Diseño de un sistema de control avanzado para un péndulo rotacional invertido (FURUTA)

dc.contributor.advisorGonzález Acevedo, Hernando
dc.contributor.authorValero Téllez, Eduan Alejandro
dc.contributor.cvlacGonzález Acevedo, Hernando [0000544655]spa
dc.contributor.googlescholarGonzález Acevedo, Hernando [V8tga0cAAAAJ&hl=es&oi=ao]spa
dc.contributor.orcidGonzález Acevedo, Hernando [0000-0001-6242-3939]spa
dc.contributor.researchgateGonzález Acevedo, Hernando [Hernando-Gonzalez-Acevedo-2199006362]spa
dc.coverage.campusUNAB Campus Bucaramangaspa
dc.coverage.spatialColombiaspa
dc.date.accessioned2022-06-13T16:08:15Z
dc.date.available2022-06-13T16:08:15Z
dc.date.issued2022-05
dc.degree.nameIngeniero Mecatrónicospa
dc.description.abstractEl proyecto realizado presenta el diseño de 3 estrategias de control (optimo, robusto y modos deslizantes) que se implementaron en un prototipo de péndulo rotacional de bajo costo. Para la realización del proyecto se plantearon unos objetivos que se desarrollaron en base a una metodología con el fin de cumplir un objetivo general final, cómo primer objetivo se determinó el modelo matemático del sistema, en base en artículos, trabajos y conocimientos del autor. Planteado un modelo se realiza el diseño mecánico y electrónico del péndulo dando solución al objetivo de la construcción del prototipo, una vez ensamblado la parte electrónica con la parte mecánica, se realiza la identificación del sistema con el fin de validar su comportamiento real se ajuste al modelo planteado, gracias a una adquisición de datos realizada y analizada en el software Matlab, dando una estimación del modelo acertada respecto a las pruebas experimentales. Ajustado el modelo real con el simulado se realizan el diseño simulación e implementación de los controladores propuestos como objetivos y como objetivos finales realizando la validación en una interfaz gráfica diseñada para el monitoreo en tiempo real del sistema.spa
dc.description.abstractenglishThe project presents the design of three control strategies (optimal, robust and sliding modes) that were implemented in a low cost rotational pendulum prototype. For the realization of the project, some objectives were proposed and developed based on a methodology in order to meet a final overall objective, as the first objective was determined the mathematical model of the system, based on articles, papers and knowledge of the author. Once the electronic part is assembled with the mechanical part, the identification of the system is carried out in order to validate its real behavior and its adjustment to the proposed model, thanks to a data acquisition performed and analyzed in the Matlab software, giving an accurate estimation of the model with respect to the experimental tests. Once the real model is adjusted to the simulated one, the design, simulation and implementation of the controllers proposed as objectives and final objectives are carried out, performing the validation in a graphic interface designed for the real time monitoring of the system.spa
dc.description.degreelevelPregradospa
dc.description.learningmodalityModalidad Presencialspa
dc.description.tableofcontentsOBJETIVOS ............................................................................................................................................ 12 General .................................................................................................................................................... 12 Específicos .............................................................................................................................................. 12 INTRODUCCIÓN .................................................................................................................................... 13 CAPÍTULO 1: PÉNDULO DE FURUTA (PF). ................................................................................... 14 1.1 Modelo matemático ................................................................................................................... 15 1.1.1 Cinemática del sistema ......................................................................................................... 15 1.1.2 Análisis de energía ................................................................................................................ 16 1.1.3 Ecuaciones de movimiento .................................................................................................. 18 1.1.4 Motor de corriente continua ................................................................................................. 19 1.2 Diseño mecánico ........................................................................................................................ 20 1.2.1 Dimensionamiento ................................................................................................................. 