Modelování a řízení nelineárních podaktuovaných soustav

Tomáš Dočekal

Doctoral thesis

Modeling and control of nonlinear underactuated systems

Abstract:

Tato práce je zaměřena na návrh řízení nelineárních systémů. Předpokladem je nejen zajistit správnou funkčnost v okolí určitého pracovního bodu, ale především řešit přechod systému mezi dvěma stavy. Při přesouvání systému ve stavovém prostoru se často výrazně projevuje jeho nelineární chování. Návrh řízení je rozebírán jak ve variantě, kdy je požadováno pouhé splnění převodu mezi stavy, tak v podobě, u které se pomocí účelové funkce specifikují požadované vlastnosti daného přechodu a hledá se optimální řešení. V celém procesu návrhu řízení i při jeho ověřování se využívá v určité podobě model systému (model based design), tudíž modelování je nedílnou součástí této práce. Cílovou skupinou soustav, kterou se práce zabývá, jsou nelineární podaktuované systémy, byť většinu uvedených metod je možné použít obecně. Jako případová studie byl vybrán typický systém reprezentující tuto třídu – jednoramenné inverzní kyvadlo. Ověřování řízení pro realizaci jeho výšvihu probíhá nejen v simulaci, ale také na reálném laboratorním modelu. V závěrečné části práce probíhá návrh řízení pro víceramenná inverzní kyvadla, pomocí čehož se ověřuje univerzálnost celého návrhu a použitelnost metod pro extrémně složité systémy.

Abstract:

This thesis focuses on the design of nonlinear system control. The idea is not only to ensure correct functionality around a certain operating point, but also to solve the transition of the system between two states. When moving the system in the state space, its nonlinear behavior is often significantly manifested. The control design is discussed both in a variant where the transition between states is only required and in a form where the desired properties of the transition are specified using an objective function and an optimal solution is searched for. A model of the system is used in some form throughout the control design and verification process (model based design), so modelling is an integral part of this thesis. The target group of systems addressed in this thesis are nonlinear underactuated systems, although most of the methods presented can be applied in general. A typical system representing this class, the single-arm inverted pendulum, was chosen as a case study. Verification of the control to realize its swing-up is carried out not only in simulation but also using a real laboratory model. In the final part of the thesis, the design of the control for multi-arm inverted pendulums is performed, through which the universality of the overall design and the applicability of the methods to extremely complex systems are verified.

Keywords

nelineární podaktuované systémy, hledání optimálního řízení, dynamická optimalizace, dvoubodový okrajový problém, řídicí struktura se dvěma stupni volnosti, časově proměnný LQR, časová symetrie, přímá kolokace, inverzní kyvadlo

Keywords

Nonlinear underactuated systems, optimal control problem, dynamic optimization, two point boundary value problem, two degrees of freedom control structure, finite horizon LQR, time reversal symmetry, direct collocation, inverted pendulum

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 27. 1. 2022

Thesis defence

• Date of defence: 10. 6. 2022
• Supervisor: Štěpán Ožana
• Reader: Antonín Víteček, Vladimír Vašek, Miloš Schlegel

VSB – Technical University of Ostrava

Fakulta elektrotechniky a informatiky

Doctoral programme / field:
Elektrotechnika / Technická kybernetika