Optimal control design for furuta's pendulum
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Universidad Autónoma de Baja California
Resumen
Descripción
In this article, we discuss the design of a controller for the Furuta pendulum, which is a subactuated, nonlinear and highly unstable system, which makes it a scientific and technological challenge. This system is often used in the domain of control theory as it helps to understand concepts of control mechanisms. The dynamics of the Furuta pendulum can be found in several high-profile physical systems, such as: two-wheel robots, Segway, personal transporters, rocket propellers, flight controls, etc. The objective is to solve the stabilization problem in the unstable inverted position of the pendulum using an optimal controller, making use of the dynamic model of a pendulum manufactured by Quanser©. A linear quadratic regulator was designed, such that the undisturbed system is stable around the unstable inverted position, while the input signal energy is appropriate. The existence of the solutions of Riccati's algebraic equation assures stabilization and detectability of the system and implies that the closed-loop system is stable. The results show that the controller satisfies the design requirements of the system.
En este artículo se aborda el diseño de un controlador para el péndulo de Furuta, que es un sistema subactuado, no lineal y altamente inestable, lo cual lo hace un reto tanto científico, como tecnológico. Este sistema es a menudo utilizado en el dominio de la teoría de control ya que ayuda entender conceptos de control de mecanismos. Las dinámicas que presenta el péndulo de Furuta pueden ser encontradas en diversos sistemas físicos de alta relevancia, tales como: robots de dos llantas, transportadores personales Segway, propulsores de cohetes, controles de vuelo, etc. El objetivo es resolver el problema de estabilización en la posición invertida inestable del péndulo mediante un controlador óptimo, haciendo uso del modelo dinámico del péndulo fabricado por Quanser©. Un regulador óptimo cuadrático fue diseñado, tal que, el sistema no perturbado es estable alrededor de la posición invertida inestable, mientras que la energía de la señal de entrada es apropiada. La existencia de las soluciones propias de la ecuación algebraica de Riccati aseguran estabilizabilidad y detectabilidad del sistema y estás implican que el sistema en lazo cerrado es estable. Los resultados muestran que el controlador cumple satisfactoriamente los requerimientos de diseño del sistema.
En este artículo se aborda el diseño de un controlador para el péndulo de Furuta, que es un sistema subactuado, no lineal y altamente inestable, lo cual lo hace un reto tanto científico, como tecnológico. Este sistema es a menudo utilizado en el dominio de la teoría de control ya que ayuda entender conceptos de control de mecanismos. Las dinámicas que presenta el péndulo de Furuta pueden ser encontradas en diversos sistemas físicos de alta relevancia, tales como: robots de dos llantas, transportadores personales Segway, propulsores de cohetes, controles de vuelo, etc. El objetivo es resolver el problema de estabilización en la posición invertida inestable del péndulo mediante un controlador óptimo, haciendo uso del modelo dinámico del péndulo fabricado por Quanser©. Un regulador óptimo cuadrático fue diseñado, tal que, el sistema no perturbado es estable alrededor de la posición invertida inestable, mientras que la energía de la señal de entrada es apropiada. La existencia de las soluciones propias de la ecuación algebraica de Riccati aseguran estabilizabilidad y detectabilidad del sistema y estás implican que el sistema en lazo cerrado es estable. Los resultados muestran que el controlador cumple satisfactoriamente los requerimientos de diseño del sistema.
Palabras clave
Optimal Control, Furuta Pendulum, Subactuated Systems, Electronic and Instrumentation., Control Óptimo, Péndulo de Furuta, Sistema Subactuado, Electrónica e Instrumentación.