Search

Objectius de Desenvolupament Sostenible::9 - Indústria, Innovació i Infraestructura::9.5 - Augmentar la investigació científica i millorar la capacitat tecnològica dels sectors industrials de tots els països, en particular els països en desenvolupament, entre d’altres maneres fomentant la innovació i augmentant substancialment, d’aquí al 2030, el nombre de persones que treballen en el camp de la investigació i el desenvolupa­ment per cada milió d’habitants, així com la despesa en investigació i desenvolupament dels sectors públic i privat

Trabajo fin de máster presentado en la Universidad Politécnica de Cataluña.--2021-06-21, Autonomous systems are no longer confined to factories, but they are progressively spreading to urban, social, and assistive domains. However, in order to become handy co-workers and helpful assistants, robots must be endowed with quite different abilities than their industrial ancestors, and a lot of additional research is still required. A key challenge in intelligent robotics is creating autonomous agents that are capable of directly interacting with the world around them to achieve their goals. Learning plays a central role in intelligent autonomous systems, as the real world contains too much uncertainty and a robot must be capable of dealing with environments that neither it nor its designers have foreseen. Learning from demonstration is a promising paradigm that allows robots to learn complex tasks that cannot be easily scripted, but can be demonstrated by a human teacher. In this thesis, we develop complete learning from demonstration framework. We first present a whole-body teleoperation approach for human motion transfer, which allows a teacher equipped with a motion capture system to intuitively provide demonstrations to a robot. Then, to learn a generalized rep- resentation of the task which can be adapted to unforeseen scenarios, we unify in a single, entirely Gaussian-Process-based formulation, the main components of a state-of-the-art method. We evaluate our approach through a series of real-world experiments with the manipulator robot TIAGo, achieving satisfactory results. Finally, we must be aware that we are in a technological inflection point in which robots are developing the capacity to greatly increase their cognitive and physical capabilities. This will raise complex issues regarding the economy, ethics, law, and the environment, which we provide an overview of in this thesis. Intelligent robotics offer an unimaginable spectrum of possibilities, with the appropriate attention and the right policies they open the doors to new sources of value and growth. However, it is in the hands of scientists and engineers to not look away and anticipate the potential impacts in order to turn robots into the motor of global prosperity

Tesi en modalitat de cotutela: Universitat Politècnica de Catalunya i Instituto Tecnológico de Buenos Aires. Aplicat embargament des de la defensa de la tesi fins al dia 30 de setembre de 2022 This thesis is mainly dedicated to the study of high-pressure alkaline electrolysis. Alkaline electrolysis is a well established technology and is commercially available. However, the operation at high pressure for dispensing compressors was not fully investigated. Moreover, there is a lack of dynamic models and publications related to control strategies. Therefore, this thesis contributes especially in the modelling and control of high pressure alkaline electrolyzers in order to improve purity of produced gases. The thesis is framed within a general idea about the renewed concern for the care of the environment, which involves reducing greenhouse gas emissions without sacrificing modern comforts. Widespread proposal focuses on energy produced from renewable sources and its subsequent storage and transportation based on hydrogen. Currently, this gas applies to the chemical industry and its production is based on fossil fuels. The introduction of this energy vector requires the development of environmental-friendly methods for obtaining it. Existing techniques are presented and the main focus is made on electrolysis, a mature procedure. In turn, some developed proposals as previous steps to the hydrogen economy are presented. Moreover, some lines of research to improve electrolysis technology are commented. Afterwards, a phenomenological-based semiphysical model for a self-pressurized alkaline electrolyzer is proposed. The model, based on mass and energy balances, represents the dynamic behavior of hydrogen and oxygen production using electrolysis. The model allows to anticipate operational variables as dynamic responses in the concentrations of the electrolytic cell, and variations in both, level and pressure, at the gas separation chambers due to the change in electric current. The model parameters have been adjusted based on experimental measurements taken from an available prototype and through a suitable identification process. Simulation results replicate the current dynamic response of the experimental self-pressurized electrolyzer assembly. This model proves to be useful in the improvement of the control of gas production rate in this kind of assemblies, both as a validated simulation platform and as a source of reduced order models for model-based control design. Later, this thesis presents two control strategies that mitigate the cross contamination of H2 and O2 in a high-pressure alkaline electrolyzer, which consequently increases the supplied purity of the gases: one based on a decoupled PI scheme and the other based on optimal control tools. In order to reduce the diffusion of gases through the membrane, the controllers establish the opening of two outlet valves based on the pressure of the system and the difference in liquid level between both separation chambers. Therefore, two multiple input - multiple output controllers are designed. For this purpose, the high-fidelity model previously mentioned was simplified in order to obtain a control-oriented model. The proposed controllers were evaluated in simulation using the high-fidelity nonlinear model in a wide operating range, which resulted in less than 1% impurity of gases. In addition, tests were carried out in the prototype electrolyzer where the operation of the PI control was verified, obtaining even better results, with a maximum contamination of 0.2%. Aquesta tesi es dedica principalment a l'estudi de l'electròlisi alcalina d'alta pressiò. L'electròlisi alcalina és una tecnologia ben establerta i està disponible comercialment. Tanmateix, no s'ha investigat completament el funcionament a alta pressiò per a la distribuciò de compressors. A més, falten models dinàmics i publicacions relacionades amb les estratègies de control. Per tant, aquesta tesi contribueix especialment en el modelatge i control d'electrolitzadors alcalins d'alta pressió per tal de millorar la puresa dels gasos produïts. La tesi s'emmarca dins d'una idea general sobre la renovada preocupació per la cura del medi ambient, que consisteix a reduir les emissions de gasos d'efecte hivernacle sense sacrificar les comoditats modernes. Una proposta generalitzada es centra en l'energia produïda a partir de fonts renovables i el seu posterior emmagatzematge i transport basat en hidrogen. Actualment, aquest gas s'aplica a la indústria química i la seva producció es basa en combustibles fòssils. La introduccio d'aquest vector energètic requereix el desenvolupament de mètodes respectuosos amb el medi ambient per obtenir-lo. Es presenten les tècniques existents i es centra principalment en l'electròlisi, un procediment madur. Al seu torn, es presenten algunes propostes desenvolupades com a passos previs a l'economia de l'hidrogen. A més, es comenten algunes línies de recerca per millorar la tecnologia d'electròlisi. Posteriorment, es proposa un model semifísic de base fenomenològica per a un electrolitzador alcalí auto-pressuritzat. El model, basat en els balanços de massa i energia, representa el comportament dinàmic de la producció d'hidrogen i oxigen mitjançant electròlisi. El model permet anticipar variables operatives com a respostes dinàmiques en les concentracions de la cèl·lula electrolítica i variacions en el nivell i la pressió de les cambres de separació de gas a causa del canvi de corrent elèctric. Els paràmetres del model s'han ajustat en funció de mesures experimentals obtingudes en d'un prototip disponible i mitjançant un procés d'identificació adequat. Els resultats de la simulació repliquen la resposta dinàmica actual del conjunt experimental d'electrolitzador auto-pressuritzat. Aquest model demostra ser útil per millorar el control de la taxa de producció de gas en aquest tipus d'assemblatges, tant com a plataforma de simulació validada com a font de models d'ordre reduït per al disseny de control basat en models. Posteriorment, aquesta tesi presenta dues estratègies de control que mitiguen la contaminació creuada de H2 i O2 en un electrolitzador alcalí d'alta pressió, que en conseqüència augmenta la puresa subministrada dels gasos: una basada en un esquema de PI desacoblat i l'altra basada en un esquema de control òptim. Per tal de reduir la difusió de gasos a través de la membrana, els controladors estableixen l'obertura de dues vàlvules de sortida en funció de la pressió del sistema i de la diferència de nivell de líquid entre les dues cambres de separació. Per tant, es dissenyen dos controladors d'entrada i sortida múltiple. Amb aquest propòsit, el model d'alta fidelitat esmentat anteriorment s'ha simplificat per obtenir un model orientat al control. Els controladors proposats han estat avaluats en simulació mitjançant el model no lineal d'alta fidelitat en un ampli rang operatiu, el qual ha resultat en una impuresa de gasos inferior a 1%. A més, es van realitzar assajos al electrolitzador prototip on es va constatar el funcionament de l'control PI, obtenint inclusivament millors resultats, amb una contaminació màxima de 0,2%. Esta tesis está dedicada principalmente al estudio de la electrólisis alcalina de alta presión. La electrolisis alcalina es una tecnología bien establecida y está disponible comercialmente. Sin embargo, la operación a alta presión para dispensar el uso de compresores no ha sido investigada completamente. Además, hay una falta de modelos dinámicos y publicaciones relacionadas con las estrategias de control. Por tanto, esta tesis contribuye especialmente en el modelado y control de electrolizadores alcalinos de alta presión para mejorar la pureza de los gases producidos. La tesis se enmarca dentro de una idea general sobre la renovada preocupación por el cuidado del medio ambiente, que pasa por reducir las emisiones de gases de efecto invernadero sin sacrificar las comodidades modernas. La propuesta generalizada se centra en la energía producida a partir de fuentes renovables y su posterior almacenamiento y transporte a base de hidrogeno. Actualmente, este gas se utiliza en la industria química y su producción se basa en combustibles fósiles. La introducción de este vector energético requiere el desarrollo de métodos amigables con el medio ambiente para su obtención. Se presentan las técnicas existentes y se hace hincapié en la electrolisis, un procedimiento maduro. A su vez, se presentan algunas propuestas desarrolladas como pasos previos a la economía del hidrogeno. Además, se comentan algunas líneas de investigación para mejorar la tecnología de electrolisis. Posteriormente, se propone un modelo semifísico de base fenomenológica para un electrolizador alcalino autopresurizado. El modelo, basado en balances de masa y energía, representa el comportamiento dinámico de la producción de hidrogeno y oxígeno mediante electrolisis. El modelo permite anticipar variables operativas como respuestas dinámicas en las concentraciones de la celda electrolítica y variaciones tanto de nivel como de presión en las cámaras de separación de gases debido al cambio de corriente eléctrica. Los parámetros del modelo se han ajustado en base a medidas experimentales tomadas de un prototipo disponible y mediante un proceso de identificación adecuado. Los resultados de la simulación replican la respuesta dinámica actual del conjunto electrolizador autopresurizado experimental. Este modelo demuestra ser útil en la mejora del control de la tasa de producción de gas en este tipo de montajes, tanto como plataforma de simulación validada como fuente de modelos de orden reducido para el diseño de control basado en modelos. Después, esta tesis presenta dos estrategias de control que mitigan la contaminación cruzada de H2 y O2 en un electrolizador alcalino de alta presión, lo que consecuentemente aumenta la pureza suministrada de los gases: una basada en un esquema de PI desacoplado y otra basada en herramientas de control óptimo. Para reducir la difusión de gases a través de la membrana, los controladores establecen la apertura de dos válvulas de salida en función de la presión del sistema y la diferencia de nivel de líquido entre ambas cámaras de separación. Por lo tanto, se diseñan dos controladores de múltiples entradas y múltiples salidas. Para ello, se simplificó el modelo de alta fidelidad anteriormente mencionado para obtener un modelo orientado al control. Los controladores propuestos se evaluaron en simulación utilizando el modelo no lineal de alta fidelidad en un amplio rango operativo, lo que resultó en menos de 1% de impureza de gases. Además, se realizaron ensayos en el electrolizador prototipo donde se constató el funcionamiento de los controles PI y H1, obteniendo inclusive mejores resultados, con una contaminación máxima de 0;2 %.

This WORK presents and discusses the importance of field-programmable gate array (FPGA) on real-time control strategies used to achieve low-latency requirements for hardware (HW) demanding systems. The work is focused on finding the most suitable solution to properly control as many parallel buck converters as possible modelled in a Hardware-in-the-Loop (HIL) Simulink system. The discussion begins on the controller, one that needs to be accelerated for its online computational timing requirements: an optimization-based controller. This choice implies different approaches to generate an embedded implementation. A few viable ways to make this implementation possible are described and tested in order to find all the advantages and disadvantages to choose the right method to achieve the described buck converter system control. After analysing the HW capabilities of FPGAs against microcontroller units (MCUs), an implementation of aN HW demanding system forcing timing requirements and considering a scalability analysis has been performed and discussed to give an assessment of the benefits of using FPGAs. Finally, this dissertation opens up the door to future research on finding different solutions, dismissed in this project, that may result better to use FPGAs on real-time control strategies. As an additional mention, this dissertation has been fully written from home, during COVID-19 pandemic. This situation has forced the case study to be an HIL solution instead of a real case solution. This circumstance has also particularly badly affected in the proper communication and workplace facilities amongst many other inconveniences that have been mitigated with hard work and passion for the subject

En este proyecto se crea una herramienta capaz de discernir entre tres consonantes fricativas del árabe, dos de ellas consideradas sonidos comunes y una de ellas considerada particular del árabe. Esta herramienta consiste en un modelo creado con código Python en la aplicación web Jupyter Notebook a partir del algoritmo de inteligencia artificial conocido como Análisis de Discriminante Lineal. Cuando este modelo recibe la información relativa a una de estas consonantes, el sistema devuelve el fonema correspondiente según lo que ha aprendido a partir de muestras anteriores. La información relativa a cada consonante viene dada por un vector de valores de parámetros acústicos seleccionados a partir de investigaciones de vanguardia anteriores y la propia verificación sobre la relevancia de estos parámetros a la hora de diferenciar entre las consonantes realizada en este proyecto mediante el método estadístico de ANOVA en Minitab. Para extraer los parámetros de las grabaciones de sonido de cada consonante se utiliza el programa de análisis fonético del habla conocido como Praat. Adicionalmente, se realiza un estudio con 15 individuos con tres idiomas nativos distintos (catalán, castellano e italiano), que no hablan el árabe, para comprobar la capacidad de pronunciar correctamente sonidos ajenos y la correlación de esta con el idioma nativo. El modelo resultó ser eficaz y veraz, no obstante, no se pudo establecer una correlación entre el idioma nativo y la correcta pronunciación de los sonidos desconocidos.

