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UNICESUMAR - CENTRO UNIVERSITÁRIO DE MARINGÁ CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS TECNOLÓGICAS E AGRÁRIAS CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO IMPLEMENTAÇÃO DE TÉCNICAS DE CONTROLE DE POSIÇÃO ANGULAR EM UM PÊNDULO INVERTIDO ROTACIONAL PAULO HENRIQUE FOGANHOLO BIAZETTO MARINGÁ PR 2017

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UNICESUMAR - CENTRO UNIVERSITÁRIO DE MARINGÁ

CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS TECNOLÓGICAS E AGRÁRIAS

CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO

IMPLEMENTAÇÃO DE TÉCNICAS DE CONTROLE DE POSIÇÃO ANGULAR EM

UM PÊNDULO INVERTIDO ROTACIONAL

PAULO HENRIQUE FOGANHOLO BIAZETTO

MARINGÁ – PR

2017

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PAULO HENRIQUE FOGANHOLO BIAZETTO

IMPLEMENTAÇÃO DE TÉCNICAS DE CONTROLE DE POSIÇÃO ANGULAR EM

UM PÊNDULO INVERTIDO ROTACIONAL

Artigo de conclusão de curso de graduação

apresentado ao Centro de Ciências Exatas

Tecnológicas e Agrarias da UniCesumar –

Centro Universitário de Maringá como

requisito parcial para a obtenção do título de

bacharel(a) em Engenharia de Controle e

Automação, sob a orientação do Prof. Eng.

Murillo Vilela Magan.

MARINGÁ – PR

2017

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PAULO HENRIQUE FOGANHOLO BIAZETTO

IMPLEMENTAÇÃO DE TÉCNICAS DE CONTROLE DE POSIÇÃO ANGULAR EM

UM PÊNDULO INVERTIDO ROTACIONAL

Artigo de conclusão de curso de graduação apresentado ao Centro de Ciências Exatas

Tecnológicas e Agrarias da UniCesumar – Centro Universitário de Maringá como requisito

parcial para a obtenção do título de bacharel(a) em Engenharia de Controle e Automação, sob

a orientação do Prof. Eng. Murillo Vilela Magan.

Aprovado em: ____ de _______ de _____.

BANCA EXAMINADORA

__________________________________________

Nome do professor – (Titulação, nome e Instituição)

__________________________________________

Nome do professor - (Titulação, nome e Instituição)

__________________________________________

Nome do professor - (Titulação, nome e Instituição)

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IMPLEMENTAÇÃO DE TÉCNICAS DE CONTROLE DE POSIÇÃO ANGULAR EM

UM PÊNDULO INVERTIDO ROTACIONAL

Paulo Henrique Foganholo Biazetto

RESUMO

Este trabalho de graduação apresenta o desenvolvimento e a modelagem de um pêndulo

invertido (planta) aplicando técnicas de controle moderno no Espaço de Estados com

Realimentação de Estados por Alocação de Polos pelo critério de Ackermann, Regulador

Linear Quadrático (LQR) e Inequações Matriciais Lineares (LMI). Primeiramente é feito a

construção do pêndulo invertido e em seguida a modelagem do sistema físico com o diagrama

de corpo livre e o equilíbrio das forças (Segunda lei de Newton) para obter a modelagem

matemática no espaço de estado. Em sequência, são projetados os controladores pelo software

Matlab. Por fim, é realizado a implementação prática utilizando a plataforma Arduino, que é

responsável pela interação entre a planta e o Matlab/Simulink. O presente artigo visou

analisar as técnicas de controle aplicadas a um sistema físico e comparar o desempenho entre

as elas sobre um distúrbio aplicado na planta.

Palavras-chave: Controle. Pêndulo Invertido. Regulador Quadrático Linear. Inequações

Matriciais Lineares.

