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θ

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model and control Ball and beam system

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Page 1: Ball and beam system

Proyecto Final Sistemas Lineales: Sistema Viga-Esfera

Juan José Quiroz Omaña

25 de junio de 2015

Resumen

This work contains an analysis of linear systems theory of beam ball system. The concepts of state

space, balanced realizations, controllability, observability are used. Also feedback control of estimated

states is performed.

1. Introducción

El sistema viga esfera consiste en balancear una esfera sobre una viga, controlando la posición de laprimera mediante la inclinación de la segunda. Es un sistema clásico en los laboratorios de control y estárelacionado con problemas como la estabilización de un avión por ejemplo.(Wang, 2007) El sistema tiene dosgrados de libertad. El sistema es no lineal, y en lazo abierto inestable. Para pequeñas variaciones en el ángulode inclinación de la viga, es posible linealizar el sistema.

2. Modelo matemático

El sistema consiste en una esfera que puede moverse sobre una viga de acuerdo a la inclinación de lamisma. La viga posee una canaleta que restringe el movimiento de la esfera. En la �gura 1 se observa elesquema del sistema, donde P denota la posición de la esfera, y θ representa la posición angular de la viga.Éstas son las coordenadas generalizadas.(Colón and Andrade, 2013)

Figura 1: Sistema Viga-Esfera

1

Page 2: Ball and beam system

El Lagrangiano del sistema está de�nido por(Shankar and Harmon, 1986):

L = K − U (1)

Donde K y U denotan la energía cinética y potencial respectivamente.La energía cinética de la viga es

K1 =1

2Jθ2 (2)

Donde J y θes el momento de inercia y la velocidad angular de la viga.La energía cinética de la esfera es

K2 =1

2Jbθ2b +

1

2mv2b (3)

Donde Jb , θb,vb y m representan el momento de inercia, la velocidad angular, la velocidad lineal y lamasa de la esfera respectivamente.

Figura 2: Velocidad lineal y angular de la esfera

De la �gura 2 puede observarse que

θb =P

r(4)

La velocidad en función de las coordenadas generalizadas está dada por

v2b = x2 + y2 (5)

x = pcosθ (6)

x = pcosθ − pθsenθ (7)

y = sinθ (8)

y = psinθ + pθcosθ (9)

Reemplazando (7) y (9) en (5)v2b = p2 + p2θ2 (10)

Reemplazando (4) y (10) en (3) y agregando (2)

2

Page 3: Ball and beam system

K =1

2

(Jbr2

+m

)P 2 +

1

2mp2θ2 +

1

2Jθ2 (11)

La energía potencial del sistema esta dada por

U = mgpsenθ (12)

Reemplazando (11) y (12) en (1) se obtiene el Lagrangiano y esta dado por

L =1

2

(Jbr2

+m

)P 2 +

1

2

(mp2 + J

)θ2 −mgpsenθ (13)

La primera ecuación de Euler-Lagrange esta dada por

d

dt

(∂L

∂P

)− ∂L

∂P= 0 (14)

se tiene (Jbr2

+m

)P +mgsenθ −mpθ2 = 0 (15)

La segunda ecuación de Euler-Lagrange esta dada por

d

dt

(∂L

∂θ

)− ∂L

∂θ= τ (16)

Donde τ es el torque aplicado a la viga.(mp2 + J

)θ + 2mPP θ +mgPcosθ = τ (17)

3. Representación en el espacio de estados

Se de�ne el vector de estados

x =

x1x2x3x4

=

P

θ

Se reescriben las ecuaciones (15) y (17)

x =

x1x2x3x4

=

x2

mx1x24−mgsinx3(Jbr2

+m)

x4τ−mgx1cosx3−2mx1x2x4

(mx21+J)

= f(x, τ)

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Page 4: Ball and beam system

4. Linealización en un punto de operación

El punto de operación es de�nido en el punto de equilibrio, en el cual la posición de la esfera es constante,y el ángulo de inclinación de la barra es cero. También se de�ne una entrada para mantener dicho equilibro(Colón and Andrade, 2013). Así, respectivamente

x0 =

x01x02x03x04

=

P0

000

uτ = mgP0

Realizando la matriz Jacobiana con respecto a las variables de estado y evaluandola en el punto deoperación resulta la matriz A(Keshmiri and Jahromi, 2012).