In this project, a Torque Vectoring algorithm for a Formula Student vehicle with four inwheel electrical machines is designed and tested. This algorithm includes the development of a Quasi-LPV bicycle model, the design of a Proportional-Integral yaw rate controller and the statement and solution of a Torque Distribution multi-objective optimization problem. Data analysis and the information that can be extracted from this process is explained and discussed, as it is a fundamental procedure for each of the control modules that are going to be developed. Also a vehicle dynamics introduction is presented in order to enable a better understanding of every step that has been done throughout the project. Finally, all the results obtained from the resultant Torque Vectoring control system are presented and discussed with its consequent conclusions.

L’objectiu d’aquesta tesi és l’anàlisi i el control d’un sistema de Lur’e, és a dir, un sistema amb un camí directe lineal i invariant en el temps i amb una realimentació no lineal estàtica, amb restriccions de sector i de pendent en les seves no-linealitats. Aquesta descripció engloba una àmplia classe de sistemes que apareixen comunament en una àmplia gamma de disciplines d’enginyeria. L’enfocament d’aquest treball es basa en la teoria d’estabilitat de Lyapunov i utilitza desigualtats de matrius lineals per proposar criteris per a l’estabilitat absoluta del sistema i els guanys l2 i RMS, i desigualtats de matrius bilineals per proposar criteris per al seu control per realimentació d’estat i estimació d’estat. Aquest tipus de condicions, en particular les desigualtats de matrius lineals, són convenients de tractar computacionalment, ja que els problemes d’optimització a que donen lloc són convexos. S’obtenen resultats numèrics per a diversos exemples, els quals mostren una millora significativa respecte a les condicions anteriors de la literatura. El objetivo de esta tesis es el análisis y el control de un sistema de Lur’e, es decir, un sistema con un camino directo lineal e invariante en el tiempo y con una realimentación no lineal estática, con restricciones de sector y de pendiente en sus no-linealidades. Esta de- scripción engloba una amplia clase de sistemas que aparecen comúnmente en una amplia gama de disciplinas de ingeniería. El enfoque de este trabajo se basa en la teoría de estabilidad de Lyapunov y utiliza desigualdades de matrices lineales para proponer criterios para la estabil- idad absoluta del sistema y las ganancias l2 y RMS, y desigualdades de matrices bilineales para proponer criterios para su control por realimentación de estado y estimación de estado. Este tipo de condiciones, en particular las desigualdades de matrices lineales, son convenientes tratar computacionalmente, ya que los problemas de optimización a que dan lugar son con- vexos. Se obtienen resultados numéricos para varios ejemplos, los cuales muestran una mejora significativa respecto a las condiciones anteriores de la literatura. The aim of this thesis is to analyze and control a Lur’e system, i.e., a system with a linear time-invariant forward path and a nonlinear static feedback with sector and slope constraints on its nonlinearities. This description encompasses a broad class of systems that commonly arise in a wide range of engineering disciplines. The approach of this work is based on Lyapunov stability theory and uses linear matrix inequalities to propose criteria for the system’s absolute stability and l2- and RMS-gains, and bilinear matrix inequalities to propose criteria for state feedback control and state estimation. These types of conditions, in particular linear matrix inequalities, are conveniently treated computationally, as the optimization problems that they give rise to are convex. Numerical results are obtained for several examples, showing a significant improvement with respect to previous conditions in the literature. Outgoing

For many people with upper limb disabilities, simple activities of daily living such as drinking, opening a door, or pushing an elevator button require the assistance of a caregiver; which reduces the independence of the individual. Assistive robotic systems controlled via human-robot interface could enable these people to perform this kind of tasks autonomously again and thereby increase their independence and quality of life. Moreover, this interface could encourage rehabilitation of motor functions because the individual would require to perform its remaining body movements and muscle activity to provide control signals. This project aims at developing a novel hybrid control interface that combines remaining movements and muscle activity of the upper body to control position and impedance of a robotic manipulator. This thesis presents a Cartesian position control system for KINOVA Gen3 robotic arm, which performs a proportional-derivative control low based to the Jacobian transpose method, that does not require inverse kinematics. A second control is proposed to change the robot’s rigidity in real-time based on measurements of muscle activity (sEMG). This control allows the user to modulate the robot’s impedance while performing a task. Moreover, it presents a body-machine interface that maps the motions of the upper body (head and shoulders) to the space of robot control signals. Its uses the principal component analysis algorithm for dimensionality reduction. The results demonstrate that combining the three methods presented above, the user can control robot positions with head and shoulders movements, while also adapting the robot’s impedance depending on its muscle activation. In the future work the performance of this system is going to be tested in patients with severe movement impairments.

Aplicat embargament des de la data de defensa fin el dia 1 de juliol, de 2021 This thesis is devoted to the study of the optimisation-based control techniques for the design of control strategies that contribute to improve the energy efficiency of smart manufacturing systems. Currently, manufacturing industry is suffering a transformation towards smart, flexible, and energy-efficient manufacturing systems. This transformation requires modularised and reconfigurable manufacturing systems to respond to changes in productions programs and to the time-varying pieces demand while keeping an energy-efficient operation. Thus, suitable control systems should be designed to satisfy the requirements of this transformation while minimising the energy consumption and maximising the plant profit. In this regard, optimisation-based controllers are suitable for the design of control systems that minimise the total energy consumption of such systems while remaining their productivity taking into account the operational conditions and the factors that affect them. First, this dissertation presents how optimisation-based control techniques can contribute to face the challenges of the smart manufacturing systems. Based on this review, manufacturing industry is classified by levels, i.e., machine, process line, and plant levels, for the design of optimisation-based controllers. Besides, to design control strategies that do not affect plant productivity, manufacturing systems are also classified according to the operations performed. Based on these classifications, control strategies are proposed to minimise either the total energy consumption of manufacturing systems or the energy costs related to the operation of such systems. At both machine and process line levels, control strategies are designed based on model predictive control approach to minimise their energy consumption. The underlying idea behind the proposed control strategies consists of managing independently those devices (or systems) that are not directly involved in the machining operations. Thus, energy consumption models are required to predict the total energy consumption profile of manufacturing systems and, based on this, to select the activation/deactivation instants of the manipulated devices that minimise their energy consumption and guarantee their proper operation. Next, due to at the process line level the size and complexity of manufacturing systems increases, a control strategy based on two control modes is proposed to reduce the computational burden of such controllers by switching from a control mode based on online optimisation to an autonomous control mode without solving an optimisation problem. Since the need for flexible and reconfigurable manufacturing systems, non-centralised control strategies are proposed at higher industrial levels to minimise their energy consumption. Thus, both cooperative and non-cooperative local controllers are designed considering a fixed system partitioning and using alternative direction methods of multipliers to solve the optimisations problems in a distributed fashion. Besides, due to the nature of the proposed control objectives, a way to define the consensus stage among the local controllers with coupled dynamics is proposed. Finally, the control strategies designed at plant level are based on the economic model predictive control approach to maximise the plant profit and minimise the operational costs related to the plant operation. At this level, control objectives are focused on determining the economic-optimal production programming of the plant that the control strategies at lower levels should follow. In this regard, the production programming of the plant is determined taking into account the pieces demand, the energy consumption of manufacturing systems, and the current energy market and their fluctuations. All control strategies proposed in this thesis are tested in simulation considering different scenarios designed based on the real operation of an automotive part manufacturing plant. Esta tesis se basa en el estudio de las técnicas de control basadas en optimización para el diseño de estrategias de control que mejoren la eficiencia energética de los sistemas de manufactura inteligentes. La industria de manufactura se está transformando hacia sistemas de manufactura inteligentes, flexibles y eficientes energéticamente, que requiere de estructuras modulares y reconfigurables para poder responder a los cambios en la programación de la producción y la demanda de piezas. Así, se deben diseñar sistemas de control que cumplan los requerimientos de dicha transformación mientras minimizan el consumo de energía y maximizan la rentabilidad de la planta. En este sentido, los controladores basados en optimización son adecuados para el diseño de sistemas de control que minimicen el consumo de energía de dichos sistemas mientras mantienen su productividad teniendo en cuenta los factores que los afectan. Primero, se presentan como las técnicas de control basadas en optimización pueden contribuir a hacer frente a los desafíos impuestos por la industria de manufactura. Con base en esta revisión, la industria manufacturera se clasifica por niveles, nivel de máquina, línea de proceso, y planta, para el diseño de controladores basados en optimización. Además, para diseñar estrategias de control que no afecten la productividad de la planta, se propone una clasificación para estos sistemas en función de las operaciones realizadas. Con base en estas clasificaciones, se diseñan estrategias de control que minimicen el consumo de energía de los sistemas de manufactura o los costos asociados a dicho consumo. A los niveles de maquina y línea, se diseñaron estrategias de control para minimizar el consumo de energía de los sistemas de manufactura con base en el enfoque de control predictivo basado en modelo. Las estrategias propuestas se basan en la gestión independiente de aquellos dispositivos que no están directamente relacionados con las operaciones de mecanizado. Por lo tanto, modelos de consumo de energía fueron necesarios para predecir el perfil del consumo de energía de estos sistemas y, a partir de esto, seleccionar los instantes de activación/desactivación de los dispositivos manipulados que minimicen el consumo de energía y garanticen el correcto funcionamiento de dichos sistemas. Dado que al nivel de línea el tamaño y la complejidad de estos sistemas aumenta, se propone a una estrategia de control basada en dos modos de control para reducir la carga computacional mediante la conmutación de un modo de control basado en optimización a un modo autónomo que no requiere optimización. Dada la necesidad de sistemas de manufactura flexibles y reconfigurables, estrategias de control no centralizadas se proponen para minimizar el consumo de dichos sistemas a los niveles más altos. Para este fin, los sistemas de manufactura se dividieron en subsistemas, y se diseñaron controladores locales de tipo cooperativo y no cooperativo usando métodos alternativos de dirección de multiplicadores para resolver los problemas de optimización. Además, debido a la naturaleza de los objetivos de control propuesto, se propuso una forma de establecer el consenso entre los controladores locales con dinámicas acopladas. Finalmente, a nivel de planta, se diseñan estrategias de control con base en el enfoque control predictivo basado en modelo económico para maximizar la rentabilidad de la planta. A este nivel, los objetivos de control se centran en determinar la programación de la producción óptima que deberán seguir las estrategias de control diseñadas a niveles más bajos. Así, la programación de la producción de la planta se determina teniendo en cuenta la demanda de piezas, el consumo de energía total, y el mercado energético con sus fluctuaciones. Las estrategias de control propuestas en esta tesis se probaron en simulación considerando diferentes escenarios diseñados con base en la operación real de una planta de fabricación de piezas automotrices. Aquesta tesi es centra principalment en l’estudi de les tècniques de control basades en optimització per al disseny d’estratègies que contribueixin a millorar l’eficiència energètica dels sistemes de manufactura intel·ligents. Actualment, la indústria manufacturera està experimentant una transformació cap a sistemes de manufactura intel·ligents, flexibles i eficients energèticament, impulsada pels avenços en dispositius de mesura, gestió de dades i eines de comunicació i connectivitat. Aquesta transformació requereix que els sistemes de manufactura siguin modulars i reconfigurables per poder respondre als canvis en la programació de la producció i de la demanda i disseny de les peces mentre continuen operant de manera eficient i sostenible. Per tant, per tal d’assolir una indústria de manufactura m’és intel·ligent, s’han de dissenyar sistemes de control adequats que permetin complir els requeriments d’aquesta transformació, així com també minimitzar el consum d’energia i maximitzar la rendibilitat de la planta. En aquest sentit, els controladors basats en optimització i les arquitectures de control no centralitzat podrien ser adequats per al disseny de sistemes de control que contribueixin a minimitzar el consum d’energia total d’aquests sistemes mentre mantenen la seva productivitat i tenen en compte les restriccions operatives i els factors externs que afecten aquests sistemes. Per tant, mitjançant l’ús d’estratègies de control avançat, els sistemes de control poden ser degudament actualitzats per incloure la informació sobre els canvis en l’operació dels sistemes de manufactura, així com també la variació del mercat energètic per minimitzar els costos d’energia durant l’operació de la planta. Primer, en aquesta tesi, es presenten i discuteixen les estratègies actualment implementades en la indústria manufacturera per millorar la seva eficiència energètica. En base a aquesta revisió, s’identifiquen les principals bretxes de recerca en aquest camp i es discuteix com les tècniques de control basades en optimització poden contribuir a fer front als desafiaments imposats per la nova era de la indústria manufacturera (Industry 4.0). Recolzant-se en la revisió de la literatura, es proposa classificar la indústria manufacturera per nivells, considerant el nivell de màquina, línia de procés i planta, per al disseny de controladors basats en optimització. A més, per tal de dissenyar estratègies de control que no afectin la productivitat de la planta, és a dir, el nombre de peces processades per unitat de temps, els elements constitutius dels sistemes de manufactura també es classifiquen en dispositius de mecanitzat i perifèrics en funció de les operacions realitzades. Els elements de la primera classe corresponen a aquells que estan directament involucrats en les operacions de mecanitzat, mentre que els de la segona classe són aquells que s’encarreguen de proveir els recursos requerits pels dispositius de mecanitzat. Després, en base a aquesta classificació, es proposen estratègies de control en cada nivell per minimitzar el seu consum d’energia o els costos associats a aquest consum. Per als nivells de màquina i línia de procés, es dissenyen estratègies de control per minimitzar el consum d’energia dels sistemes de manufactura en base a l’enfocament de control predictiu basat en model. Les estratègies proposades es basen en la idea de gestionar de manera independent els dispositius (o sistemes) perifèrics per tal de no afectar el temps de processament de les màquines tot mantenint l’operació dels dispositius de mecanitzat. Per tant, calen models de consum d’energia per a predir el perfil de consum d’energia dels sistemes de manufactura i, en base a aquesta predicció, seleccionar els instants d’activació / desactivació per als dispositius manipulats a partir dels quals es minimitzi el consum d’energia total i es pugui garantir el correcte funcionament d’aquests sistemes. D’altra banda, atès que al nivell de línia de procés la mida i la complexitat dels sistemes de manufactura augmenta, es proposa una estratègia de control basada en dos modes de control per tal de reduir la càrrega computacional i dissenyar controladors que puguin ser implementats en temps real. En aquest sentit, tenint en compte que els sistemes de manufactura presenten un comportament diari, es proposa un algoritme per detectar la periodicitat d’aquests sistemes i, després, commutar a un mode de control autònom que no requereixi resoldre un problema d’optimització en línia. D’altra banda, donada la necessitat de sistemes de manufactura flexibles i reconfigurables, es proposen estratègies de control no centralitzades per minimitzar el consum d’energia dels sistemes de fabricació als nivells més alts. Amb aquesta finalitat, els sistemes de manufactura es divideixen en subsistemes, i es dissenyen controladors locals de tipus cooperatiu i no cooperatiu utilitzant mètodes alternatius de direcció de multiplicadors per resoldre els problemes d’optimització de manera distribuïda. A més, a causa de la naturalesa de l’objectiu de control proposat, el qual està enfocat en minimitzar el consum d’energia dels sistemes de manufactura, es proposa una forma d’establir el consens entre els controladors locals amb dinàmiques acoblades. Després, les estratègies de control proposades són extrapolades al nivell de planta usant objectius de tipus econòmic, i es comparen les arquitectures de control centralitzat i no centralitzat pel que fa al seu acompliment en llac¸ tancat i la càrrega computacional requerida per trobar una solució. Finalment, a nivell de planta, es dissenyen estratègies de control en base a l’enfocament de control predictiu basat en model econòmic per tal de maximitzar la rendibilitat de la planta i minimitzar els costos associats a la seva operació. Per tant, a aquest nivell, els objectius de control se centren a determinar la programació de la producció òptima de la planta que hauran de seguir les estratègies de control dissenyades als nivells més baixos. En aquest sentit, la programació de la producció de la planta és determinada tenint en compte la demanda actual de peces, el consum d’energia dels sistemes de manufactura i el mercat energètic amb les seves fluctuacions. Totes les estratègies de control proposades en aquesta tesi es proven en simulació considerant diferents escenaris basats en l’operació real d’una planta de fabricació de peces automotrius.