IMPLEMENTATION OF ANGULAR POSITION CONTROL TECHNIQUES IN A

ROTATIONAL INVERTED PENDULUM

ABSTRACT

This work presents the development and modeling of an inverted pendulum (plant) applying

modern control techniques, not State Space with State Feedback by Poles Allocation by

Ackermann criterion, Linear Quadratic Regulator (LQR) and Linear Matrix Inequalities

LMI). First, it is an inverted pendulum construction and then a modeling of the physical

system with the body diagram and a balance of forces to obtain a mathematical modeling in

the state space. In sequence, the controllers are designed by Matlab software. Finally, it

performed a practical implementation used by an Arduino platform, which is responsible for

the interaction between a plant and Matlab / Simulink. The present article aimed to analyze

the control techniques applied to a physical system and compare the performance between

how they about a disturbance applied in the plant.

Keywords: Control. Inverted Pendulum Linear Quadratic Regulator. Linear Matrix

Inequality.

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1 INTRODUÇÃO

O Pêndulo Invertido é um sistema clássico na teoria de controle que envolve

conhecimentos de elétrica, eletrônica e mecânica e sua primeira solução foi descrita por

Roberge em sua tese chamada “The Mechanical Seal” de 1960 que posteriormente foi usada

em muitos livros como demonstração de um sistema instável.

Do controle clássico para o controle moderno os primeiros controladores foram

derivados para sistemas Lineares e Invariantes no Tempo (LTI), principalmente para sistemas

de uma única entrada e uma única saída (SISO) e foram desenvolvidas técnicas no dominio da

frequência. A robustez desse sistema foi expressa em termos de ganho e margens de fase.

Essas ferramentas clássicas são limitadas ao se projetar controladores com múltiplas saídas e

múltiplas entradas (MIMO) segundo Dietz (2008). Foram então introduzidos métodos

baseado em sistema no espaço de estado e muitos problemas foram reformulados no contexto

da otimização matemática.

O sistema do pêndulo é comumente encontrado nos livros didáticos de sistema de

controle. O Pêndulo Invertido é instável, pois pode cair a qualquer instante, para qualquer

direção, a menos que uma força adequada de controle seja aplicada a ele (OGATA, 2011).

Além disso, a dinâmica do sistema é não linear e caberá ser feito uma linearização da

modelagem do sistema para que o controle seja aplicado a planta.

Para um sistema de controle ter sucesso é preciso que atinja o nível de desempenho

desejado e também seja tolerante a variações do sistema. Para o controle de sistemas incertos

o desajuste do modelo matemático com o sistema real pode ser obtido usando um modelo

incerto em vez de um único modelo matemático. Em outras palavras, cobrimos um sistema

dinâmico complexo por uma família de modelos relativamente simples (DIETZ, 2008). Se as

especificações de desempenho não puderem ser atendidas, ou tenta melhorar a qualidade do

modelo ou deve relaxar os objetivos do projeto devido as limitações físicas do sistema.

Para a técnica de controle por alocação de polos, visa determinar comparando o

polinômio característico com o polinômio desejado em malha fechada, encontrando uma

matriz K que será encontrada pela fórmula de Ackermann.

O Regulador Linear Quadrático tem como objetivo de controle levar os estados a zero

com menor gasto de energia possível, justificando assim o termo “regulador”. Os termos

“linear” e “quadrático” são devidos ao fato do sistema ser um sistema linear e o custo ser

quadrático.

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Já o controlador via Inequações Lineares Matriciais é baseado em restrições

matemáticas para o desempenho do sistema, aplicando restrições no sistema de estabilidade,

taxa de decaimento, incertezas politópicas, regiões D-estável, restrição na entrada e normas

afim de que a planta atende as especificações desejadas.

O intuito desse trabalho foi de realizar o controle para o equilíbrio de um pêndulo

invertido rotacional, aplicando técnicas e comparando os dados obtidos. Na segunda seção foi

descrito a construção do pêndulo invertido rotacional e a descrição dos sensores e atuadores.

