Diseño de un sistema de control óptimo y un control predictivo para un prototipo de helicóptero de tres grados de libertad
El helicóptero de tres GDL es un sistema didáctico a escala muy útil e interesante que ha sido utilizado para explicar los efectos aerodinámicos y demostrar en forma práctica diferentes métodos de modelado, análisis y control. Debido a su aplicabilidad ha sido adquirido por varios cursos de ingenier...
- Autores:
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Guerrero Gómez, Yosman Alexis
- Tipo de recurso:
- Trabajo de grado de pregrado
- Fecha de publicación:
- 2019
- Institución:
- Universidad Autónoma de Bucaramanga - UNAB
- Repositorio:
- Repositorio UNAB
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- Acceso en línea:
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[1].Ángulo, Alexander y García, Johan (2017). “DISEÑO DE UN SISTEMA DE CONTROL DE POSICIÓN DE UN HELICÓPTERO DE TRES GRADOS DE LIBERTAD (3GDL)”. Bucaramanga, Santander, Colombia [2].Bodin, Erik y Stenholm, Fanny (2015). Modelling & Control of a 3DOF Helicopter. University Linkoping Suecia [3].Alcides, Andrés y Díaz, Manuel (2010). “DISEÑO Y CONSTRUCCION DE UN HELIBOT DE 3 DOF (HELICOPTERO DE 3GDL) COMO HERRAMIENTA DE INVESTIGACION Y DESARROLLO PARA EL LABORATORIO DE SISTEMAS DINAMICOS DE INGENERIA DE CONTROL” .Bucaramanga, Santander, Colombia. [4].Quanser, “3dof helicopter manual.” Available at http: //www.lehigh.edu/∼inconsy/lab/frames/experiments/QUANSER3DOFHelicopter Reference Manual.pdf [5].Staples, G. (2019). Propeller Static & Dynamic Thrust Calculation - Part 1 of2. Retrieved from https://www.electricrcaircraftguy.com/2013/09/propeller-static-dynamic-thrust-equation.html [6].MathWorks. (2017). Diseño y utilización de filtros Kalman en Matlab y Simulink. Obtenido de MathWorks: https://es.mathworks.com/discovery/filtros-Kalman.html [7].I.Egaña, M.Iribas, J. Mota, J. Castillejo, P.Vital, J.Villanueva, M. Barreras, M. García-Sanz (2012). “CONTROL ROBUSTO QFT PARA UN HELICOPTERO DE 3 GDL”. Arrosadía, Pamplona. [8].Y.Zhai, M. Nounou , H. Nounou, Y. Al-Hamidi (2010). “Model predictive control of a 3-DOF helicopter system using successive linearization”. University at Qatar, Doha. [9].García, M., Elso, J., & Egaña, I. (2018). “CONTROL DEL ÁNGULO DE CABECEO DE UN HELICOPTERO COMO BENCHMARK DE DISEÑO DE CONTROLADORES ”.Retrieved from https://polipapers.upv.es/index.php/RIAI/article/download/8132/8275 [10]. V. Adonai, G. hernando, (2018). “DISEÑO DE UN CONTROL PID Y LQG PARA UN EXOESQUELETO DE DOS GRADOS DE LIBERTAD”. Bucaramanga, Santander Colombia [11]. Caicedo, S. (2018). Control Predictivo Basado en Modelo - MPC (Ejemplos y Códigos MATLAB). Retrieved from https://controlautomaticoeducacion.com/control-predictivo/ [12]. Craig, Kevin. Improving mechatronic-system design. En: EDN Network. [en línea]. (27 deene.,2017).Disponible en: https://www.edn.com/electronics-blogs/mechatronics-in-design/4368269/Improving-mechatronic-system-design |
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Debido a su aplicabilidad ha sido adquirido por varios cursos de ingeniería de control e investigación en diferentes universidades del mundo como bancos de pruebas.OBJETIVOS 10 GENERAL 10 ESPECÍFICOS 10 INTRODUCCIÓN 11 CAPITULO 1: HELICÓPTERO DE TRES GDL 12 1.1 Modelo matemático. 13 1.1.1 Ecuaciones de movimiento. 14 1.1.1.1 Eje de Pitch. 14 1.1.1.2 Eje de Elevación. 15 1.1.1.3 Eje de Travel. 18 1.1.2 Resumen de las ecuaciones. 19 1.1.2.1 Caracterización del momento gravitacional. 19 1.2 Diseño mecánico. 20 1.2.1 Dimensionamiento. 21 1.2.2 Parámetros del modelo. 25 1.2.3 Diseño y análisis del eje de elevación 26 1.2.4 Diseño y análisis del eje de pitch 30 1.2.5 Diseño y análisis del eje de travel. 33 1.3 Diseño electrónico 35 1.3.1 Sensores 35 1.3.2 Motores. 38 1.3.2.1 Caracterización motores: 38 1.3.3 Anillo deslizante 39 1.3.4 Sistema de adquisición de datos 39 1.3.5 Circuito. 40 1.4 Prototipo final. 41 CAPITULO 2 SISTEMA DE CONTROL 42 2.1 Espacio de estados del sistema 42 2.1.1 Puntos de equilibrio 43 2.1.2 Linealización del modelo por espacio de estados 45 2.1.3 Modelo lineal en espacio de estados en tiempo discreto: 47 2.1.4 Comparación modelo no lineal y lineal 48 2.1.5 Modelo desacoplado. 49 2.2 Sistema de control por espacios de estados 50 2.3 Control LQG. 52 6 2.3.1 Control LQG del modelo acoplado en tiempo discreto. 52 2.3.1.1 Diseño de control LQR. 53 2.3.1.2 Diseño filtro Kalman. 