Alpicat embargament des de la data de defensa fins el juny de 2020 Non-centralized control schemes for large-scale systems, including energy networks, are more flexible, scalable, and reliable than the centralized counterpart. These benefrts are obtained by having a set of local control!ers, each of which is responsible for a partition of the system, instead of one central entity that controls the whole system. Furthermore,in sorne cases, employing a non­ centralized control structure might be necessary due to the intractability problem of the centralized method.Thus, this thesis is devoted to the study of non-centralized optimization-based control approaches for large-scale energy systems. Mainly,this thesis focuses on the communication and cooperation processes of local controllers, which are integral parts of such schemes. Throughout this thesis,the model predictíve control framework is applied to solve the economic dispatch problem of large-scale energy systems. In a non-centralized architecture, local controllers must cooperatively solve the economic dispatch problem, which is formulated as a convex optimization problem with edge-based coupling constraints, at each time step.Therefore, first, the augmented Lagrangian approach is deployed to decompose the problem and to design two distributed optimization methods, which are iterative and require the local controllers to exchange information with each other at each iteration. lt is then shown that the sequence produced by these methods converges to an optima!solution when sorne cond tions, which include how the controllers must communicate and cooperate, are satisfied. However, in practice, the communication process might not always be perfect,i.e.,the required communication assumption does not hold. In the case of communication link failures, the distributed methods might not be able to compute a solution.Therefore,an information exchange protocol that is based on consensus is designed to overcome this problem. Furthermore, the proposed distributed methods are also further·extended such that they work over random communication networks and asynchronous updates, i.e.,when not all controllers always perform the updates . Under this setup, the convergence and the convergence rate of the algorithms are shown. Additionally, the implementation of these distributed methods to an MPC-based economic dispatch is also presented. The discussion includes the techniques that can be used to reduce the number of iterat ions and the performance of the methods in a numerical study. Considering that the aforementioned methods are comrnunication-intensive, an alternative non-centralized scheme, which provides a trade-off between comrnunication intensity and suboptirnality,is proposed.The scheme consists of repartitioning the network online with the aim of obtaining self-sufficient subsystems, forming coalitions for subsystems that are not self-sufficient,and decomposing the economic dispatch problem of the system into coalition-based subproblems. In this scheme, each subsystem only communicates to the others that belong to the sarne coalition;thus, reducing communication. Especially when all subsystems are self-sufficient, exchanging information is not needed. Finally,a cooperation problem during the implementation of the decisions is discussed. Specifically, sorne subsystems do not cornply with the computed decisions to gain better performance at the cost of deteriorating the performance of the other subsystems.A resilient scheme that can cope with this problem is formulated.lt consists of a stochastic method to robustify the decisions against such adversaria! behavior and an identification and mitigation method that is based on hypothesis testing using Bayesian inference.The proposed scheme, in general,can mitigate the effect of non- Los esquemas de control no centralizados aplicados a sistemas a gran escala, entre los que se incluyen las redes energéticas, son más flexibles, escalables y fiables que sus equivalentes centralizados. Dichos beneficios pueden obtenerse empleando un conjunto de controladores locales, donde cada uno de ellos es responsable de una parte del sistema, en lugar de una entidad central que controle la totalidad del sistema.Asimismo,el uso de una estructura de control no centralizada podría ser, en algunos casos, necesario, dado el problema de intratabilidad del método centralizado. Por consiguiente, la presente tesis trata sobre el estudio de enfoques de control no centralizados basados en optimización para redes energéticas a gran escala. Principalmente, esta tesis se centra en los procesos de comunicación y cooperación llevados a cabo por los controladores locales , que constituyen partes esenciales de dichos esquemas . A lo largo de esta tesis, el control predictivo basado en modelos se usa para resolver el problema de expedir energia en redes energéticas a gran escala desde un punto de vista económico. En arquitecturas no centralizadas, los controladores locales deben resolver dicho problema de forma cooperativa, el cual se formula como un problema de optimización convexo con restricciones de acoplamiento en los enlaces entre nodos, que debe ser resuelto en cada instante de tiempo. Para ello, el método de Lagrangiano aumentado se utiliza inicialmente para descomponer el problema y diseñar dos métodos de optimización distribuidos , que son iterativos y requieren que los controladores locales intercambien información entre ellos en cada iteración . A continuación, se muestra que la secuencia generada por estos métodos converge a la solución óptima a condición de que se cumplan ciertas condiciones,incluyendo cómo los controladores deben comunicarse y cooperar. Sin embargo, en la práctica,la comunicación no siempre es perfecta, es decir,el supuesto de comunicación requerido no se cumple. En el caso de fallos en los enlaces de comunicación, los métodos distribuidos podrían no ser capaces de proporcionar una solución. Para paliar este problema, se diseña un protocolo de información basado en consenso.l'v1ás aún, los métodos de optimización distribuidos se extienden a fin de que sean capaces de trabajar en redes con comunicaciones aleatorias y actualizaciones asíncronas, es decir,redes en que no todos los controladores realicen las actualizaciones . En esta configuración se muestran la convergencia y el orden de convergencia de dichos algoritmos. Se muestra, además, la implementación de estos métodos en el control predictivo económico basado en modelos para redes energéticas. La discusión incluye las técnicas que pueden usarse para reducir el número de iteraciones, así como el desempeño de los métodos, a través de un estudio numérico. Teniendo en cuenta que los métodos anteriormente mencionados requieren una comunicación intensa,se propone otro esquema no centralizado que proporciona un compromiso entre intensidad de comunicación y suboptimalidad . Dicha estrategia consiste en volver a particionar en línea el sistema con el objetivo de obtener subsistemas autosuficientes,formando coaliciones de subsistemas que no lo sean por separado,y descomponiendo el problema económico de expedición de energía en subproblemas de tipo coalicional. En este esquema ,cada subsistema se comunica únicamente con aquellos otros subsistemas que pertenezcan a la misma coalición, reduciendo asi el tráfico de comunicación. En particular, cuando todos los subsistemas son autosuficientes, el intercambio de información ya no es necesario. Finalmente,se considera el problema de la cooperación durante la implementación de las decisiones Específicamente, algunos subsistemas no acatan las decisiones tomadas con el fin de lograr un desempeño propio superior a expensas de empeorar el desempeño de otros subsistemas. Es por esto que, con el fin de lidiar con este problema, se propone un esquema resiliente, el cual consiste en un método estocástico para hacer las decisiones más robustas frente a tal comportamiento adverso, y un método de identificación y mitigación basado en evaluación de hipótesis usando inferencia bayesiana. En general, el esquema propuesto logra mitigar el efecto de los subsistemas incumplidores sobre el resto, y en un caso concreto, también permite identificar los subsistemas adversos. Els esquemes de control no centralitzats aplicats a sistemes a gran escala, entre els quals s’inclouen les xarxes energètiques, són més flexibles, escalables i fiables que els seus equivalents centralitzats. Aquests beneficis es poden obtenir fent servir un conjunt de controladors locals, en què cadascun d’ells és responsable d’una part del sistema, en lloc d’una entitat central que controli la totalitat del sistema. Així mateix, l’ús d’una estructura de control no centralitzada podria ser, en alguns casos, necessari, donat el problema d’intractabilitat del mètode centralitzat. Per tant, la present tesi tracta sobre l’estudi d’enfocaments de control no centralitzats basats en optimització per a xarxes energètiques a gran escala. Principalment, aquesta tesi se centra en els processos de comunicació i cooperació duts a terme pels controladors locals, que constitueixen parts essencials d’aquests esquemes. Al llarg d’aquesta tesi, el control predictiu basat en models s’utilitza per a resoldre el problema d’expedició d’energia en xarxes energètiques a gran escala des d’un punt de vista econòmic. En arquitectures no centralitzades, els controladors locals han de resoldre aquest problema de forma cooperativa, formulat com un problema d’optimització convex amb restriccions d’acoblament en els enllaços entre nodes i que ha de ser resolt a cada instant de temps. A tal efecte, el mètode de Lagrangià augmentat s’utilitza inicialment per a descomposar el problema i dissenyar dos mètodes d’optimització distribuïts, que són iteratius i requereixen que els controladors locals intercanviïn informació entre ells a cada iteració. A continuació, es mostra que la seqüència generada per aquests mètodes convergeix a la solució òptima si es compleixen certes condicions, incloent la manera en què els controladors s’han de comunicar i cooperar. No obstant això, a la pràctica, la comunicació no és sempre perfecta, és a dir, el supòsit de comunicació perfecta no es compleix. En el cas de fallades en els enllaços de comunicació, els mètodes distribuïts podrien no ser capaços de proporcionar una solució. Per a resoldre aquest problema, es dissenya un protocol d’informació basat en consens. A més, els mètodes d’optimització distribuïts s’amplien per tal que siguin capaços de treballar en xarxes amb comunicacions aleatòries i actualitzacions asíncrones, és a dir, xarxes en què no tots els controladors realitzin les actualitzacions. En aquestes configuracions es mostren la convergència i l’ordre de convergència d’aquests algoritmes. A més, es mostra també la implementació d’aquests mètodes en el control predictiu econòmic basat en models per a xarxes energètiques. La discussió inclou les tècniques que es poden emprar per a reduir el nombre d’iteracions, així com el rendiment dels mètodes, fent servir un estudi numèric. Tenint en compte que els mètodes anteriorment esmentats requereixen una comunicació intensa, es proposa un altre esquema no centralitzat que proporciona un compromís entre intensitat de comunicació i suboptimalitat. Aquesta estratègia consisteix en tornar a particionar el sistema en línia amb l’objectiu d’obtenir subsistemes autosuficients, formant coalicions de subsistemes que no ho siguin per separat, i descomposant el problema econòmic d’expedició d’energia en subproblemes de tipus coalicional. En aquest esquema, cada subsistema es comunica únicament amb aquells altre subsistemes que pertanyin a la mateixa coalició, reduint així el trànsit de comunicació. En particular, quan tots els sistemes són autosuficients, l’intercanvi d’informació deixa de ser necessari. Finalment, es considera el problema de la cooperació durant la implementació de les decisions. Específicament, alguns subsistemes no acaten les decisions preses amb la finalitat de millorar el propi rendiment a costa de disminuir el d’altres subsistemes. És per això que, a fi de solucionar aquest problema, es proposa un esquema resilient, el qual consisteix en un mètode estocàstic per fer les decisions més robustes davant d’aquest comportament advers, i un mètode d’identificació i mitigació basat en evaluar hipòtesis utilitzant inferència bayesiana. En general, l’esquema proposat aconsegueix mitigar l’efecte que els subsistemes no obedients exerceixen sobre la resta, i en un cas concert, també permet identificar els subsistemes adversos. ABSTRAKSI (Indfonesian) Skema kendali yang tidak tersentralisasi untuk sistem berskala besar, seperti sistem aringan energi, lebih fleksibel, skalabel, dan reliabel dibandingkan dengan skema tersentralisasi. Keuntungan ini diperoleh dari terdapatnya satu set pengendali lokal, yang hanya bertanggung jawab terhadap satu partisi dari sistem tersebut, daripada jika hanya terdapat satu entitas yang mengendalikan seluruh sistem. Bahkan dalam beberapa sistem, penerapan struktur kendali yang tidak tersentralisasi menjadi keharusan karena adanya permasalahan intraktabilitas dari metode tersentralisasi. Oleh karena itu, disertasi ini bertujuan untuk melakukan studi pada metode kendali berdasarkan optimisasi dengan struktur yang tidak tersentralisasi untuk sistem energi berskala besar. Khususnya, disertasi ini memfokuskan pada proses komunikasi dan kooperasi pengendali‐pengendali lokal, yang merupakan bagian integral dalam skema yang dimaksud. Pada disertasi ini, sistem kontrol prediktif (model predictive control (MPC)) diterapkan untuk menyelesaikan optimisasi economic dispatch pada sistem energi berskala besar. Dalam arsitektur yang tidak tersentralisasi, pengendali‐pengendali lokal harus menyelesaikan permasalahan economic dispatch secara kooperatif. Permasalahan economic dispatch ini diformulasikan sebagai optimisasi yang konveks dan memiliki konstrain terkopling. Oleh karena itu, pendekatan Lagrange yang teraugmentasi diterapkan untuk mendekomposisi permasalahan optimisasi terkait. Pendekatan ini juga digunakan untuk merancang dua metode optimisasi terdistribusi, yang iteratif dan mengharuskan pengendali‐pengendali lokal bertukar informasi satu sama lain pada setiap iterasi. Sekuensi yang dihasilkan dari kedua metode tersebut akan terkonvergensi pada suatu solusi yang optimal apabila beberapa kondisi, yang meliputi bagaimana pengendali harus berkomunikasi dan berkooperasi, terpenuhi. Namun, pada praktiknya, proses komunikasi yang terjadi mungkin tidak selalu sempurna, dalam hal ini asumsi pada proses komunikasi yang dibutuhkan tidak terpenuhi. Pada kasus kegagalan jaringan komunikasi, metode terdistribusi yang dirancang mungkin tidak dapat menemukan solusinya. Oleh karena itu, suatu protokol untuk pertukaran informasi yang berdasarkan pada konsensus dirancang untuk mengatasi permasalahan ini. Selanjutnya, dua metode terdistribusi yang telah dirancang juga dikembangkan lebih jauh sehingga metode‐metode tersebut dapat bekerja pada jaringan komunikasi stokastik dengan proses yang asinkron, yaitu proses dimana tidak semua pengendali selalu melakukan pembaruan. Dalam hal ini, konvergensi dan laju konvergensi dari metode yang dirancang dipertunjukkan. Selain itu, implementasi dari metode terdistribusi pada sistem economic dispatch berbasis MPC juga dibahas. Diskusi pada bagian ini mencakup beberapa teknik yang dapat digunakan untuk mengurangi jumlah iterasi dan performa dari metode‐metode yang dirancang pada suatu studi numerik. Dengan pertimbangan bahwa metode‐metode yang disebut sebelumnya membutuhkan komunikasi yang intensif, maka sebuah skema alternatif, yang memberikan trade‐off antara intensitas komunikasi dan suboptimalitas, juga dirancang. Skema ini terdiri dari repartisi sistem online yang bertujuan untuk mendapatkan subsistemsubsistem yang swasembada, pembentukan koalisi untuk subsistem‐subsistem yang tidak swasembada, dan dekomposisi permasalahan economic dispatch menjadi subproblem berbasis koalisi. Dalam skema ini, tiap subsistem hanya perlu berkomunikasi dengan subsistem‐subsistem lain yang berada pada koalisi yang sama; sehingga mengurangi aliran komunikasi. Jika semua subsistem yang terbentuk swasembada, maka pertukaran informasi tidak dibutuhkan sama sekali. Pada akhirnya, disertasi ini juga membahas mengenai suatu permasalahan koperasi dalam masa implementasi keputusan (solusi). Pada permasalahan kooperasi ini, terdapat beberapa subsistem yang tidak menuruti keputusan (solusi), misalnya dengan tujuan untuk mendapatkan kinerja yang lebih baik dan di saat yang bersamaan memperburuk kinerja subsistem lainnya. Maka, sebuah skema resilien yang dapat mengatasi permasalahan ini dirumuskan. Skema tersebut terdiri dari sebuah metode stokastik untuk merobustifikasi keputusan terhadap perilaku adversari dan sebuah metode identifikasi dan mitigasi yang berdasarkan pada pengujian hipotesis dengan menggunakan inferensi Bayes. Skema yang diusulkan, secara umum, dapat memitigasi pengaruh subsistem yang tidak patuh pada subsistem reguler, dan pada kasus tertentu, juga dapat mengidentifikasi subsistem yang menjadi adversari.

