Intelligent Swing-Up and Robust Stabilization via Tube-based Nonlinear Model Predictive Control for A Rotational Inverted-Pendulum System English

Resumen

El propósito de este trabajo es presentar un nuevo esquema de control robusto basado en un modelo no-lineal aplicado a un sistema de péndulo invertido rotacional. El péndulo rotacional está compuesto por un brazo mecánico unido a un péndulo de movimiento libre (ortogonal al brazo), conocido como el péndulo Furuta. En principio, un controlador Fuzzy permite que la barra del brazo robótico levante el péndulo giratorio a través del movimiento oscilatorio y alcance automáticamente la posición de equilibrio superior en un rango de operación de estabilización prescrito. Después de que el péndulo alcanza el rango de operación, un sistema de conmutación inteligente permite la transición entre el controlador basculante y un controlador predictivo robusto para mantener la posición angular del péndulo alrededor de la posición vertical ascendente. Para lograr un desempeño robusto, un marco centralizado del controlador propuesto combina un tres acciones de control. El primero compensa las perturbaciones utilizando la trayectoria de regulación - control de adelanto. La segunda acción de control corrige los errores producidos por la discrepancia de modelado. El tercer controlador asegura robustez en el sistema de lazo cerrado mientras compensa las desviaciones de las trayectorias de estado con respecto a las nominales (es decir, sin perturbaciones). La estrategia de control proporciona factibilidad robusta a pesar de que las restricciones en la barra del brazo y los actuadores del péndulo son alcanzadas. Dichas restricciones se calculan en línea en base a conjuntos robustos positivamente invariantes caracterizados por conjuntos politópicos (tubos). El controlador propuesto se prueba en una serie de pruebas de simulación y se valida de forma experimental en un entorno de simulación de alta fidelidad que incluye un péndulo invertido giratorio construido con fines educativos. Los resultados muestran que el rendimiento de control robusto se fortalece frente a perturbaciones del sistema de lazo cerrado en comparación con la de los controladores predictivos lineales y no lineales inherentemente robustos.