21 1.2.2 Parámetros del modelo. ........................................................................................................ 22 1.3 Diseño electrónico ..................................................................................................................... 22 1.3.1 Sensores ................................................................................................................................. 22 1.3.2 Caracterización de los sensores ......................................................................................... 23 1.3.2.1 Filtrado de las señales de los sensores ......................................................................... 24 1.3.3 Motor ........................................................................................................................................ 26 1.3.4 Sistema de adquisición de datos. ....................................................................................... 26 1.3.5 Conexiones ............................................................................................................................. 27 1.4 Prototipo final. ............................................................................................................................. 28 1.5 Identificación del sistema .......................................................................................................... 29 1.5.1 Estimación de parámetros .................................................................................................... 30 CAPÍTULO 2: DISEÑO DEL SISTEMA DE CONTROL .................................................................. 33 2.1 Representación en espacio de estados ................................................................................. 33 2.1.1 Puntos de equilibrio ............................................................................................................... 34 2.1.2 Linealización del modelo por espacio de estados ............................................................ 34 2.1.3 Modelo de espacio de estados en tiempo discreto .......................................................... 35 2.2 Control por espacio de estados ............................................................................................... 36 2.3 Control LQG ................................................................................................................................ 37 2.3.1 Control LQG del modelo del PF .......................................................................................... 37 2.3.1.1 Diseño de control LQR...................................................................................................... 38 2.3.1.2 Diseño filtro Kalman .......................................................................................................... 38 2.3.2 Simulación control LQG ........................................................................................................ 39 2.4 Control Robusto ......................................................................................................................... 40 2.4.1 Loop-Shaping ......................................................................................................................... 41 2.4.2 Diseño de control robusto ..................................................................................................... 42 2.4.3 Simulación de control robusto.............................................................................................. 45 2.5 Control por modos deslizantes (SMC) .................................................................................... 47 2.5.1 Diseño control modos deslizantes. ..................................................................................... 49 2.5.2 Simulación control modos deslizantes. .............................................................................. 50 2.6 Método Swing-Up ...................................................................................................................... 53 2.6.1 Simulación método Swing-Up .............................................................................................. 55 2.7 Comparación estrategias de control ....................................................................................... 59 CAPITULO 3: VALIDACIÓN DE CONTROLADORES ................................................................... 63 3.1 Interfaz gráfica ........................................................................................................................... 63 3.2 Implementación control LQG. .................................................................................................. 65 3.2.1 Punto de equilibrio ................................................................................................................. 