This project presents and discusses the coupled tank system physical model. For this, the automation of the plant has to be manufactured and designed. In the the plant modeling, the physical model of a published article (Johansson, 2000) (1) is discussed. When trying to replicate Johansson's experiment and the successive experiments in this lab, the need to improve the physical model appeared. In a first attempt, we tried to link the pressure to the model, to improve the filling part of the upper tanks. This part was solved with empirical models, but even so the GAP was not corrected. In a second attempt, an attempt was made to improve the discharge model and it was understood that there were incorrect starting assumptions. Therefore, we chose to create a completely new download model. The plant has been automated by its own manufacture, since the manufacturer (Feedback Instruments (2)) does not give any option for the purchase or expansion of an automated plant. In the design of the plant with CAD-3D: the initial plant is drawn, a prototype of automatic flow control valve is built and a box of electrical connections is designed with the help of CAD software. In the manufacture of the hardware: 3D plastic parts of coupling and clamping are printed for the automatic valves, the plastic parts are assembled with the servomotors, the electric circuit is manufactured and the connection box is built. In the software design, the basic software functions (open, close, measure, etc ...) of the existing sensors, as well as the new ones, are carried out. Finally, these functions are assembled into final programs that perform the experiments or measure the flows. No se catalan. No se pide para el Master Este proyecto presenta y discute el modelado físico de un sistema de tanques acoplados. Para ello, ha de ser diseñada y fabricada la automatización de la planta. En el modelado de la planta, se discute el modelo físico de un artículo publicado (Johansson, 2000) [1]. Al tratar de replicar el experimento de Johansson y los sucesivos experimentos en este laboratorio, apareció la necesidad de mejorar el modelo físico. En un primer intento, se trató de vincular la presión al modelo, para mejorar la parte de llenado de los tanques superiores. Esta parte, se solvento con modelos empíricos, pero aun así la diferencia (GAP) no fue corregida. En un segundo intento, se trató de mejorar el modelo de descarga y se comprendió que había suposiciones de partida incorrectas. Por lo tanto, se optó por crear un modelo de descarga totalmente nuevo. La planta ha de ser automatizada mediante fabricación propia, ya que el fabricante (Feedback Instruments [2]) no da ninguna opción para la compra o ampliación de una planta automatizada. En el diseño de la planta con CAD-3D: se dibuja la planta inicial, se construye un prototipo de válvula automática de control de flujo y se diseña una caja de conexiones eléctricas con ayuda del software CAD. En la fabricación del hardware: se imprimen en 3D piezas plásticas de acople y sujeción para las válvulas automáticas, se ensamblan las piezas plásticas con los servomotores, se fabrica el circuito eléctrico y se construye la caja de conexiones. En el diseño de software, se realizan las funciones básicas de software (abrir, cerrar, medir, etc...) de los sensores existentes, así como de los nuevos. Finalmente, se ensamblan estas funciones en programas finales con diversas funciones. Los programas pueden medir los caudales o pueden realizar experimentos en los que haya diferentes escalones estabilizados, para una identificación de la planta.

This thesis presents and discusses the possibility of the use of online model predictive control as the control strategy, embedded in an educational device from National Instruments. The work considers the use of different optimization solvers and code generators, which have come out in recent years by the academia, to control a four-tank pilot plant located in the Institut de Robòtica i Informàtica Industrial, CSIC-UPC. The mathematical model of the system, used to implement the optimization-based controllers, includes nonlinear dynamics, whereby two approaches have been discussed and implemented: linearizing the model around an operating point to design a linear predictive controller, and using the original nonlinear dynamics to design a nonlinear predictive controller. The experiments performed for the case studied shown the suitability of the obtained model to be used in the linear case, while less accuracy is obtained in the nonlinear case due to the approximation of the dynamics previously reported in the literature. Moreover, a possible implementation and embedding procedure for the designed controllers are both presented and discussed in detail. For the given implementation, an assessment between the solvers embedded in the real-time device is done, giving an evaluation of the suitability of each solver in the considered scenarios. Finally, this work opens different ways of future work not only in the adaptation of the dynamic model of the case studied, but also in the optimization of the software codes generated to design the real-time controllers.