Na terceira seção descreve a modelagem da planta que é do tipo SIMO (Single-

Input/Multiple-Output), que tem como entrada a posição angular do pêndulo e o controle da

posição angular do braço e de saída o controle de um motor DC acoplado ao braço. A quarta

seção é apresentando as leis de controle implementadas no sistema. Na quinta seção são

apresentados os parâmetros da planta e os resultados dos ganhos dos controladores. Por fim

na sexta temos os resultados comparando cada controlador e os distúrbios aplicados e a

conclusão do trabalho é proporcionada na sétima seção.

2 CONSTRUÇAO DO PÊNDULO INVERTIDO

O sistema da planta consiste em um pêndulo rotacional que é comandado por um

motor DC. O sistema consiste em um braço com uma de suas extremidades acoplada em um

suporte e na outra uma haste de alumínio. O objetivo do sistema é equilibrar o pêndulo

invertido aplicando uma força no braço através do motor.

A planta foi projetada através do software SolidWorks no qual foi desenvolvido as

peças e simulado a montagem do protótipo.

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Figura 1: Pêndulo Invertido desenvolvido no SolidWorks.

Com o protótipo simulado as peças desenvolvidas foram então cortadas em uma CNC

e obtido o seguinte resultado apresentado na figura 2.

Figura 2: Montagem final do Pêndulo Invertido

Para mensurar a posição angular do braço e do pêndulo foram utilizados dois sensores,

o encoder óptico HEDS 5540, que apresenta uma resolução de 2000 pulsos por revolução em

quadratura. Um motor DC Maxon RE35 foi utilizado como atuador para movimentar o braço

do pêndulo.

Para fazer o controle da tensão aplicada no motor e o sentido de giro, utilizou-se uma

Ponte H IBT-2 que suporta uma tensão de 12 volts e uma corrente de 43 amperes.

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E como forma de fazer a leitura dos sensores e controlar o atuador foi empregado o

uso de um Arduino Mega 2560, que faz a ponte para a leitura dos dados em comunicação

direta com o Simulink.

3 PLANTA DO PÊNDULO INVERTIDO

3.1 MODELAGEM

O braço rotacional é anexado ao motor DC em que é atuado as forças. O braço tem um

comprimento de , e seu momento de inercia , e possui um ângulo, , que cresce

positivamente no sentido horário. O mesmo se aplica ao motor quando recebe uma tensão

positiva.

Figura 3: Diagrama de corpo livre de um pêndulo invertido (Quanser I. User Manual 2011).

A haste do pêndulo é fixada na outra extremidade do braço rotacional. Seu

comprimento total é dado por e seu centro de massa

. O momento de inercia do seu

centro de massa é apresentado por . O ângulo do pêndulo, , é zero quando está

perfeitamente na posição vertical e cresce positivamente no sentido anti-horário.

De acordo com a modelagem apresentada pela Quanser I. User Manual (2011) é

abordado todos os passos para conseguir a função no espaço de estados da planta que está

descrita a seguir.

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3.2 EQUAÇÕES NÃO LINEAR DE MOVIMENTO

O método de Lagrange é usado para encontrar a equações de movimento do sistema.

Para descrever o movimento de um braço rotacional e um pêndulo com um motor acoplado,

será obtido usando equação de Euler-Lagrange:

(1)

A variável é chamada de coordenada generalizada.

(2)

As variáveis e correspondem a posição angular do braço rotacional com e a

posição angular do pêndulo invertido respectivamente. As velocidades são obtidas por:

[

]

(3)

Com as coordenadas generalizadas definidas, a equação de Euler-Lagrange para o

pêndulo rotacional do sistema é:

(4)

O Lagrangiano do sistema é descrita por:

(5)

Portanto, o Lagrangiano é a diferença entre a energia cinética total e o total de

energia potencial do sistema.