65 3.2.2 Swing-Up ................................................................................................................................. 66 3.2.3 Punto de equilibrio, perturbación ......................................................................................... 67 3.2.4 Swing-Up, perturbación ........................................................................................................ 68 3.3 Implementación control por modos deslizantes. ................................................................... 70 3.3.1 Punto de equilibrio ................................................................................................................. 70 3.3.2 Swing-Up ................................................................................................................................. 71 3.3.3 Punto de equilibrio, perturbación ......................................................................................... 72 3.3.4 Swing-Up, perturbación ........................................................................................................ 73 3.4 Implementación control robusto. ............................................................................................. 74 3.4.1 Punto de equilibrio ................................................................................................................. 74 3.4.2 Punto de equilibrio, perturbación ......................................................................................... 75 3.4 Comparación de controladores ................................................................................................ 76 CONCLUSIONES................................................................................................................................... 78 BIBLIOGRAFÍA ...................................................................................................................................... 80 ANEXOS .................................................................................................................................................. 82spa
dc.format.mimetypeapplication/pdfspa
dc.identifier.instnameinstname:Universidad Autónoma de Bucaramanga - UNABspa
dc.identifier.reponamereponame:Repositorio Institucional UNABspa
dc.identifier.repourlrepourl:https://repository.unab.edu.cospa
dc.identifier.urihttp://hdl.handle.net/20.500.12749/16710
dc.language.isospaspa
dc.publisher.facultyFacultad Ingenieríaspa
dc.publisher.grantorUniversidad Autónoma de Bucaramanga UNABspa
dc.publisher.programPregrado Ingeniería Mecatrónicaspa
dc.relation.references[1] ESCOBAR DÁVILA, Luisa Fernanda & MONTOYA GIRALDO, Oscar Danilo. Control hibrido del péndulo de furuta. Pereira. 2012. 56 h. Trabajo de grado. (Ingeniero Electricista). Universidad Tecnológica de Pereira. Facultad de Ingenieríasspa
dc.relation.references[2] Montoya. G. O. D. & Valenzuela. H. J. G. & Giraldo. B. D. Control global del Péndulo Rotacional Invertido empleando modelos de energía. Scientia et Technica Año XVII, Vol 1. No 52. DOI: http://dx.doi.org/10.22517/23447214.7831spa
dc.relation.references[3] REGALO NUÑEZ, Carlos. Control y Simulación del Péndulo de Furuta. Universidad de Sevilla. Departamento de Ingeniería de Sistemas y Automática. Sevilla. 2016spa
dc.relation.references[4] GARCIA ALARCON, Octavio Augusto. Diseño, construcción y control de un péndulo de Furuta". Tijuana, México. 58p. Tesis de grado. Instituto Politécnico Nacional Centro De investigación y Desarrollo De tecnología Digitalspa
dc.relation.references[5] Yu, C., Wang, F., & Lu, Y. (2010). Robust control of a Furuta pendulum. Proceedings of SICE Annual Conference 2010, 2559-2563spa
dc.relation.references[6] C. Vieira, “Realização de um controlador utilizando Redes Neurais para o controle de estabilização do Pêndulo de Furuta,” Bsc. Disertation. Dept. Tec. Univ. Federal de Amazonas, 2010spa
dc.relation.references[7] C. A. OSORIO, “Diseño, Construcción y Control de un Péndulo Invertido Rotacional Utilizando Técnicas Lineales y No Lineales," Master's thesis, Univ. Nacional de Colombia.2009spa
dc.relation.references[8] AliExpress. (Agosto de 2021). MiniBalance Store. https://es.aliexpress.com/store/4455017spa
dc.relation.references[9] MathWorks. (2021). Diseño y utilización de filtros Kalman en Matlab y simulink. Obtenido de MathWorks: https://es.mathworks.com/discovery/filtros-kalman.htmlspa
dc.relation.references[10] Rodriguez, Daniel y Bordóns Carlos (2005). Apuntes de ingenieria de control. Analisis y control de sistemas en espacio de estado. Identificacion de sistemas. Control adaptativo. Universidad de Sevilla, España.spa
dc.relation.references[11] GONZALEZ VERGARA, Luis Alfonso. Desarrollo y evaluación de controladores para la temperatura, humedad y presión del aire en un cuarto limpio. Bogotá. 2011. 133 h. Tesis de Maestría. (Magister en Automatización Industrial). Universidad Nacional de Colombia. Facultad de Ingenieríaspa
