Centro Nacional de Investigación y Desarrollo
Tecnológico
Cuernavaca, Mor.
www.cenidet.edu.mx
Coordinación de Mecatrónica
Maestría y Doctorado en
Ciencias
Marzo 2012
1
Contenido
1.
2.
3.
Mecatrónica
Programas de Maestría y Doctorado en Mecatrónica
A.
Objetivos
B.
Antecedentes
C.
Planta académica
D. Líneas de investigación
E.
Retícula
F.
Infraestructura
Resultados de los programas
a.
Trabajos de Tesis
b.
Publicaciones
c.
Proyectos
d.
Actividades de vinculación
2
1. Mecatrónica
•
•
es una combinación sinérgica de
ingeniería mecánica de precisión,
control electrónico y sistemas,
pensando en el diseño de
productos y procesos de
manufactura
es la intersección de las ingenierías
Mecánica, Electrónica, Informática
y Control
Sinergia.- consiste en que la integración de las
partes sea superior a la simple unión de
éstas.
Mecatrónica = Mecánica Π Electrónica Π
Informática Π Control
3
2. Programa de Maestría y Doctorado
A. Objetivos
Formación de personal para fomentar:
El Diseño interdisciplinario de productos, servicios y/o procesos
El trabajo en equipo
El uso de tecnologías actuales en soluciones sustentables
La investigación y la docencia
Desarrollo de los programas de Mecatrónica, aprovechando las
áreas de experiencia en los Departamentos Académicos del
CENIDET mediante una colaboración interdepartamental, con un
enfoque interdisciplinario
4
B. Antecedentes
El CENIDET ha certificado y otorgado el grado de Especialista
en Ingeniería Mecatrónica impartido por el Centro Nacional de
Actualización Docente (CNAD) a sus egresados desde 1997 a la
fecha.
En el 2000, el CENIDET inició la Maestría en Ciencias y
Doctorado en Ingeniería Mecatrónica.
En 2004 el programa de Maestría en Mecatrónica estuvo en
PIFOP del CONACYT.
En 2005 ambos programas fueron evaluados por comités de la
DGEST.
5
C. Planta académica
Dr. Andrés Blanco Ortega
Doctor en C. en Ing. EléctricaSección Mecatrónica. CINVESTAV
(IPN), (2005) . SNI C
Áreas de investigación:
• Robótica
• Control activo de vibraciones
• Sistemas de Rehabilitación
Dra. Guadalupe López López
Doctora en Ing. de Procesos
Univ. de Aix Marsella III, Francia
(2002)
Áreas de investigación:
• Modelado y simulación de
procesos
• Celdas de combustible
• Otras energías renovables
Dr. Gerardo Vela Valdés
Doctor en Control Automático en la
Université Henri Poincaré, Nancy I
en Francia (1998).
Áreas de investigación:
•Diagnóstico y control tolerante a
fallas: en motores de CA y CD,
robots con piernas.
• Sistemas de rehabilitación.
Dr. Jaime E. Arau Roffiel
Universidad Politécnica de Madrid,
España . SNI (II)
• Sistemas de alimentación
conmutados con aplicaciones en la
corrección del factor de potencia,
compensación de reactivos y
balastros electrónicos.
• Ahorro y uso eficiente de la
energía eléctrica,
• Celdas de combustible
Dr. Marco A. Oliver Salazar
Doctor en Control
Universidad de Sheffield, Gran
Bretaña (1994)
Áreas de investigación:
• Robótica
• Análisis poliespectral
• Análisis de vibraciones
• Control no lineal
Dr. Enrique Quintero-Mármol
Márquez
Doctorado en Ingeniería Química de
la Universidad de Lehigh en
Pennsylvania, USA. (1990).
• Modelado, simulación y control de
procesos. Control adaptable,
inteligente, óptimo, estocástico.
• Redes neuronales
Dr. Carlos M. Astorga Zaragoza
Univ. Claude Bernard, Francia
SNI (I)
• Los observadores no lineales
aplicados en procesos industriales.
• Las estrategias modernas de
control no lineal.
• Detección y localización de fallas
en procesos.
Dra. Sara Lilia Moya Acosta
Doctorado en Ingeniería Mecánica,
UNAM, SNI (I)
Áreas de investigación:
• Sistemas pasivos de climatización
solar de viviendas
• Flujos bifásicos en tuberías y en
medios porosos, con aplicación a
sistemas solares, geotérmicos y
petroleros.