Universitat Politècnica de Catalunya (UPC). Departament d’Enginyeria de Sistemes, Automàtica i Informàtica Industrial. Doctoral Program: Automatic Control, Robotics and Computer Vision. Universidad de los Andes (UniAndes). Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica. Doctoral Program: Engineering. This PhD thesis was completed at: Institut de Robòtica i Informàtica Industrial, CSIC-UPC, and Universidad de los Andes., [EN]: This thesis is mainly devoted to the study of the role of evolutionary-game theory in the design of distributed optimization-based controllers. Game theoretical approaches have been used in several engineering fields, e.g., drainage wastewater systems, bandwidth allocation, wireless networks, cyber security, congestion games, wind turbines, temperature control, among others. On the other hand, a specific class of games, known as population games, have been mainly used in the design of controllers to manage a limited resource. This game approach is suitable for resource allocation problems since, under the framework of full-potential games, the population games can satisfy a unique coupled constraint while maximizing a potential function. First, this thesis discusses how the classical approach of the population games can contribute and complement the design of optimization-based controllers. Therefore, this dissertation assigns special interest on how the features of the population-game approach can be exploited extending their capabilities in the solution of distributed optimization problems. In addition, density games are studied in order to consider multiple coupled constraints and preserving the non-centralized information requirements. Furthermore, it is established a close relationship between the possible interactions among agents in a population with the constrained information sharing among different local controllers. On the other hand, coalitional games are discussed focusing on the Shapley power index. This power index has been used to assign an appropriate rewarding to players in function of their contributions to all possible coalitions. Even though this power index is quite useful in the engineering context, since it involves notions of fairness and/or relevance (how important players are), the main difficulty of the implementation of the Shapley value in engineering applications is related to the high computational burden. Therefore, this dissertation studies the Shapley value in order to propose an alternative manner to compute it reducing computational time, and a different way to find it by using distributed communication structures is presented. The studied game theoretical approaches are suitable for the modeling of rational agents involved in a strategic constrained interaction, following local rules and making local decisions in order to achieve a global objective. Making an analogy, distributed optimization-based controllers are composed of local controllers that compute optimal inputs based on local information (constrained interactions with other local controllers) in order to achieve a global control objective. In addition to this analogy, the features that relate the Nash equilibrium with the Karush-Kuhn-Tucker conditions for a constrained optimization problem are exploited for the design of optimization-based controllers, more specifically, for the design of model predictive controller. Moreover, the design of non-centralized controllers is directly related to the partitioning of a system, i.e., it is necessary to represent the whole system as the composition of multiple sub-systems. This task is not a, trivial procedure since several considerations should be taken into account, e.g., availability of information, dynamical coupling in the system, regularity in the amount of variables for each sub-system, among others. Then, this doctoral dissertation also discusses the partitioning problem for large-scale systems and the role that this procedure plays in the design of distributed optimization-based controllers. Finally, dynamical partitioning strategies are presented with distributed population-games-based controllers. Some engineering applications are presented to illustrate and test the performance of all the proposed control strategies, e.g., the Barcelona water supply network, multiple continuous stirred tank reactors, system of multiple unmanned aerial vehicles., [ES]: Esta tesis doctoral consiste principalmente en el estudio del rol que desempeña la teoría de juegos evolutiva en el diseño de controladores distribuidos basados en optimización. Diversos enfoques de la teoría de juegos han sido usados en múltiples campos de la ingeniera, por ejemplo, en sistemas de drenaje urbano, para la asignación de anchos de banda, en redes inalámbricas, en ciber-seguridad, en juegos de congestión, turbinas eólicas, control de temperatura, entre otros. Por otra parte, una clase especifica de juegos, conocidos como juegos poblacionales, se han usado principalmente en el diseño de controladores encargados de determinar la apropiada asignación de recursos. Esta clase de juegos es apropiada para problemas de distribución dinámica de recursos dado que, en el contexto de juegos poblacionales, los juegos poblacionales pueden ser usados para maximizar una función potencial mientras se satisface una restricción acoplada. Primero, esta tesis doctoral presenta como el enfoque clásico de los juegos poblacionales pueden contribuir y complementar en el diseño de controladores basados en optimización. Posteriormente, esta disertación concentra su atención en cómo las características de los juegos poblacionales pueden ser aprovechadas y extendidas para dar solución a problemas de optimización de forma distribuida. Adicionalmente, los juegos con dependencia de densidad son estudiados con el fin de considerar múltiples restricciones mientras se preservan las características no centralizadas de los requerimientos de información. Finalmente, se establece una estrecha relación entre las posibles interacciones de los agentes en una población y las restricciones de intercambio de información entre diversos controladores locales. También, se desarrolla una discusión sobre los juegos cooperativos y el índice de poder conocido como el valor de Shapley. Este índice de poder ha sido usado para la apropiada asignación de beneficios para un jugador en función de sus contribuciones a todas las posibles coaliciones que pueden formarse. Aunque este índice de poder es de gran utilidad en el contexto ingenieril, ya que involucra nociones de justicia y/o relevancia, la principal dificultad para implementar el valor de Shapley en aplicaciones de ingeniería está asociado a los altos costos computacionales para encontrarlo. En consecuencia, esta disertación doctoral estudia el valor de Shapley con el fin de ofrecer una alternativa para calcular este índice de poder reduciendo los costos computacionales e incluso contemplando estructuras distribuidas de comunicación. Los enfoques de la teoría de juegos estudiados son apropiados para el modelamiento de agentes racionales involucrados en una interacción estratégica con restricciones, siguiendo reglas locales y tomando decisiones locales para alcanzar un objetivo global. Realizando una, analogía, los controladores distribuidos basados en optimización están compuestos por controladores locales que calculan acciones óptimas basados en información local (considerando interacciones restringidas con otros controladores locales) con el fin de alcanzar un objetivo global. Adicional a esta analogía, las características que relacionan el equilibrio de Nash con las condiciones de Karush-Kuhn-Tucker en un problema de optimizaciones con restricciones son aprovechadas para el diseño de controladores basados en optimización, más específicamente, para el diseño de controladores predictivos. Por otra parte, el diseño de controladores no centralizados está directamente relacionado con el particionado de un sistema, es decir, es necesario representar el sistema en su totalidad por medio del conjunto de varios sub-sistemas. Esta tarea no es un procedimiento trivial puesto que es necesario tener en cuenta varias consideraciones, por ejemplo, la disponibilidad de información, el acople dinámico en el sistema, la regularidad en cuanto a la cantidad de variables en cada sub-sistema, entre otras. Por lo tanto, esta disertación doctoral también desarrolla una discusión alrededor del problema de particionado para sistemas de gran escala y respecto al rol que este procedimiento de particionado juega en el diseño de controladores distribuidos basados en optimización. Finalmente, se presentan estrategias de particionado dinámico junto con controladores basados en juegos poblacionales. Algunas aplicaciones en ingeniería son usadas para ilustrar y probar los controladores diseñados por medio de las contribuciones novedosas basadas en teoría de juegos, estas son, la red de agua potable de Barcelona, múltiples reactores, sistema compuesto por varios vehículos aéreos no tripulados y un sistema de distribución de agua., [CA]: Aquesta tesi doctoral consisteix principalment en l'estudi del paper que exerceix la teoria de jocs evolutiva en el disseny de controladors distribuïts basats en optimització. Diversos enfocaments de la teoria de jocs han estat usats en múltiples camps de l'enginyeria, per exemple, en sistemes de drenatge urbà, per a l’assignació d'amples de banda, en xarxes sense fils, a ciber-seguretat, en jocs de congestió, turbines eòliques, control de temperatura, entre altres. D'altra banda, una classe especifica de jocs, coneguts com jocs poblacionals, s'han fet servir principalment en el disseny de controladors encarregats de determinar l'apropiada assignació de recursos. Aquesta classe de jocs és apropiada per a problemes de distribució dinàmica de recursos atès que, en el context de jocs poblacionals, aquests poden ser usats per a maximitzar una funció potencial mentre es satisfà una restricció acoblada. Primer, aquesta tesi doctoral presenta com l'enfocament clàssic dels jocs poblacionals poden contribuir i complementar en el disseny de controladors basats en optimització. Posteriorment, aquesta dissertació concentra la seva atenció en com les característiques dels jocs poblacionals poden ser aprofitades i esteses per donar solució a problemes d’optimització de forma distribuïda. Addicionalment, els jocs amb dependència de densitat són estudiats amb la _finalitat de considerar múltiples restriccions mentre es preserven les característiques no centralitzades dels requeriments d’informació. Finalment, s'estableix una estreta relació entre les possibles interaccions dels agents en una població i les restriccions d'intercanvi d’informació entre diversos controladors locals. També, es desenvolupa una discussió sobre els jocs cooperatius i l’índex de poder conegut com el valor de Shapley. Aquest índex de poder ha estat usat per l'apropiada assignació de beneficis per a un jugador en funció de les seves contribucions a totes les possibles coalicions que poden formar-se. Encara que aquest índex de poder es de gran utilitat en el context de l'enginyeria, ja que involucra nocions de justícia i/o rellevància, la principal dificultat per implementar el valor de Shapley en aplicacions d'enginyeria està associat als alts costos computacionals per trobar-lo. En conseqüència, aquesta dissertació doctoral estudia el valor de Shapley per tal d'oferir una alternativa per calcular aquest índex de poder reduint els costos computacionals i fins i tot contemplant estructures distribuïdes de comunicació. Els enfocaments de la teoria de jocs estudiats són apropiats per al modelatge d'agents racionals involucrats en una interacció estratègica amb restriccions, seguint regles locals i prenent decisions locals per assolir un objectiu global., Realitzant una analogia, els controladors distribuïts basats en optimització estan compostos per controladors locals que calculen accions optimes basats en informació local (considerant interaccions restringides amb altres controladors locals) per tal d'assolir un objectiu global. Addicional a aquesta analogia, les característiques que relacionen l'equilibri de Nash amb les condicions de Karush-Kuhn-Tucker en un problema d’optimització amb restriccions són aprofitades per al disseny de controladors basats en optimització, més específicament, per al disseny de controladors predictius. D'altra banda, el disseny de controladors no centralitzats està directament relacionat amb la partició d'un sistema, és a dir, cal representar el sistema en la seva totalitat per mitjà del conjunt de diversos sub-sistemes. Aquesta tasca no és un procés trivial, ja que cal tenir en compte diverses consideracions, per exemple, la disponibilitat d’informació, l'acoblament dinàmic en el sistema, i la regularitat pel que fa a la quantitat de variables en cada sub-sistema, entre d'altres. Per tant, aquesta dissertació doctoral també desenvolupa una discussió al voltant del problema de partició per a sistemes de gran escala i respecte al paper que aquest procediment de partició juga en el disseny de controladors distribuïts basats en optimització. Finalment, es presenten estratègies de partició dinàmic juntament amb controladors basats en jocs poblacionals. Algunes aplicacions en enginyeria són usades per il·lustrar i provar els controladors dissenyats per mitjà de les contribucions noves basades en teoria de jocs, aquestes són: la xarxa d'aigua potable de Barcelona, múltiples reactors, sistema compost per diversos vehicles aeris no tripulats i un sistema de distribució d'aigua., I sincerely thank Agència de Gestió d’Ajust Universitaris i de Recerca AGAUR for having granted the FI scholarship for me to study the doctoral degree at UPC, and Colciencias for having granted the scholarship/condonable loan (Ref. 6172) for me to study the doctoral degree at UniAndes. I would also like to thank the projects ECOCIS: EConomic Operation of Critical Infrastructure Systems (Ref. DPI2013-48243- C2-1-R), EFFINET: EFFicient Integrated real-time monitoring and control of drinking water NETworks (Ref. FP7-ICT-2011-8-318556), ModCon: Modelado y control de redes de alcantarillado: aplicación en Bogotá (Colombia), and “Drenaje urbano y cambio climático: hacia los sistemas de alcantarillado del futuro. Fase II”, Mexichem, Colombia for partially supporting me.

Master's degree in automatic control and robotics. This master’s thesis deals with machine tools characterized by a periodic behaviour controlled with binary signals and high-power peaks. This require an oversized electrical network which cause high costs because electrical utilities charge greatly the power peaks. To solve this issue, a new peak-shaving methodology is proposed based on model predictive control, to reduce the power-consumption peaks height in machine tools with periodic behaviour. An study is made on which sampling time, model and solver fits better this kind of problem. A test-bench that emulates the electrical behaviour of a machine tool has been build in order to test the proposed methods online and with real data. In the scenarios simulated, the peak height has been reduced between 35% and 15%. The development of this dissertation has been part of the IKERCON project from the Institut de Robòtica i Informatica Industrial in cooperation with Ikergune and pursues reducing machine tools production cost.

Grau en Enginyeria en Tecnologies Industrials. Institut de Robòtica i Informàtica Industrial (IRI), CSIC-UPC. Universitat Politècnica de Catalunya; Escola Tècnica Superior d’Enginyeria Industrial de Barcelona (ETSEIB)., Assistive robotics is a fast developing field, where a lot of research effort is invested towards the applications in healthcare domain. So far, the number of commercially available robots is low, and one of the reasons is robots’ limited ability to interact with users in safe and natural, human-like manner. This work focuses on development of a robot dressing assistant, more specifically its ability to track the user and recognize his/her intention to be dressed. The work is performed under the framework of the I-DRESS project, which aims to develop a robot able to provide proactive assistance with dressing to users with reduced mobility. The proposed system consists of a Barrett WAM robot manipulator and a Microsoft XBOX ONE Kinect Sensor V2.0 Camera Sensor (popularly known as Kinect 2, and will be denominated as such in the rest of this document), which provides user tracking from depth images. The integration of hardware and algorithms was performed in Robot Operating System (ROS). All developments and experiments were done in the laboratory of the Perception and Manipulation Group, at the Institut de Robòtica i Informàtica Industrial (IRI), CSIC-UPC.

