Plataformas de aprendizaje: control de un péndulo invertido

Abstract

El presente trabajo consistió en desarrollar una plataforma de aprendizaje de péndulo invertido, que permita implementar técnicas de control clásico y moderno. La implementación de esta plataforma en los cursos de Sistemas de Control 1 y Sistemas de Control 2 del Departamento de Ingeniería Electrónica, Mecatrónica y Biomédica de la Universidad del Valle de Guatemala permite un análisis y estudio más práctico de las técnicas de control en sistemas físicos, mejorando el desarrollo de las competencias sobre los principios básicos de control. Para el desarrollo de la plataforma se seleccionaron componentes mecánicos y electrónicos que cumplen con los requerimientos para la dinámica sistema, de manera que el sistema se desempeñara de forma estable y confiable, con la menor fricción posible. El desplazamiento lineal del péndulo se basó en un perfil de aluminio con un carro deslizante, el cual se moviliza con una faja dentada conectada a un motor stepper Nema 17. Se implementó un encoder magnético AS5600 para realizar las lecturas de las variables de estado del sistema: ángulo del péndulo, velocidad angular, posición del carro y velocidad lineal. Los sistemas de control se desarrollaron en el microcontrolador NUCLEO-F446RE STM32, donde se implementó un PID y un control por variables de estado. Se logró estabilizar el péndulo en dos posiciones distintas, colocado hacia abajo y hacia arriba. Se calibraron y modificaron los valores teóricos calculados para cada sistema de control. La calibración del control hacia arriba requirió de mayor precisión, ya que el sistema es muy inestable. Adicionalmente, se desarrolló una interfaz en Python para que el usuario pueda interactuar con el sistema, visualizar las variables de estado y modificar los parámetros del control en tiempo real.

This project involved the development of an inverted pendulum learning platform, designed to implement both classical and modern control techniques. The implementation of this platform in the Control Systems 1 and Control Systems 2 courses at the Department of Electronic, Mechatronics, and Biomedical Engineering at Universidad del Valle de Guatemala allows for a more practical analysis and study of control techniques in physical systems, enhancing the development of competencies in the fundamental principles of control. For the platform's development, mechanical and electronic components were selected to meet the system's dynamic requirements, ensuring stable and reliable performance with minimal friction. The linear displacement of the pendulum was based on an aluminum rail with a sliding carriage, driven by a toothed belt connected to a Nema 17 stepper motor. An AS5600 magnetic encoder was implemented to measure the system's state variables: pendulum angle, angular velocity, carriage position, and linear velocity. The control systems were developed using the NUCLEO-F446RE STM32 microcontroller, where a PID and a state-variable control were implemented. The pendulum was successfully stabilized in two di erent positions: facing down and facing up. The theoretical values calculated for each control system were calibrated and adjusted. The calibration for the upward control required greater precision, as the system is highly unstable. Additionally, a Python interface was developed to allow the user to interact with the system, visualize the state variables, and modify the control parameters in real-time