6
C. Planta académica (continuación)
Profesores adscritos en Departamentos del CENIDET que participan en los posgrados de
Mecatrónica:
•Electrónica
1. Dr. Gerardo V. Guerrero Ramírez (SNI nivel I)
2. Dr. Víctor M. Alvarado Martínez
3. Dr. Carlos D. García Beltrán
4. Dr. Abraham Claudio Sánchez (SNI nivel I)
•Mecánica
1. Dr. José María Rodríguez Lelis (SNI nivel I)
2. Dr. Dariusz Szwedowicz Wasik
•Profesores de Mecatrónica en estudios doctorales
1. M.C. Wilberth M. Alcocer Rosado
2. M.C. José Luis González Rubio Sandoval
7
D. Líneas de investigación
Conversión de la Energía
Objetivo: Se trabaja en dos ejes de estudio:
1.

El primer eje de estudio tiene como objetivo la investigación de TECNOLOGÍAS NO
CONVENCIONALES para la GENERACIÓN DE ENERGÍA:
Los procesos de producción de biocombustibles, combustible en generadores
eléctricos.

Las tecnologías para la producción de energía eléctrica limpia, específicamente sobre
sistemas de generación basados en celdas de combustible.
2.
El segundo eje de estudio tiene como objetivo impulsar las áreas de diseño y
operación de procesos industriales desde un punto de vista de USO EFICIENTE DE LA
ENERGÍA mediante el CONTROL DE PROCESOS.
8
D. Líneas de investigación (continuación)
Robótica y Automatización de Procesos
Objetivos:
1. Robótica:
•
Diseño y construcción de robots.
2.
•
•
Control:
Control Activo de Vibraciones
Control Tolerante a Fallas. Diagnóstico y control tolerante a fallas de sistemas: motores
de CA y CD, robots con piernas.
3.
Sistemas de Rehabilitación: Diseño y control.
3.
Procesamiento Digital de Señales. Diseño de filtros y uso del biespectro. Aplicaciones
en reconstrucción de imágenes e identificación de sistemas no lineales.
9
E. Retícula
1er semestre
BÁSICA No.1
Matemáticas
BÁSICA No.2
Fundamentos de
Mecatronica
2do semestre
Asignaturas optativas:
OPTATIVA No.2
OPTATIVA No.3
BÁSICA No.4
Computación Básica*
OPTATIVA No.4
* Seleccionar dos de tres
4o semestre
OPTATIVA No.1
BÁSICA No.3
Electrónica Básica *
BÁSICA No.5
Mecánica Básica *
3er semestre
Seminario de
Investigación I
(Propuesta de Tesis)
TESIS
TESIS
Seminario de
Investigación II
(Seguimiento
de Tesis)
Seminario de
Investigación III
(Seguimiento
de tesis)
• Control de Procesos
• Diseño Asistido por
Computadora
• Diseño Mecánico
• Sistema Dinámicos
• Control Inteligente de Sistemas
Mecatrónicos
• Robótica
• Sensores y Actuadores
Inteligentes
• Prototipos Mecatrónicos
• Celdas de Combustible
• Laboratorio Virtual de Procesos
• Electrónica de Potencia
• Diagnóstico de Fallas
• Control Adaptable
• Tópicos Selectos de ingeniería
Mecatrónica
10
F. Infraestructura
Laboratorio de Mecatrónica:
•
Columna de destilación
(compartida con el Depto. de
Electrónica).
•
Equipo para caracterizar
celdas de combustible –
Scribner 850e
•
Celda de combustible
Horizon
11
F. Infraestructura
Laboratorio de Mecatrónica:
Celda de Manufactura Integrada
por Computadora, CIM.
Computadoras para uso de los
estudiantes
12
12
F. Infraestructura (continuación)
Para la realización de prácticas y desarrollo de temas de tesis
se comparten los laboratorios de:
• Electrónica
– Control
– Motores
• Mecánica
13
3. Resultados de los Programas de Maestría y Doctorado
a. Trabajos de tesis. Línea: Conversión de la Energía
TEMAS:
Producción de biocombustibles.
a) Producción de biodiesel (PROTOTIPO) y bioetanol (SIMULADOR)
Celdas de combustible.
a) Modelado dinámico y validación experimental
b) Simulación y emulación de celdas de combustible
c) Modelado simulación y control de sistemas de alimentacion de celdas de
combustible
Modelado, simulación y control de proceso industriales:
a) Columnas de destilación. Simulación, control, observadores, diagnóstico de fallas
b) Intercambiadores y regeneradores de calor
c) Reactores
d) Plantas químicas completas
14
El biodiesel se produce a partir de
aceite vegetal comestible, metanol o
etanol y sosa cáustica.
Los experimentos se realizaron a
temperaturas de 25, y entre 55 y
60°C.