Generalizando as forças é usado para descrever atritos viscosos aplicados no

sistema. Esse atrito aplicado no sistema é aplicado tanto para o braço (6) quanto para o

pêndulo (7):

(6)

(7)

O torque ( ) aplicado na base do braço rotacional pelo motor é descrito como:

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(8)

Uma vez que a energia potencial, cinética e Lagrangiano são obtidas então a tarefa é

computar várias derivadas para encontrar as equações de movimento. Depois desse processo,

a equação não linear de movimentos do pêndulo invertido rotacional é:

(

) (

)

(

) (

)

(9)

(

)

(10)

Com a equação de movimento encontrada, é necessário efetuar a linearização a fim de

encontrar uma aproximação linear do sistema não linear de forma que as técnicas de controle

linear possam ser aplicadas. O modelo de linearização utilizado foi através da expansão por

serie de Taylor em torno de um ponto de operação.

Para a equação (8) linearizada temos o seguinte resultado:

(

)

(11)

E a linearizando a equação (9) temos:

(

)

(12)

3.3 MODELO LINEAR NO ESPAÇO DE ESTADO

A equação linear no espaço de estado é:

(13)

Onde são os estados, é a entrada do controle, A, B, C e D são o espaço de estado

das matrizes. Para o pêndulo invertido rotacional, os estados e as saídas são definidos por:

[ ]

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(14)

E a equação de saída, apenas a posição do pêndulo e do braço estão sendo medidas.

Baseado nisso, a matriz C e D de saída são:

[

]

[ ]

(15)

As velocidades do braço e do pêndulo podem ser computadas por um controle digital,

aplicando a derivada das posições e aplicando um filtro passa alta.

Deixando a equação (10) e (11) na forma de matriz temos:

[

] [

] [

] [ ] [

] [ ]

(16)

Isolando [ ]:

[

] [

] [

]

(17)

Para resolver a aceleração da equação de movimento, se faz necessário encontrar a

inversa da matriz que multiplica o termo citado:

[

]

[

] (18)

Aplicando a equação (16) na forma de matrizes para resolver a aceleração, temos:

[

]

[

]

(19)

Onde a determinante da matriz é igual a:

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(20)

Resolvendo os termos da aceleração:

[ ]

[

] [

]

(21)

Expandido a equação e coletando os termos:

( (

)

(

) )

(

(

)

(

)

)

(22)

Da definição da equação de estado (13), é dado que e . Substituindo o

estado de pela equação de movimento, temos que , , e .

Trabalhando as equações para compor as matrizes de estados, temos as relações finais

, , e . Seguindo a equação (12) temos a representação

final:

[

]

[

(

)

(

)

(

) ]

[

]

[

]

(23)

4 CONTROLADORES

O sistema de controle realiza, através de um conjunto de operações, a alteração do

comportamento de uma planta e permite obter o manejo direto e indireto das variáveis para as

quais se desejam saídas especificas.

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4.1 CONTROLE POR REALIMENTAÇÃO DE ESTADOS POR ALOCAÇÃO DE

POLOS PELA FÓRMULA DE ACKERMANN

O método de alocação de polos deve ser empregado quando admitimos que todas as

variáveis de estados sejam mensuráveis e que sejam disponíveis para a realimentação. Se o

sistema for de estado completamente controlável, então os polos de malha fechada do sistema

poderão ser alocados em qualquer posição desejada por meio de uma realimentação de

estados, empregado uma matriz de ganho apropriada (OGATA, 2011).

Seja um sistema descrito como a equação (12), escolhemos o sinal de controle como

sendo:

(24)

A matriz é denominada matriz de ganho de realimentação de estado. Substituindo a

equação (23) em (12) resulta em:

(25)

A estabilidade e a característica do sistema são determinadas pelos autovalores de

.

Utilizamos a fórmula de Ackermann para obtenção do ganho de realimentação K em

malha fechada. A equação final é descrita no OGATA por:

(26)

4.2 REGULADOR LINEAR QUADRÁTICO

O regulador quadrático linear determinístico a horizonte infinito em que o objetivo de

controle é levar o estado a zero, com o menor gasto de energia. Para o caso em que a

variável é conhecida a cada instante de tempo o problema é conhecido como LQR com

observações completas, ou simplesmente controle LQR. A denominação de “horizonte

infinito” vem do fato do funcional ser considerado para um tempo como descrito por

Aguirre (2007).