A =∂f

∂x(x0, τ0) =

0 1 0 00 0 −mg

Jbr2

+m0

0 0 0 1−mg

mP 20 +J

0 0 0

Realizando la matriz Jacobiana con respecto a la entrada τ y evaluandola en el punto de operación uτ

resulta la matriz B(Keshmiri and Jahromi, 2012)

B =∂f

∂τ(x0, τ0) =

0001

mP 20 +J

La salida del sistema es la posición de la esfera, así la matriz C es de�nida como

C =[

1 0 0 0]

Con los siguientes datos(Colón and Andrade, 2013)m = 0,11kgr = 0,015mg = 9,81ms2J = 19e− 3 kb ·m2

Jb = 9,99e− 6 kg ·m2

P0 = 0Se tiene el sistema lineal en espacio de estados

x =

0 1 0 00 0 −7 00 0 0 1

−57,31 0 0 0

x+

000

52,63

u

y =[

1 0 0 0]x

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Page 5: Ball and beam system

5. Controlabilidad y Observabilidad

La matriz de controlabilidad está dada por [B A*B A*A*B A*A*A*B]

ctrb =

0 0 0 −3680 0 −368,79 00 52,63 0 0

52,63 0 0 0

Es de rango completo y su determinante es 376760000. El sistema es por tanto controlable y su matrizestá lejos de la singularidad, es decir, tiene un buen condicionamiento.

El grammiano de controlabilidad con�rma un buen condicionamiento , teniendo autovalores grandes; entremás grandes sean sus autovalores menor será la energía mínima para llevar un estado a otro.

Wc = 1 · 1017

−0,020 0 0,003 0

0 0,023 0 −1,2960,003 0 −0,185 0

0 −1,296 0 0,191

eig(Wc) = 1 · 1017

−1,2−0,185−0,0221,406

Acontinuación se presenta el análisis de observabilidad para los casos en que se mide únicamente un estadopor vez.

C=[1 0 0 0] C=[0 1 0 0] C=[0 0 1 0] C=[0 0 0 1]

R 4 4 4 4dG 6.48e+50 1.17e+50 2.83e+54 4.86e+59cG 26.33 15.36 29.59 14.66

eigW

{−7,3e121,7e13ι

}{

−7,3e12−1,7e13ι

}{

−3,53e111,32e12ι

}{

−3,53e11−1,32e12ι

}

{1,5e142,3e14ι

}{

1,5e14−2,3e14ι

}{

−8,13e123,79e13ι

}{

−8,13e12−3,79e13ι

}

{−6,83e131,38e14ι

}{

−6,83e13−1,38e14ι

}{

−3,12e121,04e13ι

}{

−3,12e12−1,04e13ι

}

{1,05e151,96e15ι

}{

1,05e15−1,96e15ι

}{

−7,82e133,03e14ι

}{

−7,82e13−3,03e14ι

}

Cuadro 1: Datos de las matrices y los gramianos de observabilidad.

En la tabla 1 se aprecia información sobre las matrices y grammianos de observabilidad. R denota el rangode la matriz de observabilidad, dG denota el determinante del gramiano de observabilidad, cG denota lafunción cond de matlab aplicada al gramiano de observabilidad, que mide el condicionamiento de una matriz,entre más cerca a la unidad es mejor invertible, �nalmente, eigW denota los autovalores del grammiano deobservabilidad.

Se observa, que en todos los casos, el sistema es observable y en general con �buena calidad� de observación.

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Page 6: Ball and beam system

6. Respuesta en lazo abierto

La matriz A tiene autovalores

eig(A) =

−4,47 + 0ι0 + 4,47ι0 − 4,47ι4,47 + 0ι

Puede notarse que tiene un autovalor real positivo. Claramente el sistema es inestable.

Figura 3: Respuesta en lazo abierto

En la �gura 3 se observa la respuesta del sistema linealizado en lazo abierto. Como se esperaba, es inestable.Para esta simulación se usó una entrada cero y se colocó una condicion incial en el ángulo de inclinación dela barra.

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Page 7: Ball and beam system

7. Control por realimentación de estados

Figura 4: Diagrama de bloques del control por realimentación de estados

En la �gura 4 se muestra el esquema de bloques usado en simulink. El diseño del control por estadosrealimentados fué hecho en base a las ecuaciones 8.3 presentadas en el libro de estudio del curso (Chi-Tsong-Chen, 1999).

x = (A−BK)x+Br

K = place(A,B,[−2 −3 −4 −5

])

K =[−1,41 −0,41 1,34 0,26

]

Cuadro 2: Respuesta al escalón unitario del sistema con realimentación de estados.

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Page 8: Ball and beam system

8. Estimador asintótico de orden completo

Figura 5: Diagrama de bloques del control por realimentación de estados con observador de completo

En la �gura 5 se observa el diagrama de bloques del control con observador de orden completo. El procesode diseño se realizó mediante la ecuación 8.40 del libro del curso (Chi-Tsong-Chen, 1999). Se eligieron polos5 veces más rápidos que los polos del sistema (Ogata, 2003).

˙˙x = (A− IC)x+Bu+ 1y

I = place(A′, C ′, [ −25 −26 −27 −28 ])′

˙x =

−106 1 0 0−4211 0 −7 010604 0 0 170128 0 0 0

ˆ

x+

000

52,63

u+

10642111060470186

y

Figura 6: Comparación entre el estado medido y estimado.