Se ha obtuvo biodiesel con una
densidad dentro de lo especificado por
la norma ASTM para biodiesel (0.86 a
0.90 g/cm3).
BIODIESEL PRODUCIDO A PARTIR DE ACEITE DE COCO
PROTOTIPO DE UN REACTOR PARA PRODUCIR BIODIESEL
TESIS: DISEÑO, CONSTRUCCIÓN Y PRUEBAS DE UN PROTOTIPO PARA LA PRODUCCIÓN DE BIODIESEL, A
PARTIR DE ACEITES PROVENIENTES DE RECURSOS RENOVABLES.
15
Celda de combustible: Es un dispositivo electroquímico que
convierte energía de un combustible en energía eléctrica.
PEMFC. Celda de combustible tipo PEM.
Electrochem MTS 150. Estación manual de pruebas para
controlar las variables de operación.
Solartron SI 1287. Interfase electroquímica.
GPIB (IEEE-488).
Ánodo
H2 2H+ + 2e-
Cátodo
1/2O2 +2H+ + 2e- H2O
Funcionamiento de una celda PEM
TESIS: MODELADO DINÁMICO DE CELDAS DE COMBUSTIBLE TIPO PEM
16
EMULADOR: Simulador + Interfaz + Carga
Voltaje de salida ante incremento en la demanda de corriente (@ 30°C - 1 Atm. - 0.1 a 0.2 Amp.)
0.95
Voltaje (V)
0.9
Experimental (Rojo)
0.85
Modelo (Negro)
0.8
0.75
0.7
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
0.6
0.7
0.8
0.9
1
Tiempo (s)
Escalon de corriente
0.22
Corriente (A)
0.2
0.18
0.16
0.14
0.12
0.1
0.08
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
Tiempo (s)
Control de sistemas de celdas de combustible
OTRAS TESIS CON CELDAS DE COMBUSTIBLE
Modelado dinámico con circuitos equivalentes
17
El proceso Eastman consiste de un
reactor, un condensador, un separador, un
compresor y una columna de destilación,
con una corriente de gas de reciclado.
Hay un total de ocho componentes: A, B,
C, D, E, F, G, y H.
¿Qué es un laboratorio virtual?
Un laboratorio virtual es la representación
de un lugar dotado de los medios
necesarios para realizar investigaciones,
experimentos y trabajos de carácter
científico o técnico, producido por un
sistema informático, que da la sensación de
su existencia real.
TESIS: LABORATORIO VIRTUAL DE PROCESOS
18
Se hizo un estudio sobre la
operación y el control de un
proceso de destilación
azeotrópica heterogénea para
la producción de etanol
anhidro.
Se usó el conjunto de
simulación Aspen Plus® para
abordar problemas de control
de procesos complejos.
Diseño e implementación de un controlador
difuso normalizado tipo mamdani /
Implicación: tipo producto / Fusificador:
Singletón.
TESIS: SIMULACIÓN Y CONTROL DE UNA PLANTA DE DESTILACIÓN PARA PRODUCIR ETANOL ANHIDRO
19
TESIS DE DOCTORADO: SISTEMA DE SUPERVISIÓN DE UNA COLUMNA DE DESTILACIÓN BASADO EN MODELOS.
20
a. Trabajos de tesis. Línea: Robótica y Automaticación de Procesos
TEMAS:
Robótica: fija y móvil, visión.
a. Robot tipo PUMA
b. Sistema articulado emulando el movimiento de una mano, brazo y antebrazo
c. Robots hexápodos y bípedos.
Diagnóstico de fallas y Control tolerante a fallas:
a. De sistemas como motores de CA y CD, robots con piernas
Procesamiento Digital de Señales:
a. Vibraciones en vigas, en máquinas rotatorias y sus espectros.
Diseño y control en sistemas de rehabilitación:
a. Para cades, tobillo, etc.
21
a. Trabajos de tesis (con prototipo)
Prototipos Construidos en el
CNAD:
1. Robot tipo PUMA
2. Mano CENIDET
22
22
PROTOTIPO
 c 1 c 234  c 1 s 234 s 1

sc
 s 1 s 234  c 1
Diseño del dispositivo mecánico, T 0   1 234
4
empleando Sollid Works.
 s 234
c 234
0

Modelado de la cinemática
0
0
 0
Movimientos a
c 1  L 2 c 2  L 3 c 23  L 4 c 234  reproducir:
 Flexión-Extensión
s 1  L 2 c 2  L 3 c 23  L 4 c 234  Aducción-Abducción..