(27)

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Onde o subscrito “*” denota matriz transposta para valores reais dos termos em

questão, ou o conjugado dos termos correspondentes no caso de valores complexos. e são

pesos (especificações do problema) que realizam uma ponderação entre a dinâmica do

processo controlado (representado pelas variáveis de estado ) e a energia gasta pelo sistema

(expresso pela informação de comando ). e são invariantes no tempo e fica evidente o

objetivo do controlador que é levar o estado a zero, com o menor gasto de energia ( .

Considerando um controle por realimentação de estado no funcional como

abordado por Souza (2014) temos a função de custo ou índice de desempenho como a

expressão:

(28)

O termo integral pode ser descrito como função de Lyapunov, , onde

a matriz é uma matriz simétrica definida positiva, que garante a estabilidade de malha de

controle resultante. Lyapunov garante a estabilidade de um sistema nas condições

e , ou seja, sendo V(x) uma função da variável de estável sendo positiva definida e

a derivada dessa função sendo negativa definida isso indica que a energia do sistema está

decaindo.

4.3 D-ESTABILIDADE

Segundo OGATA (2011), a estabilidade é, usualmente, o aspecto mais importante a

ser determinado em um sistema de controle. Considerando um sistema como o descrito na

equação (12), utilizamos a Forma Quadrática de Funções Escalares com base segundo método

de Lyapunov, na forma , onde é um vetor real e é uma matriz simétrica, em

que, aplicando uma realimentação para projetar um controle onde todos os polos

estarão localizados em determinadas regiões do plano complexo (regiões LMI) (MAGAN

2017, No prelo) as seguintes condições sejam satisfeitas:

(29)

A matriz de ganho dos estados é finalmente obtida por:

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(30)

A restrição LMI por D-estabilidade visa tratar problemas em que se deseja verificar se

todos os polos do sistema então localizados em determinadas regiões convexa no plano

convexo (GAHINET et al., 1995).

A teoria de Lyapunov pode ser estendida para tratar do problema D-estabilidade em

que desejasse verificar se todos os polos do sistema estão localizados em determinada regiões

convexas do plano complexo, denominadas regiões LMI (AGUIRRE, 2007).

Resulta na condição LMI para o semi plano esquerdo, :

(31)

4.3.2 NORMA

Para a estabilidade de um sistema, devemos considerar o sistema abaixo:

(32)

Segundo Aguirre (2007) a matriz de transferência que relaciona a saída e a entrada

exógena ( ) so sistema

, é dada por: . A norma é

definida como ‖ ‖ . Com isso, deduzimos que para sistema de

entrada simples, a norma corresponde ao máximo ganho no diagrama de magnitude de

Bode. Já para sistemas MIMO, a norma corresponde ao máximo valor atingido pelo diagrama

de valores singulares.

Um sistema em malha aberta é assintoticamente estável, e ‖ ‖ somente se

existir uma matriz simétrica positiva definida :

[

]

(33)

4.3.3 CONTROLE

Dado o sistema:

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(34)

Com , se o sistema for controlável, então o problema de controle pode ser

descrito como: tal que estabilize assintoticamente o sistema em malha

fechada definido como sendo:

(35)

Já a função de transferência do sistema em malha fechada

:

(36)

Para ser possível minimizar a norma tal que ‖ ‖ , devemos utilizar a

equação (33) e considerar , o sistema (35) para satisfazer a restrição LMI de

, sujeito a:

[

]

(37)

Dessa forma, temos a norma do sistema em malha fechada limitada por:

‖ ‖

(38)

4.3.4 RESTRIÇAO DO SINAL DE ENTRADA

Para que o sistema não utilize soluções de saturação do sinal de entrada, é necessário

estabelecer um limite para o mesmo. Como descrito por Covacic (2001), o problema de

restrição no vetor de entrada consistem em especificar LMI’s, de modo a assegurar que

‖ ‖ . Sendo o valor máximo do sinal de entrada. Temos então que

e sendo , é assegurada pelas seguintes LMI’s:

[

]

(39)

[

] (40)

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4.3.5 INCERTEZAS POLITÓPICAS

Descrito por Aguirre (2007), politopo é um conjunto poliedral limitado, em outras

palavras, é uma casaca convexa de um conjunto finito de vértices, onde todos os elementos do

politopo pode ser gerado pela combinação convexa dos seus vértices.