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Page 9: Ball and beam system

9. Función de transferencia

La función de transferencia del sistema linealizado está dada por Chi-Tsong-Chen (1999)

G(s) = C (sI −A)−1B +D

G(s) =−368,8

s4 − 8,882 · 10−16s3 + 2,84 · 10−14s2 − 2,84 · 10−14s− 401,6

Esta es la función de transferencia del sistema linealizado. Sus gramianos de controlabilidad y observabi-lidad son

Wc =

−2,26 · 1015 1,5 3,33 · 1014 23

1,5 2,33 · 1015 −20 −1,29 · 1017

3,33 · 1014 −20 −1,85 · 1016 −2223 −1,29 · 1017 −22 1,91 · 1016

Wo =(1013

−1,41 1,80 0,38 −0,37−1,80 0,05 0,37 −0,020,38 −0,37 −0,17 0,220,37 −0,02 −0,22 0,006

y sus determinantes son

det(Wc) = −6,99 · 1065

det(Wo) = 6,48 · 1050

claramente, aunque sus determinantes no están cerca de la singularidad, se aprecia que el sistema no estábalanceado, es decir, no es igual de controlable a observable.

9.1. Realización Balanceada y Reducida

Se calcula una realización balanceada mediante la función balreal de Matlab.

[sysb, g] = balreal(sys)

la cual retorna la nueva realización balanceada y los valores singulares de Hankel

x =

3,04 · 10−16 5,01 2,43 0

−4 3,044 · 10−16 1,92 · 10−15 00 0 4,47 00 0 0 −4,47

x+

2,35−0,301,26−1,01

u

y =[

9,99 · 10−16 −1,146 −1,09 −1,01]x

g =

infinfinf

0,1148

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Page 10: Ball and beam system

Se puede puede apreciar que el último valor singular es despreciable con respecto a los otros tres. Entonces,es posible reducir el sistema.

sysr = modred(sysb, [4],′ del′)

Gr = tf(sysr)

Gr =−1,028s2 + 9,202s− 61,79

s3 − 4,447s2 + 20,04 − 89,71

Cuadro 3: Respuesta escalón unitario de los tres modelos.

10. Regulación y seguimiento

Para que el sistema pueda seguir una referencia constante se incorporó una ganancia anticipativa (feedfo-ward gain). Esto es posible siempre y cuando gf no tenga ceros en s=0. Donde gf es la función de transferenciageneral del sistema.(Chi-Tsong-Chen, 1999)

gf=pβ1s

3 + β2s2 + β3s+ β4

s4 + α1s3 + α2s2 + α3s+ α4

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Page 11: Ball and beam system

Figura 7: Diagrama de bloques del sistema en lazo cerrado con ganancia anticipativa

La función de transferencia del sistema con la realimentación de estados está dada por

gf =−368,8

s4 + 14s3 + 71s2 + 154s+ 120

Para una referencia constante, ( con frecuencia cero) se requiere una ganancia unitaria.

1 = gf (0) = pβ4α4

En la �gura 7 se observa el diagrama del sistema con la ganancia anticipativa.

Figura 8: Posición de la esfera para una referencia de 4cm y -4cm

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11. Simulaciones

Figura 9: Respuesta del sistema linealizado a una referencia cuadrada y con perturbación

Figura 10: Respuesta del sistema NO lineal a una referencia cuadrada y con perturbación

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Figura 11: Respuesta del sistema linealizado sin perturbaciones y con ruido en la medición de x1

Figura 12: Respuesta del sistema No lineal sin perturbaciones y con ruido en la medición de x1

12. Trabajos Futuros

Diseñar un sistema de control de seguimiento robusto y de rechazo de disturbios.

Simular la dinámica del sistema en V-REP

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13. Conclusiones

Se implementó en Matlab/Simulink el modelo no lineal y el linealizado, con control por realimentaciónde estados, observador de orden completo y ganancia anticipativa para seguimiento y regulación.

El modelo lineal es ideal para el uso de técnicas de control más sencillas, pero dicho modelo sólorepresenta al modelo general en un punto de operación.

El observador de estados permite estimar todos los estados siempre que el sistema sea observable. Sinembargo, con un pequeño ruido que tenga la variable medida, afecta considerablemente la estimación.

Referencias

Chi-Tsong-Chen (1999). LINEAR SYSTEM THEORY AND DESIGN (Third ed.). New York.

Colón, D. and Y. S. Andrade (2013). Modeling , Control and Implementation of a Ball and Beam System.

Keshmiri, M. and A. Jahromi (2012). Modeling and Control of Ball and Beam System Using Model Basedand Non-Model Based Control Approaches. . . . Intelligent Systems 5 (1), 14�35.

Ogata, K. (2003). Ingeniería de control moderna.

Shankar, K. S. and T. L. Harmon (1986). Introduction to Robotics. IEEE Expert 1 (2).

Wang, W. (2007). Control of a Ball and Beam System.

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