شبيه‌سازي و پياده‌سازي آزمايشگاهي كنترلر شبه لغزشي روي سيستم پاندول معكوس براي تاب به وضعيت قائم در حين تثبيت موقعيت

Simulation and Implementation of Swinging-Up and Sliding Positioning Control of an Inverted Pendulum System

شبيه‌سازي و پياده‌سازي آزمايشگاهي كنترلر شبه لغزشي روي سيستم پاندول معكوس براي تاب به وضعيت قائم در حين تثبيت موقعيت پاندول معكوس يكي از سيستم‌هاي پرچالش از نظر ديناميكي و كنترلي است و به‌همين دليل جهت برآورد كارآيي كنترل‌كننده‌هاي جديد مورد توجه است. پيچيدگي مسأله وقتي افزوده مي‌شود كه در مورد به‌حالت قائم درآوردن پاندول از وضعيت تعادل پاييني بحث شود. اين سيستم، سيستمي غيرخطي و كم‌عملگر است و اين خاصيت‌ها چالش‌هاي بزرگ كنترلي محسوب مي‌شوند. به‌همين دليل استفاده از كنترل‌كننده‌هاي متداول براي اين سيستم مناسب نيست. البته اين سيستم از حيث كنترل‌پذيري با وجود يك ورودي داراي شرايط لازم مي‌باشد. در اين تحقيق يك كنترل‌كننده دو مرحله‌اي بر پايه انرژي سيستم به‌منظور حركت پاندول از تعادل پاييني به‌سمت تعادل ناپايدار بالايي و حفظ آن در اين نقطه ارائه شده‌است. در اين كنترل‌كننده، انتقال از قسمت غيرخطي به قسمت خطي توسط يك مسير لغزشي پايدار انجام مي‌شود. استفاده از اين مسير لغزشي به‌جاي انتقال مستقيم، هزينه كنترلي سيستم براي پايدارسازي را كاهش داده و گذري هموار از قسمت غيرخطي به خطي ايجاد مي‌كند. اين گذر هموار امكان موفقيت كنترل‌كننده در شرايط مختلف را نيز فراهم مي‌كند. نتايج شبيه‌سازي و تست‌هاي عملي نيز اين موضوع را تاييد مي‌نمايند.

The inverted pendulum system is recognized as one of the most challenging dynamic systems. The complication becomes even more involved when switching from the downside to upside configurations by reciprocating motions of the base cart is intended. Considering the large range of motion, the swinging-up control of the pendulum is not achievable through linearization and conventional nonlinear control methods do not apply due to the under-actuated character of the system. In the present research, an energy-based method with sliding control aspects is designed that assures a smoothly transition from the lower stable to upper unstable equilibrium state. This approach permits to design a proper Lyapunov candidate established on physical intuition. The controller permits to reach and stabilize to the new state while tracking a defined path with minimal effort simultaneously. The dynamics of the actuator has been included in the controller to reach a realistic model. The proposed method is implemented on an experimental apparatus that perfectly supports the simulation results.