for the boost converter was designed, such that the lamp ballast gets coupled to the electrical grid, and as a result, the power factor of the lighting system increases from 0.64 to 0.98, with a 18 W total consumption. Several tests were carried out in order to compare the lifetime of a commercial lamp and that of the controlled lamp, including the introduction of a series of on-oﬀ signals to both lamps. It was found that the lifetime of the controlled lamp was 70 % higher than that of a commercial lamp. The second and third control techniques are intended for LED lamps. The LED lamp carries a driver for its operation in its inside, but such driver causes distortion to the input current signal. The distortion is similar to that of commercial CFLs. To remedy that, two new drivers were designed, one for bulb type LED lamps and the other for bar-type LED lamps. The ﬁrst driver consists of a boost converter that is controlled by the hysteresis band method and implemented by means of analogical technology, and performs the following functions: i) control the input current, in order to improve the power quality, and ii) feed the LEDs string at the boost converter output on a constant current. One advantage of the designed system is that the controller has its own feed and is autonomous, as such feed comes out from the boost converter. The commercial LED lamp used in the present work exhibits a 0.62 power factor and a 2 W power consumption. The implemented design gives as result an increase of 0.98 in the power factor, being the power consumption the same as that of the commercial LED lamp. The LEDs string of the bar-type LED lamps splits in two parts, each fed on a diﬀerent driver. In the second driver design the boost converter feeds the current to the whole LEDs string. An hysteresis band control method is applied to the boost converter, achieving the followingxiv Resumen y Abstract advantages: i) the ratio of emitted light to consumed power increases, as the commercial lamp consumes 12 W power, whereas the lamp based on the new control only consumes 6.6 W power, ii) the power factor increases from 0.57 to 0.98, such that the driver provides higher power quality when lighting loads are plugged in to the electrical grid.
Nuevas aplicaciones de observadores de estado: diseño y prueba de estabilidad
(2012) Erazo Ordoñez, Christian Camilo; Angulo García, Fabiola (Thesis advisor)
En este trabajo se desarrollan aspectos importantes de los observadores de estado como son el diseño, aplicaciones y análisis de la convergencia. Así pues, lo que se pretende es brindar nuevas herramientas que permitan un mejor aprovechamiento de las técnicas de estimación existentes. Esta investigación está dividida en tres etapas: en la primera, se determina la estabilidad del observador de estado extendido (ESO) de orden n, haciendo uso de la teoría de estabilidad absoluta. El análisis de estabilidad se llevo a cabo tomando las ecuaciones del error de estimación como un sistema realimentado, con el objetivo de aplicar el criterio de Popov. A partir de este análisis se pudo determinar los requerimientos de la función no lineal del observador, que garantizan la convergencia asintótica del ESO de segundo y tercer orden. En la segunda parte se diseña un estimador de funciones no lineales basado en el enfoque del ESO. En particular se planteó un modelo genérico que permite la estimación de las incertidumbres en plantas no lineales, dependiendo del número de salidas que tenga el sistema. El estimador se propuso en forma de teorema y se validó a través simulaciones numéricas con sistemas no lineales de segundo y tercer orden además de sistemas que presentan ciclos límite. Por último, se presenta el diseño de un observador no lineal aplicado a una técnica de control adaptativo para digestores anaerobios. El diseño del observador se hizo usando la teoría de funciones de Lyapunov -Like, asegurando la total convergencia del estimador ante cualquier variación de los parámetros del sistema. La ley de control se desarrolló con base en las dinámicas del observador, lo que hizo posible utilizar términos de saturación en las señales de control sin degradar el rendimiento del controlador. El rendimiento del controlador se evaluó mediante simulaciones numéricas presentando notables características en cuanto a la robustez en el modelado y perturbaciones / Abstract: In this dissertation, several features of the state observers such as design, applications and stability studies are addressed. The objective is to provide new tools to make better use of existing estimation techniques. This research focuses on three stages: First, the stability of the extended state observer (ESO) is determined by absolute stability theory. Basically, it is propose to