Considerando as matrizes , e da equação (34) e possuindo parâmetros incertos

de , temos o sistema descrito como:

(41)

E as matrizes desconhecidas descritas como:

(42)

Sendo e os vértices do politopo, ∑ e varia de 1 a N.

Ainda segundo Aguirre (2007), é possível garantir a estabilidade de um sistema

incerto verificando a estabilidade de todos os N vértices que formam a região do politopo.

Para o sistema em malha fechada com sinal a seguinte restrição garante que a

norma do sistema seja minimizada em toda região do politopo:

[

]

(43)

5 PARAMETROS DA PLANTA E GANHOS DO SISTEMA

Valores e especificações de cada um dos parâmetros são mostrados na tabela 1.

Tabela 1: Valores e especificações

Símbolo Descrição Valor Unidade

Massa do pêndulo 0.060

Massa do braço 0.130

Comprimento do pêndulo 0.33

Comprimento do braço 0.160

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Momento de inercia do pendulo em

relação ao centro de massa

Momento de inercia do braço em

relação ao centro de massa

Coeficiente de amortecimento viscoso

do eixo de rotação do pendulo

0.0024

Coeficiente de amortecimento viscoso

do eixo de rotação do braço

0.0024

Gravidade 9.81

Força contra eletromotriz 0.144

Constante de torque do motor 0.144

Resistencia de armadura 17.5 Ω

Substituindo os valores da tabela 1 na modelagem da planta (23) chega-se ao modelo

nominal no espaço de estado:

[

]

[

]

[

]

[ ]

(44)

Com base nesses dados foram projetados os controladores cada um com suas

características e parâmetros de controle.

Para o controlador Ackermann foram definidos uma porcentagem de ultrapassagem de

5% e um tempo de assentamento de 3.6 segundos. Com os polos encontrados pela alocação de

polos, foi então inserido outros dois polos, um dez vezes mais afastado que o primeiro e outro

20 vezes mais afastado que o segundo. É aplicado a equação de Ackermann a partir de (26)

para encontrar os ganhos do controlador que resultaram em:

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(45)

Já para o controlador LQR, com o mesmo modelo no espaço de estado disponível,

aplicou-se teste e manipulou-se a matriz Q visando uma atuação nos estados do sistema,

enquanto R fica fixa em um. De maneira empírica, chegou a uma matriz Q de:

[

]

(46)

A teoria do LQR está disponível em um pacote no Matlab, em que foi utilizado para

computar os cálculos e gerar os ganhos do controlador que resultou em:

(47)

E visando projetar um controlador mais robusto, foi implementado um controlador por

realimentação de estados através de LMI’s. Considerando incertezas politópicas como sendo a

massa do braço ( e o coeficiente de amortecimento viscoso do braço ( ) parâmetros

incertos com uma faixa de incerteza de 20% de seu valor nominal, e

. Sendo assim, resulta em um politopo com quatro vértices a serem

considerados, aplicados na matriz pela combinação entre os limites mínimos e máximos

que são os vértices do politopo.

Visando atingir as especificações de taxa de decaimento menor que

(tempo de estabilização menor que 3.5 segundos). A minimização da norma Hinf do problema

foi obtida fazendo uso do LMILAB (pacote de resolução de LMI’s do Matlab) resultando em

um ganho:

(48)

Para evitar a saturação dos atuadores, foram inseridas restrições de projeto que

garantam que a amplitude do sinal de controle seja igual ou menor ao valor de saturação do

atuador . O valor assumido para saturar o sistema foi de 10 Volts.