L 2 s 1  L 3 s 23  L 4 s 234 

1

TESIS: DISEÑO DE UNA MANO DE CUATRO DEDOS ACCIONADA POR MÚSCULOS NEUMÉTICOS.
23
PROTOTIPO
La generación de movimiento en
una extremidad del robot puede ser
implementada mediante un arreglo
de circuitos electrónicos analógicos
como las Redes Neuronales
Celulares”
TESIS: GENERACIÓN DE LOCOMOCIÓN DE UN ROBOT HEXÁPODO
USANDO DOS CÉLULAS NEURONALES ANALÓGICAS
24
PROTOTIPO
Se construyó un robot bípedo,
tomando como modelo al robot
“Denisse”:
Utiliza músculos neumáticos para
moverse.
Peso aproximado de 10 Kg
Velocidad de 0.3 m/s en piso liso.
Un robot con caminado dinámico utiliza la energía de la gravedad y la
arquitectura de la locomoción del ser humano para moverse.
TESIS: Construcción de un robot bípedo basado en caminado dinámico.
25
PROTOTIPO
Adducción
El objetivo de la tesis es diseñar y
construir, un robot paralelo
rehabilitador de tobillo que controle
los movimientos de flexión dorsal y
plantar así como el de
inversión/eversión.
Abducción
Dorsiflexión
Plantarflexión
Posición
Normal
TESIS: ROBOT PARALELO PARA REHABILITACIÓN DE TOBILLO
26
PROTOTIPO
Se usa el diagnóstico de fallas (FDI) para
identificar el componente que está fallando,
el proceso se realiza habitualmente
mediante el modelo del sistema.
El objetivo de la tesis es desarrollar
un robot hexápodo que regido por
una ley de control basada en el
generador central de patrones, sea
capaz de reponerse a la avería de
una o dos de sus patas.
Se usa control tolerante a fallas para
implementar mecanismos que permiten que
el hexápodo funcione con la existencia de
una falla, aún cuando deba permanecer
operando en un régimen degradado o
reducido para lograr sus objetivos.
TESIS DE DOCTORADO: control tolerante a fallas de un robot hexápodo bajo el esquema de un generador
central de patrones mediante el uso de agentes inteligentes
27
a. Trabajos de tesis (con prototipo)
Generación 2003-2005
1.
2.
3.
4.
Diseño de un sistema articulado emulando el movimiento de una
mano.
Diseño y construcción de una tarjeta programable de adquisición,
procesamiento de datos y control.
Modelado dinámico de celdas de combustible.
Observadores de estado para el monitoreo de columnas de destilación
28
a. Trabajos de tesis (con prototipo)
Generación 2004-2006
1. Análisis del comportamiento dinámico de celdas de combustible tipo PEM en
base a un modelo riguroso.
2. Automatización de una columna de destilación.
3. Control inteligente vía NHTE en un robot de 3 GDL.
4. Controladores de robots rígidos: un enfoque a funciones de control inteligente.
5. Diagnóstico de fallas de un turbogenerador a gas.
6. Diagnóstico de fallas de un turbogenerador a vapor de una Central de
generación de ciclo combinado.
7. Diseño de un sistema emulando el movimiento articulado de una mano, brazo y
antebrazo.
8. Diseño y construcción de un prototipo a escala de una cámara de separación
para la limpieza de caña de azúcar.
9. Frenado regenerativo con almacenamiento capacitivo.
10. Modelado dinámico y emulación de celdas de combustible tipo PEM.
29
a. Trabajos de tesis (con prototipo)
Generación 2005-2007
1. Calibración de una cámara para el control de posición de un robot manipulador.
2. Diseño de un efector que reproduzca algunos movimientos de la mano humana
usando recursos neumáticos.
3. Diseño de una interfase gráfica que reproduzca los movimientos de una mano.
4. Diseño y construcción de prototipo seguidor del sol para una celda fotovoltaica.
5. Diseño, construcción y pruebas de un prototipo para la producción de biodiesel a
partir de aceites provenientes de recursos renovables.
6. Prototipo de generador eléctrico doméstico con máquina Diesel alimentada con
aceite vegetal reciclado.
7. Simulación y control de un sistema de celdas tipo PEM.
30
a. Trabajos de tesis (con prototipo)
Generación 2006-2008
1. Control de un robot hexápodo usando 6 celdas neuronales analógicas.
2. Control del Robot PUMA usando tres celdas neuronales analógicas.
3. Diseño de un actuador neumático emulando algunos movimientos de la mano
humana.
4. Diseño y adaptación de un medidor de acidez de lluvia a un pluviómetro.
Almacenamiento de datos de pH y precipitación pluvial.
