Czasopismo | PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY | Rocznik 2024 - zeszyt 9

Modeling and Control of a Combined Inverted Pendulum on Beam System

Modelowanie i sterowanie kombinowanym odwróconym wahadłem na układzie belki

10.15199/48.2024.09.42

nr katalogowy: 150381
10.15199/48.2024.09.42

Streszczenie

This paper addresses a novel structure for an underactuated system. It involves the combination of two well-known underactuated systems: the inverted pendulum-cart and the ball and beam. In this configuration, the cart in the first system replaces the role of the ball in the second. The primary focus lies in controlling the balancing beam, which is the key element of the system. The complete system is modeled using Lagrangian formulation, resulting in a set of coupled and highly nonlinear dynamical equations. Additionally, structural analysis of the corresponding control flow diagram is discussed. To control the entire system, an LQR controller with a PI controller in a cascade structure is employed. Simulation results demonstrate the stabilization performance of the proposed controller and its capability to address tracking problems.

Abstract

W artykule tym omówiono now ˛ a struktur˛ e niedostatecznie aktywowanego układu. Obejmuje ona poł ˛ aczenie dwóch dobrze znanych niedostatecznie aktywowanych układów: odwróconego wózka wahadłowego oraz kuli i belki. W tej konfiguracji wózek w pierwszym układzie za st˛ epuje rol˛ e kuli w drugim. Główny nacisk poło˙ zony jest na sterowanie belk ˛ a równowa˙ z˛ ac ˛ a, która jest kluczowym elementem układu. Cały układ jest modelowany przy u˙ zyciu formuły Lagrange’a, co skutkuje zestawem sprz˛ e˙ zonych i wysoce nieliniowych równa´ n dynamicznych. Ponadto omówiono analiz˛ e strukturaln ˛ a odpowiadaj ˛ acego schematu przepływu sterowania. Aby sterowa´ c całym układem, zastosowano regulator LQR z regulatorem PI w strukturze kaskadowej. Wyniki symulacji pokazuj ˛ a wydajno´ s´ c stabilizacji proponowanego regulatora i jego zdolno´ s´ c do rozwi ˛ azywania problemów ze ´ sledzeniem.

