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Document type: Trabalho de Conclusão de Curso
Access type: Acesso Aberto
Title: Implementação de uma abordagem de controle preditivo em um pêndulo de duas rodas em ambiente de simulação numérica
Author: Santos, Rodrigo Rocha dos
First Advisor: Assis, Pedro Augusto Queiroz de
First member of the Committee: Gonçalvez, Rogério Sales
Second member of the Committee: Marques, Felipe Machini Malachias
Summary: O controle preditivo baseado em modelo (MPC - Model-based Predictive Control) tem como vantagens o tratamento sistemático de restrições, o cálculo da ação de controle minimizando-se um índice de desempenho e a aplicabilidade em sistemas com entrada e saída única e em sistemas com múltiplas entradas e/ou saídas. Com o intuito de estudar tal estratégia de controle, o presente trabalho tem como objetivo estabilizar em simulação numérica um pêndulo de duas rodas na posição vertical empregando MPC. Para isso, em um primeiro momento, investigou-se uma formulação de MPC com garantia de factibilidade recursiva. Isto é, com garantia de que o problema de otimização terá solução em todos os instantes de amostragem, caso a condição inicial seja factível. Essa formulação foi implementada com sucesso no controle de um duplo integrador. Contudo, no caso do pêndulo, os resultados não foram satisfatórios. Mais especificamente, notou-se que o estado relacionado com a posição angular da roda do veículo divergia com o passar do tempo. Para resolver o problema, modificou-se a função de custo para obtenção de garantia de convergência, onde considerou-se apenas a minimização do esforço de controle preditivo. Em outras palavras, de modo a se garantir que a ação de controle leve o sistema para o ponto de equilíbrio. Essa última formulação apresentou bons resultados no controle do pêndulo invertido, inclusive em simulações no modelo não linear com ruídos de medida e descasamentos de modelo. Isso reforça a importância do emprego de técnicas de MPC com garantias teóricas de factibilidade recursiva e convergência, o que pode ser interpretado como garantia de estabilidade.
Abstract: The main advantages of the Model-based Predictive Control (MPC) strategy are constraint handling, computation of the control action by minimizing a performance index and applicability on SISO (Single-Input and Single-Output) and on MIMO (Multiple-Input and Multiple-Output) systems. In order to study such control strategy, this work involves the stabilization of a two-wheel pendulum in the vertical position using MPC. For this purpose, at first, a MPC formulation with recursive feasibility guarantee was investigated. Such guarantee ensures that, if the optimization problem is initially feasible, then it will be feasible at all the following sampling instants. This formulation was successfully implemented on a double integrator. However, the simulation results on the inverted pendulum were not satisfactory. More specifically, it was noted that angular position of the wheel diverged. The problem was solved by modifying (as proposed in the literature) the cost function to obtain convergence guarantee, where only the minimization of the predictive control effort was considered. In other words, to ensure that the control action enforces the system state to the equilibrium point. This last formulation presented good results on controlling the inverted pendulum, including in simulations on the non-linear model with measurement noise and model mismatches. This reinforces the importance of applying MPC techniques with nominal guarantees of recursive feasibility and convergence, which can be interpreted as guarantee of stability.
Keywords: Controle preditivo baseado em modelo
Pêndulo de duas rodas
Garantia de estabilidade
Model-based predictive control
Two-wheel pendulum
Stability guarantee
Area (s) of CNPq: CNPQ::OUTROS::ENGENHARIA MECATRONICA
Language: por
Country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Uberlândia
Quote: SANTOS, Rodrigo Rocha dos. Implementação de uma abordagem de controle preditivo em um pêndulo de duas rodas em ambiente de simulação numérica. 2020. 69 f. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia Mecatrônica) – Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2020.
URI: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/30029
Date of defense: 1-Oct-2020
Appears in Collections:TCC - Engenharia Mecatrônica

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