Comparative study of control strategies for an inverted pendulum using numerical simulation tools

Abstract

El proyecto a realizar surge de la necesidad y la búsqueda de implementar procesos de aprendizaje que se ajusten más a la realidad y que sirva de utilidad a los futuros ingenieros. Esta nueva metodología busca implementarse en la asignatura Senior Design I, la cual sirve de introducción para la realización del proyecto final de grado. El objetivo principal de esta iniciativa es introducir el uso de softwares de diseño y desarrollo que permita a los estudiantes observar los comportamientos de distintos sistemas mecánicos y que, a su vez, este les permita realizar cambios con relativa facilidad para estudiar los efectos que estos tienen en el sistema.

Por este motivo, el estudio propuesto se realiza como un ejemplo que podría implementarse en esta futura metodología. Este es el caso del estudio de estrategias de control para un péndulo invertido utilizando herramientas de simulación numérica en el programa de SolidWorks, a través de la herramienta de SolidWorks Motion.

Para ello se elaboran una serie de estrategias de control basado en el control de distintas variables del mecanismo como velocidades y desplazamientos. Con esto, se consigue llegar a un método de control que es capaz de equilibrar el péndulo en su punto de equilibrio superior y lograr reducir la velocidad del sistema a cero.

Tras el estudio y el análisis, se procedió a construir un dispositivo el cual, tras incorporar un sistema de control, fuese capaz de realizar la misma función que en las simulaciones realizadas en el software. Únicamente se construyó el mecanismo, la aplicación del sistema de control no corresponde a este proyecto.

The project to be carried out arises from the need and the search to implement learning processes that adjust more to the reality and that serve as a utility to the future engineers. This new methodology seeks to be implemented in the subject Senior Design I, which serves as an introduction to the completion of the final degree project. The main objective of this initiative is to introduce the use of design and development software that allows students to observe the behavior of different mechanical systems and, in turn, this allows them to make changes relatively easily to study the effects they have in the system.

For this reason, the proposed study is done as an example that could be implemented in this future methodology. This is the case of the study of control strategies for an inverted pendulum using numerical simulation tools in the SolidWorks program, through the SolidWorks Motion tool.

For this, a series of control strategies are elaborated based on the control of different variables of the mechanism such as speeds and displacements. With this, it is possible to reach a control method that is able to balance the pendulum at its upper equilibrium point and reduce the speed of the system to zero.

After the study and analysis, we proceeded to build a device which, after incorporating a control system, was able to perform the same function as in the simulations performed in the software. Only the mechanism was built, the application of the control system does not correspond to this project.