Diseño y construcción de un sistema de control de un péndulo invertido lineal basado en microcontrolador

Abstract

In this work it will be present the design, construction, instrumentation and control of a prototype of a pendulum invested of longitudinal movement, which purpose is serving as a platform for education as a technique for teaching feedback control techniques for students from degree and postgraduate levels. The built prototype basically consists of a straight rigid rod, which rests on one of its ends forming a joint no acted on a car that can move horizontally along a rectilinear rail. The rod moves freely around the joint on the carriage and the control objective is to carry the rod from the initial pendant position, to the unstable upright position. In order to stabilized the pendulum in the upright position, the system counts with the electronic instruments (such as sensors, actuators and microcontroller) that are required to run the control measures. The developed instrumentation is confirmed by a microcontroller PIC18F4550 and the other electronic auxiliary elements which together with the developed software, are responsible for some actions like: acquiring the value of the angular position of the arm, the reference position in which should be maintained for the carriage, run the control of the algorithm and generate a control signal that reduces the deviation in respect to the references to zero or to a small value and at the same time it maintains the arm in the upright position. To move the carriage, the pendulum counts with a direct power motor that transforms the control signal into the force that acts on the carriage. It solves the problem of stabilization with a classic PID control with anti-windup and with a dead zone compensation. It also resolves the "swinging-up" problem through an empirical strategy that is described in the thesis.

En este trabajo se presenta el diseño, construcción, instrumentación y control de un prototipo de péndulo invertido de desplazamiento longitudinal, el cual tiene la finalidad de servir como una plataforma educativa para la enseñanza de técnicas de control retroalimentado para estudiantes tanto de nivel licenciatura como de nivel posgrado. El prototipo construido consta básicamente de una varilla recta, rígida, que descansa en uno de sus extremos formando una articulación no actuada sobre un carro que puede moverse de forma horizontal a lo largo de un riel rectilíneo. La varilla se mueve libremente alrededor de la articulación sobre el carro y el objetivo del control es llevar la varilla desde la posición colgante inicial, a su posición erguida e inestable. A fin de estabilizar al péndulo en su posición erguida, el sistema cuenta con la instrumentación electrónica (sensores, actuadores y microcontrolador) necesaria para ejecutar las acciones de control. La instrumentación desarrollada está conformada por un microcontrolador PIC18F4550 y los elementos electrónicos auxiliares que junto con el software desarrollado se encarga de adquirir el valor de la posición angular del brazo, la posición de referencia en la cual se debe de mantener el carro, ejecutar el algoritmo de control y generar una señal de control que reduce la desviación respeto a la referencia a cero o a un valor pequeño y simultáneamente mantiene erguida la posición del brazo. Para mover el carro se cuenta con un motor de corriente directa que transforma la señal de control en la fuerza que actúa sobre el carro. Se resuelve el problema de estabilización mediante un control PID clásico con anti-windup y con compensación de zona muerta. Además, se resuelve el problema de "Swing-up" mediante una estrategia empírica que se describe en el interior de la tesis.