dc.relation.references[12] ALBA GIL, Julian. CALDERON LARROTA, Jose. Implementación de una estrategia de control para el dosificado automático de cisco en el quemador de una 81 secadora de café estática. Colombia: Universidad Autónoma de Bucaramanga, Ingeniera mecatrónica. Santander. 2020.spa
dc.relation.references[13] GUERRERO GÓMEZ, Yosman. Diseño de un sistema de control óptimo Y predictivo para un prototipo de helicóptero de tres grados de libertad. Colombia: Universidad Autónoma de Bucaramanga, Ingeniería mecatrónica. Santander. 2019spa
dc.relation.references[14] MathWorks. (2021). Loopsyn. Obtenido de MathWorks: https://www.mathworks.com/help/releases/R2020b/robust/ref/loopsyn.htmlspa
dc.relation.references[15] MathWorks. (2021). Fine-Tuning the Target Loop Shape to Meet Design Goals. Obtenido de Mathworks: https://www.mathworks.com/help/releases/R2020b/robust/gs/fine-tuning-theloopsyn-target-loop-shape-gd-to-meet-design-goals.htmlspa
dc.relation.references[16] GANDUR ADARME, Said Yamal. Diseño de control optimo y robusto para regular la temperatura de un intercambiador de calor. Bucaramanga. 100 h. Trabajo de grado. Universidad Autónoma de Bucaramanga. Facultad de Ingeniería Físicomecánicas.spa
dc.relation.references[17] Sosa, Duvan & Acevedo, Hernando. (2020). Design of an Advanced Control System for an Inverted Wheeled Robot. 1-6. 10.1109/CIIMA50553.2020.9290311spa
dc.relation.references[18] Slotine. J.-J. E., Li, W., et al. (1991). Applied nonlinear control, volume 199. Prentice-Hall Englewood Cliffs, NJ.spa
dc.relation.references[19] ORENO CASTELLANOS, Fabio & CENTENO ARIZA, Diego. Análisis comparativo del desempeño de técnicas de control conmutado implementadas en dispositivos programables. 2013. 92 h. Trabajo de grado. (Universidad Industrial de Santander. Escuela de Ingeniería Eléctrica, Electrónica y Telecomunicacionesspa
dc.relation.references[20] O. Camacho and C. Smith, "Sliding mode control: an approach to regulate nonlinear chemical processes," ISA transactions, vol.39, no. 2, pp. 205-218, Febrero 2000. https://bibdigital.epn.edu.ec/bitstream/15000/20328/1/CD%209797.pdfspa
dc.relation.references[21] OSORIO GOMEZ, Felipe. Descripcion de la tecnica de control por planos deslizantes y su diesño en sistemas multivariables. Colombia: Universidad Tecnologica de Pereira, Ingeniera Electrica. Pereira, Risaralda. 2018spa
dc.relation.references[22] D. Giraldo B, I. Tabares G “Control design of a multiple input multiple output system using sliding planes approach”, IPSE/IEE International Conference on CAD/CAM, Robotics, and Factories of the Future vol. 2, no. 1, ag. 1999spa
dc.relation.references[23] Castaño. Sergio. Control Automático Educación. Modelo de Motor DC. (Noviembre de 2021). Disponible en: https://controlautomaticoeducacion.com/analisis-de-sistemas/modelo-de-motor-dc/spa
dc.rights.accessrightsinfo:eu-repo/semantics/openAccessspa
dc.rights.creativecommonsAtribución-NoComercial-SinDerivadas 2.5 Colombia*
dc.rights.localAbierto (Texto Completo)spa
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/2.5/co/*
dc.subject.keywordsMechatronicspa
dc.subject.keywordsMathematical modelspa
dc.subject.keywordsNonlinear systemsspa
dc.subject.keywordsRotational pendulumspa
dc.subject.keywordsPrototype developmentspa
dc.subject.keywordsUnder-actuated mechanismspa
dc.subject.keywordsDynamicspa
dc.subject.keywordsControl systemsspa
dc.subject.keywordsAutomatic controlspa
dc.subject.keywordsSimulation methodsspa
dc.subject.lembMecatrónicaspa
dc.subject.lembDesarrollo de prototiposspa
dc.subject.lembDinámicaspa
dc.subject.lembSistemas de controlspa
dc.subject.lembControl automáticospa
dc.subject.lembMétodos de simulaciónspa
dc.subject.proposalModelo matemáticospa
dc.subject.proposalSistemas no linealesspa
dc.subject.proposalPéndulo rotacionalspa
dc.subject.proposalMecanismo sub-actuadospa
dc.titleDiseño de un sistema de control avanzado para un péndulo rotacional invertido (FURUTA)spa
dc.title.translatedDesign of an advanced control system for an inverted rotational pendulum (FURUTA)spa
dc.type.coarhttp://purl.org/coar/resource_type/c_7a1f
dc.type.driverinfo:eu-repo/semantics/bachelorThesis
dc.type.hasversioninfo:eu-repo/semantics/acceptedVersion
dc.type.localTrabajo de Gradospa
dc.type.redcolhttp://purl.org/redcol/resource_type/TP

Archivos

Bloque original

Mostrando 1 - 2 de 2
Cargando...
Miniatura
Nombre:
2022_Tesis_Eduan_Alejandro_Valero.pdf
Tamaño:
4.17 MB
Formato:
Adobe Portable Document Format
Descripción:
Tesis
Cargando...
Miniatura
Nombre:
2022_Licencia_Eduan_Alejandro_Valero.pdf
Tamaño:
104.8 KB
Formato:
Adobe Portable Document Format
Descripción:
Licencia

Bloque de licencias

Mostrando 1 - 1 de 1
Cargando...
Miniatura
Nombre:
license.txt
Tamaño:
829 B
Formato:
Item-specific license agreed upon to submission
Descripción: