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Construcción y diseño de controladores de un péndulo invertido rotante




Enviado por Pablo Turmero



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    Contenidos
    1. Introducción
    2. Descripción del Sistema
    3. Modelización Matemática
    4. Diseño y simulación de Controladores
    5. Análisis del Efecto de Perturbaciones
    6. Ensayos en el sistema real
    7. Conclusiones

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    Problema interesante desde el punto de vista de control.
    Ilustra muchas de las dificultades asociadas con problemas de control del mundo real.

    Introducción
    Consiste en un brazo giratorio horizontal, con una barra vertical en su extremos, la cual gira libremente alrededor de un eje paralelo al brazo.

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    Objetivo
    Construir el prototipo utilizando un bajo presupuesto
    Diseñar estructuralmente el sistema
    Elegir los sensores y actuadores
    Elegir la forma de implementación de los controladores
    Controlar el sistema
    Diseñar distintos controladores lineales
    Implementar dichos controladores

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    1. Introducción
    2. Descripción del Sistema
    3. Modelización Matemática
    4. Diseño y simulación de Controladores
    5. Análisis del Efecto de Perturbaciones
    6. Ensayos en el sistema real
    7. Conclusiones
    Contenidos

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    Esquema Básico de Control
    Controlador
    PC
    Actuador
    Sistema de movimiento del Brazo
    Sensores
    Posición del Brazo y péndulo
    Actuador
    Sistema Físico
    Sensores
    Controlador

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    Programa de Simulación y Control
    Matlab 5.3, Simulink,
    Watcom C/C++, Real Time Windows Target,
    Real Time Workshop
    Driver (S-Function)
    (Gp:) Placa adquisidora de datos
    Slot ISA
    8 entradas analógicas de 0-5V, conversor A/D de 8 bits
    2 salidas analógicas de 0-5V, conversor D/A de 8 bits
    8 entradas digitales
    8 salidas digitales

    Controlador
    Controlador
    Sensores
    Actuador
    Placa Aduisidora
    de Datos
    Driver
    Programa de
    Simulación y Control

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    Puente H
    Amplificador de Potencia
    Inversor de Marcha
    Actuador
    Motor
    Características Eléctricas:
    sin escobillas
    tensión nominal 24 VCC
    corriente nominal 2A
    Características Mecánicas:
    Reducción: 1-130 a engranajes
    Generador de Señal PWM
    Por medio de un canal analógico de la placa adquisicón
    Generador
    PWM
    Salida
    Digital
    Salida
    Analógica
    Puente H

    On/Off
    Dirección
    Placa Adquisidora
    de Datos
    Actuador
    (Gp:) M

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    Limitaciones Debidas al Motor
    (Gp:) 15 V
    (Gp:) -15 V
    (Gp:) SATURACIÓN
    (Gp:) Tensión real
    (Gp:) Tensión
    aplicada
    (Gp:) CUANTIZACIÓN

    (Gp:) 0.15
    (Gp:) FRICCIÓN ESTÁTICA
    (Gp:) JUEGO EN EL EJE

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    Sensores
    Posición del Péndulo
    Sensor Magnéto-Resistivo
    Caracteristicas generales:
    Precisión: 0.0024 radianes
    Rango: ?18º

    x
    y
    q
    y
    I

    l
    Epot

    mgl cos q

    Energía Cinética:
    E cin

    1
    2 I ÿy2

    debido al brazo
    1
    2 m

    l 2 ÿq2
    r 2 ÿy2
    2rl ÿq ÿy cos q
    debida al péndulo

    Fuerza Aplicada:
    f

    t

    f q t
    f y t

    bs ÿq t
    K
    R v

    t

    K 2
    R ÿy t

    v
    t es la tensión aplicada al motor.
    (Gp:) Entrada
    Analógica
    (Gp:) Sensor
    Magnéto-Resistivo
    (Gp:) Acondicionador
    de Señal
    (Gp:) Placa Adquisidora
    de Datos

    (Gp:) ?60?
    (Gp:) Brazo
    (Gp:) Sensor
    (Gp:) Imán
    (Gp:) Eje
    (Gp:) Péndulo

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    Sensores
    Posición del Brazo Encoder incremental
    Características Generales:
    Precisión: 5150 pulso por vuelta ? 0.0012 rad
    Rango: ilimitado

    (Gp:) Entradas
    Digitales
    (Gp:) Encoder
    Incremental
    (Gp:) Placa Adquisidora
    de Datos
    (Gp:) Contador
    De Pulsos
    (Gp:) Programa de
    Simulación y Control
    (Gp:) Controlador
    (Gp:) Sensor

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    Contenidos
    1. Introducción
    2. Descripción del Sistema
    3. Modelización Matemática
    4. Diseño y Simulación de Controladores
    5. Análisis del Efecto de Perturbaciones
    6. Ensayos en el Sistema Real
    7. Conclusiones

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    Modelización Matemática
    Ecuaciones de Euler-Lagrange
    Variables del Sistema
    m: masa del péndulo
    g: gravedad
    l: longitud del péndulo
    r: radio de giro del brazo
    I: inercia del brazo
    (Gp:) ?
    (Gp:) ?
    (Gp:) z
    (Gp:) x
    (Gp:) y
    (Gp:) r,I
    (Gp:) l
    (Gp:) m,g

    (Gp:) Definamos

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    Modelización Matemática
    Energía
    (Gp:) Fuerza Aplicada
    (Gp:) v
    (Gp:) R
    (Gp:) e=K
    (Gp:) +
    (Gp:) _
    (Gp:) ?