54 2.3.2 Controlador LQG del modelo desacoplado en tiempo discreto. 56 2.3.2.1 Diseño elevación LQR 57 2.3.2.2 Diseño travel LQR 57 2.3.2.3 Diseño filtro Kalman Elevación 57 2.3.2.4 Diseño filtro Kalman travel 58 2.4 Control predictivo MPC 59 2.4.1 Algoritmo del control predictivo 59 2.4.2 Parámetros de sintonización 60 2.4.3 Formulación del MPC 61 2.4.3.1 Modelo de predicción 61 2.4.4 Model predictive control toolbox. 62 2.4.5 Control predictivo MPC del modelo acoplado 62 2.4.5.1 Diseño de control predictivo MPC. 63 2.4.6 Control predictivo MPC del modelo desacoplado 65 2.4.6.1 Diseño de control predictivo MPC elevación. 66 2.4.6.2 Diseño de control predictivo MPC travel. 66 2.5 Interfaz gráfica. 68 2.5.1 Sección 1ª de la interfaz grafica 69 2.5.2 Selección de los diferentes tipos de setpoint. 70 CAPITULO 3 VALIDACION DE CONTROLADORES 73 3.1 Implementación control LQG acoplado 73 3.2 Implementación control LQG desacoplado. 74 3.3 Implementación control predictivo MPC Acoplado. 75 3.4 Implementación control predictivo MPC desacoplado. 76 3.5 Análisis de resultados 77 CONCLUSIONES 81 BIBLIOGRAFÌA 83 ANEXOS 85PregradoThe three-DOF helicopter is a very useful and interesting scale learning system that has been used to explain aerodynamic effects and to demonstrate in a practical way different methods of modeling, analysis and control. Due to its applicability, it has been acquired by various control and research engineering courses at different world universities as test benches.application/pdfspahttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/2.5/co/Abierto (Texto Completo)info:eu-repo/semantics/openAccesshttp://purl.org/coar/access_right/c_abf2Atribución-NoComercial-SinDerivadas 2.5 ColombiaDiseño de un sistema de control óptimo y un control predictivo para un prototipo de helicóptero de tres grados de libertadDesign of an optimal control system and predictive control for a three-degree-of-freedom helicopter prototypeIngeniero MecatrónicoUniversidad Autónoma de Bucaramanga UNABFacultad IngenieríaPregrado Ingeniería Mecatrónicainfo:eu-repo/semantics/bachelorThesisTrabajo de Gradohttp://purl.org/coar/resource_type/c_7a1fhttp://purl.org/redcol/resource_type/TPMechatronicGDL helicopterMathematical modelMechanical designPrototype developmentFlying apparatusDigital controlMecatrónicaDesarrollo de prototiposAparatos voladoresControl digitalHelicóptero GDLModelo matemáticoDiseño mecánico[1].Ángulo, Alexander y García, Johan (2017). “DISEÑO DE UN SISTEMA DE CONTROL DE POSICIÓN DE UN HELICÓPTERO DE TRES GRADOS DE LIBERTAD (3GDL)”. Bucaramanga, Santander, Colombia[2].Bodin, Erik y Stenholm, Fanny (2015). Modelling & Control of a 3DOF Helicopter. University Linkoping Suecia[3].Alcides, Andrés y Díaz, Manuel (2010). “DISEÑO Y CONSTRUCCION DE UN HELIBOT DE 3 DOF (HELICOPTERO DE 3GDL) COMO HERRAMIENTA DE INVESTIGACION Y DESARROLLO PARA EL LABORATORIO DE SISTEMAS DINAMICOS DE INGENERIA DE CONTROL” .Bucaramanga, Santander, Colombia.[4].Quanser, “3dof helicopter manual.” Available at http: //www.lehigh.edu/∼inconsy/lab/frames/experiments/QUANSER3DOFHelicopter Reference Manual.pdf[5].Staples, G. (2019). Propeller Static & Dynamic Thrust Calculation - Part 1 of2. Retrieved from https://www.electricrcaircraftguy.com/2013/09/propeller-static-dynamic-thrust-equation.html[6].MathWorks. (2017). Diseño y utilización de filtros Kalman en Matlab y Simulink. Obtenido de MathWorks: https://es.mathworks.com/discovery/filtros-Kalman.html[7].I.Egaña, M.Iribas, J. Mota, J. Castillejo, P.Vital, J.Villanueva, M. Barreras, M. García-Sanz (2012). “CONTROL ROBUSTO QFT PARA UN HELICOPTERO DE 3 GDL”. Arrosadía, Pamplona.[8].Y.Zhai, M. Nounou , H. Nounou, Y. Al-Hamidi (2010). “Model predictive control of a 3-DOF helicopter system using successive linearization”. University at Qatar, Doha.[9].García, M., Elso, J., & Egaña, I. (2018). “CONTROL DEL ÁNGULO DE CABECEO DE UN HELICOPTERO COMO BENCHMARK DE DISEÑO DE CONTROLADORES ”.Retrieved from https://polipapers.upv.es/index.php/RIAI/article/download/8132/8275[10]. V. Adonai, G. hernando, (2018). “DISEÑO DE UN CONTROL PID Y LQG PARA UN EXOESQUELETO DE DOS GRADOS DE LIBERTAD”. Bucaramanga, Santander Colombia[11]. Caicedo, S. (2018). Control Predictivo Basado en Modelo - MPC (Ejemplos y Códigos MATLAB). Retrieved from https://controlautomaticoeducacion.com/control-predictivo/[12]. Craig, Kevin. Improving mechatronic-system design. En: EDN Network. [en línea]. 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