6 RESULTADOS

Como o trabalho visa analisar e comparar as técnicas de controle aplicadas a um

pêndulo invertido, foram realizados testes do comportamento para cada controlador. Para uma

análise mais criteriosa, foram aplicados distúrbios na planta a fim de testar a eficiência

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6.1 RESULTADO DOS CONTROLADORES

A importância de se analisar e comparar os controladores está no fado de verificar se

tais projetos atingem as especificações necessárias de controle. É necessário ter índices que

nos ajudem a ter uma análise quantitativa dos mesmos.

Os dados coletados são da posição angular do braço e a posição angular do pendulo

em um período amostral de 20 segundos. A cor azul refere-se ao controlador Ackermann, a

cor vermelha ao LQR e por fim a cor amarela as LMI’s.

Para a atuação dos controladores sem distúrbio o pendulo é inicialmente equilibrado

manualmente na posição vertical e aplicado um pulso de 0.1 segundos com um volt de

amplitude e um segundo de funcionamento do sistema a fim de tirar o sistema da inércia e

compara os controladores de maneira idêntica.

Figura 4: Atuação dos controladores.

Tabela 2: Porcentagem de ultrapassagem mínima e máxima dos controladores

%UP Ackermann LQR LMI

Máxima Braço 0.4618 0.3487 0.2262

Mínima Braço -0.3990 -0.3864 -0.2482

Máxima Pêndulo 0.0251 0.0188 0.0597

Mínima Pêndulo -0.0440 -0.0503 -0.0785

Pela análise dos dados, notamos um controle mais robusto, em manter o setpoint

desejado, por parte do controlador com as LMI’s. Em contrapartida temos uma maior

oscilação do pendulo. No caso do controlador LQR ele compensa a queda do pendulo com

movimentos do braço um pouco maiores, mas ainda sim menor que o Ackermann, variando

na mesma proporção a haste do pendulo.

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6.2 DISTURBIO EM DEGRAU

Figura 5: Atuação dos controladores ao ruído de degrau.

Tabela 3: Porcentagem de ultrapassagem mínima e máxima dos controladores ao distúrbio de um degrau.

%UP Ackermann LQR LMI

Máxima Braço 0.1728 0.0565 0.0126

Mínima Braço -0.6283 -0.6409 -0.4021

Máxima Pêndulo 0.0314 0.0283 0.0408

Mínima Pêndulo -0.0188 -0.0220 0.0408

O distúrbio em degrau é aplicado na saída da planta fazendo-a se deslocar no sentido

horário, variando negativamente a posição do braço. Foi aplicada uma tensão de 1 Volt e

analisado os controladores tentando manter no setpoint desejado, que é retornar a sua posição

inicial. O controlador projetado através de LMI’s compensa com menor movimento a ação do

distúrbio e tenta retornar a sua posição inicial, com um custo de variar a haste do pendulo.

6.3 DISTURBIO RANDÔMICO

Figura 6: Atuação dos controladores a um ruído randômico.

Tabela 4: Porcentagem de ultrapassagem mínima e máxima dos controladores a um distúrbio randômico.

%UP Ackermann LQR LMI

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Máxima Braço 0.7383 0.5246 0.3958

Mínima Braço -0.4053 -0.4681 -0.1791

Máxima Pêndulo 0.0377 0.0377 0.0723

Mínima Pêndulo -0.0534 -0.0377 -0.0691

Os distúrbios randômicos consistem em aplicar valores de tensão aleatórios na saída

da planta em uma faixa de -1 a 1 volts a cada meio segundo. As LMI’s novamente

apresentaram maior robustez no controle, e agora teve variação semelhante da haste do

pendulo que os outros controladores. Para o controlador LQR apresentou pior resultado

precisando fazer movimentos maiores do braço para compensar os distúrbios.

6.4 DISTURBIO SENOIDAL

Figura 7: Atuação dos controladores a um ruído de frequência 1Hz.

Tabela 5: Porcentagem de ultrapassagem mínima e máxima dos controladores a um distúrbio de 1Hz.

