DISEÑO, CONSTRUCCION Y CONTROL DE UN PENDULO INVERTIDO

ROTACIONAL UTILIZANDO TECNICAS LINEALES Y NO LINEALES

CARLOS ANDRES OSORIO ZÚÑIGA

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA

FACULTAD DE INGENIERIA

MAESTRIA EN INGENIERIA

AUTOMATIZACION INDUSTRIAL

BOGOTA, D.C.

2009

DISEÑO, CONSTRUCCION Y CONTROL DE UN PENDULO INVERTIDO

ROTACIONAL UTILIZANDO TECNICAS LINEALES Y NO LINEALES

CARLOS ANDRES OSORIO ZÚÑIGA

Tesis para optar al título de

Magíster en automatización industrial

Director

LEONARDO BERMEO CLAVIJO

Ingeniero electrónico MSc.

Codirector

HERNANDO DIAZ MORALES

Ingeniero Electricista Phd

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA

FACULTAD DE INGENIERIA

MAESTRIA EN INGENIERIA

AUTOMATIZACION INDUSTRIAL

BOGOTA, D.C.

2009

Nota de aceptación:

Trabajo aprobado por el comité de

evaluación en cumplimiento de los

requisitos exigidos por la Universidad

Nacional de Colombia para optar al título

de Magíster en Automatización Industrial

_________________________________

Jurado

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Jurado

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Jurado

BOGOTA D.C. Diciembre 2009

Dedicado a:

Toda mi familia y en especial a mis padres: Guillermo Osorio Ortiz y Esperanza

Zúñiga Sáenz.

CONTENIDO

pág.

INTRODUCCIÓN 1

1. EL PÉNDULO DE FURUTA 4

1.1 MODELO MATEMATICO 5

1.1.1 Cinemática 5

1.1.2 Expresiones de energía 6

1.1.3 Ecuaciones de movimiento 8

1.1.4 Representación en espacio de estado 10

1.2 PUNTOS DE EQUILIBRIO 11

1.3 LINEALIZACION 11

1.4 MODELOS DE FRICCION 13

1.4.1 Modelos de fricción clásicos 14

1.4.1.1 Modelo de fricción de Coulomb con fricción estática 14

1.4.1.2 Modelo de fricción de Karnopp 16

1.4.2 Modelo de fricción dinámico de LuGre 16

2. VALIDACION EXPERIMENTAL DEL MODELO MATEMATICO 19

2.1 OBTENCIÓN DE LOS VALORES DE LOS PARÁMETROS 19

2.2 COMPARACIÓN ENTRE EL MODELO MATEMÁTICO Y EL PÉNDULO

EXPERIMENTAL 20

3. CONTROL HIBRIDO PARA EL PÉNDULO DE FURUTA 22

3.1 SWING UP 22

3.1.1 Control de energía 24

3.2 REGULADOR LINEAL CUADRATICO (LQR) 28

3.3 CONTROLADOR PI VECTORIAL 34

3.3.1 Controlador PI Vectorial con anti wind-up 39

4. COMPENSACION DE FRICCION 42

4.1 COMPENSACIÓN DE FRICCIÓN BASADA EN EL MODELO DE FRICCIÓN

DE COULOMB 43

4.2 COMPENSACIÓN DE FRICCIÓN BASADA EN EL MODELO DE FRICCIÓN

DE KARNOPP 44

4.3 COMPENSACIÓN DE FRICCIÓN BASADA EN EL MODELO DE FRICCIÓN

DE LUGRE 45

4.3.1 Observadores de fricción de LuGre 48

4.3.1.1 Observador de lazo abierto 48

4.3.1.2 Observador con realimentación 48

5. CONTROL POR MODOS DESLIZANTES JERARQUICO 55

5.1 REPASO DE CONTROL POR MODOS DESLIZANTES 56

5.2 DISEÑO DEL CONTROLADOR POR MODOS DESLIZANTES

JERÁRQUICO 59

5.2.1 Análisis de estabilidad y deslizamiento de todas las superficies

deslizantes 63

5.2.2 Controlador libre de singularidad 66

5.2.3 Resultados experimentales 67

6. TRABAJO FUTURO 69

7. CONCLUSIONES 70

A Componentes utilizados para el sistema 72

BIBLIOGRAFIA 76

LISTA DE TABLAS

pág.