Este proyecto de fin de carrera tiene como objetivo la creación de una infraestructura tanto física como de software que facilite y economice la investigación robótica sobre el aprendizaje cognitivo. Además, del desarrollo de herramientas de software que simplifiquen el uso de sonido en investigación robótica. Para ello, se ha diseñado y construido un robot. La estructura del mismo ha sido elaborada usando software de diseños 3D para poder ser generada a través de impresoras 3D. El fin de esta decisión recae en poder facilitar su reproducción por todos aquellos que así lo deseen. Por otro lado, el hardware usado es el más económico posible a excepción de aquellos componentes que tienen un especial interés para su investigación como posible hardware dentro del mundo de la robótica. El diseño en general está inspirado en las teorías de robótica social y cognitiva, siguiendo a su vez el principio de economía en el diseño. A nivel de software, se ha desarrollado una serie de herramientas que permiten simular entornos virtuales sonoros y procesar los sonidos generados internamente por una computadora. Además, se ha creado un software para el aprendizaje robótico no supervisado, basándose en modelos matemáticos que se aproximan al funcionamiento cerebral del ser humano. Por último, se ha realizado un experimento a modo de entrenamiento de la estructura de aprendizaje para evaluar si era posible con la infraestructura software creada, y como sistema de evaluación el de la efectividad de las teorías aplicadas, poder reconocer el tono emocional en el que alguien está hablando independientemente del idioma usado. Como resultado, se ha obtenido un robot completo con los elementos esenciales que permiten la investigación en aprendizaje robótico en robots físicos. Siendo además este robot de un precio de fabricación bajo y modular. Asimismo, en la parte de software se han extraído un conjunto de gráficas que muestran el rendimiento y la eficiencia de los modelos y software creados. Como conclusión, se puede subrayar que se ha conseguido un sistema con el potencial de detectar los tonos emocionales de los hablantes con una exactitud notable aunque sería necesario un mayor desarrollo y optimización para una mejor precisión.

The pasteurization process is one of the most common treatments in the food industries in order to eliminate harmful pathogenic and spoilage microorganism. The process consists in maintaining a high temperature stablished during a short period of time (HTST). Most of the pasteurization plants are controlled by tradicional PID (ProportionasIntegral-Derivative). Much effort has been made to develop advanced controllers. However, an accurate model that describes the system is required. The main of the present project is to develop a dynamical model for a pasteurization plant for a real-time control. Experimental plant consists in a small-scale pasteurization plant PCT23 MKII completely monitorized owned by the enterprise Armfield. The first task refers to modelling the different elements of the plant. Each one is modelled using the physical principles resulting a nonlinear model. Different parameters of the proposed model are later estimated by experimental data. Finally, the complete model is validated by new experimental data. Linear parameter-varying (LPV) model represents a class of non-linear systems that can be controlled using powerful linear-like techniques. As a nonlinear model is proposed to describe the real system, the second task refers to develop LPV) model. Results shows that the proposed models fit the experimental data with an error lower than a 3 %. Advanced controllers could be designed using these models. As a first approach a PID controller has been designed. The control objective is leading the controlled variables (temperatures) in order to reach the set point rejecting the disturbances.

This project proposes a reliable fault-tolerant MPC applied to DWTNs. The proposed approach the proposed approach allows to carry out a degradation analysis of the system in terms of performance and reliability. As a result of this analysis, the MPC controller design can be modified adapting the constraints such that the best achievable performance with some pre-stablished level of reliability will be achieved. The proposed approach will be tested on the Barcelona Water network.

Master’s Thesis in Automatic Control and Robotics made at: Universitat Politècnica de Catalunya - Escola Tècnica Superior d’Enginyeria Indistrial de Barcelona., [EN]: Urban drainage systems (UDSs) are complex large-scale systems that carry stormwater and wastewater throughout urban areas. During heavy rain scenarios, UDSs are not able to handle the amount of extra water that enters the network and flooding occurs. Usually, this might happen because the network is not being used efficiently, i.e., some structures remain underused while many others are overused. This thesis proposes a control methology based on mean field game theory and model predictive control that aims to efficiently use the existing network elements in order to minimize overflows and properly manage the water resource. The proposed controller is tested on a UDS located in the city of Barcelona, Spain, and is compared with a centralized MPC achieving similar results in terms of flooding minimization and wastewater treatement plant usage, but only using local information on non-centralized controllers and using less computation times., [ES]: Los sistemas de drenaje urbano son sistemas complejos y de gran escala que transportan tanto aguas negras como aguas de lluvia a través de las zonas urbanas. Durante eventos de precipitación muy fuertes, estos sistemas no son capaces de manejar la cantidad de agua adicional que entra y ocurren inundaciones indeseadas. Normalmente, esto pasa porque la red no está siendo utilizada eficientemente, i.e., algunas estructuras permanecen sub-utilizadas y otras se encuentran sobre-utilizadas. Esta tesis propone un esquema de control basado en la teoría de mean field games y de control predictivo que busca utilizar eficientemente la red para minimizar las inundaciones en cualquier escenario, y garantizar una utilización adecuada del recurso hídrico. El esquema propuesto es probado en la red de drenaje de la Riera Blanca en la ciudad de Barcelona y es comparado con una estrategia de control basada puramente en control predictivo, obteniendo resultados similares en terminos de inundación y utilización de plantas de tratamiento, pero utlizando únicamente una fracción del costo computacional., [CA]: Sistemes de drenatge urbà (UDS) sòn sistemes complexos a gran escala que transporten aigües pluvials i residuals en les zones urbanes. Durant escenaris de fortes pluges, UDSs no són capaços de manejar la quantitat d’aigua addicional que entra a la xarxa i es produeix la inundació. En general, això pot succeir perquè la xarxa no està sent utilitzat de manera eficient, ès a dir, algunes estructures segueixen sent infrautilitzades mentre que molts altres són usats en excés. En aquest treball es proposa una metodologia de control basat en la teoria de mean field games i control predictiu que pretén utilitzar de forma eficient els elements de xarxa existents per tal de minimitzar els desbordaments i gestionar adequadament els recursos hídrics. El controlador proposat es prova en un UDS situada a la ciutat de Barcelona, Espanya, i es compara amb un MPC centralitzat aconsegint resultats similars en termes de minimització de les inundacions i la utilització de la planta de tractament d’aigües residuals, però només utilitzant informació local en els controladors no centralitzats i l’ús de menys temps de càlcul.

En aquest Treball de Fi de Grau es realitza una introducció al llenguatge Modelica amb l'estudi de dos casos: un motor de contínua i el continuous stirred tank reactor (CSTR). El primer cas es realitza com a introducció al llenguatge de modelització i estarà regulat mitjançant un controlador proporcional-integral (PI). Amb el segon cas es realitza l'estudi de quatre tancs CSTR els quals es regulen mitjançant un controlador òptim per mantenir les respectives concentracions a unes referències desitjades. Aquest segon cas d'estudi està dividit en tres problemes: un problema d'una entrada i una sortida, un problema múltiple entrades única sortida i una distribució dinàmica de recursos. Aquests dos problemes s'implementen mitjançant dues eines que utilitzen Modelica: OpenModelica i JModelica.org per al primer i segon cas d'estudi respectivament. El treball té un objectiu netament introductori en quant es vol demostrar, de manera pràctica, la manera com dos sistemes reals es modelen a partir de les lleis físiques que regeixen el seu comportament el qual implica certa complexitat en l'adecuació i tractament del model dinàmic. Adicionalment, s'implementen controladors òptims senzills que regulen els sistemes per cumplir els objectius de control desitjats.

This thesis is devoted to design Model Predictive Control (MPC) strategies aiming to enhance the management of constrained generalised flow-based networks, with special attention to the economic optimisation and robust performance of such systems. Several control schemes are developed in this thesis to exploit the available economic information of the system operation and the disturbance information obtained from measurements and forecasting models. Dynamic network flows theory is used to develop control-oriented models that serve to design MPC controllers specialised for flow networks with additive disturbances and periodically time-varying dynamics and costs. The control strategies developed in this thesis can be classified in two categories: centralised MPC strategies and non-centralised MPC strategies. Such strategies are assessed through simulations of a real case study: the Barcelona drinking water network (DWN). Regarding the centralised strategies, different economic MPC formulations are first studied to guarantee recursive feasibility and stability under nominal periodic flow demands and possibly time-varying economic parameters and multi-objective cost functions. Additionally, reliability-based MPC, chance-constrained MPC and tree-based MPC strategies are proposed to address the reliability of both the flow storage and the flow transportation tasks in the network. Such strategies allow to satisfy a customer service level under future flow demand uncertainty and to efficiently distribute overall control effort under the presence of actuators degradation. Moreover, soft-control techniques such as artificial neural networks and fuzzy logic are used to incorporate self-tuning capabilities to an economic certainty-equivalent MPC controller. Since there are objections to the use of centralised controllers in large-scale networks, two non-centralised strategies are also proposed. First, a multi-layer distributed economic MPC strategy of low computational complexity is designed with a control topology structured in two layers. In a lower layer, a set of local MPC agents are in charge of controlling partitions of the overall network by exchanging limited information on shared resources and solving their local problems in a hierarchical-like fashion. Moreover, to counteract the loss of global economic information due to the decomposition of the overall control task, a coordination layer is designed to influence non-iteratively the decision of local controllers towards the improvement of the overall economic performance. Finally, a cooperative distributed economic MPC formulation based on a periodic terminal cost/region is proposed. Such strategy guarantees convergence to a Nash equilibrium without the need of a coordinator and relies on an iterative and global communication of local controllers, which optimise in parallel their control actions but using a centralised model of the network. Esta tesis se enfoca en el diseño de estrategias de control predictivo basado en modelos (MPC, por sus siglas en inglés) con la meta de mejorar la gestión de sistemas que pueden ser descritos por redes generalizadas de flujo y que están sujetos a restricciones, enfatizando especialmente en la optimización económica y el desempeño robusto de tales sistemas. De esta manera, varios esquemas de control se desarrollan en esta tesis para explotar tanto la información económica disponible de la operación del sistema como la información de perturbaciones obtenida de datos medibles y de modelos de predicción. La teoría de redes dinámicas de flujo es utilizada en esta tesis para desarrollar modelos orientados a control que sirven para diseñar controladores MPC especializados para la gestión de redes de flujo que presentan tanto perturbaciones aditivas como dinámicas y costos periódicamente variables en el tiempo. Las estrategias de control propuestas en esta tesis se pueden clasificar en dos categorías: estrategias de control MPC centralizado y estrategias de control MPC no-centralizado. Dichas estrategias son evaluadas mediante simulaciones de un caso de estudio real: la red de transporte de agua potable de Barcelona en España. En cuanto a las estrategias de control MPC centralizado, diferentes formulaciones de controladores MPC económicos son primero estudiadas para garantizar factibilidad recursiva y estabilidad del sistema cuya operación responde a demandas nominales de flujo periódico, a parámetros económicos posiblemente variantes en el tiempo y a funciones de costo multi-objetivo. Adicionalmente, estrategias de control MPC basado en fiabilidad, MPC con restricciones probabilísticas y MPC basado en árboles de escenarios son propuestas para garantizar la fiabilidad tanto de tareas de almacenamiento como de transporte de flujo en la red. Tales estrategias permiten satisfacer un nivel de servicio al cliente bajo incertidumbre en la demanda futura, así como distribuir eficientemente el esfuerzo global de control bajo la presencia de degradación en los actuadores del sistema. Por otra parte, técnicas de computación suave como redes neuronales artificiales y lógica difusa se utilizan para incorporar capacidades de auto-sintonía en un controlador MPC económico de certeza-equivalente. Dado que hay objeciones al uso de control centralizado en redes de gran escala, dos estrategias de control no-centralizado son propuestas en esta tesis. Primero, un controlador MPC económico distribuido de baja complejidad computacional es diseñado con una topología estructurada en dos capas. En una capa inferior, un conjunto de controladores MPC locales se encargan de controlar particiones de la red mediante el intercambio de información limitada de los recursos físicos compartidos y resolviendo sus problemas locales de optimización de forma similar a una secuencia jerárquica de solución. Para contrarrestar la pérdida de información económica global que ocurra tras la descomposición de la tarea de control global, una capa de coordinación es diseñada para influenciar no-iterativamente la decisión de los controles locales con el fin de lograr una mejora global del desempeño económico. La segunda estrategia no-centralizada propuesta en esta tesis es una formulación de control MPC económico distribuido cooperativo basado en una restricción terminal periódica. Tal estrategia garantiza convergencia a un equilibrio de Nash sin la necesidad de una capa de coordinación pero requiere una comunicación iterativa de información global entre todos los controladores locales, los cuales optimizan en paralelo sus acciones de control utilizando un modelo centralizado de la red.

