Návrh vestavěného systému pro řízení výukového modelu rotačního kyvadla

Abstract

Obsahem diplomové práce je návrh a realizace konstrukčních úprav stávajícího modelu rotačního inverzního kyvadla, implementace řídícího algoritmu do mikrokontorléru dsPIC a navazující návrh elektroniky periferií. Cílem konstrukčního řešení je rozšířit funkcionalitu stávajícího prototypu a spolu s využitím mikrokontroléru zajistit jeho kompaktní řešení. Výchozím bodem je odvození mechanických rovnic systému jak analyticky tak pomocí multi-body modelu založeného na matematickém formalismu prostředí SimMechanics, které slouží k návrhu stavového regulátoru stabilizujícího kyvadlo v inverzní poloze. V návaznosti na vytvořený matematický model jsou experimentálně identifikovány parametry soustavy. Vyvinut byl rovněž swing-up kontrolér uvádějící kyvadlo do inverzní polohy. Regulátor je doplněn o diskrétní stavový estimátor rychlostí, přičemž jsou v rámci práce srovnávány různé koncepce jejich odhadu. Posledním bod práce je věnován návrhu nadřazeného stavového automatu přepínajícího mezi jednotlivými módy regulace obsahujícího rovněž algoritmy detekce chybových provozních stavů.

The basic aim of this work is to improve existing model of rotational inverted pendulum by adding new mechanical features, implement the control algorithm to dsPIC microcontroller and develop related control electronics thus extending the functionality of current model while making it more compact. The work contains derivation of dynamic equations both by means of analytical methods and multi-body formalism of SimMechanics. These are used to design a state controller stabilizing the pendulum in inverse position. In addition, parameters of the system are being estimated experimentally. Swing-up controller is developed to drive the pendulum to unstable position. Various state estimators are added to controller to improve the control process while comparing their overall performance. The last point is devoted to development of superior state-automaton designed to switch between different regulating modes including fail-detection algorithms providing smooth operation of the model.