Physical Modelling and identification of Mechatronic system

Akshay Kumar Gouni Manjunath

Diplomová práce

Anotace:

AKSHAY KUMAR GOUNI MANJUNATH. Fyzikální modelování a identifikace mechatronického systému. Ostrava, 2026. DIPLOMOVÁ PRÁCE. Ostrava: VŠB - Technická univerzita Ostrava, Fakulta strojního inženýrství. Tento semestrální projekt se zabývá modelováním, simulací a řízením mechatronického systému s vozíkem a kyvadlem, který představuje mostový průmyslový jeřáb. Hlavním cílem je aktivně potlačit kývání zavěšeného břemene během pohybu portálu pomocí stavového regulátoru. Jsou vyvinuty a porovnány tři doplňkové modely: matematický model odvozený z Lagrange-Eulerovy formulace a linearizovaný do stavového tvaru, fyzikální model vytvořený v MATLAB/Simulink s využitím Simscape Multibody a experimentální model realizovaný na vlastním testovacím zařízení s architekturou master-slave založenou na masteru kompatibilním s Arduino a uživatelském rozhraní ESP32. Poloha vozíku, úhel kyvadla a otáčky motoru jsou měřeny pomocí ultrazvukového senzoru HC-SR04, inerciální jednotky MPU6050 a enkodérů motoru s vhodnou filtrací, zatímco neměřené rychlosti jsou rekonstruovány pomocí Luenbergerova stavového pozorovatele. Zisky stavové zpětné vazby a zisky pozorovatele jsou vypočítány umístěním pólů v MATLABu a výsledný regulátor je aplikován na oba simulační modely, doplněný o metodologii vrstveného řízení s bezpečnostní logikou pro hardwarovou implementaci.

Abstract:

AKSHAY KUMAR GOUNI MANJUNATH. Physical Modelling and Identification of Mechatronics system. Ostrava, 2026. DIPLOMA THESIS. Ostrava: VSB - Technical University of Ostrava, Faculty of Mechanical Engineering. This term project deals with the modelling, simulation, and control of a cart-pendulum mechatronic system that represents an overhead industrial crane. The principal aim is to actively suppress the swinging of a suspended load during gantry motion by means of a state-space controller. Three complementary models are developed and compared: a mathematical model derived from the Lagrange–Euler formulation and linearized into state-space form, a physical model built in MATLAB/Simulink using Simscape Multibody, and an experimental model realized on a custom test rig with a master–slave architecture based on an Arduino-compatible master and an ESP32 user interface. Cart position, pendulum angle, and motor speed are measured using an HC-SR04 ultrasonic sensor, an MPU6050 inertial unit, and motor encoders, with appropriate filtering, while the unmeasured velocities are reconstructed by a Luenberger state observer. The state-feedback gains and observer gains are computed by pole placement in MATLAB, and the resulting controller is applied to both simulation models, supplemented by a layered control methodology with safety logic for hardware implementation.

Klíčová slova

MATLAB, Simulink, Simscape-multibody, Fyzikální modelování, Matematické modelování, Vozík-kyvadlo, Simulace.

Keywords

MATLAB, Simulink, Simscape-multibody, Physical modelling, Mathematical modelling, Cart-Pendulum, Simulation.

Jazyk práce: angličtina

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 11. 5. 2026

Obhajoba závěrečné práce

• Obhajoba proběhla 5. 6. 2026
• Vedoucí: Petr Noskievič
• Oponent: Marek Babiuch

VŠB – Technická univerzita Ostrava

Fakulta strojní

Magisterský studijní program:
Mechatronika