Controladores clássicos e com modos deslizantes aplicados ao pêndulo invertido com roda de reação

Abstract

Neste trabalho foi realizada a simulação e implementação prática do controle do sistema Pêndulo Invertido por Roda de Reação (PIRR), utilizando componentes de hardware de baixo custo. Foi considerado uma estratégia de controle switch para atuação dos controla dores swing up e de estabilização. Esse método de controle switch integra dois controladores distintos: um para elevar o pêndulo até a região invertida, e outro para controlá-lo no ponto de equilíbrio instável na posição invertida. Assim, foi considerado um controlador swing up não linear para resolver o problema de movimentar o pêndulo da posição de equilíbrio estável até atingir uma posição favorável para a aplicação de um controlador de estabilização. Para a região de estabilização, foram projetados controladores lineares, PID e alocação de autovalores, e um controlador não linear baseado na técnica de Controle por Modos Deslizantes convencional (CMD). O comportamento do sistema PIRR, com os con troladores projetados, foi verificado através de simulações com o MATLAB/SIMULINK®. As leis de controle foram programadas em script desenvolvido na IDE Arduino (do inglês, Integrated Development Environment), utilizando o microcontrolador ESP32, e a coleta de dados foi realizada através da comunicação serial entre o MATLAB® e ESP32. Foram calculados índices de desempenho para avaliar a resposta da variável controlada na região de estabilização.

In this work, the practical implementation of the control system for the Reaction Wheel Inverted Pendulum (RWP) was carried out using low-cost hardware components. A hy brid control strategy was adopted to operate the swing-up and stabilization controllers. This hybrid control method integrates two distinct controllers: one designed to raise the pendulum to the inverted region, and another to stabilize it at the unstable equilibrium point in the inverted position. A nonlinear swing-up controller was designed to address the problem of moving the pendulum from the stable equilibrium position to a favorable position for the application of a stabilization controller. For the stabilization region, lin ear controllers—PID and state-feedback—were designed, as well as a nonlinear controller based on the conventional Sliding Mode Control (SMC) technique. The behavior of the RWPsystem, with the designed controllers, was verified through simulations performed in MATLAB/SIMULINK®. The control laws were programmed using scripts developed on the Arduino IDE with the ESP32 prototyping board, and data collection was performed through serial communication between MATLAB® and the ESP32. Performance indices were calculated to evaluate the response of the controlled variable in the stabilization region