diseÑo y control de un pÉndulo furuta para implementarlo en las aulas de clase de la universidad...

DISEÑO Y CONTROL DE UN PÉNDULO FURUTA PARA IMPLEMENTARLO EN LAS AULAS DE CLASE

DE LA UNIVERSIDAD EAFIT

Ricardo Toro Santa María

AUTOR: RICARDO TORO SANTA MARÍA200410013014

ASESOR: FABIO ANTONIO PINEDA

MAYO 26/2009

CONTENIDO DE LA PRESENTACIÓN


•OBJETIVOS

•DEFINICIÓN DEL PROBLEMA

•METODOLOGÍA DE TRABAJO

•INTRODUCCIÓN

•TIPOS DE PÉNDULOS

•APLICACIONES

•MODELO FÍSICO

•PARÁMETROS

•MODELO MATEMÁTICO

•CONTROL DE RETROALIMENTACIÓN

DE ESTADOS

•CONTROL SWING UP

•SIMULACIÓN

•RESULTADOS

•COSTOS

•CONCLUSIONES

•BIBLIOGRAFÍA

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OBJETIVOS


Diseñar y construir un péndulo Furuta que implemente un controlador que estabilice el sistema en posición vertical invertida teniendo en cuenta restricciones técnicas según requerimientos de diseño.

GENERAL

ESPECÍFICOS

Registrar conceptos básicos de modelamiento de sistemas no lineales, interfaces de adquisición de datos y tipos de controladores que sean aplicables al péndulo Furuta.

Diseñar y construir un péndulo Furuta teniendo en cuenta restricciones espaciales y mínimo costo.

Modelar matemáticamente el péndulo Furuta construido e implementar un sistema de simulación usando Matlab/Simulink.

Diseñar un controlador que le permita obtener al sistema una estabilidad en posición vertical invertida según requerimientos de diseño.

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DEFINICIÓN DEL PROBLEMA


Con base en la búsqueda de información teórica del control

moderno, se plantea implementar un controlador que permita

estabilizar el brazo del péndulo en posición vertical invertida. Para

lograrlo se tienen consideraciones espaciales y técnicas según

requerimientos de diseño.

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METODOLOGÍA DE TRABAJO


CONSTRUCCIÓN E IMPLEMENTACIÓN

DEL CONTROL

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INTRODUCCIÓN


Un péndulo invertido no es más que una barra, la cual permanece en posición vertical, siendo su punto de apoyo el extremo inferior. Su estabilidad está dada gracias a una acción de control (J.Aracil, 2005).

www-control.uni-paderborn.de http://coecsl.ece.uiuc.edu/

El péndulo Furuta es un péndulo invertido que utiliza una barra horizontal que gira alrededor de un eje con el fin de intervenir otra barra vertical o péndulo. Mediante la dirección y potencia del giro se puede estabilizar en posición vertical invertida dicho péndulo gracias a la acción de la barra horizontal giratoria. (FURUTA,1992).

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TIPOS DE PÉNDULOS


www.quanser.com

www-control.uni-paderborn.de/rundgang.html

UIUC project

UIUC project

UIUC project

UIUC project

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APLICACIONES


tazzfullventas.com.ar

quiron.wordpress.comwww.educima.com

es.engadget.com

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OTRAS APLICACIONES DEL PÉNDULO FURUTA


robotics.ee.uwa.edu.au

UIUC projectwww.danielbauen.com

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MODELO FÍSICO


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MODELO FÍSICO


MECANISMO

ESTRUCTURA

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PARÁMETROS


Barra 1

Barra 2

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MODELO MATEMÁTICO


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CONTROL DE RETROALIMENTACIÓN DE ESTADOS


1. Encontrar los valores de A y B del sistema.

2. Definir las matrices Q y R, teniendo en cuenta sus propiedades.

3. Utilizar la función [K, S,E] = lqr(A,B,Q,R) de Matlab, la cual resuelve la ecuación de Riccati (S), halla los valores de K y muestra la ubicación de los nuevos polos encontrados (E).

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CONTROL DE RETROALIMENTACIÓN DE ESTADOS


2. Definir Q y R:

3. Utilizar la función [K, S,E] = lqr(A,B,Q,R) de Matlab:

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CONTROL SWING UP


El control swing up se basa en la energía total del sistema:

http://www.control.utoronto.ca/~broucke/ece1653s/Intro/ast_fur96.pdf

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SIMULACIÓN


1. Simulación péndulo invertido Furuta lineal.

2. Simulación péndulo Furuta no lineal.

3. Simulación péndulo invertido Furuta no lineal con control Swing up

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RESULTADOS


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COSTOS


Nombre Referencia Cantidad Precio Total MonedaEncoder S1-32-236-I-D-D 1 $ 77.00 $ 77.00 US Encoder S5-32-236-I-S-D 1 $ 77.00 $ 77.00 US Shaft adapter 6208K28 1 $ 22.00 $ 22.00 US Motor DCM-234 1 $ 1.75 $ 1.75 US Power supply PS-1233 1 $ 15.75 $ 15.75 US Comunicación Serial MAX3232IDWR 1 SAMPLE 0 Microcontrolador MSP430F2272DAR 1 SAMPLE 0 Regulador de Voltaje 3.3V TLV1117-33CDCYR 1 SAMPLE 0 Microcontrolador debugger MSP430F2012 1 Stock Lab Mecatronica UIUC 0 PWM Full-Bridge A3953SLB-T 1 Stock Lab Mecatronica UIUC 0 Contador Encoder LS7266R1-S 24 bit dual axis 1 Stock Lab Mecatronica UIUC 0 Capacitores 0.1 microf. 8 Stock Lab Mecatronica UIUC 0 Resistencias 220 ohm 2 Stock Lab Mecatronica UIUC 0 Resistencia 2.2 Kohm 1 Stock Lab Mecatronica UIUC 0 LED LED Rojo 2 Stock Lab Mecatronica UIUC 0 Conector Serial Conector Hembra 9 pines 1 Stock Lab Mecatronica UIUC 0 Conector Potencia Conector Hembra 1 Stock Lab Mecatronica UIUC 0 Conector Banana Conector Banana 2 Stock Lab Mecatronica UIUC 0 Capacitor 4.7 microf 1 Stock Lab Mecatronica UIUC 0 Capacitores cerámicos size 1206 (10 microf) 2 Stock Lab Mecatronica UIUC 0 Capacitores cerámicos size 1206 (0.1 microf) 2 Stock Lab Mecatronica UIUC 0 Capacitores cerámicos size 1206 (680 pf) 1 Stock Lab Mecatronica UIUC 0 Resistencias mount 1206 (2.2 Kohm) 2 Stock Lab Mecatronica UIUC 0 Resistencia mount 1206 (50 Kohm) 1 Stock Lab Mecatronica UIUC 0 Resistencia mount 1206 (24.9 Kohm) 1 Stock Lab Mecatronica UIUC 0 Board 1 Stock Lab Mecatronica UIUC 0 Base hierro 9mm X 40cm X 18cm 90092442 1 $ 22,000 $ 22,000 PesosPerfil Cuadrado de Aluminio 1/2 in 2002003 1 $ 6,630 $ 6,630 PesosTapas Aluminio 6mm 7 x 7 cm 2007013 2 $ 2,000 $ 4,000 PesosTornillos Bristol M3 820005 2 $ 1,000 $ 2,000 PesosTornillos Bristol M4 820021 4 $ 500 $ 2,000 PesosTuercas 4 Stock Lab Mecatronica UIUC Link 1 Aluminio 1 Stock Lab Mecatronica UIUC Link 0 Aluminio 1 Stock EAFIT

TOTAL PESOS $ 346,230 PesosTOTAL US $ 216.39 USTRM $ 1,600 Pesos

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CONCLUSIONES


• Se logró saber de antemano el comportamiento que tendría la planta real antes de implementar los controladores diseñados en dicho sistema. Esto permite un buen diseño de los controladores y disminuye los costos en tiempos de pruebas en el sistema real, ya que permite ensayar diferentes controladores dentro de la simulación y poder plantear diferentes alternativas antes de una prueba real. Por tanto, la simulación obtenida será de gran ayuda para los cursos de control y modelamiento de sistemas de la Universidad Eafit, ya que podrán tener en ella una plataforma de pruebas.

• Las ecuaciones planteadas para la identificación de los parámetros son muy confiables, ya que se pudo obtener resultados muy aproximados a los logrados por un software CAD. Esto ayuda significativamente al buen diseño del controlador para estabilizar el péndulo en posición vertical invertida.

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CONCLUSIONES


• Se pudo observar que linealizar un sistema no lineal, como el péndulo invertido, cerca de un ángulo determinado, no afecta significativamente los resultados y por el contrario, puede ser una herramienta muy útil para el diseño del controlador. Linealizar el sistema simplifica de forma significativa el modelo de la planta, lo cual se convierte en un ahorro a la hora de una simulación en software como Simulink.

• Finalmente, se puede concluir que para la construcción e implementación de un péndulo invertido Furuta no se requieren grandes cantidades de dinero. No se necesita de un procesador muy potente, lo cual se traduce en minimización de costos y optimización del código. El péndulo invertido Furuta construido en el presente proyecto de grado es uno de los únicos en el mundo que utilizan un microcontrolador en vez de un microprocesador.

MAYO 26/2009

BIBLIOGRAFÍA


J. ARACIL, F. GORDILLO. El Péndulo invertido: Un desafío para el control no lineal. Revista Iberoamericana de automática e informática industrial. Pages 8-19, Vol 2, Num 2, España, Abril 2005, ISSN: 1697-7912.

K. FURUTA, M. YAMAKITA, and S. KOBAYASHI. Swing - up control of inverted pendulum using pseudo-state feedback. Journal of Systems and Control Engineering, 206(6):263-269, 1992.

K. J. ÅSTRÖM and K. FURUTA. Swinging up a Pendulum by Energy Control. In Paper presented at IFAC 13th World Congress, San Francisco, California, 1996.

Quanser@,2007.Quanser - Información sobre WINCON - Tomado de la página web http://www.quanser.com/english/downloads/products/WinCon_PIS_20071101.pdf consultada el 5 de abril del 2009, USA, 2007.

UIUC@,2009.University of Illinois - Laboratories UIUC- Tomado de la página web http://coecsl.ece.uiuc.edu consultada el 1 de febrero del 2009, Urbana-Champaign, USA, 2009.

MATLAB,2009.MATLAB - Función LQR - Tomado de la página web http://www.mathworks.com/ consultada el 15 de febrero del 2009, 2009.

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MUCHAS GRACIAS


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