Tabla 1. Valores de los parámetros del sistema 19

LISTA DE FIGURAS

pág.

Figura 1. El péndulo de Furuta 4

Figura 2. Vista general del péndulo de Furuta desarrollado 5

Figura 3. Fricción de Coulomb 14

Figura 4. Fricción de Coulomb con fricción estática 15

Figura 5. Esquema del modelo de fricción de Karnopp 16

Figura 6. La interfaz de fricción entre dos superficies es imaginada como un

contacto entre cerdas. Por simplicidad las cerdas inferiores se muestran rígidas.

17

Figura 7. Deflexión promedio de la cerda z. 18

Figura 8. Comparación de respuestas entre el sistema experimental (línea azul) y

el sistema de simulación (línea roja) para la condición inicial . .

0 00 0365deg, 0.6283 / , 0.3516deg, 0 /rad s rad s       . 20

Figura 9. Diagrama de cuerpo libre del péndulo 22

Figura 10. Retrato de fase del sistema con control de energía 25

Figura 11. Comportamiento patológico del sistema con la ley de control (51) con

k=22 y 15.00 E . 28

Figura 12. Esquema de control por realimentación del estado. 30

Figura 13. Respuesta del sistema exp. con control híbrido (swing up + LQR) para

la condición inicial . .

0 00 0179.8deg, 0 / , 0deg, 0 /rad s rad s        . 32

Figura 14. Respuesta del sistema experimental con control híbrido (swing up +

LQR) ante perturbaciones. 33

Figura 15. Esquema de control PI vectorial digital. 35

Figura 16. Respuesta del sistema experimental con control híbrido (swing up + PI

Vectorial) ante diferentes valores de referencia para la posición del brazo. 37

Figura 17. Respuesta del sistema con control híbrido (Swing up + PI Vectorial)

ante una perturbación en t =103 s. 38

Figura 18. Integrador condicionado para evitar el wind up 39

Figura 19. Resp. del sistema con control híbrido (swing up + PI Vectorial) con

antiwind up ante cuatro perturbaciones en t = 80 s, t = 92 s, t = 98 s y t=106s. 40

Figura 20. Control PI Vectorial con comp. de fricción basada en modelo. 42

Figura 21. Efecto de la fricción sobre el sistema de control PI Vectorial 43

Figura 22. Respuesta del sistema en la posición invertida con compensación de

fricción de Coulomb 44

Figura 23. Esquema del modelo de fricción de Karnoop 44

Figura 24. Respuesta del sistema en la posición invertida con compensación de

fricción de Karnopp 45

Figura 25. Compensación de fricción basada en observador de LuGre y

realimentación lineal del estado 49

Figura 26. Compensación de fricción basada en observador de LuGre y

realimentación lineal del estado como una interconexión de un sistema SPR y un

sistema disipativo 50

Figura 27. Diagrama de Nyquist de G 51

Figura 28. Respuesta del sistema en la posición invertida con control LQR y con

compensación de fricción de LuGre basada en observador de lazo abierto. 52

Figura 29. Respuesta del sistema en la posición invertida con control LQR y

compensación de fricción de LuGre basada en observador de lazo cerrado 52

Figura 30. Respuesta del sistema en la posición invertida con control PI Vectorial

y compensación de fricción de LuGre basada en observador de lazo abierto 53

Figura 31. Deterioro en el desempeño del sistema en la posición invertida

ocasionada por sobre compensación de fricción 54

Figura 32. Estructura de las superficies deslizantes jerárquicas 61

Figura 33. Respuesta del sist. de control por modos deslizantes jerárquico 67

RESUMEN

Este trabajo presenta el desarrollo y control de un péndulo invertido rotacional

(péndulo de Furuta). Un ejemplo de este tipo de sistemas son las aeronaves,

vehículos espaciales, vehículos submarinos, barcos, satélites y robots construidos

por barras y uniones articuladas pasivas y activas. Algunas veces, la subactuación

puede ser causada por fallas en los actuadores. El desarrollo de estos

mecanismos que pueden realizar tareas complejas con un número reducido de

actuadores es un asunto de gran interés, puesto que implica reducción de peso y

de