%UP Ackermann LQR LMI

Máxima Braço 0.5278 0.6880 0.3896

Mínima Braço -0.4147 -0.3770 -0.2482

Máxima Pêndulo 0.0534 0.0754 0.0880

Mínima Pêndulo -0.0691 -0.0880 -0.0942

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Figura 8: Atuação dos controladores a um ruído de frequência 30Hz.

Tabela 6: Porcentagem de ultrapassagem mínima e máxima dos controladores a um distúrbio de 30Hz.

%UP Ackermann LQR LMI

Máxima Braço 0.3676 0.4053 0.2419

Mínima Braço -0.3738 -0.3047 -0.0911

Máxima Pêndulo 0.0283 0.0188 0.0503

Mínima Pêndulo -0.0660 -0.0377 -0.0534

A escolha das frequências de 1Hz e 30Hz são justificadas através do diagrama de

Bode. Nele analisamos o ganho do sistema em malha fechada, com os controladores já

projetados, em função da frequência dos ruídos aplicados.

Figura 9: Diagrama de Bode para o Ackermann.

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Figura 10: Diagrama de Bode para o LQR.

Figura 11: Diagrama de Bode para as LMI’s.

O sinal de 1Hz analisando pelo diagrama de Bode, é possível verificar que para as

LMI’s esse sinal tem magnitude de 0.0446, para o LQR uma magnitude de 0.0312 e para o

Ackermann de 0.0307. Foi escolhido o pior caso para as LMI’s para comparar a robustez do

controlador. Já para as frequências de 30Hz a magnitude é de 0.000254 para as LMI’s,

0.000254 para o LQR e 0.000256 para o Ackermann. Essa frequência apresenta mesma

proporção de distorção para todos os controladores.

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Os resultados mostram que mesmo escolhendo o pior caso para as LMI’s foi o que

apresentou melhor resultado, tanto em condições de 1Hz como para 30Hz justificando a

implementação do H infinito.

7 CONCLUSÃO

O projeto apresentou sucesso com o desenvolvimento do protótipo do pêndulo

invertido rotacional e tendo condições suficientes para aplicar as técnicas propostas no

trabalho. Todos os controladores implementados no presente trabalho obtiveram sucesso na

execução do controle e atingiram as especificações comportamentais desejadas. Com base nos

dados coletados dos controladores, foi possível relacionar as informações, avaliar a ação no

controle do pêndulo invertido rotacional e realizar um comparativo de desempenho com

distúrbios aplicados na planta. O controle via LMI apresentou ótimos resultados em todas as

aplicações provando ser um controlador completo.

REFERÊNCIAS

AGUIRRE, L. A. Enciclopédia de Automática Controle e Automação volume 1. 1 Edição.

São Paulo: Blucher, 2007.

CHEN, C. Linear System Theory and Design. 3 Edição. New York Oxford: Oxford

University Press, 1999.

COVACIC, M; Controle Automático com Estrutura Variável Utilizando Sistemas ERP e

LMI. Universidade Estadual Paulista “Júlio de Mesquita Filho”, Ilha Solteira -SP, 2001.

DIETZ, S. G. Analysis and Control of Uncertain Systems by Using Robust Semi-Definite

Programming. Netherlands: Delf University of Technology, 2008.

GAHINET, P.; NEMIROVSKI, A. J. L. A.; CHILALI, M. LMI control toobox users guide.

Natick, MA: MathWorks Inc, 1995. 356p.

MAGAN, M. V.; MARQUES, M. F.; COVACIC, M. R.; GAINO, R.; Comparative of

Robust Controllers by Variable Structure and LMI with D-Stability applied in the

Parablegic Patient Plant. Londrina, Brasil, 2017. No prelo.

OGATA, K. Engenharia de Controle Moderno. 5 Edição. Pearson, 2011.

Quanser I. User Manual. Quaser Rotary Servo. Ontario, Canadá, 2011.

SOUZA, A. C. Z. Projetos, Simulações e Experiências de Laboratório em Sistemas de

Controle. 1 Edição. Rio de Janeiro: Interciência, 2014