This thesis is devoted to design Model Predictive Control (MPC) strategies aiming to enhance the management of constrained generalised flow-based networks, with special attention to the economic optimisation and robust performance of such systems. Several control schemes are developed in this thesis to exploit the available economic information of the system operation and the disturbance information obtained from measurements and forecasting models. Dynamic network flows theory is used to develop control-oriented models that serve to design MPC controllers specialised for flow networks with additive disturbances and periodically time-varying dynamics and costs. The control strategies developed in this thesis can be classified in two categories: centralised MPC strategies and non-centralised MPC strategies. Such strategies are assessed through simulations of a real case study: the Barcelona drinking water network (DWN). Regarding the centralised strategies, different economic MPC formulations are first studied to guarantee recursive feasibility and stability under nominal periodic flow demands and possibly time-varying economic parameters and multi-objective cost functions. Additionally, reliability-based MPC, chance-constrained MPC and tree-based MPC strategies are proposed to address the reliability of both the flow storage and the flow transportation tasks in the network. Such strategies allow to satisfy a customer service level under future flow demand uncertainty and to efficiently distribute overall control effort under the presence of actuators degradation. Moreover, soft-control techniques such as artificial neural networks and fuzzy logic are used to incorporate self-tuning capabilities to an economic certainty-equivalent MPC controller. Since there are objections to the use of centralised controllers in large-scale networks, two non-centralised strategies are also proposed. First, a multi-layer distributed economic MPC strategy of low computational complexity is designed with a control topology structured in two layers. In a lower layer, a set of local MPC agents are in charge of controlling partitions of the overall network by exchanging limited information on shared resources and solving their local problems in a hierarchical-like fashion. Moreover, to counteract the loss of global economic information due to the decomposition of the overall control task, a coordination layer is designed to influence non-iteratively the decision of local controllers towards the improvement of the overall economic performance. Finally, a cooperative distributed economic MPC formulation based on a periodic terminal cost/region is proposed. Such strategy guarantees convergence to a Nash equilibrium without the need of a coordinator and relies on an iterative and global communication of local controllers, which optimise in parallel their control actions but using a centralised model of the network. Esta tesis se enfoca en el diseño de estrategias de control predictivo basado en modelos (MPC, por sus siglas en inglés) con la meta de mejorar la gestión de sistemas que pueden ser descritos por redes generalizadas de flujo y que están sujetos a restricciones, enfatizando especialmente en la optimización económica y el desempeño robusto de tales sistemas. De esta manera, varios esquemas de control se desarrollan en esta tesis para explotar tanto la información económica disponible de la operación del sistema como la información de perturbaciones obtenida de datos medibles y de modelos de predicción. La teoría de redes dinámicas de flujo es utilizada en esta tesis para desarrollar modelos orientados a control que sirven para diseñar controladores MPC especializados para la gestión de redes de flujo que presentan tanto perturbaciones aditivas como dinámicas y costos periódicamente variables en el tiempo. Las estrategias de control propuestas en esta tesis se pueden clasificar en dos categorías: estrategias de control MPC centralizado y estrategias de control MPC no-centralizado. Dichas estrategias son evaluadas mediante simulaciones de un caso de estudio real: la red de transporte de agua potable de Barcelona en España. En cuanto a las estrategias de control MPC centralizado, diferentes formulaciones de controladores MPC económicos son primero estudiadas para garantizar factibilidad recursiva y estabilidad del sistema cuya operación responde a demandas nominales de flujo periódico, a parámetros económicos posiblemente variantes en el tiempo y a funciones de costo multi-objetivo. Adicionalmente, estrategias de control MPC basado en fiabilidad, MPC con restricciones probabilísticas y MPC basado en árboles de escenarios son propuestas para garantizar la fiabilidad tanto de tareas de almacenamiento como de transporte de flujo en la red. Tales estrategias permiten satisfacer un nivel de servicio al cliente bajo incertidumbre en la demanda futura, así como distribuir eficientemente el esfuerzo global de control bajo la presencia de degradación en los actuadores del sistema. Por otra parte, técnicas de computación suave como redes neuronales artificiales y lógica difusa se utilizan para incorporar capacidades de auto-sintonía en un controlador MPC económico de certeza-equivalente. Dado que hay objeciones al uso de control centralizado en redes de gran escala, dos estrategias de control no-centralizado son propuestas en esta tesis. Primero, un controlador MPC económico distribuido de baja complejidad computacional es diseñado con una topología estructurada en dos capas. En una capa inferior, un conjunto de controladores MPC locales se encargan de controlar particiones de la red mediante el intercambio de información limitada de los recursos físicos compartidos y resolviendo sus problemas locales de optimización de forma similar a una secuencia jerárquica de solución. Para contrarrestar la pérdida de información económica global que ocurra tras la descomposición de la tarea de control global, una capa de coordinación es diseñada para influenciar no-iterativamente la decisión de los controles locales con el fin de lograr una mejora global del desempeño económico. La segunda estrategia no-centralizada propuesta en esta tesis es una formulación de control MPC económico distribuido cooperativo basado en una restricción terminal periódica. Tal estrategia garantiza convergencia a un equilibrio de Nash sin la necesidad de una capa de coordinación pero requiere una comunicación iterativa de información global entre todos los controladores locales, los cuales optimizan en paralelo sus acciones de control utilizando un modelo centralizado de la red.

In this paper, the temperature of a pilot-scale batch reaction system is modeled towards the design of a controller based on the explicit model predictive control (EMPC) strategy -- Some mathematical models are developed from experimental data to describe the system behavior -- The simplest, yet reliable, model obtained is a (1,1,1)-order ARX polynomial model for which the mentioned EMPC controller has been designed -- The resultant controller has a reduced mathematical complexity and, according to the successful results obtained in simulations, will be used directly on the real control system in a next stage of the entire experimental framework

En el Projecte Final de Carrera (PFC) que es presenta a continuació, s’obté un nou disseny d’un controlador predictiu no lineal (NMPC: Nonlinear Model Predictive Control ) per a un reformador d’Etanol amb Vapor (ESR: Ethanol Steam Reformer ) utilitzat per a la producció d’hidrogen pur per una Pila de Combustible (PEM: Proton Exchange Membrane). Es realitza un model matemàtic del sistema a partir de les equacions de balanç de massa i energia del reactor catalític i la membrana de separació del Reformador d’Etanol amb Vapor. Aquest estudi s’ha basat en models matemàtics per a l’ESR de la biblio- grafia existent, en els que s’hi ha realitzat diverses modificacions. A partir del model, s’analitza la dina`mica i l’estat estacionari del sistema, obtenint un punt d’operació per a la minimitzacio´ del cost de producció de l’hidrogen. El controlador dissenyat és un NMPC degut a les restriccions i a l’alta no linealitat del sistema. El controlador utilitza directament les equacions diferencials cont´ınues i no lineals del model matemàtic com a model de simulació, i conté un model intern realitzat mitjançant la tècnica del mostreig de les dades. A partir de l’anàlisi de resultats del model i del controlador, es conclou amb la viabilitat de l’estratègia i estructura de control proposades i la possibilitat de garantir el funcionament del controlador a temps real.

This thesis designs a method to control a quadrotor equipped with a robotic arm. The arm has been developed in Institut de Rob otica i Inform atica Industrial (CSIC-UPC), namely here IRI. During the project, an algorithm has been made as a rst approximation to control a quadrotor that is working with the robotic arm. In order to compensate the perturbations of the arm's dynamic, a NMPC algorithm has been chosen while others have been discarded as it is discussed in the state of the art (PID, Linear Model Predictive Control or LQR). PID and model predictive control have been discarded because is not possible to handle the nonlinearities of the system studied and reach the desired control objectives. Also there are no possibilites to restrict the system using physical constraints. Finally, three scenarios have been simulated and tested to verify the performances and robustness of the designed method. A takeo maneuver, where the quadrotor reaches a speci c altitude. A hover mode where the system should compensate the dynamics of the arm while it is static or it is in movement. Finally, the quadorotor has to move to a speci c point in the space while the arm it is static or in movement. The goal of the controller is to reject the perturbation due the movement of the arm and stabilize the system. This thesis presents the results obtained after simulating the designed controller with the scenarios considered.

A thesis submitted in fulfilment of the requirements for the degree of Master in Automatic Control and Robotics. Universitat Politècnica de Catalunya. Escola Tècnica Superior d’Enginyeria Industrial de Barcelona. Institut de Robòtica i Informàtica Industrial (CSIC-UPC)., In this thesis, a nonlinear model predictive control (NMPC) strategy is proposed to regulate the humidity and pressure in a Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) anode. The proposed control strategy uses two controllers in cascade to control the humidity and pressure in the anode, separately. This approach is used in order to overcome the difficulties caused by two dynamics with time-constants orders of magnitude apart. The inner loop, with the fastest dynamics, regulates the pressure in the anode with the set-point provided by the outer loop. The outer loop regulates the relative humidity in the anode using the temperature in the anode humidifier and also the reference pressure in the anode. The controllers developed in this thesis are based on the explicit non-linear equations describing the mass balances in the fuel cell. With this strategy, safety and performance constraints for pressure and humidity can be guaranteed and external disturbances, as changes in stack current demand, are rejected. Simulation results are presented to show the capabilities of the proposed controller under different settings and control laws. The results obtained show satisfactory regulation of the humidity and pressure with promising performance regulating the humidity with the pressure constrained to a single value. The approach followed can be used to extend this design to the anode and cathode of similar PEMFC systems with similar characteristics.

A dissertation submitted for the degree of Master in Automatic Control and Robotics in Departament d’Enginyeria de Sistemes, Automatica i Informàtica Industrial (Escola Tècnica Superior d’Enginyeria Industrial de Barcelona.-- Master’s Thesis made at: Institut de Robòtica i Informàtica Industrial (CSIC-UPC)., This thesis firstly proposes a new approach of modelling an ethanol steam reformer (ESR) for producing pure hydrogen. Hydrogen has obvious benefits as an alternative for feeding the proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs) to produce electricity. However, an important drawback is that the hydrogen distribution and storage have high cost. So the ESR is regarded as a way to overcome these difficulties. Ethanol is currently considered as a promising energy source under the research for its renewable and easy-access. The modelled reformer has been divided into two stages in order to miximize the output of pure hydrogen. Specifically, the hydrogen is generated in the first stage by steam reforming (SR) over the Cobalt-based catalysts. The second stage is used to purify the hydrogen from the mixture gas through a Pd-Ag membrane separation. Unlike the conventional way, the two stages are carried out in a same module, since only one heating device is required. The main idea of the modelling approach is to develop a one-dimensional, pseudo-homogeneous and non-steady-state model based on the mass balance. Finite difference method is applied to transform the partial differential equations (PDEs) into ordinary differential equations (ODEs). Furthermore, the control of the ESR system is also discussed in this thesis. Some Model predictive control (MPC) strategies have been designed for the linear and non-linear models of the ESR. The mathematical model of the ESR by using the proposed approach is used for the design of a MPC controller. The first part of this thesis has been devoted to obtain the non-linear mathematical model with the assumptions of isothermal and isobaric conditions and perform simulations. The numerical linearisation of the mathematical model towards a controloriented model has been performed as well as the method of model-order reduction with Hankel norm approximation and temporal discretization with zero-order hold, which will be used as the prediction model of the MPC. The control objectives of the ESR system are to maximize the hydrogen yield and minimize the ethanol flow rate, which result in a multi-objective problem. Open-loop and close-loop simulations are developed to highlight the proposed controller results. The analysis has taken into account relevant indices such as the ethanol conversion,input smoothness and output error.