Słowa kluczowe

Keywords

Bibliografia

[1] BensalahC.,QuijanoJ.,HendrichN.,AbderrahimA. Anthro pomorphic roboticshand inversekinematics, 16th Interna tionalConferenceonAdvanced,Robotics(ICAR),2013;.
[2] JLin., Chang.: Stabilizationandequilibriumcontrol of a newpneumaticcart-seesawsystem. Robotica,26,pp.219 227,2008.
[3] Yu.: Asurveyof underactuatedmechanical systems, IET ControlTheoryandApplications,7,pp.921–935,2013.
[4] Baillieul.: Control problems insuper-articulatedmechanical systems, IEEETransAutomControl, 39, pp.2442–2453, 2013.
[5] A.Choukchou-Braham.: Analysisandcontrolofunderactu atedmechanicalsystems,Springer,2014.
[6] Kokotovic.:Nonlinearcontrolviaapproximateinput-output lin earization: Theballandbeamexample., IEEETransactions onAutomaticControl,37,pp.392–398,1992.
[7] JieHuang.,Ching-FangLin.: Robustnonlinearcontrolof the ballandbeamsystem., Proceedingsof1995AmericanCon trolConference-ACC’95,Seattle,WA,USA,1,pp.306-310, 1995.
[8] ATSimmons., JYHung.: Hybridcontrol of systemswith poorlydefined relativedegree: theball-on-beamexample, 30thAnnualConferenceof IEEEIndustrialElectronicsSoci ety,2004. IECON2004,Busan,Korea(South),3,pp.2436 2440,2004.
[9] YFang,BMa,PWang.,XZhang.: AMotionPlanning-Based AdaptiveControlMethod for anUnderactuatedCraneSys tem, IEEETransactionsonControlSystemsTechnology,20, pp.241-248,Jan.2012.
[10] A.Choukchou-Braham.,C.Bensalah.,B.Cherki.: Stabiliza tionofanunder-actuatedmechanicalsystembyslidingmode control,Proc1stConfonIntelligentSystemsandAutomation CISA,1019,pp.80–84,June2008.
[11] RongXu.,ÜmitÖzgüner.: Slidingmodecontrol of aclass of underactuatedsystems, Automatica, 1019, pp. 233-241, January2008.
[12] Van,M.,Chen,L.: SlidingModeControlofaClassofUnder actuatedSystemWithNonintegrableMomentum, Journalof theFranklinInstitute,1019,pp.9484-9504,2020.
[13] MarkW.Spong.: EnergyBasedControlofaClassofUnder actuatedMechanicalSystems, 13thWorldCongressof IFAC, SanFranciscoUSA,29(1),pp.2828-2832,1996.
[14] XiaorongHuanghttps.,AncaLRalescuanca.,HaiboHuang.: Asurveyontheapplicationof fuzzysystems forunderactu atedsystems, Proceedingsof the InstitutionofMechanical Engineers,Part I:JournalofSystemsandControlEngineer ing,233(3),pp.217-244,2019.
[15] IHussein.,AMBloch.: OptimalControl ofUnderactuated NonholonomicMechanicalSystems, IEEETransactionson AutomaticControl,53(3),pp.668-682,April.2008.
[16] Olfati-Saber,R.: Nonlinearcontrolofunderactuatedmechan icalsystemswithapplicationtoroboticsandaerospacevehi cles, PhDdissertation,DepartmentofElectricalEngineering andComputer,MassachusettsInstituteofTechnology,2001.
[17] Park,M.S.,Chwa,D.K.: wing-upandstabilizationcontrolof inverted-pendulumsystemsviacoupledsliding-modecontrol method, IEEETrans.Ind.Electron,56,pp.3541–3555,2009.
[18] Hauser,J.,Sastry,S.,Kokotovico,P.: controlviaapproximate input-output linearization: thebeamandballexample, IEEE Trans.Autom.Control,37,pp.392–398,1992.
[19] AtalAnilKumar.,Jean-FrançoisAntoine.,GabrielAbba.: Op timal Input-OutputFeedbackLinearization for theControl of a4Cable-DrivenParallel Robot, IFAC-PapersOnLine, 52, pp.707-712,2019.
[20] JHauser.:Nonlinearcontrolviauniformnonlinearsystemap proximation, IEEEControlandDecisionConference,.1990.
[21] RLozano.,BernardBrogliato., IoanDoréLandau: Passiv ityandGlobalStabilizationofCascadedNonlinearSystems, IEEETransactionsonAutomaticControl, 37(9), pp. 1386 1388,October.1992.
[22] MWSpong., LPraly., BernardBrogliato., IoanDoréLan dau: of underactuatedmechanical systemsusingswitching andsaturation,ControlUsingLogic-basedSwitchin.Ed.A.S. Morse,Springer,222,pp.162-172.
[23] MohammadKeshmiri.,AliFellahJahromi.,AbolfazlMohebbi., MohammadHadi Amoozgar.,Wen-FangXi: Modelingand controlofballandbeamsystemusingmodelbasedandnon model basedcontrol approaches, IternationamJournal on smart sensingand intelligent systems , 5(1), pp. . 14-35, March.2012.

Jeśli masz wykupiony/przyznany dostęp - zaloguj się. Skorzystaj z naszych propozycji zakupu!

Publikacja


PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY- e-publikacja (pdf) z zeszytu 2024-9 , nr katalogowy 150381 licencja: Osobista Produkt cyfrowy Nowość	10.00 zł

Zeszyt


PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY- e-zeszyt (pdf) 2024-9 licencja: Osobista Produkt cyfrowy Nowość	85.00 zł

Prenumerata

PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY - prenumerata cyfrowa
licencja: Osobista

Produkt cyfrowy
Nowość

762.00 zł

PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY - PAKIET prenumerata PLUS
licencja: Osobista

Szczegóły pakietu

Nazwa
PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY - PAKIET prenumerata PLUS (Prenumerata papierowa + dostęp do portalu sigma-not.pl + e-prenumerata)	1002.00 zł brutto 927.78 zł netto 74.22 zł VAT (stawka VAT 8%)

1002.00 zł

PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY - papierowa prenumerata roczna + wysyłka
licencja: Osobista

Szczegóły pakietu

Nazwa
PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY - papierowa prenumerata roczna	960.00 zł brutto 888.89 zł netto 71.11 zł VAT (stawka VAT 8%)
PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY - pakowanie i wysyłka	42.00 zł brutto 34.15 zł netto 7.85 zł VAT (stawka VAT 23%)

1002.00 zł

Zeszyt

2024-9

Twój Koszyk

Publikacja

Zeszyt

Prenumerata

Zeszyt

Czasopisma