5. Diseño, construcción y pruebas de un prototipo para preparar composta a partir
de basura orgánica doméstica.
6. Modelado del stack de celdas de combustible tipo PEM, comprendido en un
módulo de potencia Nexa® de 1.2 kW
7. Prototipo mecatrónico con control inteligente y convencional.
8. Rediseño de un efector para reproducir algunos movimientos de una mano,
brazo y antebrazo.
9. Simulación y control de un sistema de alimentación basado en celdas de
combustible.
10. Simulación y control de una planta de destilación para producir etanol anhidro.
31
b. Proyectos
En desarrollo:
“Diseño y Control de un Efector Neumático que Reproduce Ciertos Movimientos de un Dedo
Humano” 2007-2008
Resp.: Dr. Marco A. Oliver S.
“Detección de fallas en columnas de destilación mediante observadores no lineales. Caso de estudio:
Destilación azeotrópica heterogénea para obtener etanol anhidro” 2007-2008
Resp: Dra. Mª Guadalupe López L.
Concluidos:
“Estudio dinámico de una clase de robots móviles orientado a la eficientización en el uso de energía y
a la mejora en la calidad de movimientos” 2005-2006
Resp.: Dr. Marco A. Oliver S.
“Modelado dinámico y simulación de una celda de combustible tipo PEM” 2005-2006
Resp: Dra. Mª Guadalupe López L.
“Actualización del inventario de emisiones de gases de efecto invernadero de los procesos
industriales y solventes para 1990-2002 ” 2005
Resp: Dr. Rigoberto Longoria R.
32
c. Publicaciones de profesores de TC en Mecatrónica
•
•
•
•
•
•
Alcocer, W. et al. “Núcleo Híbrido de transición de Estados, una metodología de control inteligente
implementada en un robot tipo PUMA”. 6° Congreso Nacional de Mecatrónica, (Asociación Mexicana de
Mecatrónica, A.C., IT de SLP), San Luis Potosí, nov/07.
González R. S, J. L. et al. “Design, Manufacturing and Performance Test of a Solar Tracker Made by a
Embedded Control”. 4° Congreso de Electrónica Robótica y Mecánica Automotriz, Cuernavaca, sep/07.
Longoria R, R. et al. “Influence of Soil Characteristics and Nitrogen Amendments on Nitrogen Oxide
Emissions, in a Corn Production System in the State of Morelos, Mexico”. Aceptado para publicación en la
Revista Terra Latinoamericana, abril/07.
López L, M. G. et al. “Comparison of performances of Heat Regenerators. Relation between Heat
Transfer Efficiency and Pressure Drop”. International Journal of Energy Research, Vol. 25, No. 4, nov/01.
Oliver S, M. A. et al. “Músculo Neumático: Control y Aplicación en una Falange Robótica”. Congreso
Nacional de Control Automático, CNCA 2007. Monterrey, México, oct /07.
Quintero M. M., E., Vela V, L. G. et al. “Observador no lineal para la estimación en un proceso de
destilación metanol/etanol”. Información tecnológica, Vol. 17, No. 6. 2006.
33
d. Actividades de vinculación
• Convenio con el Instituto Superior de Puerto Vallarta para impartirles la maestría
en Ciencias en Ingeniería Mecatrónica a Distancia (in situ) www.tecvallarta.edu.mx
• Certificación de especialización en Ingeniería Mecatrónica que ofrece el Centro
Nacional de Actualización Docente, CNAD www.cnad.edu.mx
• Red Académica de Mecatrónica (en formación) de los Institutos Tecnológicos
DGEST www.dgest.gob.mx
• Tesis hechas con el Instituto de Investigaciones Eléctricas, IIE, www.iie.org.mx
• Proyecto realizado para el Instituto Nacional de Ecología (INE), de la SEMARNAT
www.ine.gob.mx
• Tesis de colaboración con el Centro de Investigación en Ingeniería y Ciencias
Aplicadas, CIICAp de la Universidad Autónoma del Estado de Morelos (UAEM)
www.uaem.mx/posgrado/investigacion/f_centros.htm
• Colaboración con el Centro de Investigación en Biotecnología, CIEB de la
Universidad Autónoma del Estado de Morelos (UAEM) www.uaem.mx/
34
Más información:
www.cenidet.edu.mx
[email protected]
Tel. 01-777- 362-7770 ext. 115
Dr. Enrique Quintero Mármol Márquez
Coordinador Mecatrónica
[email protected]
ext. 210
Las Visiones del Quijote (1989)
de mexicano Octavio Ocampo
Arte metafórico
35
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