Las Redes de Petri Interpretadas en el Diagnóstico de Fallos de Sistemas Híbridos. Aplicación a un Helicóptero no Tripulado

La seguridad y fiabilidad de los procesos industriales son la principal preocupación de los ingenieros encargados de las plantas industriales. Por lo tanto, desde un punto de vista económico, el objetivo principal es reducir el costo del mantenimiento, el tiempo de inactividad y las pérdidas causadas por los fallos. Por otra parte, la seguridad de los operadores, que afecta a los aspectos sociales y económicos, es el factor más relevante a considerar en cualquier sistema Debido a esto, el diagnóstico de fallos se ha convertido en un foco importante de interés para los investigadores de todo el mundo e ingenieros en la industria. Los principales trabajos enfocados en detección de fallos se basan en modelos de los procesos. Existen diferentes técnicas para el modelado de procesos industriales tales como máquinas de estado, árboles de decisión y Redes de Petri (RdP). Por lo tanto, esta tesis se centra en el modelado de procesos utilizando redes de petri interpretadas. Redes de Petri es una herramienta usada en el modelado gráfico y matemático con la habilidad para describir información de los sistemas de una manera concurrente, paralela, asincrona, distribuida y no determinística o estocástica. RdP son también una herramienta de comunicación visual gráfica útil como lo son las cartas de flujo o diagramas de bloques. Adicionalmente, las marcas de las RdP simulan la dinámica y concurrencia de los sistemas. Finalmente, ellas tienen la capacidad de definir ecuaciones de estado específicas, ecuaciones algebraicas y otros modelos que representan el comportamiento común de los sistemas. Entre los diferentes tipos de redes de petri (Interpretadas, Coloreadas, etc.), este trabajo de investigación trata con redes de petri interpretadas principalmente debido a características tales como sincronización, lugares temporizados, aparte de su capacidad para procesamiento de datos. Esta investigación comienza con el proceso para diseñar y construir el modelo y diagnosticador para detectar fallos definitivos, posteriormente, la dinámica temporal fue adicionada para detectar fallos intermitentes. Dos procesos industriales, concretamente un HVAC (Calefacción, Ventilación y Aire Acondicionado) y un Proceso de Envasado de Líquidos fueron usados como banco de pruebas para implementar la herramienta de diagnóstico de fallos (FD) creada. Finalmente, su capacidad de diagnóstico fue ampliada en orden a detectar fallos en sistemas híbridos. Finalmente, un pequeño helicóptero no tripulado fue elegido como ejemplo de sistema donde la seguridad es un desafío, y las técnicas de detección de fallos desarrolladas en esta tesis llevan a ser una herramienta valorada, desde que los accidentes de las aeronaves no tripuladas (UAVs) envuelven un alto costo económico y son la principal razón para introducir restricciones de volar sobre áreas pobladas. Así, este trabajo introduce un proceso sistemático para construir un Diagnosticador de Fallos del sistema mencionado basado en RdR Esta novedosa herramienta es capaz de detectar fallos definitivos e intermitentes. El trabajo realizado es discutido desde un punto de vista teórico y práctico. El procedimiento comienza con la división del sistema en subsistemas para seguido integrar en una RdP diagnosticadora global que es capaz de monitorear el sistema completo y mostrar las variables críticas al operador en orden a determinar la salud del UAV, para de esta manera prevenir accidentes. Un Sistema de Adquisición de Datos (DAQ) ha sido también diseñado para recoger datos durante los vuelos y alimentar la RdP diagnosticadora. Vuelos reales realizados bajo condiciones normales y de fallo han sido requeridos para llevar a cabo la configuración del diagnosticador y verificar su comportamiento. Vale la pena señalar que un alto riesgo fue asumido en la generación de fallos durante los vuelos, a pesar de eso esto permitió recoger datos básicos para desarrollar el diagnóstico de fallos, técnicas de aislamiento, protocolos de mantenimiento, modelos de comportamiento, etc. Finalmente, un resumen de la validación de resultados obtenidos durante las pruebas de vuelo es también incluido. Un extensivo uso de esta herramienta mejorará los protocolos de mantenimiento para UAVs (especialmente helicópteros) y permite establecer recomendaciones en regulaciones. El uso del diagnosticador usando redes de petri es considerado un novedoso enfoque. ABSTRACT Safety and reliability of industrial processes are the main concern of the engineers in charge of industrial plants. Thus, from an economic point of view, the main goal is to reduce the maintenance downtime cost and the losses caused by failures. Moreover, the safety of the operators, which affects to social and economic aspects, is the most relevant factor to consider in any system. Due to this, fault diagnosis has become a relevant focus of interest for worldwide researchers and engineers in the industry. The main works focused on failure detection are based on models of the processes. There are different techniques for modelling industrial processes such as state machines, decision trees and Petri Nets (PN). Thus, this Thesis is focused on modelling processes by using Interpreted Petri Nets. Petri Nets is a tool used in the graphic and mathematical modelling with ability to describe information of the systems in a concurrent, parallel, asynchronous, distributed and not deterministic or stochastic manner. PNs are also useful graphical visual communication tools as flow chart or block diagram. Additionally, the marks of the PN simulate the dynamics and concurrence of the systems. Finally, they are able to define specific state equations, algebraic equations and other models that represent the common behaviour of systems. Among the different types of PN (Interpreted, Coloured, etc.), this research work deals with the interpreted Petri Nets mainly due to features such as synchronization capabilities, timed places, apart from their capability for processing data. This Research begins with the process for designing and building the model and diagnoser to detect permanent faults, subsequently, the temporal dynamic was added for detecting intermittent faults. Two industrial processes, namely HVAC (Heating, Ventilation and Air Condition) and Liquids Packaging Process were used as testbed for implementing the Fault Diagnosis (FD) tool created. Finally, its diagnostic capability was enhanced in order to detect faults in hybrid systems. Finally, a small unmanned helicopter was chosen as example of system where safety is a challenge and fault detection techniques developed in this Thesis turn out to be a valuable tool since UAVs accidents involve high economic cost and are the main reason for setting restrictions to fly over populated areas. Thus, this work introduces a systematic process for building a Fault Diagnoser of the mentioned system based on Petri Nets. This novel tool is able to detect both intermittent and permanent faults. The work carried out is discussed from theoretical and practical point of view. The procedure begins with a division of the system into subsystems for further integration into a global PN diagnoser that is able to monitor the whole system and show critical variables to the operator in order to determine the UAV health, preventing accidents in this manner. A Data Acquisition System (DAQ) has been also designed for collecting data during the flights and feed PN Diagnoser. Real flights carried out under nominal and failure conditions have been required to perform the diagnoser setup and verify its performance. It is worth noting that a high risk was assumed in the generation of faults during the flights, nevertheless this allowed collecting basic data so as to develop fault diagnosis, isolations techniques, maintenance protocols, behaviour models, etc. Finally, a summary of the validation results obtained during real flight tests is also included. An extensive use of this tool will improve preventive maintenance protocols for UAVs (especially helicopters) and allow establishing recommendations in regulations. The use of the diagnoser by using Petri Nets is considered as novel approach.