Thesis submitted for the degree of Doctor of Philosophy in the Universitat Politècnica de Catalunya; Departament d’Enginyeria de Sistemes, Automàtica i Informàtica Industrial. Programa de doctorat: Automàtica, Robòtica i Visió.-- Aquesta tesi ha estat realitzada a: Institut de Robòtica i Informàtica Industrial, CSIC-UPC., [EN]: Combined sewer networks carry wastewater and storm water together. During normal operation all the water is delivered to wastewater treatment plants, where it is treated before being released to surrounding natural water bodies. However, during heavy rain events, the network capacity may become insufficient leading to untreated water discharges to the receiving environments. To mitigate these undesired effects, combined sewer networks are usually provided with detention tanks and flow redirection elements, managed to fully take advantage of the network capacity. In the last few decades automatic control techniques for the regulation of these storage and redirection elements have been developed, with real-time, global, model-based predictive ones being widely regarded as the most efficient ones due to their capacity to take advantage of instantaneous network measurements and rain intensity forecasts. In this thesis a complete methodology to develop a real-time, global, model-based predictive controller to minimize pollution effects in combined sewer networks is proposed. The physically-based model for open-channel flow is based on a set of partial differential equations, which must be solved numerically. Since in a real-time predictive control strategy the model equations must be solved many times to evaluate the effect of different control actions, the time needed to solve the equations limits the use of the physically-based model to small network instances with simple topologies. Therefore, it is a common practice to use simplified control-oriented models for real-time control. The first part of the thesis is focused on the development, calibration and validation of a simplified control-oriented model for water transport in combined sewer networks, taking into account three main features: accuracy, calibration ease and computational speed. The proposed model describes the flows through the most common elements and hydraulic structures present in combined sewer networks, some of which requiring the use of piecewise equations. Once the model equations are presented, calibration procedures to compute all the model parameters are developed. The modelling and calibration methodology is then applied to a real case study and validation results are provided. Finally, sensitivity analysis is conducted with respect to both the most relevant model parameters and the intensity of the considered rain scenarios. The second part of the thesis is devoted to model-based optimal control. First, the piecewise equations of the model are reformulated to obtain a general expression of the system by means of a set of linear equations and inequalities including continuous and binary variables. Using this general expression, matrix-based procedures for the formulation of Optimal Control Problems and State Estimation Problems are presented. Using an implementation of the case study network in a commercial sewer network simulator solving the complete physically-based model equations as virtual reality, the proposed model-based controller is evaluated. By iteratively solving State Estimation Problems and Optimal Control Problems and using the simulator to provide network measurements, a Receding Horizon Control strategy is simulated. The inclusion of State Estimation Problems in the control loop allows to perform output feedback control simulations taking into account that in a sewer network the number of available measurements is limited. Finally, a discussion of the results obtained with these simulations corresponding to different measurement availability scenarios is provided., [CA]: Les xarxes de clavegueram combinades transporten conjuntament aigües residuals i aigües pluvials. En absència de pluges, tota l'aigua és conduïda cap a plantes de tractament on és degudament tractada abans de ser retornada als cossos aquàtics adjacents. En canvi, durant episodis de pluja intensa, la capacitat de la xarxa pot esdevenir insuficient donant lloc a inundacions en zones urbanes i abocaments d'aigua no tractada als medis receptors. Per tal de mitigar aquests efectes, les xarxes de clavegueram combinades acostumen a disposar de dipòsits de retenció i elements de redistribució del cabal, regulats amb la finalitat d'aprofitar al màxim la capacitat de la xarxa. En les últimes dècades s'han desenvolupat tècniques de control automàtic per a la regulació d'aquests elements d'emmagatzematge i redistribució, essent el control a temps real, global i predictiu basat en models la tècnica considerada més eficient, donat que és capaç de tenir en compte mesures instantànies del sistema i prediccions d'intensitat de pluja. En aquesta tesi, es proposa una metodologia completa per al desenvolupament d'un controlador a temps real, global i predictiu basat en model per minimitzar els efectes contaminants en xarxes de clavegueram combinades. El model físic que descriu els fluxos en canals oberts es basa en un sistema d'equacions en derivades parcials que s'ha de resoldre numèricament. Com que en una estratègia de control predictiu a temps real les equacions del model s'han de resoldre moltes vegades per avaluar els efectes de diferents accions de control, el temps necessari per resoldre les equacions limita l'ús del model físic a xarxes petites i amb topologies simples. Per tant, és una pràctica habitual utilitzar models simplificats orientats a control per al control a temps real. La primera part de la tesi es centra en el desenvolupament, calibratge i validació d'un model simplificat orientat a control del moviment de l'aigua en xarxes de clavegueram combinades, tenint en compte tres característiques principals: la precisió, la facilitat de calibratge i la velocitat computacional. El model presentat descriu el cabal a través dels elements i estructures hidràuliques més comunes en xarxes de clavegueram combinades, algunes de les quals requereixen l'ús de funcions definides a trossos. Una vegada les equacions del model han estat presentades, es desenvolupen procediments per al calibratge de tots els paràmetres del model. La metodologia de modelat i calibratge és, aleshores aplicada a un cas d'estudi corresponent a una xarxa de clavegueram real i es presenten resultats de validació. Finalment, es duu a terme una anàlisi de sensitivitat respecte als paràmetres més rellevants del model i respecte a la intensitat dels escenaris de pluja considerats. La segona part de la tesi està dedicada al control òptim basat en el model. En primer lloc, les equacions definides a trossos del model són reformulades per obtenir una expressió del sistema en termes d'un conjunt d'equacions i desigualtats lineals incloent variables contínues i binàries. Usant aquesta expressió general es presenta un procediment basat en matrius per a la formulació de problemes de Control Òptim i Estimació d'Estat. Mitjançant una implementació de la xarxa del cas d'estudi en un simulador comercial de xarxes de clavegueram que resol les equacions del model físic complet com a realitat virtual, s'avalua el controlador basat en model descrit anteriorment. Resolent iterativament problemes d'Estimació d'Estat i de Control Òptim i utilitzant el simulador per obtenir mesures, se simula una estratègia de control amb horitzó lliscant. La inclusió de problemes d'Estimació d'Estat en llaç de control permet la simulació del controlador amb output feedback, tenint en compte que el nombre de mesures disponibles en una xarxa de clavegueram és limitat. Finalment, es discuteixen els resultats obtinguts en aquestes simulacions corresponents a diferents escenaris de disponibilitat de mesures.

This thesis is devoted to developing a robust Model Predictive Control (MPC) strategy based on Gaussian Processes (GP), especially for Drinking Water Networks (DWN). Nowadays there are many different MPC strategies developed for DWN, such as certain-equivalent MPC (CEMPC) and chance-constrained MPC (CC-MPC). The general control objectives for DWN are economic by managing the water supply to minimise water production and transport costs, all the tanks running in safe ways with their limitations and reducing the undesired abrupt changes by minimising their slew rate and obtaining smooth signals. For the deterministic system model, the control objectives are elementary fulfilled. But the main challenge for DWN is to propagate and incorporate exogenous and endogenous uncertainties to MPC closed loop over the prediction horizon. Considering the control-oriented model of the DWN, the MPC controller design is hereby divided into two parts: system disturbances forecasting and the robust MPC controller design. Case studies based on Barcelona DWN have been executed to verify the performance of proposed methodologies. The first part of this thesis leads to forecast system disturbances by using GP. In a DWN system, system disturbances come mainly water demands associated to consumer sectors. Hence, it is necessary to model each water demand and forecast the water demand in a short term that covers the MPC prediction horizon. GP regression is regarded as one of state-of-the-art regression methods able to select model parameters by using Bayesian Inference theory with a collection of past data. Besides, it is believed that the GP regression method has a difficult for the multiple-step ahead forecasting. Hence, the Double-seasonal Holt-winters method is used for forecasting the expected disturbances while the stochastic disturbances are forecasted by using GP. Finally, the desired forecasting results are a set of Gaussian distributions over the MPC prediction horizon. The second part of this thesis is to incorporate the forecasting results from GP within MPC closed loop. This MPC strategy based on GP is named GP-MPC. Using the given system model, the deterministic state evolutions can be obtained while the uncertainty of state propagation over a given prediction horizon can be also achieved though the linear approximation of GP. Therefore, the worst-case state evolutions over the MPC prediction horizon can also be determined in the MPC cost function and constraints. The desired performance of applying GP-MPC in the closed-loop system is that the system has more safety than the CE-MPC and meanwhile it probably brings more expenses. Comparisons of GP-MPC and previous developed approaches are carried out by a case study of the three-tank system inspired in the Barcelona DWN. A set of key performance indicators are defined to compare performances of different MPC strategies. Finally, through the simulation results, the GP-MPC has the similar performance as the CC-MPC, both of which have much more expenses than the CE-MPC. As a result of considering the uncertainties inside the system, more expenses is necessary to maintain the safety of the whole system. Hence, the GP-MPC is more advanced. Moreover, the proposed GP-MPC is required to be tested with the whole DWN and using the real data from a DWN system. So the future works of this thesis have been outlined.

This thesis affords the tuning of a multi-objective predictive controller, particularly designed for the Barcelona’s drinking water network. Predictive controller objectives have been established taking into account the minimisation of three criteria; the first one considers economic costs involved in the distribution process; second one takes into account tank’s safety volumes; and the third penalises excessive variations in control actions. Disturbances usually affect the operational conditions in which an automatic control strategy evolves along time. In the drinking water network (DWN) predictive control strategy, consumer demands have been modelled as measured disturbances. It is primordial to ensure an effective rejection of those measured disturbances, respecting to the controller objectives. Through this thesis, functionalities of the DWN system are illustrated as well as the predictive control strategy used to solve the multi-objective optimisation problem; later, methods to explore the space of non-dominated solutions, known as Pareto front, are exposed and a strategy to choose, at every sample time, a solution in line with the problem objectives. Next, a tuning strategy, which avoid the Pareto front calculation in the on-line implementation by using a model that allows to variate the weighting factors of each objective function, in terms of consumer water demands. Keywords: Model predictive control, large-scale systems, drinking water networks, multiobjective optimisation.

El present projecte de fi de carrera versa sobre l'aplicació del control òptim-predictiu en xarxes d'aigua potable. Concretament es descriu l'aplicació de la metodologia MPC, basada en un model dinàmic de la xarxa, que prediu el comportament del sistema, i que permet al controlador trobar una estratègia de cotrol òptima, que permeti satisfer de la millor manera possible les necessitats presents i futures de l'operació de la xarxa. Per aquest motiu es discuteix una estratègia de modelat que permeti representar adequadament tots els elements d'una xarxa d'aigua potable, així com la representació dels diferents requeriments d'operació. Aquests requeriments, relacionats amb la gestió del recurs i de la xarxa, han de ser optimitzats per garantir que el servei s'ajusta el màxim possible a les necessitats dels usuaris. Concretament es busca la minimització dels costos econòmics, destinats a l'operació diària de la xarxa, la maximització de la seguretat en la xarxa, que permeti evitar una ruptura del subministre, i per últim la minimització de fluctuacions en el cabal a través de la xarxa, que permeti evitar una disfunció en alguns dels elements. Tot això garantint sempre la satisfacció de la demanda d'aigua per part dels usuaris. Es discuteix també la normalització d'aquests tres requeriments, que permet fitar i igualar la seva evolució, de manera que puguin ser considerats i optimitzats conjuntament. Cal doncs tenir en compte el caràcter lineal o quadràtic dels diferents factors, així com la seva sintonització o importància relativa dins de la funció global a optimitzar. La bondat d'aquest mètode es posa a prova en la xarxa d'aigua potable de l'àrea matropolitana de Barcelona, utilitzant un model que representa amb completesa i precisió la xarxa a nivell de transport. Es descriuen les particularitats de la xarxa i la manera com s'adapta el procediment al model de la mateixa. Finalment s'extreuen els resultats que permeten veure com els diferents requeriments d'operació són optimitzats al llarg d'una gestió típica, primer de forma separada i després de forma conjunta, fent un especial èmfasi en la sintonització. S'estudia també com evoluciona l'operació si es varia el valor d'algunes constants típiques del sistema i les seves repercussiona pràctiques. Per últim es discuteixen algunes de les futures evolucions i millores del mètode que haurien de permetre, en un futur no gaire llunyà, el seu funcionament en línia amb el sistema real.

En este proyecto se pretenden poner en práctica los conocimientos adquiridos durante el transcurso de la carrera. Para ello, se ha diseñado y construido un dispositivo de iluminación, cuyas funcionalidades se controlan desde una aplicación desarrollada para sistemas móviles Android. Este dispositivo toma el nombre de “Globo LED” debido a su forma y la tecnología usada para su iluminación y su funcionamiento está basado en el fenómeno de la persistencia de la visión (mismo principio usado en el cine o la televisión). La decisión de llevar a cabo este proyecto se ha tomado basándose, no solo en poner en práctica los conocimientos adquiridos, sino también en ampliarlos y obtener algunos nuevos. Además, se considera un proyecto original, a la par que entretenido, que puede ser explotado en diferentes sectores (como la educación o publicidad). En esta memoria, se detalla todo el proceso seguido para el diseño e implementación de este dispositivo, de manera que, cualquier persona, mínimamente cualificada, pueda llevar a cabo un proyecto similar a partir de los pasos e indicaciones explicadas aquí. This project is intended to expose the knowledge acquired during the degree. To do so, a lighting device, whose functions are controlled via an application (developed for Android mobile systems), has been designed and built. This device takes the name of "LED Globe" because of its shape and the technology used for lighting, and its operation is based on the phenomenon of persistence of vision (same principle used in cinema or television). The decision taken to carry out this project comes, not only to demonstrate the author's knowledge, but also to improve them and acquire new. In addition, this project is considered original and entertained, and also can be exploited in different sectors (such as education or advertising). In this specification, all the steps followed to do the design and implementation of this device are well detailed, so any person, minimally qualified, can be capable to carry out a similar project as this one. En aquest projecte, es volen posar en pràctica els coneixements obtinguts durant el transcurs de la carrera. Per dur-ho a terme, s’ha decidit dissenyar i construir un dispositiu d’il·luminació capaç de ser controlat mitjançant una aplicació desenvolupada per a sistemes mòbils Android. Aquest dispositiu, rep el nom de "Globus LED” degut a la seva forma i a la tecnologia emprada per realitzar la il·luminació. El seu funcionament està basat en el fenomen de la persistència de la visió (mateix principi que l’utilitzat per el cinema i la televisió). La decisió de realitzar aquest projecte s’ha pres, a més de per a posar en pràctica els coneixements obtinguts, per a millorar-los i obtenir-ne de nous. Com adició, es considera un projecte original i entretingut, que pot se explotat en diferents sectors (com l’educació o la publicitat). En aquesta memòria, es detalla el procés seguit per a realitzar el disseny i implementació del dispositiu, permetent així, que qualsevol persona amb coneixements mínims, pugui dur a terme un projecte, d’àmbit similar, a partir de les indicacions explicades aquí.

Bachelor’s thesis: Grau en Enginyeria en Tecnologia Industrial., The goal of the project is to develop an interactive robotic system that will provide proactive assistance with dressing to disabled users or health-care workers whose physical contact with garments must be limited to avoid contamination. The project will explore gesture and force as modalities of human-robot interaction. A framework that integrates these two modalities will be developed to recognize user's intentions while being dressed by the robot. The framework will be tested on a Barrett WAM robot equipped with a Kinect camera for user tracking and a force sensor. The integration of hardware and software was done in Robot Operating System (ROS).