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    Ecuaciones de Estado
    (Gp:) Tomando

    (Gp:) Reemplazando

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    Ecuaciones de Estado
    Modelo Simplificado
    Suponiendo bs ? 0 y M >>m
    (Gp:) Representación entrada-salida

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    Ajuste de Parámetros
    Parámetros conocidos
    l =0.3 [m]
    r =0.3 [m]
    M = 0.5 [kg]
    m = 0.05 [kg]
    g = 9.8 [m/seg2]
    Parámetros desconocidos
    K: constante de fuerza electromotriz
    R: resistencia eléctrica

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    Ajuste de los Parámetros
    (Gp:) Excitamos al sistema con un escalón de 1.5V.
    Dimos valores a ? y ? en
    Tomamos ? = 11.8 y ? = 9.8

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    Contenidos
    1. Introducción
    2. Descripción del Sistema
    3. Modelización Matemática
    4. Diseño y Simulación de Controladores
    5. Análisis del Efecto de Perturbaciones
    6. Ensayos en el Sistema Real
    7. Conclusiones

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    Control en Cascada
    Diagrama del Lazo de Control
    Y(s)
    R(s)
    G2(s)
    G1(s)
    K2(s)
    K1(s)


    Lazo Secundario
    Lazo Primario
    Sistema a lazo abierto
    (Gp:) U(s)
    (Gp:) ?(s)
    (Gp:) ?(s)
    (Gp:) Lazo Abierto

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    Diseño de K1(s) y K2(s)
    Lazo Secundario
    Diseño de K2(s) por asignación de polos
    (Gp:) ?(s)
    (Gp:) ?(s)
    (Gp:) K2(s)
    (Gp:) –
    (Gp:) T2(s)

    (Gp:) K1(s)
    (Gp:) –
    (Gp:) R(s)

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    K1(s)=0.2
    Diseño de K1(s) y K2(s)
    Lazo Primario
    Diseño de K1(s) por lugar de raíces

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    Diseño de K1(s) y K2(s)
    Lazo Primario
    Diseño de K1(s) por lugar de raíces
    K1(s)=0.2

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    Simulación
    Posición del Péndulo
    Posición del Brazo
    Función Transferencia a Lazo Cerrado

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    Simulación
    Función Transferencia a Lazo Cerrado
    Posición del Péndulo
    Posición del Brazo

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    Control por Realimentación de Estado
    Diagrama del Lazo de Control
    (Gp:) y
    (Gp:) B
    (Gp:) –
    (Gp:) Lazo abierto
    (Gp:) ?
    (Gp:) C
    (Gp:) A
    (Gp:) K

    Ecuaciones de Estado

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    Control por Realimentación de Estado
    Análisis de la Existencia de K
    Matriz de Controlabilidad
    rango(C ) = 4 ? el sistema es controlable
    Diseño de la Matriz K
    Control Optimo LQR
    Minimizando el Funcional

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    Control por Realimentaciónde Estado
    Seguimiento Robusto: Acción Integral

    Proponiendo
    (Gp:) y
    (Gp:) r
    (Gp:) B
    (Gp:) –
    (Gp:) –
    (Gp:) –
    (Gp:) ?
    (Gp:) C
    (Gp:) A
    (Gp:) K
    (Gp:) Ka
    (Gp:) ?

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    Control por Realimentaciónde Estado
    Diseño de la Matriz K y Ka (LQR)
    Minimizando
    (Gp:) Estabilizando xa

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    Estimación de las variables de Estado y
    (Gp:) Aproximación de la Derivada

    Observador de las Variables Estado

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    Estimación de las variables de Estado y
    (Gp:) Error de Estimación
    (Gp:) Observador de las Variables Estado (cont.)

    (Gp:) Análisis de la Existencia de L
    Matriz de Observabilidad
    (Gp:) rango(O ) = 4 ? el sistema es controlable

    (Gp:) Diseño de L por asignando autovalores a (A-LC)

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    Simulación
    Posición del Péndulo
    Posición del Brazo
    Aproximación de la derivada vs. Observador

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    1. Introducción
    2. Descripción del Sistema
    3. Modelización Matemática
    4. Diseño y Simulación de Controladores
    5. Ensayos en el Sistema Real
    6. Análisis del Efecto de Perturbaciones
    7. Conclusiones
    Contenidos

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    Análisis del Efecto de Perturbaciones
    Efecto de las Cuantizaciones
    (Gp:) Posición del Péndulo
    (Gp:) Posición del Brazo

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    Análisis del Efecto de Perturbaciones
    Fricción Estática
    20 veces menor
    (Gp:) Posición del Péndulo
    (Gp:) Posición del Brazo

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    Análisis del Efecto de Perturbaciones
    Juego en el Eje
    (Gp:) Posición del Péndulo
    (Gp:) Posición del Brazo

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    1. Introducción
    2. Descripción del Sistema
    3. Modelización Matemática
    4. Diseño y Simulación de Controladores
    5. Análisis del Efecto de Perturbaciones
    6. Ensayos en el Sistema Real
    7. Conclusiones
    Contenidos

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    Ensayos sobre el sistema real
    Seguimiento a Referencias Constantes
    Acción Integral
    Control en Cascada

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    1. Introducción
    2. Descripción del Sistema
    3. Modelización Matemática
    4. Diseño y Simulación de Controladores
    5. Análisis del Efecto de Perturbaciones
    6. Ensayos en el Sistema Real
    7. Conclusiones
    Contenidos

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    Conclusiones
    Ventajas en la utilización de un Software de Tiempo Real
    Simplicidad de diseño del Control en Cascada
    Desempeño del Observador
    Robustez del Agregado de Acción Integral
    Sensibilidad frente a Perturbaciones en el Actuador

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