Transformaciones urbanas en torno a las reales puertas de la Villa de Madrid (1656-1860)

La estructura urbana de Madrid comenzó a dibujarse con los primeros asentamientos fortificados del siglo IX. Sus posteriores ampliaciones estuvieron acotadas por los sucesivos recintos que delimitaron los contornos de una capital en constante expansión. De carácter inicialmente defensivo, luego fiscal y sanitario, estas estructuras estuvieron articuladas en torno a las puertas de acceso a la Villa, estableciendo un sistema general de cerramiento y comunicación que permitiera el control de personas y mercancías en su tránsito hacia el interior de la ciudad. La modestia inicial con que las puertas y tapias del recinto edificado en tiempos de Felipe IV desempeñaron sus funciones de espaldas al exterior de la Villa fue remplazada por un creciente protagonismo, de carácter simbólico y ornamental, que trascendió a su propia arquitectura para inspirar algunas de las importantes transformaciones urbanas operadas en su entorno. Relacionada principalmente con el ideal ilustrado de embellecimiento de la ciudad, la renovación de sus puertas principales se completaba con la reedificación y regularización de sus cercas, y la conformación de nuevos paseos en las afueras de la capital, cuyo trazado vertebrará en buena medida la ocupación de la periferia y la consiguiente definición de la trama urbana del Madrid de hoy. El presente trabajo de investigación indaga sobre la significación urbana de las Reales Puertas de la Villa de Madrid, a partir de la revisión de su establecimiento en los sucesivos recintos de la capital, con especial atención a las transformaciones urbanas operadas en ella desde la definición de su último límite hasta la proyección futura del Madrid ampliado según el anteproyecto de Carlos Mª de Castro. La observación conjunta de las componentes arquitectónica y urbana de las puertas de la Villa de Madrid se ofrece a partir de un relato cronológico de los hechos, fundamentado en su justificación documental y la secuencia visual registrada en la cartografía histórica de la ciudad. La incorporación de aportaciones gráficas de nueva elaboración, de carácter y alcance diversos, proporciona una superposición espacio-temporal que posibilita la lectura comparada de las arquitecturas de las Reales Puertas de la Villa de Madrid y de las transformaciones urbanas operadas a partir de ellas, determinantes en gran medida la configuración de la ciudad actual. ABSTRACT Madrid’s current urban structure has its roots in the first fortified settlements of the IX century. Its subsequent expansions due to the capital’s constant growth were limited by successive enclosures, built originally as a defense mechanism, but later used for fiscal and sanitary purposes as well. The construction of these structures pivoted around the gates that gave access to the city, establishing an enclosure that allowed control of both people and goods on their way into the city. The gates and walls originally built by Felipe IV performed their purpose with a modesty that was later replaced by an increasing symbolic and ornamental prominence, eventually surpassing their own architecture to inspire profound urban changes around them. With the purpose of embellishing the city, the main gates were renovated, the walls were rebuilt and standardized, and new avenues were laid out outside the city. These changes dictated in large part the settling on the suburbs and the resulting configuration of Madrid’s urban scene as we know it today. This research explores the urban significance of the Royal Gates of Madrid through the study of the enclosures that marked the limits of the city. Special attention is given to the urban changes since the last enclosure was established through to Carlos Mª de Castro’s draft for Madrid’s future projection. The architectonic and urban facets of Madrid’s gates are examined simultaneously in a series of chronological events, based on relevant documentation and the graphical record found in Madrid’s historic cartography. This thesis includes new graphic contributions, which allow the comparison of the architecture of the Royal Gates of Madrid as they evolved in time and space. These documents are essential in order to understand the urban transformations that took place based on the Gates, having largely determined the city’s current configuration.