Desarrollo de un prototipo de pendubot para la enseñanza

La presente tesis tiene como objetivo dar a conocer el proceso de diseño e implementación de un sistema subactuado de pendubot, enfocado en el uso docente para la enseñanza de diversas técnicas de control. Siendo así, se desarrolla el modelo matemático de las ecuaciones dinámicas y el análisis del p...

Full description

Autores:
Rueda Vera, Brayan Esneider
Tipo de recurso:
Trabajo de grado de pregrado
Fecha de publicación:
2022
Institución:
Universidad Autónoma de Bucaramanga - UNAB
Repositorio:
Repositorio UNAB
Idioma:
spa
OAI Identifier:
oai:repository.unab.edu.co:20.500.12749/27521
Acceso en línea:
http://hdl.handle.net/20.500.12749/27521
Palabra clave:
Pendubot
Nonlinear Control
Swing up
stability
Mechatronics
Prototype development
Electromechanical devices
Mechanical engineering
Algorithms
Nonlinear systems
Mecatrónica
Desarrollo de prototipos
Dispositivos electromecánicos
Ingeniería mecánica
Algoritmos
Sistemas no lineales
Pendubot
Control no lineal
Estabilidad
Balanceo
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description La presente tesis tiene como objetivo dar a conocer el proceso de diseño e implementación de un sistema subactuado de pendubot, enfocado en el uso docente para la enseñanza de diversas técnicas de control. Siendo así, se desarrolla el modelo matemático de las ecuaciones dinámicas y el análisis del punto de equilibrio, teniendo en cuenta el diseño mecánico y eléctrico del sistema. Se emplea controles de estabilidad como el regulador linear cuadrático (LQR), el regulador no lineal de modos deslizantes (SMC), un control de balanceo y un nuevo algoritmo de control que emplea las estrategias anteriores. Asimismo, se desarrolla una interfaz gráfica que permite validar el desempeño y análisis en un entorno virtual de las variables de estado del prototipo.
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Siendo así, se desarrolla el modelo matemático de las ecuaciones dinámicas y el análisis del punto de equilibrio, teniendo en cuenta el diseño mecánico y eléctrico del sistema. Se emplea controles de estabilidad como el regulador linear cuadrático (LQR), el regulador no lineal de modos deslizantes (SMC), un control de balanceo y un nuevo algoritmo de control que emplea las estrategias anteriores. Asimismo, se desarrolla una interfaz gráfica que permite validar el desempeño y análisis en un entorno virtual de las variables de estado del prototipo.1 INTRODUCCIÓN ……………………………………………………………...13 1.1 DESCRIPCIÓN BREVE DEL PROBLEMA..........................................13 1.2 JUSTIFICACIÓN DEL PROBLEMA....................................................13 1.3 OBJETIVOS........................................................................................14 1.3.1 Objetivo general..............................................................................14 1.3.2 Objetivos específicos......................................................................14 2 MARCO TEÓRICO............................................................................15 2.1 SISTEMAS MECÁNICOS SUBACTUADOS........................................15 2.2 PENDUBOT........................................................................................16 2.2.1 Objetivos de control ......................................................................17 2.2.2 Posiciones de equilibrio .................................................................17 2.2.3 Sensores de posición angular........................................................18 3 ESTADO DEL ARTE............................................................................20 4 METODOLOGÍA DE DISEÑO.............................................................25 5 MODELADO ANALÍTICO DEL SISTEMA ELECTROMECÁNICO DE UN PENDUBOT....26 5.1 MODELO MATEMÁTICO DEL SISTEMA ELÉCTRICO....29 5.1.1 Simplificación de ecuaciones del motor dc por el método de la eliminación de la constante eléctrica....30 5.2 ECUACIONES DINÁMICAS DEL SISTEMA ELECTROMECÁNICO DEL PENDUBOT....30 6 DISEÑO DEL MECÁNICO Y ELÉCTRICO DEL PROTOTIPO REAL.....31 6.1 SISTEMA MECÁNICO DEL PROTOTIPO REAL DE UN PENDUBOT ..31 6.2 SISTEMA ELÉCTRICO DEL PROTOTIPO REAL DE UN PENDUBOT...32 7 DISEÑO DE CONTROLADORES..........................................................38 7.1 ANÁLISIS DEL MODELO MATEMÁTICO............................................38 7.1.1 Puntos de equilibrio...........................................................................39 7.1.2 Linealización del modelo matematico en el punto