Diseño e implementación de un sistema de control de posición digital predictivo para un motor DC sujeto a cargas no lineales

Abstract

En esta tesis se plantea el problema de control de posición de un sistema de una entrada y una salida (SISO), sujeto a cargas no lineales, empleando la metodología de Control Predictivo Basado en Modelo (MBPC). El sistema no lineal a controlar consiste de un servomotor DC de imán permanente con reducción, una etapa de potencia y una varilla acoplada al eje del motor. Los componentes del sistema de control de posición son: El actuador, que incluye un generador PWM (Modulación por Ancho de Pulso) y un amplificador PWM upo H; un servomotor DC; el bloque sensor, que incluye un codificador óptico incremental que sensa la posición angular y su sentido de giro; una interfaz de entrada/salida LAB-PC+; y, una PC Pentium. El software usado para la simulación es MATLAB y el lenguaje usado para la implementación del algoritmo de control de posición es O para la plataforma DOS. El proceso no lineal se modela usando ecuaciones que gobiernan su dinámica, que luego de ser linealizadas y discretizadas, se aplica la técnica de control predictivo para mostrar la respuesta del sistema controlado a referencias deseadas. Los resultados experimentales demuestran que el controlador predictivo es capaz de estabilizar la posición del servomotor en presencia de cargas no lineales variables y en presencia de restricciones a la entrada del sistema. En el apéndice A se estudia la técnica de control de posición polinomial usando la ecuación Diofantina, presentando los resultados de la simulación para efectos de comparación con el control predictivo.

This thesis deals with the problem of controlling a nonlinear position process using the Model Based Predictive Control (MBPC). The single-input-single-output (SISO) process is a DC servomotor (with permanent magnet, conmutation brushes and gear reduction mechanism) driving a nonlinear load. Such a load, a metal road attached to the motor shaft, is able to roate (like a robot manipulator) in a plane perpendicular to the shaft, The components of the implemented position control system are: The actuator, that includes a PWM (Pulse Width Modulation) signal generator and a H-type PWM-amplifier: DC servo motor; the sensor block, that includes an incremental optical encoder that senses angular position and its sign; a Lab-PC+ Input/Output interface; and, a compatible PC with Pentium microprocesador. All the simulation tasks were developed using MATLAB and the required control software were written in c-code by DOS platform. The non linear process is modelled using linearized and discretized equations in order to apply the predictive control technic for different set-points signals. The experimental resulte demonstrates that the predictive controller is able to stabilize the position of the nonlinear load despite the presence of variable non-linear loads restrictions in the input process. Appendix A deals with the position control problem developed above, but using the Diofantina equation.