represent the observer error system as a feedback interconnection in order to use the Popov criterion. From this analysis it was determined the requirements of the nonlinear function of the observer which guarantee the asymptotic convergence of the second and third ESO order. On the second stage: a nonlinear function observer based on the ESO approach is proposed. Particulary, the generic model allows to estimate uncertainties in nonlinear systems depending on the number of available outputs. The observer was proposed as a theorem and it was evaluated via numerical simulations on the second and third order nonlinear systems. Finally, an adaptive controller for bio–reactors based on nonlinear observer dynamics was proposed. The observer state was incorporated in the control design in order to handle nonlinear behavior of the system. The Lyapunov{ like function method toderive the controller is used. The controller performance was evaluated through numericalsimulations showing excellent responses under the uncertainties
Convertidor Boost en modo de corrección del factor de potencia usando la técnica ZAD
(2012) Muñoz Cataño, Juan Guillermo; Osorio Londoño, Gustavo Adolfo (Thesis advisor)
Con el objetivo de asegurar robustez en sistemas no suaves han sido desarrolladas nuevas técnicas de control, pero los algoritmos son más complejos y requieren tiempos más cortos de proceso para garantizar estabilidad. El avance de la tecnología ha permitido reducir los tiempos de muestreo y cálculo de la señal de control en la implementación de diferentes técnicas de control. En particular la técnica dinámica de promedio cero (ZAD), se basa en deﬁnir una superﬁcie de conmutación, donde es calculado el ciclo de trabajo al inicio del periodo de una señal de control para obtener el promedio cero de la superﬁcie. Se propone implementar ZAD en una FPGA con el objetivo de reducir tiempos de muestreo y cálculo del controlador. La técnica es aplicada en un convertidor Boost en modo de corrección del factor de potencia, usando un sistema de desarrollo DE2-70 de TERASIC y el programa QUARTUS II para el diseño. Se presenta la comparación entre los resultados experimentales y de simulación. La frecuencia de conmutación es variada entre 24KHz y 200KHz. La carga es estimada por medio de una relación de potencia entrada-salida / Abstract: In order to ensure robustness in non-smooth systems, new control techniques have been developed, but their algorithms are more complex and require more processing time to guarantee stability. The advancement of technology has let reducing processing delays on implementations of new control algorithms. Zero Average Dynamic (ZAD) is a control technique with a commutation surface, which must calculate the duty cycle a priori in the beginning of switching period to obtain a zero average error. To reduce time delays ZAD strategy has been implemented on a development system with the FPGA technology (TERASIC DE2-70) through Quartus II software to control a Boost converter in power factor correction mode. Also is shown simulations and experimental results. The switching Frequency is varied between 24KHz and 200KHz. The load is estimated by means of a power relation
Observador de estado mediante modos deslizantes de alto orden para procesos no lineales
(2012) Giraldo Osorio, Bertulfo; Botero Castro, Héctor A. (Thesis advisor)
Este trabajo presenta una estructura de estimación de estados y parámetros basada en modos deslizantes de alto orden y en el estimador basado en observador. Los modos deslizantes de alto orden permiten reducir notablemente el castañeo que es propio del modo deslizante de primer orden. La estructura propuesta es aplicada a un caso de un proceso químico al que también se le diseña un observador por modos deslizantes de primer orden, con el propósito de comparar los resultados obtenidos para el proceso en lazo abierto y en lazo cerrado. Para estructurar lo anterior, aspectos teóricos de los modos deslizantes son presentados. También se presenta una reseña sobre las soluciones dadas al problema del castañeo / Abstract: This survey presents a structure of states and parameters estimation based on high order sliding mode and the observer-based estimator. High order sliding mode can reduce significantly the chattering which is characteristic of first order sliding mode. The proposed structure is applied to a case of chemical process which is also designing a first order sliding mode observer, in order to compare the results obtained for the process in open loop and closed loop. To structure above, theoretical aspects of sliding mode are presented. Also, an overview of solutions given to the chattering problem is presented
Diagnóstico e identiﬁcación de fallas en motores industriales a través del análisis de imágenes termográﬁcas
(2012) Fandiño Toro, Hermes Alexander; García Álvarez, Julio César (Thesis advisor)
Se describe una metodología de identiﬁcación y localización de fallos en máquinas rotativas utilizando procesamiento digital de imágenes termográﬁcas. El trabajo incluye un esquema de adquisición de las imágenes, de preprocesamiento para reducir el ruido de fondo y de segmentación de regiones de interés, utilizando transformada Watershed. Se extraen dos tipos de características; las primeras, de tipo estadístico, capturan información sobre intensidades de pixel; las segundas, de tipo direccional, capturan información sobre magnitudes y direcciones de propagación de calor en las regiones de interés. Se utilizan técnicas de aprendizaje supervisado y se hacen análisis de relevancia para seleccionar el conjunto de características más relevantes. Como resultado se obtienen subconjuntos de características que, extraídas de las regiones de interés, permiten tanto la identificación como la localización espacial de zonas donde se presentan los efectos térmicos debidos a los fallos / Abstract: This work describes a methodology for identifying and locating faults in rotating machines using digital image processing techniques. The work includes an outline of image acquisition, preprocessing to suppress background noise and segmentation of regions of interest using Watershed transform. Two types of features are extracted: the ﬁrsts, of statistical type, capture information about pixel intensities; the latter ones, of directional type, capture information about magnitudes and directions of propagation of heat in the regions of interest. Supervised learning techniques and relevance analysis are implemented, to select the most relevant feature set. As a result, subsets of extracted features from regions of interest, allow both the identiﬁcation and the spatial location of areas where thermal eﬀects are due to failures
Representaciones de disimilitudes orientadas a la clasiﬁcación de señales variantes en el tiempo
(2012) Ruiz Muñoz, José Francisco; Orozco Alzate, Mauricio (Thesis advisor)
En los espacios vectoriales que se usan en reconocimiento de patrones, los objetos son puntos que se ubican de acuerdo a sus correspondientes coordenadas. El enfoque de representación de objetos en espacios basados en disimilitudes es una alternativa a la representación en espacios vectoriales de características. Los espacios basados en disimilitudes fueron planteados con la intención de llevar a cabo tareas de clasiﬁcación en espacios vectoriales donde las relaciones entre los objetos estén bien representadas. En este trabajo se desarrolla un estudio sobre la representación de señales variantes en el tiempo en estos espacios. Se estudian y plantean diferentes métodos para la estimación de disimilitudes entre señales, desde transformaciones a representaciones de longitudes ﬁjas, en donde la estimación de una distancia es más sencilla, hasta comparaciones entre representaciones de dimensiones variables. En esta última situación se requieren procesos más elaborados y se consideran dos enfoques: la conversión de las representaciones a secuencias con el objetivo de usar distancias basadas en alineación, edición de caracteres o modelado de secuencias; y la comparación directa entre las representaciones de dimensiones distintas. Los métodos planteados se prueban experimentalmente con diferentes conjuntos de datos que corresponden a datos artiﬁciales de características dinámicas y datos reales que incluyen secuencias biológicas, señales de audio y señales sísmicas / Abstract: In vector spaces used in pattern recognition, objects are points located according to their axis coordinates. The dissimilarity-based approach for classiﬁcation was proposed to develop classiﬁcation tasks in vector spaces where relationships between objects are well represented. This study is about the representation of time-varying signals in dissimilarity spaces. Several methods are studied and raised for the estimation of dissimilarities between signals: from transforms to representations of ﬁxed lengths, where the estimation of distances is simple, to comparisons between representations of variable dimensions, where it is necessary to apply more elaborated procedures. In the latter case, two approaches were considered: conversion from representations to sequences with the aim of using alignment-based distances, edition or sequence modeling; and the direct comparison between representations of variable dimensions. Proposed methods are experimentally tested with a number of artiﬁcial datasets having dynamical features and real datasets including biological sequences, audio and seismic signals.

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