de equilibrio tope…40 7.1.3 Estabilidad del sistema de pendubot..............................................42 7.2 CONTROL DE ESTABILIDAD...............................................................43 7.2.1 Control óptimo lqr continuo............................................................43 7.2.2 Control por modos deslizantes.......................................................45 7.2.3 Control por modos deslizantes y regulador lineal cuadrático...50 7.3 CONTROL DE BALANCEO.................................................................53 7.3.1 Control tipo PD con regulador de tangente hiperbólico............54 7.3.2 Control tipo P basado en métodos de energías..........................57 8 RESULTADOS ESPERADOS.............................................................61 8.1 VALIDACIÓN DEL MODELO MATEMÁTICO..................................61 8.2 IMPLEMENTACIÓN DE INTERFAZ.................................................63 8.3 PRUEBAS EN PROTOTIPO REAL....................................................65 8.3.1 Resultados experimentales del control de estabilidad............66 8.3.2 Resultados experimentales del control de balanceo y estabilidad....73 8.4 ANÁLISIS DE REPETIBILIDAD.........................................................79 9 CONCLUSIONES.............................................................................80 10 TRABAJOS FUTUROS ......................................................................81 11 RECOMENDACIONES......................................................................82 12 REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS....................................................83 13 ANEXOS...........................................................................................86 13.1 CODIGO MATLAB............................................................................86 13.2 ANEXO 2. PLANOS..........................................................................94PregradoThis thesis aims to present the design and implementation process of a underactuated pendubot system, focused on its use in teaching various control techniques. To this end, the mathematical model of the dynamic equations and the analysis of the equilibrium point are developed, taking into account the mechanical and electrical design of the system. Stability controls such as the Linear Quadratic Regulator (LQR), the Nonlinear Sliding Mode Controller (SMC), a balancing controller, and a new control algorithm that employs the previous strategies are used. Additionally, a graphical interface is developed to validate the performance and analyze the state variables of the prototype in a virtual environment.Modalidad Presencialapplication/pdfspahttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/2.5/co/Abierto (Texto Completo)Atribución-NoComercial-SinDerivadas 2.5 Colombiahttp://purl.org/coar/access_right/c_abf2Desarrollo de un prototipo de pendubot para la enseñanzaDevelopment of a pendubot prototype for teachingIngeniero MecatrónicoUniversidad Autónoma de Bucaramanga UNABFacultad IngenieríaPregrado Ingeniería MecatrónicaIMK-1789info:eu-repo/semantics/bachelorThesisTrabajo de Gradohttp://purl.org/coar/resource_type/c_7a1finfo:eu-repo/semantics/acceptedVersionhttp://purl.org/redcol/resource_type/TPPendubotNonlinear ControlSwing upstabilityMechatronicsPrototype developmentElectromechanical devicesMechanical engineeringAlgorithmsNonlinear systemsMecatrónicaDesarrollo de prototiposDispositivos electromecánicosIngeniería mecánicaAlgoritmosSistemas no linealesPendubotControl no linealEstabilidadBalanceoS. L. Joaquín, M. N. Alejandro y O. M. Anselmo, “Uso del Pendubot como Herramienta Pedagógica para la Enseñanza de la Teoría del Control Automático,” 8º Congreso Nacional de Mecatrónica, Veracruz, 2009.[En linea]. Disponible:https://www.mecamex.net/anterior/cong08/articulos/15.pdfR. G. Andrade y R. C. Fuentes, “Análisis, Diseño y Construcción del pendubot,” Tesis de licenciatura, Escuela Politécnica Nacional, Ecuador, 2000.[En linea]. Disponible: http://bibdigital.epn.edu.ec/handle/15000/11641.O. O. Gutiérrez, “Diseño de controladores para sistemas subactuados del tipo pendulo invertido,” Tesis de doctorado, Escuela Politécnica Nacional, Mexico, 2009.[En linea].Disponible: https://www.saber.cic.ipn.mx/SABERv3/Repositorios/webVerArchivo/25959/3E. A. Mamani, “Diseño y control en tiempo real del sistema subactuado pendubot,”,Tesis de grado, Universidad Nacional de Ingeniería, Lima, 2012.R. G. 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